激光-超精密磨削協(xié)同加工碳化硅的表面與亞表層損傷研究.pdf

1、激光微加工在多個工業(yè)工程領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，因其超快的加工速度。然而，當(dāng)使用聚焦激光束來進(jìn)行局部材料去除時，尤其是納秒激光，加工的表面、亞表層和附近區(qū)域容易受到熱損傷。這樣的損傷經(jīng)常使加工的表面惡化。研究表明，加工零件的可靠性依賴于制造精度；因而改善零件表面和亞表層質(zhì)量已經(jīng)成為了激光加工領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性問題。
　　本課題主要實(shí)驗(yàn)研究了碳化硅(SiC)在納秒激光-超精密磨削協(xié)同加工時的亞表層損傷。過去幾十年中，已有研究者探究了

2、加工工藝參數(shù)與產(chǎn)生的表面改變本質(zhì)以及產(chǎn)品功能特性之間的關(guān)系。這背后的驅(qū)動力是對提升零件功能性、可靠性和耐用性的持續(xù)需求，因此，刺激了耐受性增強(qiáng)材料和高性能制造方法的發(fā)展，以適應(yīng)極端負(fù)載條件和腐蝕環(huán)境。納秒激光因其良好的微結(jié)構(gòu)加工性能而聞名，它的微加工技術(shù)是精密加工硬脆材料的有效方法之一。尤其是在加工以碳化硅為代表的超硬材料時，體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，激光加工時引起的亞表層損傷卻不容忽視。在這方面，本文主要對其產(chǎn)生原因、損傷程度和通過超精

3、密磨削避免或降低損傷影響進(jìn)行了研究。
　　當(dāng)加工碳化硅時，由于其固有本質(zhì)，在加工的亞表層會出現(xiàn)微裂紋。由于該原因，加工效率很低。為了解決該問題，本課題中對納秒激光微加工和超精密磨削后的碳化硅亞表層損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以改善碳化硅的加工性能。
　　本課題中的實(shí)驗(yàn)工作包括激光加工和超精密磨削后的碳化硅亞表層損傷。在本課題中，碳化硅先被納秒激光微加工。分析了工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、輔助氣體氣壓、重復(fù)頻率）對預(yù)加工工序的影響，

4、即微槽的深寬比。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了最佳工藝參數(shù)，因?yàn)樗鼘Ξa(chǎn)品質(zhì)量和成本有重要影響。在今天這個不確定性和激烈競爭并存的市場環(huán)境下，傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)法不足以滿足全球化的巨大挑戰(zhàn)。考慮到這一點(diǎn)，在本研究中優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)時采用了田口試驗(yàn)法。由于其實(shí)用性和魯棒性，田口實(shí)驗(yàn)法在設(shè)計(jì)多參數(shù)問題的實(shí)驗(yàn)時已經(jīng)獲得了巨大的成功。
　　采用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)表，還采用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了激光加工工藝參數(shù)交互作用。利用

5、了田口正交試驗(yàn)表和信噪比(S/N)來尋找最佳工藝參數(shù)值，并分析了工藝參數(shù)對微槽深寬比的影響。在曲線圖的幫助下，獲得了最佳工藝參數(shù)值并進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。
　　采用最佳工藝參數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是為了說明工藝優(yōu)化的有效性，在仔細(xì)選用了優(yōu)化過的工藝參數(shù)后；在碳化硅工件上使用納秒脈沖激光加工了兩個V形槽微結(jié)構(gòu)。使用了共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡來分析截面形貌和亞表層損傷。檢測結(jié)果為碳化硅的激光加工性能提供了有價值的深刻理解。
　　其中