本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：激光微加工在多個工業(yè)工程領(lǐng)域和醫(yī)學領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,因其超快的加工速度。然而,當使用聚焦激光束來進行局部材料去除時,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。本課題主要實驗研究了碳化硅(Si C)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,刺激了耐受性增強材料和高性能制造方法的發(fā)展,以適應(yīng)極端負載條件和腐蝕環(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密磨削避免或降低損傷影響進行了研究。當加工碳化硅時,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行了實驗研究,以改善碳化硅的加工性能。本課題中的實驗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,即微槽的深寬比。根據(jù)實驗結(jié)果確定了最佳工藝參數(shù),因為它對產(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)試驗法不足以滿足全球化的巨大挑戰(zhàn)�？紤]到這一點,在本研究中優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)時采用了田口試驗法。由于其實用性和魯棒性,田口實驗法在設(shè)計多參數(shù)問題的實驗時已經(jīng)獲得了巨大的成功。采用田口試驗設(shè)計方法設(shè)計了本實驗中的參數(shù)表,還采用田口試驗設(shè)計方法研究了激光加工工藝參數(shù)交互作用。利用了田口正交試驗表和信噪比(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)值并進行了驗證性實驗。采用最佳工藝參數(shù)值進行驗證性實驗是為了說明工藝優(yōu)化的有效性,在仔細選用了優(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。其中一個V形槽在被納秒激光加工后就立即進行了檢測分析研究,而另一個V形槽則在納秒激光加工后又進行了超精密磨削,然后再進行了亞表層損傷研究。為了確定納秒激光加工碳化硅的影響以及超精密磨削是否能消除或減輕納秒激光加工帶來的損傷,進行了亞表層損傷研究。本課題中的亞表層研究證明了超精密磨削可以減輕納秒激光加工碳化硅時帶來的損傷。
【關(guān)鍵詞】：微結(jié)構(gòu) 納秒脈沖激光 激光參數(shù)優(yōu)化 超精密磨削和亞表層損
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.6;TN249
【目錄】：

• Abstract4-6
• 摘要6-11
• Chapter 1 Introduction11-21
• 1.1 Research Background11-12
• 1.2 Research Motivation12
• 1.3 Thesis contribution12-13
• 1.4 Thesis organization13-14
• 1.5 Literature review14-20
• 1.5.1 Laser micromachining14-16
• 1.5.2 Ultra-precision grinding16-19
• 1.5.3 Silicon Carbide19-20
• 1.6 Summary20-21
• Chapter 2 Laser Machining Principle and Application21-42
• 2.1 Introduction21-24
• 2.2 Application of laser24-25
• 2.3 Laser material processing25-31
• 2.3.1 Laser matter interaction in material processing26-27
• 2.3.2 Interaction of electromagnetic radiation with matter27-28
• 2.3.3 Laser-induced optical breakdown28
• 2.3.4 Avalanche ionization28-29
• 2.3.5 Multiphoton ionization29-30
• 2.3.6 Energy absorption30-31
• 2.4 Laser machining/micromachining processes31-34
• 2.4.1 Advantages of laser machining33-34
• 2.4.2 Disadvantages of laser machining34
• 2.5 Laser cutting34-36
• 2.5.1 Laser grooving35-36
• 2.6 Laser machining effects on materials36-37
• 2.7 Nanosecond-Laser Ablation37-40
• 2.7.1 Ablation Mechanisms38-40
• 2.8 Machined materials? subsurface damage (SSD)40-41
• 2.9 Summary41-42
• Chapter 3 Design of Experiment42-58
• 3.1 Experimental procedure42
• 3.2 Experimental details42-43
• 3.3 Experimental Setup43-44
• 3.4 Work material44-45
• 3.4.1 Properties of Silicon Carbide44-45
• 3.5 Nanosecond pulse laser micro- machining45-46
• 3.6 Experiment parameters? optimization46-47
• 3.6.1 Need for optimization in manufacturing industries47
• 3.7 Methodology47-56
• 3.7.1 Taguchi method47-49
• 3.7.2 Selection of factors and their levels49
• 3.7.3 Selection of OA and assignment of factors49-50
• 3.7.4 Experimental work50-53
• 3.7.5 Optimization Experimental Analysis53-54
• 3.7.6 Analysis of S/N Ratio54-56
• 3.8 Result and discussion56-58
• Chapter 4 Subsurface damage investigation58-68
• 4.1 Confirmation test58
• 4.2 Material selection58
• 4.3 Nanosecond pulse laser micromachining58-59
• 4.4 Microscopic imaging59-60
• 4.5 Laser micromachining experimental result and discussion60-61
• 4.6 precision grinding of specimen (B)61-62
• 4.7 Imaging of post precision ground specimen B workpiece62-63
• 4.8 Subsurface damage investigation of specimen A and B63-65
• 4.8.1 SEM images examinations63-65
• 4.8.2 Comparison of subsurface damage of specimen (A) and (B)65
• 4.9 Suggestions for Future Research work65-66
• 4.10 Summary and Conclusion66-68
• REFERENCES68-74
• Dedication74-75
• Acknowledgement75-76

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 韓成順,董申,唐余勇;軸對稱非球面超精密磨削的幾何模型研究[J];光學技術(shù);2003年03期

2 陳明君,張飛虎,董申;光學非球曲面器件的超精密磨削加工技術(shù)研究[J];光學技術(shù);2001年06期

3 楊小t，

本文編號：1090980