金属材料纳秒紫外脉冲激光微抛光理论与技术的研究
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金属材料的激光抛光处理是近十年来发展起来的一项新技术,在电子设备、精密机械、仪器仪表、医疗器械等领域都得到广泛的应用。本论文针对金属材料激光微抛光需求,主要研究对金属材料激光微抛光过程的理论及数值模拟分析,并在此基础上提出一种激光能量密度的实时控制方法,进而自主设计完成了激光微抛光系统,利用此系统对不锈钢、钛(Ti)、镍(Ni)等三种金属材料进行激光微抛光的试验研究,获得了良好的效果。本文主要完成的工作如下:基于一维瞬态热传导基本方程对激光微抛光中热力学过程进行了理论分析,研究了激光微抛光过程的准静态模型和动态模型,并利用有限差分法对不锈钢316L、钛和镍等三种金属材料激光微抛光进行了模拟分析和计算,并对激光微抛光的工艺参数和抛光后表面形貌的变化进行了预测。为了能够获取较好的微抛光效果,研究了获取最佳激光能量密度的方法,采用两个激光器(用于抛光的高功率脉冲激光器,用于检测的低功率连续激光器)的激光能量密度实时控制方案,为获得较好的抛光效果奠定了基础。设计并搭建了双激光器的激光微抛光试验系统。实现了共轴光路的激光能量密度实时反馈控制。并利用该系统对不锈钢、镍和钛等三种金属材料进行抛光实验,研究分析了激光能量密度、扫描速度、离焦距离、重叠率等几个主要因素对微抛光效果的影响。利用优化的工艺参数进行了抛光实验,得到了较好的抛光效果:不锈钢316L抛光后表面粗糙度从592.88nm降低至329.47nm,钛表面抛光后从123. 90nm降低至80.96nm,镍表面抛光后从121.40nm降低至94.41nm。对倾斜和弯曲表面进行激光微抛光试验研究,也得到较好的光滑表面。
中文摘要 | 第3-4页 |
ABSTRACT | 第4-5页 |
第一章 绪论 | 第9-22页 |
1.1 引言 | 第9-10页 |
1.2 激光抛光研究现状 | 第10-12页 |
1.3 金属材料激光抛光进展 | 第12-20页 |
1.3.1 金属材料激光抛光理论研究现状 | 第12页 |
1.3.2 金属材料激光微抛光技术的研究现状 | 第12-16页 |
1.3.3 金属材料激光抛光技术的应用现状 | 第16-20页 |
1.4 本课题研究的意义和主要内容 | 第20-22页 |
第二章 金属表面激光微抛光理论及数值模拟分析 | 第22-43页 |
2.1 金属材料激光抛光机理 | 第22-24页 |
2.1.1 SSM机理 | 第22-23页 |
2.1.2 SOM机理 | 第23-24页 |
2.2 金属表面激光微抛光过程的理论及数值模拟分析 | 第24-41页 |
2.2.1 金属表面微抛光过程的准静态模拟分析 | 第24-30页 |
2.2.2 金属表面微抛光过程的动态模拟分析 | 第30-39页 |
2.2.3 表面形貌的变化 | 第39-41页 |
2.3 本章小结 | 第41-43页 |
第三章 基于连续激光的激光微抛光能量密度实时控制方法 | 第43-52页 |
3.1 最佳微抛光效果的激光能量密度的检测 | 第43-45页 |
3.2 激光能量密度控制的关键因素 | 第45-49页 |
3.2.1 激光微抛光时光斑和熔融区的关系 | 第45-46页 |
3.2.2 激光光斑面积与离焦距离 | 第46页 |
3.2.3 离焦距离与脉冲激光能量密度 | 第46-48页 |
3.2.4 物镜与脉冲激光能量密度 | 第48-49页 |
3.3 利用两个激光的激光能量密度实时控制方法 | 第49-50页 |
3.4 本章小结 | 第50-52页 |
第四章 激光微抛光系统的总体设计 | 第52-70页 |
4.1 激光光源 | 第52-55页 |
4.1.1 纳秒紫外脉冲激光器 | 第52-54页 |
4.1.2 连续激光器 | 第54-55页 |
4.2 光学系统 | 第55-58页 |
4.2.1 准直器 | 第56-57页 |
4.2.2 成像系统与聚焦物镜 | 第57-58页 |
4.3 图像采集及激光光斑面积控制模块 | 第58-63页 |
4.3.1 模拟信号模块设计 | 第58-61页 |
4.3.2 FPGA控制模块 | 第61-63页 |
4.4 Z方向微动控制 | 第63-67页 |
4.4.1 步进电机模式 | 第63-65页 |
4.4.2 压电陶瓷模式 | 第65-67页 |
4.5 XY二维运动控制 | 第67-68页 |
4.5.1 二维运动控制模块 | 第67-68页 |
4.5.2 二维运动平台 | 第68页 |
4.6 激光微抛光系统的机械结构设计 | 第68-69页 |
4.7 本章小结 | 第69-70页 |
第五章 激光微抛光系统的控制软件及特性分析 | 第70-87页 |
5.1 激光光斑面积实时控制软件设计 | 第70-77页 |
5.1.1 控制信号产生模块 | 第71-72页 |
5.1.2 计数及累加模块 | 第72-73页 |
5.1.3 比较模块 | 第73-74页 |
5.1.4 参考数据读写及数据变换模块 | 第74页 |
5.1.5 驱动控制模块 | 第74-77页 |
5.2 二维运动控制软件设计 | 第77-79页 |
5.2.1 二维运动控制算法 | 第77-78页 |
5.2.2 运动控制算法 | 第78-79页 |
5.3 激光能量密度实时控制系统的特性 | 第79-86页 |
5.3.1 激光光斑、CCD视频以及二值化信号的分析 | 第79-82页 |
5.3.2 计算及测量激光光斑面积与能量密度 | 第82-85页 |
5.3.3 CCD视频信号二值化阈值与FPGA控制误差范围 | 第85-86页 |
5.4 本章小结 | 第86-87页 |
第六章 金属材料激光微抛光试验及分析 | 第87-107页 |
6.1 实验环境 | 第87-89页 |
6.2 影响金属材料激光微抛光效果的因素分析 | 第89-98页 |
6.2.1 金属表面形貌对激光微抛光效果的影响 | 第89-92页 |
6.2.2 扫描速度对激光微抛光效果的影响 | 第92-94页 |
6.2.3 离焦距离对激光微抛光效果的影响 | 第94-98页 |
6.3 金属材料激光微抛光试验 | 第98-106页 |
6.3.1 不锈钢 316L、钛、镍材料的激光微抛光工艺参数 | 第98-101页 |
6.3.2 不锈钢 316L、钛、镍材料的激光微抛光 | 第101-106页 |
6.4 本章小结 | 第106-107页 |
第七章 全文总结与展望 | 第107-111页 |
7.1 全文总结 | 第107-109页 |
7.2 论文创新点 | 第109页 |
7.3 工作展望 | 第109-111页 |
参考文献 | 第111-122页 |
发表论文和科研情况说明 | 第122-123页 |
致谢 | 第123页 |
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