高能激光系统中铝合金表面铣削仿真及其洁净演化研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cpingpeng
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高能激光系统中的洁净问题是影响元件寿命和打靶效率的关键问题之一。在激光打靶后,装置内部的微米级颗粒污染物浓度迅速上升。颗粒污染物附着在光学元件表面,会诱发光学元件表面的严重损伤。颗粒污染物悬浮在装置内部会引起激光能量的散射,造成零部件表面产生更多颗粒污染物。铝合金材料具有强度高、密度小、耐蚀性好等优异性能,在激光装置中被广泛使用。作为装置内部颗粒污染物的主要来源,铝合金构件的加工表面完整性,如粗糙度与表层残余应力状态等对使役过程中污染物的产生具有重要影响。因此,研究铝合金铣削工艺对铣削表面洁净演化过程的影响,可以为提高激光装置内部洁净度提供理论依据。首先,建立5083铝合金的三维热-力耦合铣削模型,研究铣削加工、卸载与冷却等过程。分析铣削工艺参数如铣削转速、每齿进给量和轴向切削深度等对表面完整性的影响。获得铣削表面粗糙度和表层残余应力随铣削参数的变化规律,为后文铣削表面洁净演化规律研究提供基础。其次,基于铣削表面仿真结果建立颗粒污染物在粗糙表面的吸附模型。从颗粒污染物吸附的稳定时间、吸附过程中的能量转换以及动能损失率等角度,分析不同粗糙度表面对不同尺寸颗粒污染物的吸附效果。研究发现:粗糙度较大的表面,更易稳定吸附颗粒污染物。再次,基于光滑粒子流体动力学方法建立颗粒划擦粗糙表面的模型,对颗粒物在不同粗糙度表面的划擦深度和污染物堆积情况进行研究。通过不同残余应力表面的颗粒划擦模型,分析残余应力状态对表面抗磨损性、划擦深度和污染碎屑数目的影响。研究发现:粗糙度较大或存在残余拉应力的表面,在使役过程中会演化出更多的颗粒污染物。最后,采用热-力耦合模型对纳秒脉冲激光破坏工件表面过程进行模拟。以不同能量密度的脉冲激光作用于工件表面,分析不同粗糙度和残余应力表面在纳秒脉冲激光作用下的损伤阈值、材料损失量以及表层材料溅射速度等。研究表明:粗糙表面的损伤阈值更低,污染物溅射角度更广。表层材料损失量也随粗糙度增大而增多。表层残余应力状态对激光冲击损伤的影响较小。
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