[發明專利]一種基于爆轟波壓力和溫度預測激光修整砂輪質量的方法

有效

• 申請號: 201410059943.1
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103801837A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 周聰;張玲;陳根余;鄧輝;周興才;王大偉;陳俊;張勇;蔡頌
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B23K26/352
• 分類號: B23K26/352;B23K26/70;B23K26/064;B23K26/03
• 代理公司: 北京康盛知識產權代理有限公司 11331
• 代理人: 張良

發明領域

本發明涉及一種基于爆轟波壓力和溫度的測量，預測砂輪質量的方法，尤其涉及一種基于等離子體爆轟波壓力和溫度預測激光修整砂輪質量的方法。

背景發明

激光修整作為一種新型修整方法，是基于激光輻照在砂輪表面發生熔化、氣化（或升華）和相關的質量遷移現象（即燒蝕）。用激光修整砂輪時，因為結合劑材料與超硬磨料的物理性質相差較大，使超硬磨料達到熔點的激光功率密度比使結合劑達到熔點的激光功率密度高幾個數量級，因此通過控制修整的激光工藝參數，可以選擇性去除結合劑或磨粒，獲得良好的地形地貌。基于激光具有相干性好、單色性好、能量密度集中等優點，與傳統的加工工藝相比較與機械法、電火花法等傳統的修整方法相比，其具有適應范圍廣、修整精度高、熱影響區域小、高效環保等優點。

等離子體爆轟波是激光束聚焦介質，當聚焦點的激光功率密度達到一定的強度時，介質將被擊穿變成高溫等離子體，等離子體進一步吸收激光能量后，沿激光入射角的方向形成爆轟波。激光修整砂輪時，被激光輻照區域的溫升十分迅速，瞬時急劇熔化、氣化產生爆炸，使金屬蒸氣和熔融物從加工區高速噴射出來，熔融物高速噴射所產生的反沖力，又在加工區形成強烈的沖擊波，使熔融材料飛濺出來，此過程便產生等離子體爆轟波，所產生的等離子體爆轟波對激光能量的傳輸、機理研究起著至關重要的作用。具體到激光燒蝕砂輪時，等離子爆轟波的狀態、壓力分布和溫度分布反映著砂輪表面的燒蝕情況。因此，研究等離子爆轟波溫度和壓力有助于解決激光修整砂輪質量在線檢測。

文獻《激光作用鋁靶爆轟波流場觀測與理論分析》中，觀測強激光作用鋁靶時爆轟波流場演化過程，分析爆轟波衰減規律。光學儀器中心位置在同一條直線上，這不利于消除慧差和像散誤差。

發明內容

本發明目的旨在找到一種基于等離子體爆轟波壓力和溫度測量，預測激光修整砂輪質量的方法，該方法將被測的等離子體爆轟波置于由激光光源和光學元件構建成的平行光路中，通過等離子體爆轟波流場對光線的偏折程度反映流場的密度梯度分布，再根據沖擊波運動的自相似性，采用點爆炸模型和沖擊波基本關系式，得到修整時波陣面壓力和溫度隨時間變化的規律，修整后采用超景深拍攝砂輪表面質量，多次試驗得到等離子體爆轟波溫度和壓力的最大值與激光修整砂輪表面質量相對應的關系，根據已做的實驗可知，有以下三種規律：①當爆轟波壓力和溫度最大值分別小于60Mpa和1.3×10⁷K時，砂輪表面突出磨粒較少，且金剛石磨粒突出高度沒有達到磨粒的2/3，砂輪表面沒有合適的容屑空間，金剛石磨粒沒有產生微裂紋和石墨化層，砂輪不具有良好的磨削性能，如圖1所示；②當爆轟波壓力和溫度最大值分別大于60Mpa和1.3×10⁷K而小于85Mpa和2.8×10⁷K時，砂輪表面金剛石磨粒突出合適的高度，突出的磨粒數量較多，砂輪表面具有合適的容屑空間，金剛石磨粒沒有產生微裂紋和石墨化層，砂輪具有良好的磨削性能，如圖2所示；③當爆轟波壓力和溫度最大值分別大于85Mpa和2.8×10⁷K時，砂輪表面金剛石磨粒突出數量較多，金剛石磨粒石墨化程度劇烈，同時有明顯的裂紋產生，大大降低了砂輪的磨削能力，如圖3所示。當激光修整砂輪時，計算爆轟波壓力和溫度的最大值，根據以上三種規律便可實現激光修整砂輪表面質量的在線檢測。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案是提供了一種測量激光修整砂輪等離子體爆轟波壓力和溫度，預測砂輪質量的方法，包括以下步驟：

步驟1、調整平面反射鏡片2的位置，使激光光源成45°入射角入射。

步驟2、利用水平儀，調整平面反射鏡片2、擴束鏡片3、凹面反射鏡片4、球面反射鏡5的位置，使得各鏡片的中心線在同一水平面上，擴束鏡片3到凹面反射鏡片4的光程為凹面反射鏡片4的焦距。

步驟3、調整球面反射鏡5的位置使得平行光成45°入射角照射到球面反射鏡5，且球面反射鏡5發射出的平行光路經過等離子體爆轟波被測區域。

步驟4、在等離子體爆轟波另一端安裝球面反射鏡7，調整球面反射鏡7使得平行光成45°入射角入射后照射到凹面反射鏡片8。

步驟5、在凹面反射鏡片8的焦點位置安裝刀口9，調整刀口9使得其切割光源的像。

步驟6、調整高速相機10的位置以獲取高質量圖像。

步驟7、將脈沖發生器14與光纖激光器13和激光光源1連接，控制器12分別于脈沖發生器14和高速攝影機10相連。

步驟8、接通電源，將光纖激光器功率值、重復頻率、修整時間、磨床軸向進給速度以及砂輪轉速設置為所需值。