基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2020.12.014

东北大学学报:自然科学版 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (12): 1760-1766.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.12.014

基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析

徐辑林，邹平，王文杰，杨旭磊

(东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819)

收稿日期:2020-02-25 修回日期:2020-02-25 出版日期:2020-12-15 发布日期:2020-12-22
通讯作者: 徐辑林
作者简介:徐辑林(1990-)，男，山东泰安人，东北大学博士研究生；邹平(1963-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51875097).

Numerical Modeling and Analysis of Laser Polishing Based on Ablation Principle

XU Ji-lin， ZOU Ping， WANG Wen-jie， YANG Xu-lei

School of Mechanical Engineering & Automation， Northeastern University， Shenyang 110819， China.

Received:2020-02-25 Revised:2020-02-25 Online:2020-12-15 Published:2020-12-22
Contact: ZOU Ping
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摘要/Abstract

摘要： 采用连续激光对304不锈钢材料进行了基于烧蚀原理的激光抛光实验，得到了较好的抛光效果.耦合激光抛光中的传热和材料汽化，建立了一个二维瞬态数值模型，仿真了激光抛光中工件表面的演变，预测了激光抛光后工件的表面形貌和表面粗糙度值，仿真结果与实验结果十分接近，误差仅为8.17%.此外，利用该模型研究了激光抛光中工件表面移动速度的分布情况，确定了表面移动速度与初始表面形貌的关系:表面形貌波峰位置的表面移动速度较大，而波谷位置的表面移动速度较小，揭示了基于烧蚀原理的激光抛光降低工件表面粗糙度的机制.

关键词: 激光抛光, 烧蚀, 数值建模, 表面形貌, 表面移动速度

Abstract: A CW laser was used to perform laser polishing experiments on the 304 stainless steel based on the ablation principle， and a good polishing effect is obtained. A two-dimensional transient numerical model was developed by coupling the heat transfer and material vaporization in laser polishing. The evolution of the workpiece surface in laser polishing was simulated. The surface morphology and surface roughness of the workpiece after laser polishing were predicted. The simulation results are close to the experimental ones， and the error is only 8.17%. In addition， this paper studied the distribution of the surface moving velocity of the workpiece in laser polishing， and determined the relationship between the surface moving velocity and the initial surface morphology: the surface moving velocity at the peak position of the surface morphology is larger， while the surface moving velocity at the valley position is smaller， which reveals the mechanism of laser polishing based on ablation principle to reduce the surface roughness of the workpiece.

Key words: laser polishing, ablation, numerical modeling, surface morphology, surface moving velocity

中图分类号:

TP664
TN249

徐辑林，邹平，王文杰，杨旭磊. 基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(12): 1760-1766.

XU Ji-lin， ZOU Ping， WANG Wen-jie， YANG Xu-lei. Numerical Modeling and Analysis of Laser Polishing Based on Ablation Principle[J]. Journal of Northeastern University Natural Science, 2020, 41(12): 1760-1766.

参考文献

[1]Wang W J，Yung K C，Choy H S，et al.Effects of laser polishing on surface microstructure and corrosion resistance of additive manufactured CoCr alloys［J］.Applied Surface Science，2018，443:167-175.
[2]周泳全，张卫，肖海兵，等.连续激光高速抛光冷作模具钢的表面粗糙度及性能［J］.表面技术，2020，49(2):347-353.(Zhou Yong-quan，Zhang Wei，Xiao Hai-bing，et al.Roughness and property of CW laser high speed polishing of die steel［J］.Surface Technology，2020，49(2):347-353.)
[3]Zhang C，Zhou J，Shen H.Role of capillary and thermocapillary forces in laser polishing of metals［J］.Journal of Manufacturing Science & Engineering，2017，139(4):041019.1-041019.11.
[4]Shen H，Pan Y，Zhou J，et al.Forming mechanism of bump shape in pulsed laser melting of stainless steel［J］.Journal of Heat Transfer，2017，139(6):062301.1-062301.10.
[5]张伟康，戴伟，郑志镇，等.激光抛光H13模具钢自由表面演变的数值模拟与验证［J］.中国激光，2019，46(7):75-85.(Zhang Wei-kang，Dai Wei，Zheng Zhi-zhen，et al.Numerical simulation and verification of free-surface evolution in laser polishing of H13 tool steel［J］.Chinese Journal of Lasers，2019，46(7):75-85.)
[6]Weingarten C，Schmickler A，Willenborg E，et al.Laser polishing and laser shape correction of optical glass［J］.Journal of Laser Applications，2017，29(1):011702.1-011702.9.
[7]Ahmed N，Rafaqat M，Pervaiz S，et al.Controlling the material removal and roughness of Inconel 718 in laser machining［J］.Materials and Manufacturing Processes，2019，34(10):1169-1181.
[8]Sharma S，Mandal V，Ramakrishna S A，et al.Numerical simulation of melt pool oscillations and protuberance in pulsed laser micro melting of SS304 for surface texturing applications［J］.Journal of Manufacturing Processes，2019，39:282-294.
[9]Hirano K，Fabbro R，Muller M.Experimental determination of temperature threshold for melt surface deformation during laser interaction on iron at atmospheric pressure［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2011，44:435402.1-435402.11.
[10]Wang Y，Shi Q，Tsai H L.Modeling of the effects of surface-active elements on flow patterns and weld penetration［J］.Metallurgical & Materials Transactions B，2001，32(1):145-161.

[1]	温雪龙，王承宝，巩亚东，孙付强. 涂层微磨具的制备及磨削表面质量实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(5): 681-688.
[2]	温雪龙，李佳育，李欣妍. TiC涂层微磨具磨削表面质量影响因素[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(4): 534-540.
[3]	赵春雨，程大众，耿浩博. 车削工件2-D表面形貌检测方法研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(9): 1299-1306.
[4]	侯壮壮，修世超，王雨时，姚云龙. 不锈钢材料预应力磨削表面耐蚀性能数值模拟[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(7): 972-979.
[5]	温雪龙，于兴晨，巩亚东，孟凡涛. FeCoNiCrMo高熵合金磨削机理及表面粗糙度[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(2): 246-251.
[6]	屈硕硕，巩亚东，杨玉莹，舍跃斌. 2.5D C_f/SiC复合材料磨削工艺试验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(2): 252-257.
[7]	赵绪峰，于天彪，李长河，王宛山. 纳米MoS₂含量对纳米微量润滑磨削CFRPs的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(8): 1127-1131.
[8]	蔺增，陈彬，乔宏，赵晓波. 负偏压对电弧离子镀CrAlN涂层组织和性能的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(7): 981-985.
[9]	徐英帅，邹平，王伟，杨旭磊. 超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(1): 95-100.
[10]	巩亚东，吴艾奎，程军，张毕. 塑性材料微磨削表面质量影响因素试验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(2): 263-268.
[11]	温雪龙，王超，巩亚东，程军. 钠钙玻璃微磨削表面粗糙度与表面形貌[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(5): 743-746.
[12]	王超，巩亚东，尹国强，程军. 刀具直径和磨料粒度对微铣磨表面粗糙度的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2013, 34(12): 1759-1762.
[13]	李建昌;姜永辉;单麟婷;巴德纯;. 银掺杂氧化锌薄膜的溶胶-凝胶法制备及表征[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(12): 1753-1756.
[14]	王旗;于晓明;祁阳;. V型沟槽Si衬底上SrTiO_3薄膜制备[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(11): 1607-1610.
[15]	刘枫;巩亚东;单玉桥;蔡光起;. 砂轮约束磨粒喷射加工表面残余应力及摩擦特性[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(3): 422-425.

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