1 湖北文理学院机械工程学院, 湖北 襄阳 441053
2 湖南工业大学机械工程学院, 湖南 株洲 412007
利用烧蚀阈值理论, 研究飞秒激光对面齿轮的烧蚀特征, 得到了面齿轮的烧蚀阈值。建立烧蚀模型, 计算仿真了飞秒激光在单脉冲与多脉冲烧蚀过程中的理论宽度与深度。利用等离子体冲击波传播半径随时间变化的规律, 耦合飞秒激光多脉冲烧蚀时的表面残余温度变化, 得到等离子体冲击波的动态反冲压力机理图, 并得到飞秒激光加工过程中, 等离子体冲击波动态反冲压力对烧蚀的凹坑形貌以及扫描隧道与烧蚀平面形貌变化的影响。通过试验验证飞秒激光对面齿轮进行隧道扫描时, 随着扫描速度的增加, 隧道的直线度降低。高功率条件下, 增加相邻扫描道扫描间距, 烧蚀后的齿面精度更高。
飞秒激光 激光等离子体 冲击波 面齿轮 烧蚀特征 femtosecond laser laser plasma shock wave face gear ablation characteristic
1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124
2 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室，北京 100124
液体辅助红外激光消融硬生物组织的准确性和兼容性均优于机械工具，而在骨科手术中往往会遇到骨组织自然曲面位置的钻切需求。系统研究了波长约为2 μm的中红外激光诱导空泡在自然骨曲面边界附近的演化行为规律，总结了不同无量纲距离（γ）空泡的非球形演变规律和空泡脉动周期的时间长度的变化趋势，并对空泡收缩过程进行了数值模拟分析。发现了空泡演化行为受骨曲面边界影响的机制，自然骨曲面边界的不对称性使空泡收缩时两侧泡壁处的压力梯度和移动速度不同，导致空泡在收缩时质心与两侧泡壁向自然骨曲面边界较高的一侧发生偏移，并引起空泡微射流向相同方向偏移。给出了用于补偿微射流作用点定位误差的光纤预置偏移量，得到了自然骨曲面附近0.2≤γ≤0.6的空泡产生的微射流速度。
激光技术 空泡演化 微射流 骨组织消融
1 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007
2 湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053
针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA在飞秒激光精微加工过程中产生的等离子体冲击波效应，建立了等离子体冲击波传播的压强方程、精微加工材料的波阵面温度模型。以脉宽、能量与离焦量作为变化参数，得到了冲击波传播半径随温度与压强的变化规律。试验验证了飞秒激光脉宽在300、500、800 fs时，单脉冲激光能量保持在15~25 μJ，此时熔融层光滑平整，具有较好的烧蚀效果。相同脉宽下，过高的能量导致熔化材料过多，凹坑深度加深以致于排出效果降低，在凹坑壁形成高低不平的波峰。使用较高能量参数对材料进行变离焦量烧蚀时，随着正离焦量增大，边缘热影响区域增大。同时，等离子体冲击波对液态材料的排出效果由于离焦变化而降低。验证了等离子体冲击波效应模型，达到了实际烧蚀效果。
飞秒激光 激光等离子体 冲击波 面齿轮 烧蚀特征 femtosecond laser laser plasma shock wave face gear ablation characteristics
1 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007
2 湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053
飞秒激光精微修正技术是采用具有高能量密度的超短脉宽激光对面齿轮齿面进行精微加工的一种新型加工方法。考虑到齿轮材料成分间互温感应，建立了飞秒激光烧蚀面齿轮材料动能量热模型，仿真分析了飞秒激光修正面齿轮齿面温度场的变化规律，发现随着激光能量密度的增大，电子温度急剧升高，电子温度远大于晶格温度，烧蚀凹坑的深度和直径均增大。实验中观测到烧蚀凹坑的齿面形貌，证实了动能量热模型的正确性，为飞秒激光精微烧蚀面齿轮的研究提供理论指导。
激光光学 飞秒激光 互温感应 动能量热模型 仿真分析 温度场 齿面形貌 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1714001
1 湖南工业大学机械工程学院, 湖南 株洲 412007
2 湖北文理学院机械工程学院, 湖北 襄阳 441053
飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。
激光光学 飞秒激光 面齿轮材料 烧蚀阈值 材料吸收系数 形貌特征 中国激光
2021, 48(14): 1402017
