供稿人：孫嘯宇 張航 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-12-15
東北大學Jilin Xu等人研究了一種新型激光拋光表面結(jié)構(gòu)的形成機理，實驗展示了這種表面結(jié)構(gòu)的輪廓和尺寸參數(shù)隨激光功率的完整演化（圖1），并初步分析了表面結(jié)構(gòu)形成的原因。
圖1 不同激光功率下表面結(jié)構(gòu)的演化：（#-1）三維形貌，（#-2）橫截面輪廓，（#-3）拋光道內(nèi)輪廓
通過不同激光功率的單道試驗發(fā)現(xiàn)，邊緣凸起高度隨功率的增加而逐步減小到0，而中心凸起高度、寬度和凸起體積隨激光功率的增加而增加。作者認為中心凸起是由于表面活性元素影響的熱毛細力所引起的；邊緣凸起是由于熱毛細力和材料去除產(chǎn)生的反沖壓力所造成的；凸起的體積增加主要是由于材料受熱膨脹和相變；寬度的增加和熔池寬度有關(guān)。
為了更好地研究這種表面結(jié)構(gòu)的形成機理，作者建立了一個結(jié)合傳熱、流體流動、材料汽化和體積膨脹的二維數(shù)值模型（圖2），主要研究了五個因素（毛細力、受表面活性元素影響的熱毛細力、反沖壓力、材料去除和體積膨脹）對表面結(jié)構(gòu)形成的影響（結(jié)果總結(jié)在表1中）。
圖2 在表面結(jié)構(gòu)形成過程中，溫度場（彩色表面輪廓）、流場（彩色箭頭圖）和表面輪廓的演變圖
表1 不同因素對表面結(jié)構(gòu)各尺寸的貢獻表，（h1sim中心凸起高度，h2sim邊緣凸起高度，ΔVsim體積增加量，Wsim寬度），（↑表示該因子增加了尺寸參數(shù)，↓表示該因子減少了尺寸參數(shù)，?表示該因子對尺寸參數(shù)沒有影響或影響很小），（CF熱毛細管力，TF熱毛細管力，RP反沖壓力，MR材料去除，VE體積膨脹）
最后作者用所建立的模型模擬了不同激光功率下單道的最終形貌，與實驗結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)誤差不大，證實了所建立模型的可靠性。
近來隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，對工件的表面質(zhì)量提出了更高的要求。激光拋光作為一種新型拋光方式正越來越受到社會各界重視。本文研究了一種新型激光拋光表面結(jié)構(gòu)的形成機理，完善了激光拋光的理論研究，對激光拋光技術(shù)的應(yīng)用具有推動作用。