基于激光旋切法的陶瓷材料盲孔加工方法研究

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1、第39卷第4期2013年8月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPULSIONV01．39，No．4Aug．2013基于激光旋切法的陶瓷材料盲孔加工方法研究郑亮，李良，(西安航天发动机厂。张华，黄红耀陕西西安710100)摘要：介绍了激光打孔的基本原理，对激光能量、离焦量、轨迹在激光旋切法加工盲孔过程中对孔形和表面质量的影响进行了分析和试验验证，并给出了一般规律。依据试验结果确定了合理工艺参数，采用旋切法在碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(c／sic)上打出了孔径为1mm，孔深为1．1mm，锥度小于15。

2、的盲孔。关键词：激光打孔；旋切法；碳化硅陶瓷；盲孔中图分类号：V261．8—34文献标识码：A文章编号：1672—9374f2013104—0062—05StudyonceramicblindholeprocessingmethodbasedonlaserrotationcuttingZHENGLiang，LILiang，ZHANGHua，HUANGHong-yao(Xi’anSpaceEngineFactory，Xi’an710100，China)Abstract：Thebasicprincipleoflas

3、erdrillingisintroducedinthispaper．Theinfluenceoflaserenergy,defocusingamountandtrajectoryduringtheceramicblindholeprocessingonholeshapeandsurfacequalitywasanalyzedandverifiedinexperiments．Agenerallawisgiven．Therationalprocessparametersweredeterminedaccording

4、tothetestresults．TherotationcuttingwasadoptedtomaketheblindholeonCf／SiC，whosediameteris1mm，depthis1．1mmandtaperislessthan15。．Keywords：laserdrilling；rotationcutting；siliconcarbideceramic；blindhole0引言碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C／SiC)具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗热烧蚀及质量轻等优点，已开始应用于大推力液体火

5、箭发动机喷管延伸段和姿轨控发动机推力室身部的制造。根据某型号发动机设计要求，需在陶瓷基复合材料上加工出孔径为1mln，孔深为1mm，锥度小于15。的盲孔。陶瓷基复合材料具有高硬性和高脆性特点，机械加工性能差，需要采用高能量的激光束进行非接触式加工。激光是在空间上高度集中的光子流束，应用光学聚焦技术可将激光聚焦在微米量级的极小范围内，从而获得功率密度为106～109W／cm2的激光束，如此高的功率密度几乎可以对任何材料进收稿日期：2013一叭一06；修回日期：2013—04—19作者简介：郑亮(1986一)，助理

6、工程师，研究领域为精密、超精密加工第39卷第4期郑亮．等：基于激光旋切法的陶瓷材料肓孔加【方法研究望行激光打孔。这一技术早在20世纪60年代就应用在钻石打孑L中，后来有学者研究了不锈钢材料的激光打孔技术：但是利用激光在陶瓷基复合材料上打肓孔的研究未见报导，凶此有必要对陶瓷基复合材料的激光打肓孔技术进行研究，使加1：的肓孑L满足使用要求一1激光打孔原理激光打孑L一般采用脉冲激光器，高能量脉冲激光束通过聚焦系统聚焦在工件上，在焦点处产生106～109W／cm!的高功率密度的光斑，该光斑照射到]二件表面，使照射区温度

7、急剧升高，材料熔化、汽化形成小孑L：采用脉冲激光器进行打孔，激光的功率密度，是时间t的函数，即：，可(1)(1)设材料对激光的反射系数为J【c，则材料吸收激光的热流密度为：H=ll—RJ．，=ll—R)．，‘(t)(2)随时间变化而变化。设t=0时刻激光照射到I：件表而．根据同体热传导原理，任意时刻t，材料表面以下深度为工处的温度为I‘I：丁㈦小篑-七HIt-t'le-Vt寺413tlf，(3)kV耵湘ftj式中：届为扩散系数；厶为热导率；函数，，(f)为随时间变化的热流密度；f’为时间变量：为计算方便，假定激

8、光脉冲是持续时间为丁，峰值功率处在脉冲时间中点r／2处的等腰j角形脉冲，根据(3)式计算出r件表面x=0处所能达到的最高温度为：Ff墼笙兰K(4)2七、／丁式中：E=Horl2为脉冲能量；H。，为热流密度峰值，即H。=c1-R卜，“K=0．819为等腰■角形脉冲波的波形因子?公式(4)表明：激光加热l：件的最高表而温度决定于材料常数(厶，口)，脉冲能量E，脉冲持续时间丁和波形凶子K：最