專利名稱：一種激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光精微打孔工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，屬于激光去除技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航空航天、電子、醫(yī)療器械等工業(yè)的發(fā)展，許多高精尖產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件都需要設(shè)計許多微孔，以完成特定功能，從而提高產(chǎn)品的性能。比如在現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪葉片、導(dǎo)流葉片、燃燒室需要上萬個微孔以實現(xiàn)冷卻的作用。激光打孔技術(shù)以其可以打出大深 徑比孔、速度快、加工材料不受限制等優(yōu)勢，逐漸取代傳統(tǒng)加工方法在一些加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對于激光精微打孔技術(shù)，涉及到材料性質(zhì)(材料屬性、熱物性)、材料幾何參數(shù)(厚度、長、寬等)、激光參數(shù)(激光功率、脈寬脈沖個數(shù)、保護氣壓力、離焦量等)等多參數(shù)問題。在實際加工產(chǎn)品時，需要得到特定大小和形狀的激光孔，由于上述影響因素繁多，造成實際加工時需要大量摸索性試驗，極易造成材料的破壞和加工成本的浪費。因此，要實現(xiàn)激光精微打孔的成本的有效控制，必須探索激光打孔的預(yù)測與優(yōu)化。目前，對激光打孔的研究多針對物理機理的分析，而且都以激光未打透時的情況為研究對象，激光打孔實際加工時候仍需大量摸索，對于激光精微打孔工藝參數(shù)預(yù)測與優(yōu)化，目前尚未見相關(guān)的研究報道或者是公布的專利技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種激光精微打孔工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，該方法主要包括以下步驟I)、確定目標孔型；2)、根據(jù)目標孔型，進行工藝參數(shù)預(yù)測，并進行數(shù)值仿真；3)、然后根據(jù)數(shù)值仿真中的工藝參數(shù)進行實際打孔實驗；4)、對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到目標工藝參數(shù)。進一步，所述步驟2)具體為根據(jù)步驟I)所設(shè)定的目標孔型，進行數(shù)值仿真和工藝參數(shù)預(yù)測；建立激光打孔過程的二維(X-Y)物理模型；根據(jù)非線性熱傳導(dǎo)方程即式(1)，計算出激光打孔的溫度場演化過程，并輸出可能滿足要求的孔型和工藝參數(shù)激光打孔過程的二維非線性瞬態(tài)傳熱熱平衡方程
權(quán)利要求
1.一種激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為所述方法主要包括以下步驟 1)、確定目標孔型； 2)、根據(jù)目標孔型，進行工藝參數(shù)預(yù)測，并進行數(shù)值仿真； 3)、然后根據(jù)數(shù)值仿真中的工藝參數(shù)進行實際打孔實驗； 4)、對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到目標工藝參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述步驟2)具體為根據(jù)步驟I)所設(shè)定的目標孔型，進行數(shù)值仿真和工藝參數(shù)預(yù)測；建立激光打孔過程的二維物理模型；根據(jù)非線性熱傳導(dǎo)方程即式(I)，計算出激光打孔的溫度場演化過程，并輸出可能滿足要求的孔型和工藝參數(shù) 激光打孔過程的二維非線性瞬態(tài)傳熱熱平衡方程 Τ pi ( βΤ\ A ( /Yf'、 ;I /r |' ............... — ............ Λ- ............... 丁 .............j /V .....................\ Z Qt dx Iv dx J dy 丨、dy j 式中τ為溫度，P是密度，c是比熱容，k是熱傳導(dǎo)系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述非線性熱傳導(dǎo)方程即式(I)中由于激光打孔是非穩(wěn)態(tài)的熱傳遞過程，其邊界條件和初始條件為 初始條件取激光打孔初始時刻的溫度分布，即為環(huán)境溫度 T(x,y,0) = T0(2) 在激光作用表面， r 8T _( εαΡ.、_ εχ1 λ ——·= ——一一了 sxp 一C 3 ) Sy {^r(y) J L r(y)式中P為激光功率；r(y)為激光光束半徑；ε為熱流集中程度系數(shù)，對應(yīng)于ε取1，2，3的值時，高斯熱源的能量分布百分比分別為63. 2%,86. 4%,95. 02% ； α為材料對激光的吸收率，k是熱傳導(dǎo)系數(shù)。P是激光脈沖功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述非線性熱傳導(dǎo)方程即式(I)中在激光打孔過程中存在材料的熔化甚至汽化現(xiàn)象，所以在這個過程中存在著相變問題。并且，相變時會吸收或放出潛熱，即相變潛熱。相變潛熱在一定的程度上會影響工件吸收激光能量的大??；通過定義材料的焓值隨溫度變化來考慮潛熱，即 H = / P cdT (4) 式中，H為熱焓值，T為溫度，P是密度，c是比熱容。
5.根據(jù)權(quán)利要求I中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述步驟3)具體為所述光打孔工藝試驗該工藝試驗包括激光打孔試驗和對孔截面的試驗觀測兩部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述激光打孔試驗采用脈沖激光制造系統(tǒng)，使用所述步驟2)中預(yù)測得到了激光參數(shù)進行激光打孔試驗；并通過對試樣得到的激光孔進行線切割，打磨后在立體式顯微鏡觀測孔的形狀和尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述步驟4)包括 A、比較數(shù)值仿真孔型與實際孔型之間的差距，調(diào)整工藝參數(shù)；B、重復(fù)步驟3)和4)，最終得到目標工藝參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述工藝參數(shù)優(yōu)化具體為對比目標孔型和步驟3)得到的孔型，得到兩者的差異，根據(jù)步驟2)中所模擬的各種孔型的變化趨勢，調(diào)整工藝參數(shù)，重新進行步驟3)，直至得到滿足要求的孔型。
9.根據(jù)權(quán)利要求2中所述激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征為，所述物理模型中的參數(shù)包括實際材料形狀、尺寸，激光加載區(qū)域、有限元網(wǎng)格劃分。
全文摘要
一種激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法，所述方法主要包括以下步驟1)、確定目標孔型；2)、根據(jù)目標孔型，進行工藝參數(shù)預(yù)測，并進行數(shù)值仿真；3)、然后根據(jù)數(shù)值仿真中的工藝參數(shù)進行實際打孔實驗；4)、對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到目標工藝參數(shù)。本發(fā)明提供的激光精微打孔工藝參數(shù)優(yōu)化方法可節(jié)省激光打孔試驗前期大量的探索性試驗，極大的減小了工作量，最大程度降低了試驗成本，提高了加工效率。
文檔編號G06F17/50GK102737137SQ201110086259
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 虞鋼, 褚慶臣, 鄭彩云 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所