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1、中国机械工程第卷增刊。年月覆膜砂过程激光能量分布模型的建立及应用姚山曾锋叶昌科,陈宝庆,金俊泽,大连理工大学,大连,嘉应学院,梅州,巧摘要 针 对具有新光束的激光器,建立了铸造及膜砂过程的激光能全分布模型,在该模型中,综合考虑新型激 光光束的光强分布特点,实际扫描过程中激光与及膜砂的相互作用,以及扫描速度对激光能枪入的影响等因素。来用对及膜砂过程的激光能分布模型进行计算,利用热像仪对及膜砂选择性激光烧结过程的表面温度进行浏定。经对比计算结果和浏温结果,模拟计算与 实际测 温结果响合良好。根据模拟计算结果所确定 的工艺参数,实际制造出了其有较高精度的三维实体。及膜砂比过程激光能分布模型为激光快速
2、成形工艺的计算机分析及优化莫定了基础关锐词选择性激光烧结温度场激光能量分布模型数值模拟中圈分类号文章编号一一一侧目吨廿佣成嵘即留如廿刃佩旧枉一徽口八理友褚眼,压,飞,如,怡坛时肠,行一吧,卜班一,俪,一飞一一呀卿。一而”眼叮州万山。爪们以引言快速成形技术记,是世纪年代后期开始发展起来的集技术、计算机图形学技术、数控技术、高能束加工技术和材料科学技术于一体的崭新的制造技术一习。选择性激光烧结,技术是采用红外激光烧结粉末状材料成形的一种成形技术。技术是快速成形技术的重要分支困,具有成形材料选择范围广、无禽考虑夹具与支撑系统、可以快速制造任意复杂形状三维实体等特点川。影响技术成形件质量的工艺参数主要
3、有铺粉厚度、扫描间距、扫描速度和激光功率等,激光功率是其中最重要的工艺参数之一,工艺参数选择不恰当会使粉末材料枯结不充分或者过烧,从而导致烧结成形失败。本文针对具有新光束的激光器,采用数值模拟和实际测温相结合的办法,建立 了铸造搜膜砂过程 的激光能量分布模型,热像仪测收稿日期,一一温实验表明所建立的模型具有较高的精度,对指导铸造彼膜砂过程具有重大价值。新光束激光器激光光强分布的墓础模型传统的激光器在激光光束截面上的光强分布多为高斯分布。本文采用一种方向性和中央功率密度均高于高斯光束的新光束激光器图,该激光光束为高斯光束和零阶贝塞尔光束的相干藕合,光束截面光强分布为一几、一弄二卜典,。声一一丫“
4、一端“、,氏咖人八邢式中,为观察点到光斑中心的距离以为石激光波长诀拌为激光光斑的特征半径为光束从激光器出口至被照射物体表面的飞行 传播距离为人激光器被膜区半径、几为高斯光束单独在光斑中心点产生 的光强。从激光器镀膜区的边界散射出来的光形 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/搜膜砂过程激光能量分布模型的建立及应用一姚山曾锋叶昌利等成零阶贝塞尔 光束。坑 的大小 由激光 功率尸和光斑特征半径、决定,即咖在覆膜砂成形过程中,激光光斑以一定的速度相对于覆膜砂粉床运动
5、,将式的坐标系改为直角坐标,坐标原点为光斑圆心,轴为激光传输方向轴,并引人速度项,结合式,得到覆膜砂成形过程中的激光光强分布模型如下在激光加热热流、辐射和对流散热热流,可表示为夕一人子二一,。一认式中,为光照后的温度氏为环境温度口,为辐射换热系数。为对流换热系数琦为谈膜砂另过程的激光能员分布模型。在一定 厚 度 的粉床底面,热流密度可近似为零一一刃一改。尸,乙一寻叹气一一了氏之一斗。山之止二一上止匕一二二铸造覆膜砂过程激光能量模型的建立当激光照射到夜膜砂表面时,由于存在光的反射,激光器发 出的能量并不完全传输给覆膜砂,因此,必须考虑覆膜砂对激光能量的实际吸收率。在激光照射前,孤膜砂以固体颗粒的
6、形式经轻微压平后堆集在工作台上,砂粒的堆集状态也会对型砂表层吸收到的激光能量造成影响。为了简化问题,本文提出用过程激光与覆膜砂相互作用系数来综合反映吸收率、表面粗糙度等因素对覆膜砂表面吸收激光能量的影响,从而得到如下所示的覆膜砂过程激光能量密度分布模型初始条件为覆膜砂粉床的初始温度均匀分布】,一。玩过程,膜砂衰面温度的热像仪检测利用热像仪测定的激光定点照射攫膜砂表 面温度如图所示孤膜砂的辐射率为川。,。又“一八一,犷氏一典,。拌飞止应全端丛当式中的取值为时,式将简化为激光定点照射模型。基于温度场模拟与实测结果确定激光与覆膜砂相互作用系数本文采用对覆膜砂过程 的激光能量分布模型进行模拟计算,对模
7、拟所得 的温度场结果与激光加热砚膜砂表面温度的实测结果进行互相比较,进而调整值直至两者互相吻合,此时的值即为本文的激光与搜膜砂相互作用系数。通过对常数的整定,即可对过程的激光与覆膜砂相互作用进行精确的数学描述。,膜砂过程的传热模型由傅里叶导热定理,覆膜砂过程的三维非稳态传热控制方程为、吓,赞人于 蛋人于苦久若口 乙一口,一口万式中,为密度为比热容为时间为有效导热系数。在成形过程中,攫膜砂粉床上表面同时存圈激光定点照射条件下,粗膜砂辛面沮度场热像仪实测结果从图可以看出,覆膜砂表面温度随着激光功率的增大而提高,并且 温度场呈单波峰对称分布。功率为时最高温度为,高温区的覆膜砂颜色呈深褐色功率为时最高
8、温度达到。,高温区的覆膜砂出现了过烧现象。图及图分别为采用及激光以的速度对覆膜砂进 行 扫描后 所获得 的温度场。从图中可以看出,扫描时光斑作用区域 内的温度场跟定点照射所形成的温度场的分布形状相近。随着光斑移动,激光 照射部位的 温度迅速降低,但温度分布的形态仍然呈单波峰对称分布的特点。由于扫描速率相同,热量传递所经过的时间相同,不同激光功率的瞬间热影响区尺寸大致 相同,但热影响区内的温度则 随着激光 功率的增大而提高。过程激光与砚膜砂相互 作用 系数的确定本文利用对基 于比过 程的激光与覆膜砂相互作用模型进行了大量的模拟计算,对模拟结果与热像仪测温结果进行反复比较及反算,最后 1994-2
9、008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/砚膜砂过程激光能分布模型的建立及应用姚山曾锋叶昌科等互作用、以及扫描速度对激光能量输入的影响等因素。该模型有利于激光快速成型工艺的计算机分析及优化。基于铸造覆膜砂过程的激光能量分布模型,通过数值仿真计算,合理地确定了选择性激光烧结的工艺条件,成功制造出具有较高尺
10、寸精度的复杂形状的伞齿轮实体考文暇,雌,加。,。明反肠八几,心雌昭,【张剑峰张建华赵剑峰,等激光快速成形制造技术的应用研究进展航空制造技术,【潘玻峰,沈以赴,顾冬冬,等选择性激光烧结技术的发展现状工具技术,黎志冲史玉升,林柳兰,等用于选择性激光烧结功能件的基体琅合物烧结材料的研究塑料工业,【邓琦林,胡德金,裴景玉,等陶瓷粉末的选择性激光烧结实验研究航空精密制造技术,。肠叹另明议,巧,反,块刀叹切眼夕,【王绍明潘承志,蔡瑞荣,等二氧化碳激光新光束应用激光【林强,陆珑辉商亮度超衍射极限光束的基本模式分析与应用前景应 用激光,匕邵。五闭而沐,编辑何成根作者简介 姚山,男,年生大连理工大学材料科学与工
11、程学院教授主要研究方向为材料成形过程、及其集成获国家科技进步三等奖项、省部级科技进步一等奖项参编教材部,发表论文余摘甘斧,男,年生鑫应学院计算机科学与技术系助教叶科,男,年生大连理工大学铸造工程研究中心硕士研究生睐庆,男年生大连理工大学铸造工程研究中心硕士研究生全睁,男,年生。大连理工大学铸造工程研究中心教授、博士研究生导师上搜第,页相同量纲一冲击高度,不同高压泵出口压力下,水泥混凝土在滞止点及其附近的压力分布具有相似性,在滞止点处压力最大,距离滞止点越远压力越小,直到与周围空气压力相等。另外,滞止点处压力随商压泵 出口压力的增 长呈线性增长同时,冲击高度越小,滞止点压力值随高压泵出口压力增长
12、速度越快。在相同的高压泵出口压力,不同的纲一冲击商度下,水泥混凝土在滞止点及其附近的压力分布同样具有相似性,且水泥混凝土在冲击射流滞止点处的压力随量纲一冲击高度增长呈线性减少。对水泥混凝土试块进行切割试验,能够顺利地完成操作,满足各项切割要求,达到了预期的目标,所选取的工作参数较为合理。以本切割设备为墓本形 式 的高压水切割装在进行水泥路面的切割作业时效率较高,而且对周边路面没有二次损伤,属 于比较理 想的水泥路面破碎设备口今考文献【赵伟,刘晓冰,朱派龙 制造业的一枝奇葩高压水射流加 工技术机械设计 与制 造工 程,”,【薛胜雄高压水射流技术与应用北京机械工业出版社,【尹延国 朱元吉水工 混凝
13、土冲蚀磨损试验方法的研究 水利水电技术【温效康,宋拥政,梁志强高压水切割技术的试验研究锻压机械,【吴 江航 韩庆书 计算流体力学的理论方 法及应用北京科学出版社,编辑何成根作者简介李么光,男,年生长沙理工大学汽车与机械工程学院院长、教授主要研究方向为工程机械机电液系统、工程 机械产品研究与开发、工程机械智能化技术等获中国专利项出版专著部,发表论文篇。丸尧丢,男,年生邵阳液压件有限公司高级工程师月小命 男,年生长沙理 工大学汽车与机械学院硕士研究生翻杀庆,男,年生长沙理工大学汽车与机械学院教授何 志刀,男年生长沙理工大学汽车 与机械学院讲师。了小命,男,年生。长沙理工大学汽车与机械学院硕士研究生。1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/