激光辅助砂带磨削钛合金仿真及试验分析

摘要

【目的】激光热辅助磨削可以显著改善钛合金的加工性能，其中激光预热温度场直接影响工件表面质量与磨削力。为揭示激光辅助砂带磨削钛合金的作用机制，探究了激光工艺参数对温度场分布与磨削力的影响规律。【方法】基于热传导理论，利用有限元仿真软件建立激光预热钛合金仿真模型，分析不同激光功率、扫描速度与光斑半径对工件温度场分布的影响。依据微观磨粒磨削理论，构建激光辅助单颗磨粒磨削钛合金仿真模型，研究不同预热条件下磨削力的变化规律，并设计激光辅助砂带磨削钛合金试验，对仿真模型进行试验验证。【结果】通过对比试验实测温度与仿真结果，确定了钛合金对激光的吸收率，进一步完善了激光辅助砂带磨削钛合金仿真模型。激光预热温度场仿真结果表明：激光预热区温度随着激光功率的增大而升高，随着激光相对工件移动速度的加快而降低；当工件移动速度较慢时，速度变化对预热温度影响较小；光斑半径越小，预热区温度越高，这是由于在相同激光功率下，小光斑可使激光能量更为集中，单位时间内材料温升更高。激光辅助单颗磨粒磨削仿真结果表明：磨削力随着激光功率的增大而减小，主要归因于激光功率升高可使材料温度上升、磨削层硬度降低，从而减小加工阻力。对比仿真结果与试验结果可知，二者平均相对误差约为4.95%,表明仿真结果与试验结果吻合度较高，仿真模型具有较高可靠性。【结论】激光照射可使材料表层温度急剧升高，形成氧化变质层。由于钛合金导热性较差，较大温度梯度会产生显著热应力，促使预热层产生微观裂纹。若磨削加工未去除激光预热产生的变质层和热裂纹，将导致工件表面质量下降。本文建立的有限元仿真模型与试验结果吻合度较高，验证了模型的可靠性与准确性，可为其他激光辅助材料去除加工工艺提供参考。

关键词

钛合金 / 温度场 / 砂带磨削 / 磨削力 / 有限元仿真 / 单颗磨粒 / Johnson-Cook本构模型 / 磨削试验