[发明专利]一种基于爆轰波压力和温度预测激光修整砂轮质量的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种基于爆轰波压力和温度的测量，预测砂轮质量的方法，尤其涉及一种基于等离子体爆轰波压力和温度预测激光修整砂轮质量的方法。

背景发明

激光修整作为一种新型修整方法，是基于激光辐照在砂轮表面发生熔化、气化（或升华）和相关的质量迁移现象（即烧蚀）。用激光修整砂轮时，因为结合剂材料与超硬磨料的物理性质相差较大，使超硬磨料达到熔点的激光功率密度比使结合剂达到熔点的激光功率密度高几个数量级，因此通过控制修整的激光工艺参数，可以选择性去除结合剂或磨粒，获得良好的地形地貌。基于激光具有相干性好、单色性好、能量密度集中等优点，与传统的加工工艺相比较与机械法、电火花法等传统的修整方法相比，其具有适应范围广、修整精度高、热影响区域小、高效环保等优点。

等离子体爆轰波是激光束聚焦介质，当聚焦点的激光功率密度达到一定的强度时，介质将被击穿变成高温等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后，沿激光入射角的方向形成爆轰波。激光修整砂轮时，被激光辐照区域的温升十分迅速，瞬时急剧熔化、气化产生爆炸，使金属蒸气和熔融物从加工区高速喷射出来，熔融物高速喷射所产生的反冲力，又在加工区形成强烈的冲击波，使熔融材料飞溅出来，此过程便产生等离子体爆轰波，所产生的等离子体爆轰波对激光能量的传输、机理研究起着至关重要的作用。具体到激光烧蚀砂轮时，等离子爆轰波的状态、压力分布和温度分布反映着砂轮表面的烧蚀情况。因此，研究等离子爆轰波温度和压力有助于解决激光修整砂轮质量在线检测。

文献《激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析》中，观测强激光作用铝靶时爆轰波流场演化过程，分析爆轰波衰减规律。光学仪器中心位置在同一条直线上，这不利于消除慧差和像散误差。

发明内容

本发明目的旨在找到一种基于等离子体爆轰波压力和温度测量，预测激光修整砂轮质量的方法，该方法将被测的等离子体爆轰波置于由激光光源和光学元件构建成的平行光路中，通过等离子体爆轰波流场对光线的偏折程度反映流场的密度梯度分布，再根据冲击波运动的自相似性，采用点爆炸模型和冲击波基本关系式，得到修整时波阵面压力和温度随时间变化的规律，修整后采用超景深拍摄砂轮表面质量，多次试验得到等离子体爆轰波温度和压力的最大值与激光修整砂轮表面质量相对应的关系，根据已做的实验可知，有以下三种规律：①当爆轰波压力和温度最大值分别小于60Mpa和1.3×10⁷K时，砂轮表面突出磨粒较少，且金刚石磨粒突出高度没有达到磨粒的2/3，砂轮表面没有合适的容屑空间，金刚石磨粒没有产生微裂纹和石墨化层，砂轮不具有良好的磨削性能，如图1所示；②当爆轰波压力和温度最大值分别大于60Mpa和1.3×10⁷K而小于85Mpa和2.8×10⁷K时，砂轮表面金刚石磨粒突出合适的高度，突出的磨粒数量较多，砂轮表面具有合适的容屑空间，金刚石磨粒没有产生微裂纹和石墨化层，砂轮具有良好的磨削性能，如图2所示；③当爆轰波压力和温度最大值分别大于85Mpa和2.8×10⁷K时，砂轮表面金刚石磨粒突出数量较多，金刚石磨粒石墨化程度剧烈，同时有明显的裂纹产生，大大降低了砂轮的磨削能力，如图3所示。当激光修整砂轮时，计算爆轰波压力和温度的最大值，根据以上三种规律便可实现激光修整砂轮表面质量的在线检测。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是提供了一种测量激光修整砂轮等离子体爆轰波压力和温度，预测砂轮质量的方法，包括以下步骤：

步骤1、调整平面反射镜片2的位置，使激光光源成45°入射角入射。

步骤2、利用水平仪，调整平面反射镜片2、扩束镜片3、凹面反射镜片4、球面反射镜5的位置，使得各镜片的中心线在同一水平面上，扩束镜片3到凹面反射镜片4的光程为凹面反射镜片4的焦距。

步骤3、调整球面反射镜5的位置使得平行光成45°入射角照射到球面反射镜5，且球面反射镜5发射出的平行光路经过等离子体爆轰波被测区域。

步骤4、在等离子体爆轰波另一端安装球面反射镜7，调整球面反射镜7使得平行光成45°入射角入射后照射到凹面反射镜片8。

步骤5、在凹面反射镜片8的焦点位置安装刀口9，调整刀口9使得其切割光源的像。

步骤6、调整高速相机10的位置以获取高质量图像。

步骤7、将脉冲发生器14与光纤激光器13和激光光源1连接，控制器12分别于脉冲发生器14和高速摄影机10相连。

步骤8、接通电源，将光纤激光器功率值、重复频率、修整时间、磨床轴向进给速度以及砂轮转速设置为所需值。