基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法技术

本发明专利技术公开了基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其包括：将Q

【技术实现步骤摘要】
基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法
本专利技术主要涉及齿轮精微修正加工
，尤其涉及基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法。
技术介绍
曲面齿轮是实现空间相交或交错传动的关键件，主要有螺旋锥齿轮和面齿轮等类型，具有重合度大、承载能力强、高速传动平稳等诸多优势，广泛应用于航空航天、大型装备、交通运输、工程机械等领域。因此，曲面齿轮的精密制造是世界制造强国在传动领域长期竞争的技术高地和前沿研究领域之一。曲面齿轮的齿形复杂，技术要求高，制造困难，其制造方法有插或滚、铣、磨等。目前仅有少数发达国家具备该类齿轮的高精度加工能力，国外曲面齿轮精密制造先进技术和设备对我国进行封锁，国内曲面齿轮的加工精度一般比国外低2级左右。针对这些长期存在的严重技术瓶颈，需要研究新的加工方法和工艺。激光作为20世纪四大专利技术之一，激光加工工艺正逐步更新换代传统制造工艺。飞秒激光采用极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，具有热影响区小、加工区域极其精确(可小于聚焦尺寸)、可精密加工任何材料等突出特点，使得飞秒激光加工技术快速发展和广泛应用。因此，采用飞秒激光精密加工点接触共轭曲面齿轮是一种新的先进制造方法，对于提升共轭曲面齿轮的加工质量和传动性能，具有重大的科学理论意义和广泛的工程应用前景。研究飞秒激光与金属材料相互作用的理论模型主要有：双温模型、分子动力学模型、流体力学模型和混合模型，其中双温模型能较简单和准确地描述飞秒激光加工金属材料中光子与电子、电子与晶格的热传递机制。Gamaly等人利用飞秒激光对铜、铝、钢、铅等四种金属靶材进行了实验研究，证明了非平衡烧蚀的存在，得到新的双温模型。张端明等人提出了统一双温方程，较有效的描述脉宽由纳秒到飞秒的激光烧蚀热物理现象。姜澜等人提出了改进双温模型，采用量子力学处理计算热学和光学特性，扩展了双温度方程的应用范围和精度。周明等人在双温模型的基础上，研究了对自旋系统、电子系统和晶格系统等三个独立系统进行描述的温度复耦合模型。现有技术中对于激光参数的控制尚未形成系统性的方法，从而可能导致因参数设定偏差导致加工精度下降。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是克服上述现有技术中的不足，以解决激光参数控制能力不足导致的加工精度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术公开的基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，包括以下步骤：步骤S1，将QHJ模型、QD模型、QX模型、QA模型和QC模型的动态效应作用机理进行耦合形成QZ模型；其中，QHJ为材料变厚度变焦效应模型；QD为等离子体冲击波效应模型；QX为材料动态吸收效应模型；QA为多脉冲能量串行耦合效应模型；QC为齿轮材料成分间互温感应模型；QZ为多脉冲能量串行耦合效应模型；步骤S2，在所述QZ模型中分别输入激光参数，并获得输出的齿轮表面加工质量参数；步骤S3，判断所述齿轮表面加工质量参数是否符合预设标准；步骤S4，若否，则调整所述激光参数，并执行所述步骤S2；步骤S5，若是，则输出所述激光参数。优选地，所述QHJ模型中，确定点接触共轭齿面差曲面的铣削厚度H的公式如下：H＝(r2-r1)n1＝Δrn1其中，H为铣削厚度；r1为曲面∑1上的单位径矢；n1为曲面∑1上的单位法矢；r2为曲面∑2上的单位径矢；Δr为两曲面间的单位径失差。优选地，所述QD模型中，时间t内激光辐射到等离子体冲击波中的总能量QD(t)由如下公式确定：其中，为脉冲激光总能量；b为材料吸收系数；τ为激光脉宽；σ为与激光脉冲形状有关的值；等离子体绝热膨胀的动力学方程如下：其中，X0、Y0、Z0分别表示等离子体膨胀结束时三个方向的边缘坐标；X(t)、Y(t)、Z(t)分别表示等离子体膨胀坐标随时间的变化函数；k为玻尔兹曼常数；m为粒子质量；T0为初始等离子体温度。优选地，所述QX模型中，激光辐照下齿轮材料吸收的激光能量密度为：ΔE＝IQX(t)dt齿面温度随时间的变化规律用下式表示：T(0，t)＝Ct+[(Ct)2+Dt]1/2吸收率β随时间t的变化关系可表示为：β(t)＝A0+A1[Ct+(C2t2+Dt)1/2]其中，I为激光功率密度；A0为室温下材料对激光的吸收率；A1为材料常系数；α为材料热扩散系数；k为材料热导率。优选地，所述QA模型中，确定激光入射到距齿面x处的激光能量密度的公式如下：根据齿轮材料的能量累积系数s，第N个脉冲烧蚀时的烧蚀阈值Fth(N)与单脉冲的烧蚀阈值Fth(1)之间的关系用下式表示：Fth(N)＝Fth(1)Ns-1在材料内部距离齿面x处，建立第N个激光脉冲辐照后的能量密度累积效应基本模型QA用下式表示：其中，I0为入射到齿面的最大激光能量密度；β为材料吸收率。优选地，所述QC模型的表达式如下式：其中，U0为吸收的单位质量能量密度；mi为第i种成分质量；Xi为第i种成分比例；βi为第i种成分的吸收率。优选地，所述激光参数包括能量密度W、离焦量ΔJ、激光功率P、脉冲宽度τ和脉冲频率f中任一项。优选地，所述齿轮表面加工质量参数包括烧蚀齿面温度T、烧蚀深度h、凹坑大小D、粗糙度Ra和齿面误差Dev中任一项。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：通过将QHJ模型、QD模型、QX模型、QA模型和QC模型的动态效应作用机理耦合形成QZ模型，利用QZ模型并结合有限差分等方法，利用Matlab等进行数值仿真，可以根据输入的激光参数获得齿轮表面加工质量参数；再对齿轮表面加工质量参数进行分析，若其不符合预设标准，说明输入的激光参数未达到设计要求，则需要重新调整激光参数并再次利用QZ模型并结合有限差分等方法，利用Matlab等进行数值仿真获得齿轮表面加工质量参数，并重新分析，循环调整直至获得符合预设标准的齿轮表面加工质量参数，则说明对应的激光参数达到了设计要求，将其输出，即为所需参数。这种控制方法通过仿真模拟并根据模拟结果反向判断是否满足要求，能够有效地寻找到所需的激光参数。相对于现有技术，本专利技术能够有效控制激光参数，从而提升加工精度。附图说明图1为本专利技术基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法的流程示意图；图2为本专利技术基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法的原理示意图；图3为曲面齿轮飞秒激光加工的物理作用过程动态效应示意图；图4为曲面齿轮飞秒激光加工中温度复耦合模型的物理作用机理示意图。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术公开了基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法。如图1至图4所示，本专利技术基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法的一实施例中，包括以下步骤：步骤S1，将QHJ模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1，将Q

【技术特征摘要】
1.基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将QHJ模型、QD模型、QX模型、QA模型和QC模型的动态效应作用机理进行耦合形成QZ模型；其中，QHJ为材料变厚度变焦效应模型；QD为等离子体冲击波效应模型；QX为材料动态吸收效应模型；QA为多脉冲能量串行耦合效应模型；QC为齿轮材料成分间互温感应模型；QZ为多脉冲能量串行耦合效应模型；
步骤S2，在所述QZ模型中分别输入激光参数，并获得输出的齿轮表面加工质量参数；
步骤S3，判断所述齿轮表面加工质量参数是否符合预设标准；
步骤S4，若否，则调整所述激光参数，并执行所述步骤S2；
步骤S5，若是，则输出所述激光参数。


2.根据权利要求1所述的基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其特征在于，所述QHJ模型中，确定点接触共轭齿面差曲面的铣削厚度H的公式如下：
H＝(r2-r1)n1＝Δrn1
其中，H为铣削厚度；r1为曲面∑1上的单位径矢；n1为曲面∑1上的单位法矢；r2为曲面∑2上的单位径矢；Δr为两曲面间的单位径失差。


3.根据权利要求1所述的基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其特征在于，所述QD模型中，时间t内激光辐射到等离子体冲击波中的总能量QD(t)由如下公式确定：






其中，为脉冲激光总能量；b为材料吸收系数；τ为激光脉宽；σ为与激光脉冲形状有关的值；
等离子体绝热膨胀的动力学方程如下：



其中，X0、Y0、Z0分别表示等离子体膨胀结束时三个方向的边缘坐标；X(t)、Y(t)、Z(t)分别表示等离子体膨胀坐标随时间的变化函数；k为玻尔兹曼常数；m为粒子质量；T0为初始等离子体温度。


4.根据权利要求1所述的基于动态效应机理的精微加工曲面齿轮激光参数控制方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李湾，明兴祖，徐海军，贾松权，朱正塏，龙达地，朱俊华，明瑞，
申请(专利权)人：湖南汽车工程职业学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43