CN103612013A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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，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。

Description

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

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***，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***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。

步骤9、控制台启动高速摄影机，当相机转镜达到4×10⁵-6×10⁵r/min的稳定高转速后，启动脉冲信号发生器。

步骤10、计算机中导出由高速摄影机拍摄的图像；

步骤11、根据提取的图片数据，按照以下公式计算出波阵面的传播距离R(t)

$R=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{2/5}---\left(\mathrm{II}\right)$

式中：ε为无量纲的自相似变量，ρ_a为空气的密度，E为***能量，t为时间。

步骤12、根据式（Ⅱ），得到冲击波阵面运动的速度D为：

$D=\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{5}\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{-3/5}---\left(\mathrm{III}\right),$

根据冲击波的基本公式，计算波阵面压力P_s和温度_Ts，

$P_s=\frac{2}{{\mathrm{\γ}}_v+1}{\mathrm{\ρ}}_a{,D}^2=\frac{8}{25({\mathrm{\γ}}_v+1)}{\mathrm{\ρ}}_a,{\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}---\left(\mathrm{IV}\right)$

$T_s=\frac{p_s}{R_v{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{8({\mathrm{\γ}}_v-1)}{25{({\mathrm{\γ}}_v+1)}^2}{\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}\frac{1}{R_v}---\left(V\right)$

其中砂轮中金属蒸气的绝热指数γ_v=1.42；砂轮中金属蒸气的气体常数R_v=287.1J/Kg*K；ε、E、ρ_a分别为步骤4中的自相似变量、***能量和初始密度。其中，根据能量守恒得到关系式

计算得到ε=1.18；

步骤13、将数据代入式（Ⅳ）和式（Ⅴ）可分别得到冲击波压力和冲击波温度随时间变化的关系。

步骤14、根据步骤13中爆轰波压力和温度最大值以及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，确定激光修整砂轮时在线检测砂轮表面质量，采用超景深拍摄激光修整后砂轮表面质量，验证预测结果。

本发明的有益效果在于：

1、通过由激光光源和光学元件构建成的光路，将激光修整砂轮时产生的等离子体爆轰波转化成可视化流场，基于点***模型和冲击波基本关系式，便可得到修整时波阵面压力和温度随时间变化的规律。本发明利用计算得到爆轰波压力和温度的最大值，便可实现砂轮表面质量在线检测。

2、本发明设计的光路布置，可以减少或消除由光线成像造成的慧差和像散两类像差。

附图说明

图1爆轰波压力和温度分别小于60Mpa和1.3×10⁷K时砂轮表面三维超景深图；

图2爆轰波压力和温度分别大于60Mpa和1.3×107K而小于85Mpa和2.8×107K时砂轮表面三维超景深图；

图3爆轰波压力和温度分别大于85Mpa和2.8×107K时砂轮表面三维超景深图；

图4激光等离子体爆轰波流场可视化实验装置示意图；

图5不同时刻下激光支持爆轰波流场的摄影照片；

图6冲击波波阵面压力随时间变化曲线示意图；

图7冲击波波阵面温度随时间变化曲线示意图；

图8爆轰波压力和温度为79Mpa和2×10⁷K时砂轮表面三维超景深图。

其中：1-激光光源，2-调整平面反射镜片、3-扩束镜片、4-凹面反射镜片、5-球面反射镜，6-砂轮，7-球面反射镜，8-凹面反射镜片，9-刀口，10-高速相，11-计算机，12-控制器，13-光纤激光器，14-脉冲发生器；

具体实施方式

以下将结合着附图1-8对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明采用对垂直于光轴平面内各个方向上的折射率梯度具有相同的灵敏度的激光为背景光源的方法，其利用流场的密度梯度场来表征流场结构。光源经准直后的平行光束穿过扰动流场区域时发生偏折，受扰动流场沿刀口方向不同的密度梯度变化导致光源的像被刀口不同程度地切割，从而在记录平面上产生明暗变化，亮度增加或减弱正比于扰动流场沿刀口方向的密度梯度变化，变化的光线到达底片后引起图像照度改变，从而用记录图像照度的变化来观察流场。

实验将光纤激光器产生的光束聚焦于青铜金刚石砂轮表面,当聚焦的激光能量密度达到1×10⁸W/m²以上时，砂轮发生击穿形成高温等离子体。高温等离子体进一步吸收激光能量形成激光等离子体爆轰波。爆轰波引起周围空气密度急剧变化,通过高速摄影法记录爆轰波流场变化，由于等离子体爆轰波流场区域与焦斑半径相比很大，持续时间也远比激光脉宽长，因此，可以将光纤激光束作用在砂轮表面时形成的爆轰波可以看出一个点，认为激光沉积能量是在击穿点瞬间释放出来的，在周围空气中形成冲击波，冲击波流场呈一维对称分布。因此，可利用点***模型描述冲击波流场演化特征，根据冲击波基本关系式，计算得到波阵面压力和温度随时间变化的规律。

如图4所示，激光等离子体爆轰波流场可视化实验装置及工作过程可概括为：激光光源1产生一束激光，该激光束以45°入射角度照射在平面反射镜片2，经平面反射镜片2镜面反射后投射至扩束镜片3，扩束镜3为1064nm扩束镜。扩束镜片3将激光束发散成非平行的多束激光，再通过凹面反射镜片4反射形成多束平行激光，光程为凹面反射镜的焦距0.8m，平行光垂直照射在球面反射镜5，平行光束穿过等离子体爆轰波区域后折射率发生变化，折射率发生变化的激光束射到球面反射镜5而后反射到球面反射镜片7，在凹面反射镜片8焦点处放置刀口9，使激光束聚焦于刀口9，其中凹面反射镜片4、球面反射镜5和凹面反射镜片8、球面反射镜7分别关于激光束对称。高速相机10记录由刀口9切割的像。

其中，光纤激光束波长1064nm，单脉冲能量1mJ，重复频率20-80kHz，激光器聚焦镜片焦距为80-100mm，激光修整时间为5分钟。高速相机每幅照片间的时间间隔为6.5ns。

激光修整砂轮等离子体爆轰波压力和温度测量之前需要对光学仪器进行调节，以获得有效的流场信息。本发明包括光学仪器安装调试和激光修整砂轮等离子体爆轰波压力和温度测量以及采用超景深拍摄砂轮表面质量的过程，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发射出的平行光路径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，首先将光纤激光器功率值调节为20-40W，重复频率50-90kHz，激光能量0.1mJ-0.5mJ，磨床轴向进给0.008-0.1mm/s，砂轮转速120-200r/min。

步骤9、控制台启动高速摄影机，当相机转镜达到4×10⁵-6×10⁵r/min的稳定高转速后，启动脉冲信号发生器。

脉冲信号发生器同时产生两路脉冲信号：一路信号启动光纤激光器13，另一路信号启动激光光源1。由于从光纤激光器启动到产生激光有几百微秒的延迟时间，在启动背景光源的电路中设置延时回路，以保证光纤激光13与激光光源1同步。

步骤10、计算机11中导出由高速摄影机10拍摄的图像，如图5所示：在6.5us时，图中出现扰动现象，在砂轮的前方出现发光区域。13us时照片中椭圆形球头部出现了发光区域。在26us时，波阵面不断向外扩展，椭圆形球头部发光区域亮度减弱。32.5us时显示的流场出现了内外两个密度的间断层，45.5us时，在两个间断层之间又出现新的间断层，此时冲击波阵面边界类似半椭圆，此后，椭圆形波阵面和新的间断层继续向外扩展，但内核区域的形状和尺寸基础保持不变。105us左右时，扰动区域边界近似于半椭圆形。

步骤11、根据提取的图片数据可以计算出波阵面的传播距离R(t)，具体计算和推导过程如下：（1）光纤激光在砂轮6表面作用时，激光能量瞬间释放，形成等离子体爆轰波。（2）点***形成的冲击波传播规律遵循泰勒点***自相似解。冲击波运动是自相似的，它只依赖于传播距离R和时间t的某个确定组合。（3）未受扰动的空气密度均匀，环境气体压力与冲击波波阵面压力相比，可忽略不计。根据以上假设，光纤激光与砂轮作用形成的爆轰波流场演化遵循点***后流场演化规律。在点***问题中，气体的运动只取决于***能量E和ρ_a初始密度，其中能量E=0.1mJ-0.5mJ，ρ_a为空气的密度，在温度为20°时，空气密度为1.205kg/m³。因此，气体运动是自相似的，它依赖于到***中心的距离R和时间t的某个组合，其中距离R是拍摄的流场图通过图像处理软件测量得到。根据量纲分析，取无量纲的自相似变量ε为：

$\mathrm{\ϵ}=R*\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{{\mathrm{Et}}^2}\right)---\left(I\right),$

式中：冲击波传播距离R(t)，时间t，密度ρ_a和冲击波阵面能量E组成自相似变量ε。

经转化，波阵面的传播距离R(t)表示为：

$R=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{2/5}---\left(\mathrm{II}\right)$

式中：ρ_a为空气的密度。

步骤12、根据式（Ⅱ），得到冲击波阵面运动的速度为：

$D=\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{5}\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{-3/5}---\left(\mathrm{III}\right),$

根据冲击波的基本公式，计算波阵面压力P_s和温度T_s，

$P_s=\frac{2}{{\mathrm{\γ}}_v+1}{\mathrm{\ρ}}_a{,D}^2=\frac{8}{25({\mathrm{\γ}}_v+1)}{\mathrm{\ρ}}_a{,\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}---\left(\mathrm{IV}\right)$

$T_s=\frac{p_s}{R_v{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{8({\mathrm{\γ}}_v-1)}{25{({\mathrm{\γ}}_v+1)}^2}{\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}\frac{1}{R_v}---\left(V\right)$

其中砂轮中金属蒸气的绝热指数γ_v=1.42；砂轮中金属蒸气的气体常R_v=287.1J/Kg*K；ε、E、ρ_a分别为步骤4中的自相似变量、***能量和初始密度。根据能量守恒得到关系式 $\mathrm{\ϵ}={\left[\frac{75}{8\mathrm{\π}}\frac{({\mathrm{\γ}}_v-1){({\mathrm{\γ}}_v+1)}^2}{({3\mathrm{\γ}}_v-1)}\right]}^{1/5}---\left(\mathrm{VI}\right),$

可计算得到ε=1.18。

步骤13、将数据代入式（Ⅳ）和式（Ⅴ）可分别得到冲击波压力和冲击波温度随时间变化的关系。

如图6和7所示。由图可知，在26ns时，爆轰波压力和温度均达到最大值，其值分别约为79Mpa和2×10⁷K。随着时间增加，压力在39ns时下降到55Mpa，温度下降到1.1×10⁷K，随后压力、温度变化缓慢，压力停留在0.5Mpa，温度停留在10⁶K。

步骤14、根据步骤13中爆轰波压力和温度最大值以及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，确定激光修整砂轮时在线检测砂轮表面质量，采用超景深拍摄激光修整后砂轮表面质量，验证预测结果。

在该实施例子中，步骤13中计算得到的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，此次激光修整砂轮试验符合规律②，砂轮表面质量应跟图2相似：砂轮表面金刚石磨粒突出一定的高度，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。采用超景深拍摄此次激光修整后砂轮表面来验证预测结果，如图8所示，与预测结果相符合。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (1)

1.一种基于等离子体爆轰波压力和温度的测量，预测激光修整砂轮质量的方法，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）、激光光源（1）连接，控制器（12）分别与脉冲发生器（14）和高速摄影机（10）相连；

步骤8、接通电源，将光纤激光器（13）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；

步骤9、控制台启动高速摄影机（10），当相机转镜达到4×10⁵-6×10⁵r/min的稳定高转速后，启动脉冲信号发生器，其中，一路信号启动光纤激光器（13），另一路信号启动激光光源（1）；

步骤10、计算机（11）中导出由高速摄影机（10）拍摄的图像；

步骤11、根据提取的图片数据，按照以下公式计算出波阵面的传播距离R(t)

$R=\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{2/5}---\left(\mathrm{II}\right)$

式中：ε为无量纲的自相似变量，ρ_a为空气的密度，E为***能量，t为时间。

步骤12、根据式（Ⅱ），得到冲击波阵面运动的速度D为：

$D=\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}=\frac{2}{5}\mathrm{\ϵ}{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{1/5}{t}^{-3/5}---\left(\mathrm{III}\right),$

根据冲击波的基本公式，计算波阵面压力P_s和温度T_s，

$P_s=\frac{2}{{\mathrm{\γ}}_v+1}{\mathrm{\ρ}}_a{,D}^2=\frac{8}{25({\mathrm{\γ}}_v+1)}{\mathrm{\ρ}}_a{,\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}---\left(\mathrm{IV}\right)$

$T_s=\frac{p_s}{R_v{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{8({\mathrm{\γ}}_v-1)}{25{({\mathrm{\γ}}_v+1)}^2}{\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_a}\right)}^{2/5}{t}^{-6/5}\frac{1}{R_v}---\left(V\right)$

其中砂轮中金属蒸气的绝热指数γ_v=1.42；砂轮中金属蒸气的气体常数R_v=287.1J/Kg*K；ε、E、ρ_a分别为步骤4中的自相似变量、***能量和初始密度；其中，根据能量守恒得到关系式

计算得到ε=1.18；

步骤13、将数据代入式（Ⅳ）和式（Ⅴ）可分别得到冲击波压力和冲击波温度随时间变化的关系。

步骤14、根据步骤13中爆轰波压力和温度最大值以及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，确定激光修整砂轮时在线检测砂轮表面质量，采用超景深拍摄激光修整后砂轮表面质量，验证预测结果。

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