哈尔滨理工大学机械硕士学位论文
激光辅助微刻划铍材及分子动力学模拟研究
摘要
由于铍材具有较高的脆性和硬度，是典型的难切削材料。在传统的加工过
程中容易导致其边缘破裂、表面存在微小的裂纹和其他缺陷，材料在微观层面
上发生变形。激光具有高能量、高密度和可控性好的点，激光辅助切削方法
是通过激光作用在材料表面，提升材料的局部温度，从而改善材料的可加工性
能，应用在难加工材料加工领域。
本文以激光加热辅助刻划为主要手段，结合分子动力学方法，开展铍材的
微切削性能研究。探索工艺参数对材料加工性能的影响规律，旨在提高铍的可
加工性能，为铍材切削的机理及工艺参数优选提供理论支撑，本文主要从以下
几方面展开研究:
首先，使用霍普金森压杆装置进行铍的动态力学性能试验，通过应力应变
曲线来计算出铍材的应变硬化指数与应变率强化系数，完善铍的本模型。通
过有限元仿真和试验相结合的方法来确定铍对激光的吸收率，为后续激光辅助
刻划试验选择合适的激光参数提供参数支持。
其次，采用有限元方法模拟宏观尺度下的激光辅助切削铍材，分析了激光
加热温度和刻划速度对于刀具的切削力，铍材的应力场和温度场的影响。证明
激光对切削力，应力分布，温度分布有显著影响，刻划速度对切削力，铍材应
力场和温度场影响较小。
再次，进行激光辅助刻划铍材分子动力学仿真研究，从原子的微观角度探
索激光辅助刻划机理。分析了不同的刻划速度、刻划深度和激光功率下传统刻
划和激光辅助刻划对于工件材料内部的晶体变形的影响。结果表明激光可以有
效的降低刻划力，减小摩擦系数，非晶相变增加，抑制向面心立方结的转化，
达到增强表面加工质量，提高材料去除率的目的。
最后，搭建刻划试验平台，进行激光辅助刻划试验研究。采用不同的刻划
速度和激光功率，利用白光干涉仪对铍材加工表面进行观察，获得了激光加热
辅助加工对材料刻划质量的影响规律。
关键词激光辅助；铍材；分子动力学模拟；刻划
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哈尔滨理工大学机械硕士学位论文
StudyonLaserAssistedMicroscribing
ofBerylliumandMolecularDynamics
Simulation
Abstract
Berylliumisusedasaheat-resistantcomponentinaircraftenginesto
keepthemrunningathighspeedsandtemperatures,aswellasin
spacecrafttoinsulatethemfromheatandradiation.Becauseofitshigh
brittlenessandhardness,berylliumisatypicaldifficultmaterialtocut.In
thetraditionalprocessingprocess,itiseasytocauseitsedgetocrack,
therearesmallcracksandotherdefectsonthesurface,andthematerialis
deformedatthemicroscopiclevel.Laserhasthecharacteristicsofhigh
energy,highdensityandgoodcontrollability,laserassistedcutting
methodisthroughthelaseractiononthesurfaceofthematerial,improve
thelocaltemperatureofthematerial,soastoimprovethemachinabilityof
thematerial,appliedinthefieldofdifficulttoprocess