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氧化锆陶瓷板 切割熔化物颗粒形态研究

吴迪,王续跃

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吴迪, 王续跃. 氧化锆陶瓷板 切割熔化物颗粒形态研究[J]. , 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
引用本文: 吴迪, 王续跃. 氧化锆陶瓷板 切割熔化物颗粒形态研究[J]. , 2016, 9(5): 554-562.doi:10.3788/CO.20160905.0554
WU Di, WANG Xu-yue. Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic[J]. Chinese Optics, 2016, 9(5): 554-562. doi: 10.3788/CO.20160905.0554
Citation: WU Di, WANG Xu-yue. Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic[J].Chinese Optics, 2016, 9(5): 554-562.doi:10.3788/CO.20160905.0554

氧化锆陶瓷板 切割熔化物颗粒形态研究

doi:10.3788/CO.20160905.0554
基金项目:

国家自然科学基金资助项目50975041

国家自然科学基金资助项目51375073

国家自然科学基金资助项目51321004

详细信息
    作者简介:

    吴迪(1990-), 男, 吉林长春人, 硕士研究生, 主要从事 切割方面的研究.E-mail:wudisuper@126.com

    通讯作者:

    王续跃(1960-), 男, 辽宁大连人, 博士, 教授, 主要从事特种加工和精密加工方面的研究.E-mail:wbzzd@dlut.edu.cn

  • 中图分类号:TN249

Melt particles morphology during laser cutting zirconia ceramic

Funds:

National Natural Science Foundation of China50975041

National Natural Science Foundation of China51375073

National Natural Science Foundation of China51321004

More Information
  • 摘要:本文设计了一套加工装置,对氧化锆陶瓷板 切割的熔化物颗粒进行收集,并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)图像处理软件对熔化物颗粒的形态(数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况)进行研究。通过气熔比控制方法,对板厚分别为0.8mm、1mm、1.5mm、3mm的氧化锆陶瓷板进行 切割实验。实验结果表明:不同板厚参数下,球形熔化物颗粒所占百分比范围从99.21%降到89.81%,圆饼形从0.79%升至7.44%,哑铃形从0升至2.75%。随着板厚的增加,圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大,球形颗粒所占百分比降低,球形颗粒平均直径和标准差随之增大,切面粗糙度由2.287μm增加到5.946μm。建立了熔化物去除几何模型,阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系,球形颗粒所占的百分比越大,平均直径和标准差越小,切割质量越好,最终获得质量较高切割样件。

  • 图 1 切割装置示意图

    Figure 1.Setup photo of laser cutting

    图 2不同板厚下的显微图像

    Figure 2.Microscopic images at different thickness

    图 3熔化物球形颗粒显微图像处理过程

    Figure 3.Processing of spherical melt particles microscopic image

    图 4球形颗粒分布直方图

    Figure 4.Distribution of spherical melt particles

    图 5板厚对各形状熔化物颗粒所占百分比的影响

    Figure 5.Effect of thickness on percentage of different melt particles

    图 6板厚对球形颗粒平均直径和标准差的影响

    Figure 6.Effect of thickness on average diameter of particles and standard

    图 7熔化物去除几何模型

    Figure 7.Geometric model of removal melt

    图 8哑铃形颗粒

    Figure 8.Dumbbell-shaped particles

    图 9球形熔化物颗粒平均直径对切面粗糙度的影响

    Figure 9.Effect of mean spherical melt particles diameter on roughness of kerf surface

    图 10高质量切割样件

    Figure 10.High quality cutting sheet

    表 1(3Y-TZP)氧化锆陶瓷化学成分(质量分数,%)

    Table 1.Composition of (3Y-TZP) Zirconia Ceramic (mass fraction, %)

    ZrO2 Y2O3 SiO2 TiO2 Na2O Fe2O3 Others
    94.8 5.1 0.030 0.030 0.005 0.007 0.030
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    表 2(3Y-TZP)氧化锆陶瓷热物理参数

    Table 2.Heat physical parameters of (3Y-TZP)Zirconia Ceramic

    热物理参数 数值
    氧化锆含量/% 94.8
    吸收率/% >90
    热传导率/(W/m·K) 2.5
    热膨胀系数(10-6/℃) 10.0
    熔点/℃ 2 550
    密度/(g·cm-3) 6.05
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    表 3 切割工艺参数

    Table 3.Parameters of laser cutting

    参数 数值
    频率/Hz 30
    离焦量/mm 0
    脉冲宽度/ms 2
    辅助吹气压力/MPa 0.8
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    表 4不同板厚及不同工艺参数下的气熔比值

    Table 4.Vapor-melt ratios at different thickness and cutting parameters

    试验序号 1 2 3 4
    板厚/mm 0.8 1 1.5 3
    功率/W 75 75 75 75
    切割速度/(mm·min-1) 120 120 120 120
    气熔比 0.209 0.192 0.160 0.086
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    表 5不同板厚下不同形状颗粒个数

    Table 5.Number of different shape particles at different thicknesses

    板厚/mm 0.8 1 1.5 3
    颗粒总数 383 396 359 363
    球形颗粒个数 380 389 341 326
    圆饼形颗粒个数 3 7 16 27
    哑铃形颗粒个数 0 0 2 10
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出版历程
  • 收稿日期:2016-04-19
  • 修回日期:2016-05-13
  • 刊出日期:2016-10-01

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