浮雕表面纳秒脉冲激光砂光与异型微观形貌烧蚀平整机理

China is the largest manufacturing country of relief furniture and timber door, but it is difficult to sanding of relief surface by mechanized equipment, and manual polish also will cost lots of manpower and costs. In order to implement Nc sanding and polish, it is necessary to research cracking form of the cell of the burr on the relief surface, and built the simulation model of the cell of the burr after milling. Then we will finish quantitative analysis to texture trend of cracking form of different part in cell, and find the the best way to clear up the coarse burrs by sanding. The ablation mechanism of the relief surface sanding by nanosecond pulse laser will be discussed, then the thermodynamics model of burr ablation will be built. After obtaining the numerical solution of nanosecond pulse laser power using micro thermal dynamics, the response equation of nanosecond pulse laser ablation of relief surface will be built. Based on the thermal stress distribution of relief surface, the ablation area of can be found after sanding. Then based on the analysis of cell cracking image, the smoothing mechanism of the sanding ablation will be found out, which will provide basic theory to mechanical design of laser sanding of relief.

我国是世界最大的浮雕家具与木门生产国，浮雕表面的砂光打磨一直是困扰浮雕产品深加工的难点，手工打磨需要大量的人力和高昂的成本。为实现浮雕表面的数控砂光和打磨，以浮雕表面毛刺微观组构的细胞裂解形态入手，建立浮雕铣削导致表面毛刺的不规则裂解微观凸凹细胞仿真模型；再对细胞不同部位裂解的形貌纹理走向进行统计定量分析；找出最佳砂磨作用下消除细胞粗糙毛刺的最佳方法；探讨木材和人造板浮雕表面纳秒脉冲激光砂磨的烧蚀机理，建立基于浮雕表面的细胞裂解毛刺烧蚀的热力学模型，运用微观热力学求出激光纳秒脉冲烧蚀功耗的数值解，建立高功率密度脉冲激光束聚焦高速摩擦辊引起木浮雕平面跳动突起部分温升引发激光烧蚀的响应方程，在数值解下，从浮雕表面热应力分布找到砂磨合理凸起的烧蚀区域，在细胞裂纹实验图像分析的基础上，找出砂磨与烧蚀的平整机理，为数控浮雕激光砂磨机械设计提供基础理论。

本项目结合交叉了光学、数学建模、机械设计及理论、木材科学与技术及计算机图形图像学等多个学科与领域的理论和技术，将纳秒脉冲激光引入木材微纳米加工技术这一新兴技术手段中。该理论突破了宏观木材加工技术理论研究，将其提高到微观、复合和细胞裂解水平上；该研究突破了传统木材加工的技术方法，将其依托在激光木材微纳米加工技术上，为激光微纳米技术在木材加工领域的应用开创了一个新的研究方向，对促进我国木材加工行业的发展具有一定的促进意义。主要研究成果和创新点如下：.(1)对木材的微观组织细胞结构进行了分析，研究了加工对木材微观结构的影响，分析了毛刺产生的原因和微观结构。.(2)探讨了激光加工的理论，研究了激光和木材作用的机理以及关键的影响因素。研究了用纳秒脉冲激光对木浮雕表面进行砂光打磨的烧蚀机理，采用能量法探讨了激光作用时间与脉冲频率及激光功率的最佳参数。.(3) 以木材毛刺的细胞为最小单元体，设定激光作用方向为主方向，在热平衡方程的基础上，以浮雕基面为主边界，建立了浮雕表面毛刺烧蚀的热力学微分方程。.(4) 完成了激光烧蚀的模拟实验，找到了烧蚀的最优参数。用高功率密度的纳秒脉冲激光烧蚀系统的状态变量和响应变量构建该系统的状态方程，提取状态趋向因子，最后建立了系统的响应方程。.(5) 设计出了数控激光实验样机，并对样机的整体结构进行了分析，对关键部件进行了有限元分析，确定了样机的关机参数和技术，并制造出了样机。. 将激光加工技术和数控技术应用到具有异性表面木材（如浮雕家具和雕刻木门）的砂光打磨中，解决了具有异性表面木材只能采取手工的方式砂光打磨的弊端。激光加工技术和数控技术的应用不仅可以减轻工人劳动强度、减少砂光打磨粉尘对人体的危害、保证生产安全、实现砂光打磨过程清洁化生产，而且还可以提高加工效率、降低成产成本、提高浮雕家具和雕刻木门产业的市场竞争力。这项技术的研制成功将把木材的砂光打磨引入到一个全新的领域，将大幅度提高我国木材砂光打磨的技术水平，同时对整个世界木材加工业的发展也具有深远的促进意义。