线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式，推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟，剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明：液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加，与此同时其分布均匀性反而下降；抛光间隙值越小，液动压力和黏性切应力数值越大，且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台，以K9玻璃为实验对象，探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。     

线性液动压抛光装置设计及其动压力分布研究

针对以往液动压抛光装置中存在的压力较小、不均及离心力无法消除的问题,提出了一种线性液动压抛光方法。基于液体动压润滑理论,该方法在抛光液浸没环境中,以高速旋转的辊子带动抛光液对工件表面进行了材料微量去除;同时,设计了一种新型抛光辊子,并在辊子表面设计了不同形状的沟槽,加强了液动压效应;利用CFD软件,对抛光环境下的流体进行了数值模拟,得出了线性液动压抛光的流体压力分布,并与前人的研究结果进行了比较。研究结果表明:新装置所能形成的液体动压力明显大于以往装置,该线性抛光方式能够提高加工区域的流体压力,并能改善压力不均及离心力等问题,更好地满足超精密抛光的需求。     

液动压悬浮抛光盘的设计及抛光液动压分布研究

提出一种液动压悬浮抛光加工新方法,该方法是基于流体动压润滑理论,以高速转动的抛光盘带动抛光液及其磨粒对工件表面进行加工。针对动压浮离抛光过程中存在的表面压力分布不均的问题,在动压浮离抛光盘的基础上加入约束边界和蓄流槽,设计一种新型抛光盘,实现了液动压悬浮抛光。利用CFD软件对抛光盘与下盘面间的流场进行数值模拟,得出动压浮离抛光盘和新型抛光盘底部流道的液体压力分布。结果表明,新型抛光盘能够能提高加工区域的流体压力,并能使流体压力的分布相对均匀。     

液动压悬浮抛光流场的数值模拟及抛光工具盘结构优化

为对液动压悬浮抛光工具盘结构参数进行优化,首先通过正交试验和CFD数值模拟,利用方差分析法分析抛光工具盘各结构参数对加工区域流体动压力的大小和均匀性的显著性影响;然后使用多元非线性回归方法和遗传算法对正交试验样本数据进行优化,得出最优结构参数。数值模拟试验表明,优化后抛光工具盘产生的动压力均值和均匀性都比优化前抛光工具盘提高了30%。     

液动压悬浮抛光工具盘承载力的研究

提出一种新型液动压悬浮抛光方法,阐述液动压悬浮抛光的基本原理,通过对结构化单元的划分及其流体液动压力的研究,推导出液动压承载力与抛光液黏度、抛光工具速度、抛光间隙以及抛光工具盘结构参数如单元长度、单元宽度、形状系数等的解析模型.数值模拟研究获得了影响液动压悬浮抛光工具盘承载力大小的主要因素,液动压抛光工具盘的斜面升高比和斜面占长比对承载力的数值大小存在极值条件,承载力与抛光工具盘速度和单元长度成正比,承载力与单元宽度的平方成正比并与加工间隙的平方成反比,单元宽度和加工间隙对承载力数值大小的作用最为显著.     

线性液动压抛光流场的剪切特性研究

以动压润滑理论为基础,推导了线性液动压抛光的流场剪切力数学模型。借助FLUENT软件研究了流场底面的剪切力分布,通过单因素控制变量试验探究了各参数对剪切力的影响规律,灵敏度从高到低依次为：抛光间隙、抛光液黏度、抛光辊子转速、抛光辊子半径。以正交试验结果为训练集,建立了基于支持向量回归（SVR）的剪切特性预测模型,相关系数为98.35%、均方误差为3.44×10-3。最后计算了剪切力理论值。对比发现,数值模拟和理论计算误差在15%以内;不同参数组合下剪切力分布趋势相同;SVR预测模型可信度高。     

气-液-固三相磨粒流光整加工及其工艺参数优化

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题,本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡,利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动,从而有效提升抛光效率。实验显示:在加工过程中,离心泵的发热会导致流体黏度下降,进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布,而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果,文中基于对磨粒流抛光机理的研究,提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法,实验求得了抛光流体温度从20℃到60℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明,相对未加入气泡时,该抛光方法的加工效率得到提高,而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。     

基于均匀设计和遗传算法的液动压悬浮抛光工艺参数优化研究

针对液动压悬浮抛光流场压力均匀性优化问题,研究了悬浮抛光加工过程中工艺参数对加工区域动压力的影响;采用计算流体力学(CFD)和均匀设计方法求解了不同工艺参数下加工区域的压力均值和压力标准差;采用多元非线性回归方法建立了工艺参数与压力均值、压力标准差的拟合数学模型;通过遗传算法对工艺参数进行了优化;通过数值模拟和加工实验对比研究了优化前后的压力分布和加工效果。研究结果表明:所选的工艺参数与压力均值、压力标准差有非线性回归关系,最优工艺参数为h=285μm,ω=1 300 r/min,φ=0. 12,在该参数下工件区域的流场压力均值最大,压力标准差最小,有助于快速均匀地去除材料。     

磁流变变间隙动压平坦化加工力特性研究

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力的影响规律,结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力形成脉冲正值和负值周期性的动态变化过程;将工件轴向低频振动过程分解为下压过程与拉升过程,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增大;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留期间抛光力从峰值逐渐衰减并趋于平稳;挤压振动幅值对抛光正压力影响较小。建立了磁流变变间隙动压平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下,磨料更新及其附加运动机制,研究了磁流变变间隙动压平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理,为磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺优化提供了理论依据。     

磨削加工时磨削液的流体动压效应

根据流体动压润滑理论,分析了平面砂轮磨削液的流体动压效应,并考虑砂轮渗透度的影响,推得了有限宽线接触条件下磨削液三维流动的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程,用数值分析方法,得出了砂轮磨削区内磨削液动压力的分布曲线和液膜举起力。然后进一步分析讨论了砂轮渗透度、砂轮与工件间的相对速度及相对间隙对液膜举起力的影响。数值计算结果与实测数据基本吻合。     

导流式液流悬浮加工流场特性研究

为提高液流悬浮加工的效率,提出一种应用导流模块来改变悬浮液流场特性的液流悬浮加工方法。基于流体动压理论和可实现的k-ε湍流理论,建立导流式液流悬浮加工的动力学模型。研究发现,该加工方法的压力、速度参数在数值上与传统液流悬浮加工方法相比分别提高了5.04%和1%,且流体动压力和流体速度的大小与转速成正比,其流体动压力及速度最大值均出现在加工区最小间隙处。实验结果表明:当转速达到6500r/min时,工件加工区表面在加工90min后粗糙度值降至0.018μm,可得到比较理想的加工效果。     

圆平动化学机械研抛过程的流体动力性能分析

根据圆平动化学机械研抛(C ircular-translational-moving Chem icalMechan ical Polishing,CTM-CMP)的运动关系,建立了极坐标下非稳态流体膜厚方程和非稳态下牛顿流体在CTM-CMP过程中的润滑方程。利用有限差分法数值求解获得了瞬时工件与研抛盘间的压力分布和膜厚分布,分析了压力积分载荷、倾覆力矩与研抛速率及姿态角的变化关系。结果表明CTM-CMP过程易于形成负压,有利于提高研磨效率。随着研抛速率的增加,承载能力和倾覆力矩线性增加;随着倾角的增加,承载能力和倾覆力矩非线性增大。分析结果有助于指导CTM-CMP的应用。     

磨削区磨料流体动压力仿真研究

根据Navier-Stokes方程和流体流动的连续性方程,建立了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工中砂轮/工件楔形接触区磨料流体动压力的数学模型;进行了砂轮速度、砂轮/工件平均最小间隙以及砂轮直径对楔形区磨料流体动压力影响的仿真研究。结果表明,流体动压力随砂轮速度的提高和平均最小间隙的降低而增加,最大压力峰值发生在砂轮与工件平均最小间隙区域,且在该区域压力梯度变化明显;除了在砂轮宽度边缘产生侧泄外,在砂轮宽度方向流体动压力分布规律相同;随着砂轮与工件之间平均最小间隙的减小,动压力峰值区域曲线变窄,砂轮直径对流体动压力影响不明显。     

基于Reynolds 方程的磨削流体动压特性的研究

由于旋转砂轮与工件表面之间存在楔形间隙,当磨削液进入楔形区域后,就会产生磨削流体动压力。以流体动压润滑理论的Reynolds方程为依据,推导出描述平面磨削时磨削流体动压力方程。采用VB和MATLAB混合编程开发出磨削时磨削流体动压力场的计算软件GRWHP。该仿真软件可用于计算磨削流体动压力的分布及磨削流体动压力对砂轮的法向作用力,且仿真结果与实验结果相符。仿真结果表明:最大磨削流体动压力产生于最小间隙附近,且位于磨削引入区内;最大磨削流体动压力随着砂轮转速的提高而增大,随着最小间隙的减小而增大。     

基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法

针对水下装备的水阻力无法实时测量的问题，提出了一种基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法。通过履带装备模型的人工侧线系统，提取不同来流速度和来流角度的传感器压力值，应用压力值的分布规律对履带装备模型的局部流场信息进行感知。通过履带装备模型水阻力拘束实验结合计算流体动力学（CFD）仿真的方式对水阻力系数进行辨识，建立履带装备模型的迎流面外形与黏性水阻力系数的函数关系。将人工侧线的流场感知结果作为输入，实时计算履带装备模型的水阻力。履带装备模型的人工侧线和水动力验证结果表明，人工侧线的压力分布特性可以有效地识别流场的来流速度和来流角度，履带装备模型的水阻力计算误差在工程应用可接受范围内。     

收敛楔形间隙在杆管中形成动压润滑油膜的研究

为减少抽油杆与油管之间的偏磨,建立了收敛楔形间隙在杆管间的液体动压润滑数学模型,依据雷诺方程导出了油膜压力的计算公式,分析了影响油膜力大小的因素.结果表明:在收敛楔形间隙某一高度处,油膜压力沿圆周方向的分布是在间隙最小处油膜压力最大,在间隙最大处油膜压力最小;收敛楔形间隙在某一偏角处,沿轴向方向,随轴向高度的增大,油膜压力逐渐增大,增大到一定数值,油膜压力又逐渐减小.     

Distribution of Hydrodynamic Pressure on Counterformel Line Contacts

The pressure distribution of counterformel cylinders was measured. Within the small zone of contact it was possible to obtain pressure curves which were correct both qualitatively and quantitatively. Integration of the pressure gave the hydrodynamic borne load. This load agreed with the applied load in the region of fluid friction. Under conditions of mixed friction, a steady decrease in the developed pressures was observed. There was no sudden breakdown of pressure. The following effects were investigated: speed, load, viscosity, curvature, roughness, and lubricant. The highest measured pressure was 60,000 lbs per square inch. This pressure exceeded the maximum of the hertzian distribution.     

Numerical analysis of hydrodynamic process of circular-translational-moving polishing (CTMP)

By keeping a pad moving relative to a wafer along a circular path without rotation, we developed a polishing technique called circular-translational-moving polishing (CTMP), which permits multidirectional polishing of the work piece and thus bears the advantage of isotropic polishing and a potential increase of material removal rate (MRR) on the wafer. To illuminate the mechanisms of CTMP and determine the optimum process variables in a CTMP process, a three-dimensional hydrodynamic lubrication model for CTMP with a smooth and rigid pad under a quasi-stable state is established in a polar coordinate system. The model equations are further calculated numerically by the finite difference method. The instantaneous distribution of fluid pressure is obtained, which shows that a negative pressure exists. The reason for negative pressure in CTMP and its effect on polishing is discussed. Moreover, the nominal clearance of the fluid film, roll, and pitch angles under different working conditions are obtained in terms of the applied load, moments, and polishing velocity. The obtained numerical analysis can be used as guidance for choosing operation parameters in a practical CTMP application.     

液体动压径向滑动轴承供油压力对动静特性的影响

研究了供油压力对液体动压径向滑动轴承动静特性的影响。运用有限差分法和适当的边界条件，计算得出有无供油压力情况下，轴承的动静特性参数，并对计算结果进行分析比较。结果表明：供油压力是分析液体动压径向滑动轴承动静特性的一个不可忽略的因素。