磨料水射流对金属材料去除力和去除模型的研究

磨料水射流抛光技术作为一种新型技术,广泛应用于表面抛光加工作业中,利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而去除材料,以达到抛光目的。采用单颗粒磨料粒子使材料产生塑性变形模型来研究磨料水射流对金属材料的去除力,通过对纯水射流冲击材料的作用力和射流中磨料射流对材料的作用力以及接触应力的理论推导,得出磨料射流中轴线上磨料颗粒去除金属材料最大打击力和最大剪应力以及最大拉应力;通过建立伯努利方程,得到射流压力与金属材料的剪切力和拉应力的直接关系,为工程上磨料水射流抛光喷嘴设计和泵压选择提供了理论参考依据。     

磨料水射流抛光技术进展综述

磨料水射流抛光技术具有加工材料范围广、无热加工影响、能满足非线性与复杂曲面零件需要的高形状精度和高表面粗糙度要求等优势,在精密加工领域具有良好的研究价值和应用前景。首先对加工质量高敏感的工艺参数,如射流动能、喷嘴结构、磨料类型、加工路径等研究进行综述,总结了不同材料加工的工艺参数,分析了不同形状的去除函数加工的适用性;然后对磨料水射流与其他技术结合而衍生出的一系列新技术进行了总结,比较各种新技术的特点;最后对磨料水射流加工及其材料去除函数模型研究的发展趋势进行预测。     

磨料流加工与MB9211型半自动磨料流机床

一、磨料流加工机理磨料流加工和磨削、抛光类似,不同的是这种加工方式使用的是流体磨料,在压力作用下的液体磨料挤擦工件表面实现切削。因此,流体磨料相当于随工件加工面变化的流体砂轮。磨料流加工采用的流体磨料是由有机载体(液体)与磨料混合而成,在压力作用下能够流     

微磨料空气射流加工特性研究

通过微磨料空气射流加工普通平板玻璃的试验研究,分析了加工时间、空气压力、磨料流量、喷射距离、喷射角度、磨料种类、喷嘴结构和尺寸等加工工艺参数与微磨料空气射流加工的材料冲蚀率及玻璃表面冲蚀加工凹坑尺寸（凹坑直径和凹坑深度）之间的关系,得出了这些工艺参数对微磨料空气射流加工效果的影响规律。结果表明：喷射距离对材料冲蚀率和冲蚀凹坑的尺寸影响最大,存在一个可以获得最大冲蚀率和加工深度的最佳喷射距离;喷嘴的形状、尺寸和喷射角度的不同直接改变加工凹坑的轮廓,是影响微磨料空气射流加工轮廓结构形状的关键因素。     

磨料水射流抛光45钢工艺参数优化

对磨料水射流抛光45钢进行了研究,分析了材料的去除机理,在已有材料去除模型基础上,设计了正交实验,对不同参数组合下磨料水射流加工45钢的表面粗糙度、材料去除率进行了MATLAB数据分析,同时从材料去除机理方面对磨料粒度、射流压力、横向进给速度、靶距、喷嘴冲蚀角度等加工参数对于抛光表面质量和材料去除率的影响程度和影响趋势进行了分析。最终结合加工面表面粗糙度和材料去除率,选出45钢抛光加工最优加工参数组合。     

纳米聚集氧化硅固定磨料抛光布的抛光特性

针对传统磨料的固定磨料抛光布容易在加工表面产生划伤,以及材料去除效率低等问题,提出了采用微米级球形聚集氧化硅粒子的固定磨料抛光布。将纳米聚集氧化硅粒子添加到抛光布中,用pH为10.5的碱性水溶液替代传统的抛光液,进行了Si基板的的抛光加工试验。与传统采用不规则形状天然氧化硅及球形熔融氧化硅固定磨料抛光布进行了比较,得到了纳米聚集氧化硅的固定磨料抛光布的加工特性,并讨论了它的基本参数对加工特性的影响。实验得到了与现行纳米抛光液(重量百分比为3%,pH=10.5)相同的材料去除率,加工表面粗糙度降低了约30%。与传统不规则形状天然氧化硅磨料抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布的磨料为球形,弹性系数仅为其1.4%~60%,因此不易划伤抛光表面。与熔融氧化硅抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布在pH为10.5的碱性水溶液中磨料表面可吸附的[-OH]离子提高了25倍,使得液相化学去除作用增大至去除率的70%以上。另外,随着纳米聚集氧化硅的微米粒径的增大,固定磨料抛光布的纳米级加工表面粗糙度几乎不变,但对前加工面表面粗糙度的去除能力明显增大,表现出微米粒径效应。     

微磨料超声汽雾流抛光加工技术及实验研究

提出了一种新型精密抛光加工方法,即微磨料超声汽雾流抛光加工。它是用含有微磨料的抛光液经超声振动使之雾化形成汽雾流,用此含有微磨料的汽雾流进行冲蚀工件表面而去除工件材料的加工方法。通过对此方法的技术分析和实验研究,认为这一新型的抛光方法在精密加工上是可行的,能够达到去除工件材料,提高表面质量的目的。     

液体喷射抛光技术材料去除机理的有限元分析

实验研究了液体喷射抛光技术的材料去除量分布特征,并利用有限元分析方法,分析了抛光头(液体柱)与工件表面相互作用时流场的分布特点。实验结果及计算机模拟的结果表明,材料去除量与射流碰撞工件后流体沿工件表面的速度有关,即材料去除量的分布与抛光液在工件表面速度场的分布有关,速度分布最大的边缘部分,材料去除量最大;相互作用区外,速度逐渐减小,材料去除量也随之渐少。该现象说明,抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向剪切应力是材料去除的关键。     

磨料水射流加工去除模型研究

采用ANSYS Fluent对磨粒流场进行瞬态CFD仿真,得到射流过程中磨粒的分布和速度;并研究射流加工区磨粒运动机制,研究表明,新型后混合式磨料水射流加工中磨粒很容易穿过射流加工的静压区直接与工件发生作用进而去除材料。建立磨粒冲击塑性材料的冲击变形磨损模型,并结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立磨料水射流加工去除模型,模型表明,射流加工中心区域的材料去除量最高。根据新型后混合式磨料水射流系统进行塑性材料的磨料水射流加工试验,结果表明,射流加工中心区域材料去除最高,这是由于射流加工中心区域磨粒冲击角度较大、磨粒速度较高,材料以冲击变形磨损去除为主;远离射流冲击中心区域材料去除较低,材料以剪切磨损去除为主,与磨料水射流加工去除模型是完全一致的,证实磨料水射流加工去除模型的正确性。     

磨料喷射光整加工机理及在机械领域中的应用

磨料喷射光整加工是利用微细磨料与高压空气(或其它气体)混合而成的高速束流，依靠磨粒的高速冲击、抛磨作用而微去除工件表面材料，从而达到光整加工的目的。文章分析了磨料喷射光整加工的原理、特点、应用类型；影响加工能力和表面质量的主要因素以及在工程领域中的实际应用。     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理研究

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化,研究了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理。分析了在两体加工及三体加工模式条件下,单颗磨粒运动特点以及磨粒由两体研磨加工向三体抛光加工转变的临界条件。实验证明,砂轮约束磨粒喷射光整加工中,随着加工循环的增加,工件表面微观形貌变化规律与理论分析相同,实验结果和理论分析吻合很好。     

A study on the application of newly developed magneto-elastic abrasive to improving the surface roughness of the bore

Spiral polishing mechanism refers to the technology of applying a high-speed turning screw rod in the process of workpiece surface polishing. For the purpose of increasing the machining effect, a powerful ring magnet was installed around the workpiece. In this study, the new self-developed magneto-elastic abrasive would be used to polish the inner wall of the bore, the so-called workpiece surface, under the attraction of the surrounding magnet and the drive of the turning rod. The new magneto-elastic abrasive not only eased the polishing force by its flexibility but also avoided deep scratches on the workpiece surface. The control of machining parameters on surface roughness and material removal were discussed to look for the best combination of the parameters; at the same time, the effects of each parameter on the workpiece surface topography after the polishing were also examined. The results of the experiment indicated that magnetic flux density and magneto-elastic abrasive concentration affected the surface roughness the most. In addition, the newly developed magneto-elastic abrasive significantly improved the polishing effect of the workpiece surface, at the rate of 94 %.     

微通道反应器沟槽底面的磨料水射流抛光研究

针对燃料电池微通道反应器的沟槽底面抛光技术难题,开展磨料水射流沟槽抛光仿真与试验研究。采用FLUENT软件,对不同工艺参数下沟槽底部剪切力分布进行了数值模拟;根据仿真结果进行316L不锈钢材料的单沟槽抛光工艺试验,检测分析不同抛光参数下单沟槽底面形貌、材料去除率以及表面粗糙度的变化规律;根据单沟槽底面几何精度和表面粗糙度需求,获得最佳的沟槽抛光参数,进行单沟槽抛光验证试验。结果表明:当磨料粒径5μm,抛光液浓度3%,射流压力0.35 MPa,喷射距离8 mm时沟槽底面抛光效果最佳,抛光后粗糙度Ra达到0.11μm,沟槽底面轮廓的RMS误差为2.92μm。试验研究结果为磨料水射流抛光微通道反应器等沟槽类零件提供指导依据。     

超声振动辅助固结磨粒抛光硅片表面形成机理及实验

基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高等特性,提出了一种超声振动辅助固结磨粒化学机械复合抛光硅片新技术。对抛光工具及复合抛光实验系统的建立进行了描述,在此基础上开展硅片抛光表面形貌及材料去除机理的理论及实验研究,得到不同抛光力下的研究结果。所建立的理论模型及实验结果表明,超声振动辅助固结磨粒抛光有利于硅片表面质量及材料去除率的提高,且随着抛光力的增大,抛光表面质量下降,材料去除效果提高。     

Modelling the erosion rate in micro abrasive air jet machining of glasses

Micro abrasive jet machining (MAJM) is an economical and efficient technology for micro-machining of brittle material like glasses. The erosion of brittle materials by solid micro-particles is a complex process in which material is removed from the target surface by brittle fractures. The rate of material removal is one of the most important quantities for a machining process. Predictive mathematical models for the erosion rates in micro-hole drilling and micro-channel cutting on glasses with an abrasive air jet are developed. A dimensional analysis technique is used to formulate the models as functions of the particle impact parameters, target material properties and the major process parameters that are known to affect the erosion process of brittle materials. The predictive capability of the models is assessed and verified by an experimental investigation covering a range of the common process parameters such as air pressure, abrasive mass flow rate, stand-off distance and machining time (for hole machining) or traverse speed (for channel machining). It shows that model predictions are in good agreement with the experimental results.     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

Research on unbounded abrasive polishing process with assisted ultrasonic vibration of workpiece

Ultrasonic-assisted machining was an effective method to improve the material removal quality especially to difficult-to-cut metal materials. The ultrasonic vibration was usually superimposed on the machining tool but seldom on the workpiece, although the ultrasonic vibration of workpiece could improve the processability of material more effectively. In this paper, a rectangle hexahedron ultrasonic sonotrode with optimized slots was developed as a platform to realize the assisted ultrasonic vibration of workpiece and the ultrasonic-assisted polishing process of austenitic stainless steel was also studied. The unbounded abrasive was selected as polishing medium, and the path compensation strategy of soft polishing tool was carried out for getting uniform polishing force. The orthogonal experiments were designed to study the optimization of ultrasonic polishing parameters and the relation between different types of ultrasonic polishing path and polishing quality. The results appear that the horizontal ultrasonic vibration of workpiece can reduce polishing force and improve polished surface roughness, which can also reinforce the proportion of plastic shear effect in the material removal process. The ultrasonic polishing path keeping consistent with workpiece vibration direction can get more uniform polishing force and better surface roughness. And the 45° oblique crossing ultrasonic path can get the maximum average polishing force reduction by 75.2 %.     

Modeling and simulation of non-uniformity in the planarization process

The estimation of surface non-uniformity under various machining parameters (such as dressing force, diamond density of dresser, rotational speed of dresser, different machining paths, etc.) is essential to the planarization process. Based on abrasive theory and the deformation analyses of a polishing pad, this paper develops a model to calculate material removal in the planarization process and then calculate non-uniformity by using this model. The results reveal that the non-uniformity is in good agreement with experimental data. Moreover, it was found that the non-uniformity decreased when the dressing time increased.