线性液动压抛光加工的流体动压特性研究

基于流体动压润滑原理提出了线性液动压抛光加工方法。借助计算流体力学数值模拟，研究了抛光辊子结构和加工工艺参数对液动压力大小及分布均匀性的作用规律。结果表明：具有矩形微结构的抛光辊子可以在工件表面产生均匀的液动压力；更大直径的抛光辊子、更高的转速和更小的抛光间隙都可以获得更大的流体动压力，但同时也会使液动压力分布均匀性变差。搭建实验平台并进行抛光实验，线性液动压抛光加工后，K9玻璃表面粗糙度Ra值从45.41 nm降低到0.91 nm。     

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。     

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。     

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。     

表面微观几何形貌对液膜形成及其影响的研究

针对磨削加工和电化学光整加工后的表面微观几何形貌对液膜厚度影响的实验结果,结合表面微观几何形貌的构型分析,基于流体润滑理论,采用有限差分法进行了数值分析。分析结果表明:表面微造型使表面几何形态呈凹凸不平状,有助于动压效应的形成;在同样的条件下,与磨削加工相比,电化学光整加工后表面微观几何结构可产生更强的动压效应,有利于润滑;使微观几何结构在摩擦副表面分布,可使液膜压力分布不均,使摩擦副表面的膜压具有波动性,形成泵送效应。     

非晶合金薄膜铜衬底的低损伤超光滑制备

依据非晶合金薄膜生长对铜衬底的超光滑和低损伤要求,通过采用蓝宝石替代物实现进行式机械研磨。数值模拟结果表明能有效降低铜衬底的表面应力,试验测试表明替代物蓝宝石基片能有效地改善Rt值分布;通过设计开发动压浮离抛光基盘,利用液动压效应使得抛光时铜衬底与磨粒之间呈软性接触状态,改善了抛光的润滑状态。综合采用纳米压痕、NT9800白光干涉仪、透射电镜分析铜衬底表面及亚表层特性,测试分析结果表明,制备的铜衬底表面粗糙度Ra0.37 nm、Rt4.94 nm,亚表层材质致密均匀,亚表面晶格分布有序,晶格间的距离较一致,采用进行式机械研磨和动压浮离抛光方法对铜衬底实现了低损伤超光滑制备。     

基于ABAQUS的单个颗粒与加工面碰撞对固液两相流加工的影响研究

针对固液两相流加工过程中磨粒如何影响加工效果的问题,提出了磨粒与工件之间的摩擦状况是直接影响抛光过程与抛光质量的重要因素的假设。根据实际加工的实验材料数据,利用ABAQUS非线性有限元分析软件,研究了单磨粒对工件表面的接触作用与材料去除的关系;然后搭建了固液两相流实验平台,对试验钢条进行了软性磨粒流加工。实验结果表明,加工表面的磨损分布比较均匀,表面的粗糙度明显降低,体现了固液两相流加工的有效性。研究结果表明,实际加工中加工表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生了塑性变形继而发生切削磨损,最终提高了加工表面的抛光效果,达到了镜面级加工效果的目的,同时通过使用ABAQUS软件可从微观直接说明固液两相流无工具精密加工机理。     

喷嘴型腔对光耦合胶体射流抛光能力的影响

为了实现对工件表面的超精密抛光,建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先,根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着,对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真,对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后,用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液,用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后,对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明:相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73m/s)和动压力(2.5MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12m/s)和动压力(0.2MPa),纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810nm,Ra=0.651nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。     

液动压悬浮抛光固液两相流CFD数值模拟及PIV验证

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相颗粒与工件表面撞击的过程,对不同加工工况下的固相颗粒与工件表面的撞击角度和速度进行了研究。采用计算流体力学方法建立了液动压悬浮抛光流场的三维模型,并输出了固相颗粒撞击工件表面的速度场;同时使用粒子图像测速方法对不同工况下的抛光流场进行了试验观测。研究结果表明:CFD模拟获得的撞击速度值与PIV观测值非常接近,且随转速增加,PIV观测值受固相颗粒之间的撞击效应影响越大;抛光过程中固相颗粒撞击工件表面的角度非常小,近似于在工件表面平行摩擦,且抛光盘转速和抛光液浓度对撞击角度的影响很小。     

喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验

以喷油嘴喷孔为研究对象,采用kε固液两相Mixture湍流模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟,并通过正交试验探索了抛光压力、磨料浓度、磨粒粒径及加工时间等工艺参数对被抛光微孔表面粗糙度的影响规律。结果表明：喷油嘴微孔磨粒流单向循环抛光加工有利于改善喷孔结构;流道表面粗糙度与各加工参数均成负相关关系,且受抛光压力及磨料浓度影响显著。通过试验获得了最优参数组合,在此条件下喷油嘴微孔表面粗糙度值(Ra)由初始的1.16μm降至0.20μm。     

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。     

陶瓷球混合轴承中陶瓷球的高表面完整性精密加工

主要介绍了动压浮起平面研磨、浮动抛光、磁流体浮动抛光以及化学．机械抛光等陶瓷球的高表面完整性加工方法，不仅得到了理想的光滑表面，而且无加工变质层和表面损伤，满足了生产上对陶瓷球轴承的使用要求。     

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。     

内置液性塑料式小径磁力滚压刀具研究

针对磁力滚压过程中载荷多变、接触应力不均的问题,对磁力滚压机理进行了理论分析,依据液性塑料的不可压缩性、均匀传压的特点研发了一套新型刀具。基于Ansoft对系统磁路进行了有限元仿真,确定了磁力滚压刀具的磁力线分布与单磁极平均径向磁力,结合ANSYS Workbench静态场仿真,验证了刀具结构的合理性;利用Fluent对液性塑料在预应力与载荷变化工况下进行了数值模拟,分析得出了液性塑料的引入能使各滚珠滚压力在滚压过程中保持均匀分布,当工况变化时,在0.008 s的时间内即可完成均匀传压;最后对新刀具的加工性能进行了试验验证。研究结果表明:采用内置液性塑料磁力滚压刀具加工,可使不锈钢管内壁R_a由0.828降低到0.187,粗糙度值与周向残余应力分布趋于均匀;该结果对提高长不锈钢管内表面加工质量有积极意义。     

Fe_3O_4基电流变液的抛光特性研究

利用Fe3O4基电流变液对玻璃材料进行抛光加工试验,考察了抛光截面的形状特征,研究了加工间隙、电场强度对玻璃工件的材料去除的影响.结果显示电流变效应微磨头定点抛光的加工痕迹呈近似"U" 形,材料去除率取决于磨料与工件表面的研磨压力和相对速度的共同作用,材料去除量随着外加电压的增大而呈线性增大,而随加工间隙的增大而线性减小.     

钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究

针对具有复杂曲面的钛合金工件磨粒流抛光后表面粗糙度Ra不均匀问题,提出一种具有扰流结构的仿型约束加工流道。借助计算流体动力学（CFD）分析软件,结合SST k-ω湍流模型、离散相模型（DPM）和Oka冲蚀模型,仿真分析原始流道和5种不同扰流角度的扰流流道内磨粒流动力学特性。数值模拟结果表明：扰流流场中的磨粒流相较于原始流场在工件表面具有更大的湍流动能、动压力和冲蚀速率,其中扰流角度为30°时冲蚀均匀性较好。基于仿真条件搭建了磨粒流加工试验平台,使用原始流道和30°扰流流道分别进行了加工试验。试验结果表明：使用原始流道加工5 h后,工件表面曲率不同区域的表面粗糙度Ra值分散,加工效果均匀性较差;使用扰流流道加工5 h后,工件表面各区域表面粗糙度Ra的均匀性明显优于无扰流流场的加工均匀性。