主轴式滚磨光整加工弹塑性接触力修正计算

目的基于对主轴式滚磨光整加工弹塑性接触力修正系数研究的思路,探究主轴式滚磨光整加工过程中工件及滚抛磨块之间的碰撞接触力与碰撞接触速度之间的定量关系。方法采用EDEM系统中的Hertz-Mindlin接触模型进行模拟仿真,首先以Hertz接触理论以及牛顿第二定律为基础,推导弹性正面碰撞接触力与碰撞接触速度之间的关系表达式,然后在Thornton弹塑性假设的基础上建立滚抛磨块与工件之间弹塑性接触力与碰撞接触速度之间的关系表达式,并将不同转速下工件与滚抛磨块之间的弹塑性正面碰撞接触力计算结果与实验测试结果进行对比分析,最后通过量化结构变位系数进一步修正弹塑性接触力计算公式。结果基于Hertz接触理论、牛顿第二定律以及Thornton接触力学模型,推导了出速度修正系数表达式,且速度修正系数在0.32～0.58之间。同时考虑结构变位修正系数,基于Matlab,经过试算求得结构的变位修正系数在0.50～2.41之间,修正后的弹塑性接触力计算结果与实验测试结果的相对误差在0.122%～8.901%之间。结论滚抛磨块与工件之间的弹塑性接触力计算公式,理论依据充分,参数明确,可以为滚磨光整加工实际工艺制定提供可信的计算方法。     

主轴式滚磨光整加工过程中滚抛磨块作用力测试与分析

在不同加工参数下,通过测试主轴式滚磨光整加工中工件受滚抛磨块作用力情况,寻找工件在加工中的受力规律并研究其加工机理,以此对理论分析和实际加工提供参考依据。改变工件安装位置发现,超过60%的位置处滚抛磨块对工件表面作用力与工件距滚筒中心距离或工件没入滚抛磨块深度成二次函数关系,其余均为幂函数关系,并且在正对磨块流处工件所受平均作用力最大,为其他3个方位处的4.5~8倍。同时,从摩擦因数角度分析,滚抛磨块对正对磨块流处的工件表面主要为碰撞和挤压作用,两侧处主要为刻划作用,并通过三维电控超景深显微镜观察方管加工前后的表面纹理加以论证。滚抛磨块润湿后,内外侧摩擦因数分别为0.034和0.18,远低于干燥时的0.13和0.49,说明润湿后,摩擦因数大幅减小,滚抛磨块滚动数量相对增多,尤其是内侧变化更为明显。     

三乙醇胺对铝合金试件滚磨光整加工作用的影响分析

目的 探索三乙醇胺（TEA）在铝合金试件滚磨光整加工中的作用机理。方法 在相同条件下,利用不同浓度三乙醇胺溶液,对铝合金表面进行滚磨光整加工实验。采用粗糙度测量仪测试试件加工前后的表面粗糙度值的变化。采用电子天平测试试件加工前后的质量变化,通过计算得出试件的材料去除率。采用X射线衍射仪（XRD）分析试件表面的晶格畸变。采用扫描电子显微镜（SEM）分析试件的表面形貌。采用能谱仪（EDS）分析试件表面元素的变化情况。结果 在加工初期,未添加三乙醇胺时,表面粗糙度值的变化率和材料去除率最小,Ra从1.245 μm减小到0.934 μm,MRR为0.223 mm3/min;添加体积分数为9%的三乙醇胺时,表面粗糙度值的变化率最大,Ra从1.184 μm减小到0.558 μm;添加体积分数为5%的三乙醇胺时,材料去除率最大,MRR为0.445 mm3/min。晶格畸变量的最大值为0.0045,最小值为0.0008。加工后试件表面富集Si元素。结论 在加工初期,三乙醇胺提高了铝合金试件的滚磨光整加工效率。在液体介质和磨块对试件的耦合作用下,固体表面活性提高,试件表面产生晶格畸变,引起机械力化学效应。Si颗粒保护了Al基,使得在加工后期的微量磨削作用减弱,材料的去除率和表面粗糙度保持相对恒定状态。     

主轴式滚磨光整加工中介质流场的数值模拟及作用机理分析

目的 研究主轴式滚磨光整加工中介质流场的作用机理和工艺参数对加工能力的影响规律。方法 基于多相流Mixture模型、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合SIMPLEC算法,对主轴式滚磨光整加工中介质流场构成的固液两相湍流进行数值模拟。通过改变滚筒转速和工件轴心距筒壁距离等工艺参数,分析在不同参数下滚抛磨块的速度矢量和工件表面压力的分布规律,并通过测试实验验证模拟的有效性。结果 0?处静压值在32 MPa,为静压最大点;90?和270?处动压在35 MPa左右,为动压最大点。尾流区域总压力大幅削减为0°处的33%。工件表面的总压和滚筒转速成指数函数关系,且滚筒转速大于50 r/min时,0?和270?处总压值达到32 MPa,并迅速增大。工件轴心和筒壁的距离为65 mm的区域,工件表面的总压均值最大为19 MPa,且距离为30 mm时,270?处滚抛磨块受筒壁影响,总压变为负值。数值模拟和实验结果的压力平均误差为5.25%。结论 工件上正对滚抛磨块处为碰撞和挤压作用,两侧主要为滑擦作用。滚筒转速大于50 r/min且工件轴心和筒壁的距离为65 mm时,滚抛磨块对工件的加工能力较强。     

主轴式滚磨光整加工直齿圆柱齿轮齿面的颗粒作用行为

为探究主轴式滚磨光整加工中齿轮与颗粒接触界面处的作用行为,基于离散元法(discrete element method, DEM)对主轴式滚磨光整加工进行模拟仿真。首先阐述齿轮附近及齿面接触颗粒的运动形式,然后探究齿轮埋入深度、齿轮和滚筒的转速对齿面接触颗粒相对运动速度及齿面接触力的影响,最后通过实验进行验证。结果表明：主轴式滚磨光整加工对齿轮齿面的作用具有周期性;齿轮上下齿面受力不均匀,上齿面所受接触力是下齿面的1.5～1.8倍。增加齿轮埋入深度主要影响颗粒与齿面的接触力,埋入深度增大75%,齿面接触力增大76%;提升齿轮与滚筒转速则主要影响颗粒与齿面的相对运动速度,齿轮与滚筒转速增大150%,齿面接触颗粒相对运动速度增大148%。且增加齿轮埋入深度可减小齿轮齿面沿轴向的加工差异性,埋入深度由80 mm增大到140 mm后,上下齿面沿轴向的粗糙度下降率由17%和36%变为62%和55%,而改变转速和埋入深度对沿齿廓方向的加工差异性改变不明显。     

离心式滚磨光整加工钛合金的数值模拟分析

目的研究离心式滚磨光整加工对钛合金表层残余应力场的影响。方法利用有限元分析软件ABAQUS建立了加工过程中磨块碰撞TC4钛合金材料的三维有限元模型,对碰撞过程中的能量变化、材料应变及不同光整参数对工件表面残余应力场分布规律的影响进行分析,对比碳化硅磨块与氧化铝的加工效果。结果磨块参数对残余压应力峰值影响显著,但对其出现的位置影响不大。与碳化硅磨块相比,氧化铝磨块更适合于加工钛合金。结论有限元模拟可以探讨磨块碰撞作用下钛合金材料残余应力场的分布规律,优化滚磨光整加工钛合金的工艺参数。碰撞模拟证明,氧化铝磨块更适用于钛合金材料的滚磨光整加工。     

含双氧水磨液对铝合金滚磨光整加工的影响

目的探索含双氧水磨液对铝合金试件滚磨光整加工后表面质量的影响及作用机理。方法在相同条件下,配制含不同浓度双氧水的磨液作为液体介质,对铝合金试件进行滚磨光整加工实验及摩擦磨损实验,测量铝合金试件滚磨光整加工前后的表面粗糙度值,并表征铝合金试件滚磨光整加工前后的表面形貌以及摩擦磨损实验后的磨痕形貌。分析摩擦磨损实验后,铝合金试件表面元素的变化情况,以及滚磨光整加工后,铝合金试件硬度随表面深度的变化情况。结果含双氧水磨液作用下的试件的表面粗糙度值下降率大于去离子水条件下的值,且其摩擦系数和磨损量明显小于去离子水及干式摩擦磨损作用下的值。试件表面初始粗糙度值较小时,含双氧水磨液对滚磨光整加工铝合金试件的作用明显,其中双氧水体积分数为0.3%的磨液作用下Ra从未加工时的0.220μm减小到0.055μm,表面粗糙度值下降率为74%。结论含双氧水的磨液对较低初始表面粗糙度值的铝合金试件经滚磨光整加工后的表面质量具有重要作用。由于磨液对铝合金的吸附、润湿作用,使得其在滚磨光整加工中具有一定的润滑性、清洗性,并且摩擦作用下会使铝合金表面发生一定的摩擦化学反应。磨液中的双氧水加快了铝合金表面的腐蚀氧化反应,并将氧化产物以颗粒的形式拔出表面。滚磨光整加工作用硬化了铝合金表面,提高了其机械性能。     

高性能零件滚磨光整加工的研究进展

通过分析高性能零件的需求、滚磨光整加工的优势和应用范围,拓展了滚磨光整加工的内涵,从离散元模拟、微观作用测试分析、新型加工介质研发、实验研究以及典型零件的滚磨光整加工效果等方面,对滚磨光整加工工艺的国内外研究现状进行了分析。使用不同类型的滚磨光整加工工艺对高性能零件光整加工后,毛刺等缺陷去除,棱边倒圆均匀,表面纹理细化,光泽度等感官质量好。表面粗糙度Ra等级提高2级左右,表面应力状态大幅改善,残余压应力明显增加,表面完整性多项指标综合改善,抗疲劳、耐腐蚀等使用性能和使用寿命得到有效提高。通过颗粒流场的创成与调控,可以为高性能零件光整加工工艺方案及参数优化提供理论依据,有效推进下一代滚磨光整加工技术的发展,满足高性能零件的光整需求。最后,从研究分析方法、加工介质研发、新型及复合加工方式等方面进行了思考。     

滚抛磨块物理性能及其对7075铝合金滚磨光整加工的影响

目的 探索不同材质滚抛磨块的物理性能,及其对7075铝合金滚磨光整加工效果的影响.方法 相同条件下,使用不同材质滚抛磨块对7075铝合金试件进行滚磨光整加工实验和摩擦磨损实验,测试铝合金试件加工前后的粗糙度和材料去除量.采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS),表征加工前后试件表面和磨痕形貌及元素成分的变化.结果 加工初始表面粗糙度Ra为1.200μm的铝合金试件,棕刚玉磨块的加工效率最高,加工极限Ra最低为0.262μm,对试件的材料去除量最大,呈递增趋势.白陶瓷磨块加工后,试件表面光亮度最好,氧化铝加工次之,棕刚玉加工最差.氧化铝磨块加工后,试件表面出现Fe元素堆积,棕刚玉磨块加工后,试件表面存在凹坑缺陷,凹坑内C、O元素质量分数分别达到了20.85％和41.86％.结论 加工初始表面较粗糙的铝合金试件,白陶瓷磨块加工效率及加工极限适中,加工后,试件表面无缺陷,表面光亮度最好.颗粒强度较小的滚抛磨块自锐性较好,加工效率高,但其表面致密性较差,磨耗大,不仅使得磨块利用率低,并且更易与试件表面发生吸附和氧化作用,在试件表面形成杂质颗粒和金属氧化物,降低试件表面光亮度.     

滚磨光整加工/QPQ复合处理对TC4钛合金耐磨性的影响

针对应用QPQ处理改善钛合金表面性能时存在表面要求高的问题,对TC4钛合金进行了滚磨光整加工/QPQ复合处理,利用XRD、SEM、超景深光学显微镜、白光干涉仪、粗糙度仪、显微维氏硬度计及摩擦磨损试验机研究了滚磨光整加工和QPQ处理对钛合金表面形貌、物相组成、显微硬度和耐磨性的影响。结果表明：TC4钛合金经滚磨光整加工和QPQ复合处理后的表面生成更均匀的钛的氮化物和氧化物,表面质量得到改善,与仅进行磨削时相比,表面粗糙度Ra下降35.7%,显微硬度提升42.74%,平均摩擦因数降低6.56%,磨损率降低38.89%,磨痕深度减少49.81%,耐磨性显著增加。     

基于响应面法的挡风梁冲压回弹预测模型

以5182铝合金挡风梁成形后的回弹为研究对象,通过单向拉伸试验,获取了 5182铝合金板料在不同轧制方向及应变速率条件下的真实应力-应变曲线,并将其引入数值模拟模型,研究了板料成形速度、模具间隙、摩擦系数对5182铝合金挡风梁成形回弹的影响规律并分析了其形成原因.然后根据响应曲面法建立了 5182铝合金挡风梁回弹预测模...     

钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除规律及去除函数

目的研究工件曲率半径、驻留时间以及加工角度对钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除深度和材料去除曲线偏置程度的影响,建立不同走刀方式下的材料去除函数。方法在不同工件曲率半径、驻留时间和加工角度下,对钛合金曲面工件进行单点抛光试验,利用方差分析法,研究各因素水平对材料去除深度及材料去除曲线偏置程度的影响规律,采用最小二乘法拟合材料去除点坑在xoz平面和yoz平面内的材料去除曲线,基于二次多项式逐步回归方法,构建不同加工工艺参数下,材料去除曲线函数系数与加工工艺参数间的函数表达式,建立不同走刀方式下的材料去除函数,并对其进行准确性检验。结果由材料去除深度方差分析可得:驻留时间的F值为8.06,加工角度的F值为2.296,材料去除深度随驻留时间和工件曲率半径的增加而增加,随加工角度的增大,先增加后减小。由材料去除曲线偏置程度方差分析可得:工件曲率半径的F值为2.176,加工角度的F值为7.647,材料去除曲线偏置程度随工件曲率半径的增大而减小,随驻留时间和加工角度的增加而增加。此外,拟合的材料去除函数相关系数值R²在0.97～0.99范围内。结论驻留时间对材料去除深度的影响最显著,加工角度次之,工件曲率半径影响最小。加工角度对材料去除曲线的偏置程度影响最显著,工件曲率半径次之,驻留时间影响最小。材料去除函数拟合结果较为准确,能满足实际的加工要求。     

基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度. 在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型. 同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响. 基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟. 结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

钽晶圆CMP抛光液成分与加工工艺参数的研究与优化

目的 通过电化学实验确定化学机械抛光液成分,并以此进行化学机械抛光实验,通过响应面法确定最佳工艺参数方案.方法 通过电化学实验结果确定甘氨酸和过硫酸钠、过氧化氢2种氧化剂的最佳组合与配比,以此配制抛光液进行不同机械参数的CMP实验,选择抛光压力、抛光盘转速、抛光液流3种工艺参数,取值分别为6.5～9.5kg、30～90r/min、45～105 mL/min,利用响应面实验法确定最佳工艺参数组合方案.结果 通过电化学实验确定抛光液组分甘氨酸质量分数为0.3％、H2O2质量分数为3％,应用响应面法确定的抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量分别为8.1kg、70r/min、79 mL/min,分析得到各工艺参数按对抛光效果的影响程度从强到弱依次为:抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量.最终钽晶圆实验材料去除速率为29.445 nm/min,具有良好的表面质量,其表面粗糙度为0.152nm.结论 甘氨酸能够降低腐蚀速率,氧化剂能够加速钽腐蚀速率,混合电化学实验结果表明,甘氨酸也可以减缓氧化剂对钽腐蚀的促进作用,因此甘氨酸可与氧化剂配合使用来控制对钽的腐蚀.使用响应面分析法可以确定最佳工艺参数方案,所以采用响应面分析法可以降低实验成本,提高实验效率.     

6063铝合金铸轧板冷却过程的数值模拟

利用ANSYS Workbench软件对初始温度为548℃的6063铝合金铸轧板的冷却过程进行数值模拟,通过分析温度场和应力场,确定空冷至室温所需的时间及空冷时铸轧板易产生裂纹的可能位置。模拟结果表明,对于铸轧出来的6063铝合金板材,在滚道上自然冷却1800 s后接近室温状态;铸轧板实际冷却时,边部与表面中央部位易产生裂纹。     

铝合金板滚压包边仿真分析建模关键技术

滚压包边是一种复杂的多工步单点连续加载工艺过程,在产品早期开发阶段就需要对滚压包边工艺进行可行性设计,依赖经验和试错的方法已无法满足滚压包边技术的要求。从单元模型、加载方法等方面深入研究滚压包边仿真分析建模关键技术,以指导产品和工艺设计。研究表明:采用最小尺寸为0.5 mm的壳单元,既能提高计算效率,也能保证数值模拟精度;考虑到计算的效率,数值模拟研究均采用了厚向7个积分点的4节点减积分壳单元S4R;可以采用摩擦系数为0的滚轮滑动模拟滚动;对零件轮廓尺寸变动量进行数值模拟时,可以不考虑翻边变形所产生的材料强化,模拟材料断裂时不能忽略翻边所产生的预应变。     

铝合金底盘压铸工艺的对比研究

对某铝合金底盘铸件采用UG进行实体造型,利用ProCAST软件对2种工艺方案下的充型和凝固过程进行了数值模拟,直观显示了铸件的压铸成型过程,预测了铸件在成型过程中可能出现的各种铸造缺陷,并根据模拟结果对比选出了较合理的工艺,从而提高了铝合金压铸件的整体质量。     

基于JKR模型的湿式滚抛磨块离散元参数标定

目的确定湿式滚抛磨块在接触过程中各相关物理性能参数的取值。方法基于EDEM离散元仿真模拟,选取系统中\"Hertz-Mindlin with JKR\"接触模型,以休止角为评价指标,对湿式滚抛磨块离散元模拟的最优参数组合进行标定。首先运用Plackett-Burman试验选取对湿式滚抛磨块有显著影响的3个参数项(湿式滚抛磨块间的滚动摩擦系数、碰撞恢复系数和JKR表面能),然后用最陡爬坡试验确定出显著性参数的最优区间,最后通过响应曲面法(Box-Behnken)分别对休止角和相对误差与3个显著性参数的回归模型二次多项式进行方差分析,并寻找最优参数组合。结果得到了最优参数组合解:磨块间滚动摩擦系数为0.0597,碰撞恢复系数为0.7444,JKR表面能为0.1J/m2。运用最佳参数组合进行仿真分析,得到休止角的均值为27.17?,与实验的休止角相对误差为0.6%。结论使用该方法进行湿式滚抛磨块离散元物理性能参数的标定具有可行性,不仅可以为实现仿真模拟的参数确定提供依据,同时可为其他非规则形状散体的参数测定提供参考。