弹性基体磨具的磨抛轨迹与表面加工质量研究

目的 解决以光学玻璃为代表的硬脆材料加工效率与表面质量难以同时得到保证的共性问题。方法 以弹性基体工具磨削抛光技术为基础,分析弹性接触区域内有效工作磨粒的运动行为。基于Preston方程材料去除模型,研究磨抛过程中磨抛接触区域的接触面积、速度分布、多颗磨粒的运动轨迹。基于运动学模型,探究磨抛过程中磨具的运动学参数、磨粒浓度及排布特征等因素对磨粒磨抛轨迹的影响,采用磨具与工件接触区域磨粒运动轨迹相对面积占比和变异系数表征磨粒运动轨迹分布的均匀性,并建立基于轨迹均匀性的加工表面质量评价方法,优化工艺参数。以石英玻璃为加工对象,以硅橡胶中混入金刚石磨粒为基体,通过正交实验研究不同参数对工件表面质量的影响。结果 仿真结果表明,选取自转速度为300 r/min、进给速度为1 mm/s、磨抛进动角为15°,磨粒浓度及排布采用1 mm磨粒理论间距,此时获得的最大磨粒运动轨迹相对面积占比为96.46%,最小变异系数为0.375。通过实验,得到了选取磨抛工艺参数中的最佳参数组合,自转速度为1 200 r/min,进给速度为1 mm/s,磨抛进动角为15°~20°,磨粒浓度及排布采用磨粒间距1 mm,该组合可将工件的表面粗糙度由1.078 μm降至0.057 μm,材料去除率为3.8×10⁸ μm³/min。结论 磨粒运动轨迹的密集程度与自转速度、磨粒浓度及排布呈正相关,与进给速度呈负相关,在考虑加工成本的前提下,采用高自转速度、高磨粒浓度、低进给速度及15°~20°的进动角可以获得密集且均匀的磨粒运动轨迹,提高了工件的表面质量和材料去除效率。     

基于弹性基体磨具的3D打印高温合金叶片磨抛试验

目的 验证弹性基体磨具自适应磨削抛光加工增材制造镍基高温合金叶片的工艺可行性。方法 以硅橡胶基体磨具弹性磨抛技术为基础,建立弹性磨具与叶片接触的有限元模型,分析磨具与工件接触区域内应力和材料去除分布。以有限元分析结果为指导,研究磨具接触变形和材料去除对轨迹规划的影响,确定合理的轨迹步长和间距,并通过控制工件位姿角的变化,保证在磨抛过程中磨具与工件的接触状态不变。以GH4169镍基合金叶片为加工对象,采用硅橡胶弹性固结磨料磨具在小型四轴加工平台上进行磨抛试验。结果 仿真结果表明,弹性磨具与曲面工件之间的接触区域为椭圆形,应力和材料去除分布都由椭圆心到周围逐渐减小;当弹性磨具的压缩量为3 mm时,基于弹性接触有限元分析结果确定的最优轨迹间距为9 mm。试验结果表明,采用自适应磨抛轨迹抛光后,叶片表面无明显划痕和抛光纹理,表面粗糙度Ra由开始的1.846μm降至0.182μm,标准差由0.108μm降至0.026μm,材料去除率为3.432×10⁹μm³/min。结论 硅橡胶弹性固结磨料磨具可用于GH4169镍基合金叶片的超精密磨抛,基于弹性磨具接...     

DD5镍基单晶高温合金缓进磨削表面完整性研究

为控制单晶涡轮叶片榫齿缓进磨削成形表面质量,通过实验研究缓进磨削工艺参数对DD5镍基单晶高温合金磨削表面完整性的影响规律。实验结果表明,当砂轮线速度在15～30 m/s、工件进给速度在120～210 mm/min、磨削深度在0.1～0.7 mm参数范围内,磨削表面垂直磨削方向粗糙度在0.56～0.74μm范围内,沿磨削方向粗糙度约为垂直磨削方向粗糙度的1/5。三维形貌和表面纹理测试结果表明磨削表面存在明显的因磨粒耕犁和划擦而产生的表面凹槽和材料隆起现象,不同工艺参数下磨削表面凹槽和隆起材料的长度和高度有较明显变化;砂轮线速度对沿磨削方向凹槽和隆起长度影响较敏感;磨削深度和工件进给速度对垂直磨削方向的凹槽和隆起轮廓起伏程度敏感。磨削表面出现了不同程度加工硬化,最高达11.6%,最大硬化层深度达到110μm;磨削表面层出现明显塑性变形,γ相沿着磨削方向出现不同程度的滑移变形,立方化的γ′相出现了偏移、扭曲、破碎断裂现象,最大塑性变形层厚度为2.92μm; DD5缓进磨削塑性变形是加工硬化产生主要原因。实验结果对DD5榫齿磨削提供理论指导。     

随机网格结构固结磨料磨盘平面磨削性能研究

针对超精密磨削加工过程对工件材料去除效率、表面质量、亚表面损伤等指标的复合需求,提出一种基于泰勒多边形设计的随机网格结构固结磨料磨盘（textured-fixed abrasive plate, T-FAP）,并以光固化树脂作为结合剂基体材料混合微米级氧化铝磨料制备磨盘,使用MATLAB图像分析和磨抛轨迹仿真方法研究磨盘磨削过程中表面磨损时变图案特征对其加工性能的影响,并通过铝制工件的平面磨削实验对磨盘磨削过程中的材料去除率及工件表面粗糙度进行分析。实验结果表明:相比传统固结磨料磨盘,采用随机网格结构磨盘加工的工件表面粗糙度为0.84 μm,材料去除率为3.21 μm/min,能够在保证材料去除率的同时获得较高的表面精度。      

TB6钛合金高速铣削三维表面形貌及疲劳行为(英文)

钛合金高速铣削以高效率、高质量的优点而被广泛应用于航空航天工业。为了优化高速铣削中控制表面粗糙度的工艺参数,通过高速侧面铣削试验及疲劳试验,研究高速铣削参数对三维表面形貌和疲劳寿命的影响。通过疲劳试样断口观测,揭示表面形貌对疲劳裂纹产生的作用机制。研究表明:铣削速度优选范围为100～140m/min,每齿进给量优选范围为0.02～0.06mm/z,可保障表面粗糙度在0.8μm内。基于表面应力集中系数建立的疲劳寿命模型与实验结果的平均误差为6.25%。疲劳裂纹起源于试件已加工表面的相交棱处。     

多目标质量压气机实验叶片注射成型工艺参数优化

为获得综合质量较高的发动机低速实验台所用树脂叶片,提出并研究了叶片多目标质量优化方法。以叶片翘曲量、收缩率、残余应力为优化目标,模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间、保压压力、冷却时间为优化变量,模拟叶片成型过程,获得不同参数组合下的翘曲量、收缩率以及残余应力数据,并基于回归分析建立工艺参数与各质量目标间的映射关系;然后通过层次分析法计算各质量目标的权重,进而建立叶片注射成型多目标质量优化数学模型,最后基于遗传算法对叶片注塑工艺参数进行优化。实验验证表明,优化的工艺参数可显著提高叶片成型质量。     

空心涡轮叶片精铸模具陶芯夹紧布局优化方法

针对空心涡轮叶片精铸蜡型模压过程中的陶芯夹紧问题,提出一种基于空间形封闭模型的陶芯型面夹紧点布局优化方法。首先,利用有限元仿真技术建立了空心涡轮叶片蜡型压制过程陶芯载荷预测模型;其次,根据刚体运动学理论给出了陶芯限位点布局形封闭判定条件;最后,以满足空间形封闭以及陶芯与限位元件接触压力要求为约束条件,提出基于粒子群算法的陶芯夹紧点布局优化策略。实例验证表明,相较于工程设计中常规的陶芯夹紧方案,利用所提方法优化得到的陶芯夹紧方案不仅可以保证陶芯与限位元件接触压力满足设计要求,还能进一步减少夹紧点数目。     

弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理

基于弹性磨具的磨抛工艺为硬脆材料超精密加工效率与加工质量的兼顾平衡提供了新的解决思路,但其磨抛过程的材料去除机理尚未明确。为研究弹性磨抛过程中的材料去除行为,以硅橡胶作为磨具基体材料,混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,利用有限元仿真分析方法研究弹性基体软固结磨粒的受力状态,结合接触力学与运动学分析建立考虑单颗磨粒磨损行为与有效磨粒数量的材料去除模型,通过石英玻璃试件的弹性磨抛加工试验验证预测模型的准确性。结果表明：石英玻璃试件的材料去除率随着磨抛压力、主轴转速、磨具偏角的增大而显著增加,而磨料粒径对其影响程度较小;当工艺参数组合为磨料粒径100μm、磨抛压力7 N、主轴转速1 500 r/min、磨具偏角20°时,经60 min磨抛后,工件已加工表面粗糙度由1.069μm降至0.089μm,材料去除率为8.893×10⁸μm³/min;该试验条件下,建立的材料去除模型预测准确度相比Preston经典模型提高36.7%。研究成果可为实现硬脆材料的确定性材料去除提供技术支持和理论依据。