偏置量对固结磨料小工具头抛光面形收敛效率的影响

目的 解决自由曲面磨抛面形收敛困难的问题,提高抛光小工具头的抛光效率.方法 提出一种偏置式固结磨料小工具头,基于固结磨料小工具头的结构特征参数,建立抛光小工具头的去除函数理论模型,并进行仿真分析,应用定点抛光法建立抛光小工具头去除函数实验模型,并验证抛光小工具头理论去除函数合理性,基于CCOS技术原理建立工件表面定量去除模型,通过虚拟加工实验探索偏置量对固结磨料小工具头抛光钛合金后的面形收敛效率的影响.结果 归一化理论去除函数曲线与实验曲线吻合度较高,定点抛光去除函数仿真模型能够很好地预测定点抛光斑的去除轮廓形状.抛光小工具头抛光钛合金的面形误差随偏置量增加,呈现先减小、后增大的趋势,无偏置的抛光小工具头抛光后,面形数据均方根(RMS)收敛效率为54.56％,波峰值与谷峰值之差(PV)的收敛效率为60.21％,当抛光小工具头偏置量为1.5 mm时,抛光后的RMS收敛效率达到最高,为73.83％,PV收敛效率为69.68％.结论 固结磨料小工具头去除函数理论模型可指导确定性材料去除,偏置量为1.5 mm时的抛光小工具头具有最强的修正误差能力,可以显著提高固结磨料小工具头抛光工艺的面形收敛效率.     

圆柱曲面剪切增稠抛光材料去除函数仿真与实验研究

目的 通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光（STP）的材料去除函数。方法 运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对比工件所受作用力的仿真值与实验测量值,求得流体流变特性修正系数Kv,再根据仿真得到的圆柱曲面表面压强场和抛光液速度场,基于Preston方程建立圆柱曲面STP的材料去除函数。以不锈钢316圆柱曲面为抛光实验对象,通过去除率测量结果拟合得到材料去除函数系数。结果 计算得出流体流变特性修正系数Kv=40.1,修正后,仿真模型的压力输出值与实验测量值的误差为4.7%。计算得到Preston方程去除函数的方程系数Kc=28.85。材料去除函数在整个圆柱曲面呈现近似正弦函数的分布规律,与抛光速度呈指数函数关系。抛光仿真和实验结果有着较好的吻合,误差在5%以内,表明了仿真模型的有效性。结论 通过CFX仿真,可以很好地揭示剪切增稠抛光过程中圆柱曲面表面压强场和速度场的分布规律,并基于Preston方程建立材料去除函数,这种剪切增稠抛光去除函数的建立方法,不仅仅适用于规则的圆柱体,也适合其他形状工件剪切增稠抛光去除函数的建立。     

复杂曲面研抛加工材料去除廓形建模研究

为了研究复杂曲面工件研抛加工时的去除量,建立了复杂曲面工件移动研抛表面材料去除廓形的预测模型。利用圆形赫兹接触理论对球形磨头和复杂曲面工件的接触压强分布进行分析建模,同时对球形磨头研抛区域的相对线速度分布进行理论推导,利用微元积分原理和移动材料去除指数建立了移动研抛表面材料去除廓形的理论方程并用MATLAB软件对材料去除廓形的理论方程进行了仿真。结果表明材料去除深度与法向正压力、磨头转速、研抛倾角成正比,与进给速度成反比;廓形宽度与法向正压力成正比,磨头转速、研抛倾角、进给速度不影响廓形宽度;研抛偏角对去除深度和廓形宽度的影响可以忽略不计。     

不同材料去除模式下激光加热辅助切削氮化硅陶瓷表面粗糙度研究

激光加热辅助切削因其工艺空间大、经济性高、可得到高质量表面成为工程陶瓷等脆硬材料的高效加工方式。通过改变激光功率和切削深度两组单因素试验,研究了激光加热辅助切削氮化硅陶瓷（Si3N4）不同加工状态下表面粗糙度值的变化规律。结果表明:材料被塑性去除时,Ra和Rq值均小于被脆性去除和产生热损伤时得到的值。未产生热损伤时,Ra和Rq值随工件软化程度增大而减小。在塑性去除模式下,轮廓高度幅值曲线更加趋于对称和正态分布,表面轮廓更加精细。     

不同材料去除模式下激光加热辅助切削氮化硅陶瓷表面粗糙度研究（英文）

激光加热辅助切削因其工艺空间大、经济性高、可得到高质量表面成为工程陶瓷等脆硬材料的高效加工方式。通过改变激光功率和切削深度两组单因素试验,研究了激光加热辅助切削氮化硅陶瓷(Si3N4)不同加工状态下表面粗糙度值的变化规律。结果表明:材料被塑性去除时,Ra和Rq值均小于被脆性去除和产生热损伤时得到的值。未产生热损伤时,Ra和Rq值随工件软化程度增大而减小。在塑性去除模式下,轮廓高度幅值曲线更加趋于对称和正态分布,表面轮廓更加精细。     

湿式主轴式滚磨光整加工中铝合金 试件的材料去除行为研究

目的 针对湿式主轴式滚磨光整加工工艺,提出适用于铝合金试件光整加工的材料去除模型。方法 通过FLUENT两相流模块模拟不同参数下p?v值,用响应曲面法拟合4个主要参数和p?v的多元回归模型,在此基础上,基于Preston方程建立修正的材料去除模型,进行加工实验,探究工件的MRR、加工后Ra和表面形貌之间的关系。结果 方差分析中,工件轴心距筒壁距离和滚筒转速项的P<0.05,两者对MRR影响显著,且前者与MRR负相关,后者与MRR正相关。对模型进行加工实验验证,工件MRRth和MRRex的平均相对误差仅为6.32%,证明模型的有效性。随工件MRR的递增,加工后Ra值先减后增,MRR值为21 mg/h时,Ra为0.816 µm,工件刀纹仍很明显;MRR值为59 mg/h时,Ra达到最低值0.472 µm,工件刀纹完全去除,表面纹理细致平整,加工效果最佳;当MRR达极值时,Ra为0.693 µm,表面纹理变得粗糙不平,由于滚抛磨块的加工能力过强,导致加工效果较差。结论 建立了以工艺参数为自变量的材料去除模型,为选择参数提供一定的理论依据,且实验研究得出,加工能力与加工效果之间不存在正向相关性。     

磨削对氧化膜去除质量影响的稳定性与敏感性

目的研究磨削参数对电化学加工氧化膜去除质量的影响规律,以及各参数对氧化膜去除质量影响的稳定性和敏感性。方法在试件表面形成均匀一致,无缺陷电化学加工氧化膜的前提下,借助自主搭建的机械磨削实验平台,分别研究磨粒尺寸、工件速度、磨削压强和加工时间对氧化膜去除质量的影响,使用精密电子天平和扫描电子显微镜对实验前后的试件进行测量,结合稳定性与敏感性分析理论对实验结果进行分析。结果不同的加工参数对氧化膜去除程度的影响不尽相同,氧化膜既存在不完全去除的现象,也存在完全去除的现象。扫描电子显微镜结果也显示,不同尺寸的磨粒对氧化膜的破坏程度不同,其表面氧化膜的沟槽深浅不同。结论受氧化膜硬度低、容易去除和基体金属硬度高、不容易去除的影响,氧化膜去除质量随着工件速度和加工时间的增加呈现三次曲线的规律增加,随磨削压强和磨粒尺寸的增大呈线性增加趋势。磨削参数对氧化膜去除质量影响的稳定性与敏感性不同,而且在电化学机械加工生产应用中不改变磨削工具,所以在磨削参数相对值较低的区间,其对去除质量影响的稳定性由大到小(敏感性由小到大)为:磨粒尺寸、加工时间、磨削压强、工件速度。在磨削参数相对值较高的区间,稳定性由大到小(敏感性由小到大)为:磨粒尺寸、磨削压强、工件速度、加工时间。加工中优先选择稳定性高(敏感性低)的参数作为调整电化学机械加工效果的主要因素,可在提升经济性的同时,提高加工精度。     

磨粒刻划单晶SiC的SPH与FEM耦合仿真分析

目的 进一步理解金刚石线锯加工硬脆晶体材料的去除特性.方法 采用SPH与FEM耦合算法,分析磨粒刻划单晶碳化硅工件过程中的材料去除动态响应,研究不同磨粒压入深度与几何形状条件对磨粒接触力、工件刻划表面形貌与应力分布的影响规律,分析磨粒恒定深度刻划与变深度刻划两种方式下磨粒刻划工件材料的动态响应.结果 磨粒接触力的各方向分量均随刻划时间发生波动,其中x与z轴方向的磨粒接触力随时间的变化趋势相近,平稳刻划时段的磨粒接触力均值拟合方程分别为fx=3.0956h2.7264,fz=11.3813h2.6214.磨粒压入深度是影响刻划过程中工件刻划截面形貌及应力分布的主要因素.相较于圆锥体磨粒,球体磨粒刻划后的工件材料截面形貌更粗糙,但工件材料的变形及损伤层深度更小.在磨粒变深度刻划方式下,随着磨粒压入深度的增加,刻划过程中的工件材料发生了脆塑转变.结论 在保证材料去除率的条件下,需降低磨粒压入深度,以降低磨粒接触力,获得更平整的工件表面刻划形貌与更低的等效应力.     

三维类摆线轨迹自由曲面抛光的参数优化

工件表面质量受到抛光去除深度模型和抛光轨迹形式的影响,然而对抛光表面质量的研究主要集中这两者其中之一,因此寻找两者参数的最优组合有重要意义。选择非回转的自由曲面作为加工工件生成自由曲面的恒半径步距三维类摆线轨迹,再以传统表面粗糙度参数S_a和表面纹理纵横比S_(tr)为指标,通过设计合理的Taguchi正交试验以及设置去除深度模型参数和轨迹参数的试验水平,分析各参数对表面质量影响程度的大小,得出一组基于试验水平的最优抛光参数组合,并进行最优组合的试验验证。试验结果表明:在各抛光去除深度模型参数和摆线轨迹参数中,对表面质量影响程度大小依次为:倾角α、接触变形e、进给速度F、摆线半径r、摆线步距s;经最优参数组合抛光的自由曲面S_a值为0.19μm,S_(tr)值为0.50,结果均优于正交试验各组结果,寻找最优组合的方法快速有效。     

模具钢表面阵列微结构蚀刻工艺的实验研究

通过喷淋蚀刻实验研究了模具钢微细蚀刻加工时,工件掩膜间隙、蚀刻液喷淋压力和加工时间对蚀刻深度的影响。蚀刻深度随掩膜间隙的蚀刻尺寸、加工时间的增加而增大,随蚀刻液喷淋压力的增大呈先增大后减小趋势。这归因于掩膜间隙和蚀刻液喷淋压力的增大加快了蚀刻液的更新,使蚀刻反应充分并有利于反应杂质的排除。但是过大的喷淋压力减小了蚀刻液驻留时间,阻碍了蚀刻深度的增加。     

单磨粒对硬脆性材料延性去除的建模分析

目的：硬脆性材料在珩磨时的脆性去除会使得被加工件的表面质量达不到更高的应用要求,同时对磨具磨损严重,通过理论建模研究珩磨过程中单磨粒磨削参数与切屑第一变形区流动应力的关系,并得到实现延性去除的各参数阈值。方法针对304不锈钢,通过对单磨粒划擦的分析,数学推导得出在平面情况下切屑第一变形区流动应力与单磨粒刃圆半径、磨削深度以及半圆锥角的函数关系。结果在完全刃圆磨削和复合磨削阶段都会有实现材料延性去除的现象被发现,并得到完全刃圆磨削时,取刃圆半径r=1μm,在磨削深度h=0.07μm,流动应力取得极大值σ=227.7 MPa。复合磨削时,取半圆锥角θ=30°,r<1.5μm时,r的延性去除阈值为0.3~1μm。当取h=0.6μm,θ和r同样存在实现材料延性去除的阈值,分别为45°~75°和0.5μm左右。结论单磨粒刃圆半径、磨削深度和半圆锥角使材料实现延性去除的阈值范围在理论上被确定,为硬脆性材料的延性去除理论的进一步研究提供参考。同时适当减小磨粒刃圆半径,取45°~75°范围内的磨粒半圆锥角,使磨削深度增大,并实现材料的延性去除,可以提高材料的表面质量和磨削效率。     

Analysis of forces on the freeform surface in magnetorheological fluid based finishing process

The magnetorheological (MR) fluid based finishing process is a deterministic process for finishing of flat, curved and freeform surfaces. In case of finishing, the knowledge of forces acting on the curved workpiece surface in different conditions improves the understanding of the process. An experimental investigation is carried out to measure the forces on the freeform surface in real time. The effects of the process parameters such as angle of curvature of the workpiece, rotational speed of the tool and feed rate on normal, tangential and axial forces, are studied. The normal force is found to be more dominant compared to other forces. A theoretical model of normal force and tangential force acting on the workpiece is also proposed to improve the understanding of the workpiece–abrasive particles interaction in the MR fluid based finishing process. A comparison of theoretical and experimental results is carried out to validate the proposed models, which show that the trends are in good agreement.     

振动式滚磨光整加工过程中的受力测试与分析

目的测试不同加工参数对振动式滚磨光整加工过程中作用力的影响,对实际加工过程中加工参数的选择提供一定的数值指导。方法通过改变偏心块夹角、固定工件埋入深度及固定工件装夹角度,应用动态式压力传感器测试每种加工参数对加工作用力的影响。结果偏心块夹角不同时,磨料的运动形态及运动轨迹差异明显,且偏心块夹角大小对工件的作用力影响显著,偏心块夹角为90°时磨料螺旋运动显著,加工效果好。固定工件埋入深度越深,其所受作用力越大;超过一定范围时,作用力陡增。通过改变固定工件装夹角度,观察磨料流态并测试工件不同装夹角下所受作用力,分析得到在装夹角为20°时磨料会以工件为中心聚集,工件所受作用力最大。结论偏心块夹角不同,磨料的运动流态及对工件的作用力不同,偏心块夹角为90°时光整加工效果最好。埋入深度对工件作用力影响显著,加工过程中应根据工件的加工要求确定合适的埋入深度。固定工件装夹角度不同,磨料流态变化明显,固定工件装夹角为20°时工件所受作用力最大,需根据实际加工要求确定装夹的具体角度。     

永磁场磁力研磨TC11钛合金的实验研究

目的解决钛合金机械加工后表面质量差的难题。方法采用磁力研磨工艺对TC11钛合金进行了表面光整加工。以表面粗糙度为主要评价指标,研究了磁力研磨工艺参数对钛合金表面质量的影响,并对工艺参数进行了优化。采用优化后的工艺参数对钛合金进行了表面光整加工,研究了磁力研磨工艺对钛合金金相组织的影响。结果当加工间隙为3 mm时,研磨压力适宜,加工后工件表面粗糙度值最小。采用粒径为100目的磨粒使工件表面研磨加工后纹理更细,表面粗糙度值最低。提高主轴转速,工件表面材料去除率增加,当主轴转速为1500 r/min时,加工后工件表面粗糙度值最小。对比工件加工前后的金相组织,加工后试样表面组织晶粒变细,晶界增多,工件表面应力状态由张应力转变为压应力。结论实验确定了较优的工艺参数组合,即:加工间隙为3 mm,磨粒粒径为100目,主轴转速为1500 r/min。采用永磁场磁力研磨工艺,能够大幅降低TC11钛合金表面粗糙度,并使钛合金表面组织得到改善。     

计算机控制纳米胶体射流抛光的实验研究

将所设计的纳米颗粒胶体射流加工系统与计算机控制技术结合,实现了计算机控制纳米颗粒胶体射流加工,可将其应用于小曲率半径非球面和自由曲面元件的超光滑表面加工。本试验对一非球曲面高纯石英玻璃元件进行纳米颗粒胶体射流超光滑表面加工,用表面轮廓仪测量了纳米颗粒胶体射流加工前后该高纯石英玻璃元件的表面轮廓曲线。实验结果表明:计算机控制纳米颗粒胶体射流加工,实现了可控的微/纳米材料去除,该非球曲面元件轴向最大去除量为900 nm。原子力显微镜检测结果表明:该元件轮廓截面曲线上的表面粗糙度由Ra2.860 nm降低到Ra0.460 nm。采用纳米颗粒胶体射流技术对小曲率曲面及自由曲面进行超光滑表面加工,是一种确定性超光滑表面的加工方法。     

Effect of direction of parameterization on cutting forces and surface error in machining curved geometries

The present paper investigates the effect of two variables, namely direction of parameterization and cutter diameter on process geometry, cutting forces, and surface error in peripheral milling of curved geometries. In machining of curved geometries where the curvature varies continuously along tool path, the process geometry variables, namely feed per tooth, engagement angle, and maximum undeformed chip thickness too vary along tool path. These variations will be different when a given geometry is machined from different parametric directions and with different cutter diameters. This difference in process geometry variations result in changed cutting forces and surface error along machined path. This aspect has been studied for variable curvature geometries by machining from both parametric directions and using cutters of different diameter. The computer simulation studies carried out show considerable amount of shift in the location of peak cutting forces with the change in cutting direction and cutter diameter, particularly in concave regions of workpiece geometry. A new parameter γ that relates the instantaneous curvature of workpiece with cutter radius is defined. The larger value of γ is an indicator of greater shift in the location of peak forces from the point of maximum curvature on the workpiece. The simulation results are validated by carrying out machining experiments with curved workpiece geometry and are found to be in good agreement.     

Chemo-mechanical magneto-rheological finishing (CMMRF) of silicon for microelectronics applications

A new finishing process, namely, chemo-mechanical magneto-rheological finishing (CMMRF) was developed for polishing silicon blanks that combines the beneficial features of chemical mechanical polishing (CMP) and magneto-rheological finishing (MRF) without the detrimental effects of either process involved. Chemical reactions associated with CMP are used to enhance the finish quality while the magneto-rheological polishing fluid is used to control the magnitude of the forces acting on the workpiece that controls the material removal rates (MRR) and minimizes the surface integrity problems. An apparatus for CMMRF was designed and built for nanometric finishing of silicon substrates. This process is able to finish silicon blanks with nanometric finish, minimal surface defects, and higher removal rates.     

Model-based path planning for laser cutting of curved trajectories

An analytical model of evaporative laser cutting over a curved beam trajectory is presented. A curved cutting path produces three main changes in the kerf profile compared with straight-line cutting: (1) an increase in the kerf width, (2) a shift of the kerf centerline position towards the center of rotation, and (3) asymmetry between the inner and outer kerf walls. Laser-cutting experiments were performed on polymethyl-methacrylate (PMMA) workpieces with energy density ranging from 100 J/mm² to 500 J/mm² in order to validate the model. Good agreement was obtained between model estimates and experimental results at low energy densities, while model estimates underestimated kerf eccentricity and asymmetry as energy density approached 500 J/mm². Curvature effects become dominant as the curvature ratio (ratio of radius of beam path curvature to beam radius) decreases below 50 for PMMA. This modeling approach can be used to plan dimensional accuracy, wall taper and material removal rate for laser processing in a number of applications, including laser blanking, sharp comer cutting, form cutting over a curved workpiece, and die board/pattern cutting.     

钛合金管内表面的电化学磁力研磨复合光整试验

针对热挤压成型对钛合金管的内表面会产生微裂纹、褶皱、毛刺等表面缺陷的问题,提出了一种高效率的电化学磁力研磨复合光整加工方法。设计了电化学磁力研磨复合光整加工的实验装置,分别与纯磁力研磨加工和纯电化学加工进行了光整加工试验对比,检测分析了不同工艺加工前后表面的粗糙度、微观形貌、摩擦磨损行为、表面残余应力和能量谱。结果表明:在相同的加工时间内,与单纯电化学加工和磁力研磨加工相比,电化学磁力研磨复合光整加工的表面粗糙度Ra可达到0.2μm,材料去除量和加工效率显著提高;表面显微形貌要明显优于其他两种加工方式;且加工后表面很好地维持了原有材料的化学成分和表面性质;能够使表面由拉应力转变为约–200 MPa的压应力状态,从而获得更好的表面应力状态。