基于磨粒轨迹均匀性的钎焊金刚石磨抛盘地貌优化设计

磨粒轨迹均匀性是衡量钎焊金刚石磨抛盘加工表面质量的重要指标。基于磨粒有序排布方式设计了矩形阵列、同心圆、螺旋线和叶序4种磨粒有序排布地貌,利用MATLAB软件得到不同地貌下磨粒的运动轨迹仿真结果,发现矩形阵列与叶序排布方式的磨粒轨迹均匀性较优。采用轨迹分布非均匀性来定量评价磨粒轨迹的均匀性程度,对比分析了磨粒有序排布与随机排布地貌的磨粒轨迹均匀性,得出结论：有序排布地貌的磨粒轨迹均匀性优于随机排布,且叶序排布方式为最佳地貌;提高磨抛盘转速、减小磨抛盘进给速度均能够提高钎焊金刚石磨抛盘磨粒轨迹均匀性。通过磨抛实验对仿真结果进行验证,结果表明：相对于随机排布,地貌优化后的钎焊金刚石磨抛盘材料去除率高,加工表面质量好,加工性能得到提高。     

金刚石砂轮中磨粒出刃的分形分析

针对金刚石砂轮微观出刃形貌复杂的问题,提出分形维数和等价出刃尺寸的评价指标。目的是利用分形维数和等价出刃尺寸分别评价砂轮磨粒的破碎程度和砂轮磨粒出刃的均匀程度。试验和分析结果表明,进给深度越大,砂轮出刃的分形维数就越大,表明砂轮磨粒的破碎程度越大,会给加工表面造成较大的粗糙度或划伤表面。进给深度对磨粒出刃的等价出刃尺寸的影响不大。     

无理数转速比下的平面研磨轨迹均匀性研究

平面研磨过程中磨粒与工件的相对运动轨迹分布对工件表面质量有重要影响。针对有理数转速比下的研磨加工过程中磨粒轨迹重复的问题,对磨粒相对工件的运动轨迹进行了研究,分析了典型的定偏心式主驱动方式平面研磨过程中磨粒轨迹对抛光均匀性的影响,提出了一种无理数转速比的平面研磨加工方法,利用Matlab工具对无理数转速比平面研磨加工进行了运动学仿真,理论分析了基于螺旋线磨粒排布的研磨盘在无理数转速比下的磨粒轨迹均匀性。仿真结果表明,无理数转速比下的磨粒轨迹线是开放的,其在均匀性方面优于有理数;对于不同无理数转速比,研磨轨迹均匀性随着转速比的增大而提高,但随着研磨时间的增加其均匀性趋于相同。该研究为无理数转速比平面研磨抛光设备的研制提供理论依据。     

应用环形磁场控制的微粉砂轮制备及其磨削性能

在超精密磨削中,金刚石微粉砂轮的磨粒分布均匀性对提高磨削表面质量至关重要,为了使微粉磨粒规则排布,提出了一种采用环形磁场控制磨粒规则排布的砂轮制备方法,制备了多种金刚石微粉砂轮,使用磁场控制制备的微粉砂轮对硬质合金YG8进行了平面及非球面磨削试验。结果表明:应用环形磁场控制可使金刚石微粉砂轮的磨粒实现规则排布,极大改善砂轮加工性能,利用环形磁控方法制备的砂轮可获得最佳表面粗糙度Ra3 nm、最佳面形精度PV318 nm的光滑镜面。     

研磨驱动方式和转速比对磨粒运动轨迹的影响研究

针对常规平面研磨过程中磨粒运动轨迹重复性较高、研磨抛光均匀性不足的问题,引入了无理转速比概念,以进一步提升研磨加工均匀性。建立了定偏心主驱动式和直线摆动驱动式下的轨迹数学模型,通过Matlab进行了运动学仿真,对两种驱动方式和不同转速比下的单颗与多颗磨粒运动轨迹进行了对比研究,最后用离散系数对两种驱动方式在不同转速比下的研磨轨迹均匀性进行了分析。研究结果表明:当转速比为有理数时,研磨轨迹重复,转速比大小与驱动方式对轨迹均匀性影响较大;而当转速比为无理数时,研磨轨迹开放不闭合,其轨迹均匀性优于有理数的,且转速比大小与驱动方式对轨迹均匀性影响较小;该研究为选择合理的驱动方式与转速比提供了理论依据,有利于工件被加工表面质量的提高。     

单层钎焊金刚石砂轮的修整实验研究

为满足单层钎焊金刚石砂轮高效精密加工的性能要求,对磨粒有序排布单层钎焊金刚石砂轮的修整进行了实验研究。采用磨粒有序排布的钎焊金刚石修整工具对钎焊砂轮进行了修整,该修整方法通过修整工具粒度的变化以及修整速比的调整来控制砂轮形貌,从而使氧化锆的磨削表面粗糙度达到了精密加工的水平。对砂轮形貌进行了观测统计,数据表明,砂轮磨粒的等高性得到明显改善且避免了磨粒端部的严重钝化。     

金刚石磨粒的优化排布:一种激光排布技术及对其磨削力和磨损特性的评价

传统的超硬磨料砂轮的制造方法导致磨粒固结在砂轮表面呈无规则随机排布.为了合理地解决这些问题,介绍了一种实现按需三维可控优化金刚石微排布的方法.尽管这种新颖的生产磨粒按需排布金刚石砂轮的观点只是处于初级的试验阶段,但是为发展一度为人所忽略的微细加工指明了方向.     

新型金刚石纤维的制备及其切削性能

采用添加一定量铁族金属Co的Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2系陶瓷作为金刚石磨粒的陶瓷-金属结合剂,利用粉末注射成型和埋砂烧结法,设计制备一种具有一定长径比和宏观尺寸(1 mm×1 mm×10 mm)新型金刚石纤维,能按照使用要求进行有序排布,采用这种新型金刚石纤维替代传统金刚石磨粒能制备出有序化金刚石纤维砂轮。对金刚石纤维的抗折强度、硬度等性能进行测定,开展单根金刚石纤维试件与普通陶瓷砂轮加工超硬材料SiC增强高硅铝合金的对比试验。结果表明,制备的新型金刚石纤维具有一定的强度和硬度,其中的陶瓷-金属结合剂对作为切削主体的金刚石磨粒润湿性好、把持力强,金刚石磨粒不易脱落;新型金刚石纤维具有很好的加工性能,较之普通陶瓷砂轮加工工件表面质量更好,实现超硬材料SiC增强高硅铝合金的精密加工;新型金刚石纤维中,有效金刚石磨粒占有较高的百分比,分布较均匀,磨粒出刃等高性好,有效参与切削的磨粒数多,磨粒利用率高;新型金刚石纤维中,金刚石实现三维意义上的分布,即上层磨粒在磨耗磨损失去切削能力或在承受较大的摩擦和挤压力而脱落的情况下,下层磨粒得以出露继续发挥切削能力。     

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。     

基于Hilbert-Huang变换的软性磨粒流抛光流道压力脉动分析

针对软性磨粒流加工方法的加工效率和抛光均匀性等问题,提出了一种基于HHT的约束流道压力脉动监测方法。采用Hilbert-Huang变换(HHT)时频分析方法,对软性磨粒流约束流道内的压力脉动特性进行了研究,建立了约束流道内的湍流发展与压力脉动信号的内在联系,通过对压力脉动信号的监测,对流道内的湍流进行了调控;搭建了压力脉动测控实验平台,进行了磨粒流在线调控加工对比实验。研究结果表明:利用HHT变换方法分析获得的软性磨粒流抛光流道内压力脉动信号频谱信息,能充分体现流道入口磨粒流速度的频率和幅度等信息,通过监测压力脉动信号可以实现湍流调控;该方法不仅可以提高软性磨粒流加工的效率和抛光均匀性,还为软性磨粒流加工实现定向可控抛光提供了可能。     

Kinematics and trajectory analysis of the fixed abrasive lapping process in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates

The fixed abrasive lapping process is presented to investigate its ability and accuracy in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates that are used in the proton exchange membrane fuel cell. A kinematical equation to describing the relative movement between the fixed abrasive lapping plate and workpiece is developed and used to numerically simulate the trajectories of a single diamond abrasive and fixed diamond abrasives with 17 different arraying forms, respectively. It is shown that the lapping trajectory can be superposed periodically when the rotation ratio is a rational number. By assessing the uniformity of lapping trajectories and opening ratio of the bipolar plate the optimized rotation ratio is obtained which is 1:1, and the best arraying form of the fixed diamond abrasives on the lapping plate has been obtained as well that is the arraying form of C4. Then, a set of fixed abrasive lapping tests were conducted to explore its ability in machining of interdigitated micro-channels on bipolar plates. It is found that larger material removal rate can be achieved by employing bigger lapping pressure and higher rotation speed for both copper and stainless steel samples considered in this study. The maximum cell power density is found to be about 165 mW cm⁻² by testing the performance of a single micro fuel cell with a bipolar plate characterized by interdigitated micro-channels that shows a good cell performance.     

硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺

硬盘巨磁电阻磁头的抛光可分为自由磨粒抛光和纳米研磨,在自由磨粒抛光中,精确控制载荷和金刚石磨粒的粒径,可以避免脆性去除实现延性去除。通过控制抛光过程中的抛光盘表面粗糙度、金刚石粒径大小及粒径分布和载荷等进行滚动磨粒和滑动磨粒比例的调控,获得较好的磁头表面质量和较高的材料去除率。在自由磨粒抛光阶段,先采用铅磨盘抛光,然后用锡磨盘抛光,以纳米研磨作为最后一道抛光工序对磁头表面进行研磨,获得了亚纳米级粗糙度的磁头表面。用两种工艺制作的纳米研磨盘进行加工,分别获得了0.37nm和0.8nm的磁头表面粗糙度,去除率分别为5.3 nm/min和3.9nm/min。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

光纤端面研磨加工机理研究

给出了研磨光纤时的材料去除机理,选用粒度为微米及亚微米级的金刚石磨料砂纸,在研磨压力为0.48Mpa时,在KE-OFP-12型光纤连接器研磨机上对光纤端面进行了研磨实验.结果表明:光纤研磨加工的材料去除存在脆性断裂、半脆性半延性、延性等3种模式.材料去除模式主要取决于磨料的平均粒度,磨料粒度为3μm时,为脆性断裂到延性研磨的临界转换点.并从理论上对结果进行了分析,光纤以延性模式研磨加工时,光纤表面粗糙度Ra可达到纳米级,其表面看不到任何划痕,而光纤以脆性断裂模式研磨加工时,其表面粗糙度只能达到亚微米级,证明材料以延性模式去除是提高光纤表面质量的有效方法.     

碳化硼研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤

介绍了蓝宝石材料的亚表面损伤形成机制。考虑碳化硼磨料可产生较小亚表面损伤的优点,本文基于游离磨料研磨方式,研究了不同粒度碳化硼磨料研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤。利用KOH化学腐蚀处理技术,对研磨后的样品进行了刻蚀;通过特定的腐蚀坑图像间接反映了蓝宝石晶体的亚表面损伤形貌特征,获得了W20、W10和W5碳化硼磨料产生的亚表面损伤深度,得到了在不同刻蚀时间下蓝宝石亚表面损伤形貌、表面粗糙度和刻蚀速率。研究结果显示:游离碳化硼磨料研磨造成的蓝宝石晶体的亚表面损伤密度相当显著,但损伤深度并不大,其随磨料粒度的增大而增大,W20、W10和W5粒度的磨料研磨后产生的亚表面损伤深度分别为7.4,4.1和2.9μm,约为磨料粒度的1/2。得到的结果表明采用碳化硼磨料研磨有利于获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片,而采用由大到小的磨料逐次研磨可以快速获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片。     

Dispersion of ceramics and composites in diamond finishing by free abrasive

The algorithm allowing to find parameters of physical-mathematical model describing the surface abrasive dispersion of ceramic VK 100-1 under diamond lapping by loose abrasive is presented. This algorithm is based on destruction analysis of ceramic materials, and on the theory of mechanical failures accumulation under abrasive stochastic action. The information related to the real technological process has been used. It is shown that it is possible to use the energetic damageability function, if the manufacturing procedures are design virtually. The dispersion rate is used as the generalized efficiency factor.     

花岗石抛光表面分形维数与光泽度关系及分形物理意义研究

对两种典型的不同晶粒度的花岗石抛光表面的分形特性和光泽度特性进行了研究。分析了花岗石抛光表面的分形维数与金刚石磨盘磨粒大小的关系，同时也对组成花岗石重要成分的分形特性作了分析；研究了花岗石抛光表面光泽度与分形维数的相互关系，并从花岗石表面抛光的机理揭示了花岗石抛光表面分形的物理意义。