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。     

线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式，推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟，剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明：液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加，与此同时其分布均匀性反而下降；抛光间隙值越小，液动压力和黏性切应力数值越大，且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台，以K9玻璃为实验对象，探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。     

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。     

雾化抛光氮化硅陶瓷基体的工艺参数优化

通过正交试验对氮化硅陶瓷基体进行超声精细雾化抛光,研究抛光工艺参数(抛光液流量、抛光压力、抛光盘转速)对抛光速率和表面粗糙度的影响。以抛光后氮化硅陶瓷的材料去除率和表面粗糙度为评价指标,根据正交试验结果得到最优参数组合,并与传统的抛光效果进行试验对比。结果表明:研究的3种参数中,对材料去除率的影响程度由高到低依次为雾液流量、抛光压力、抛光盘转速,对抛光后工件表面粗糙度的影响程度由高到低依次为抛光盘转速、雾液流量、抛光压力;在相同的实验条件下,精细雾化抛光的材料去除率与表面粗糙度与传统抛光接近,但精细雾化抛光的抛光液用量仅为传统用量的12.5%,有效减少了资源的浪费。     

旋转式压力能交换器密封端面液膜压力和泄漏量的数值模拟

旋转式压力能交换器是利用正位移原理进行流体压力能利用的装置.为全面了解其端面密封特性,基于N-S方程和SIMPLEC算法,在不同端面间隙和流量下,对密封端面流场进行了数值模拟,考察了密封压力和端面泄漏的变化情况.结果表明:转子转速对端面泄漏量没有影响,端面间隙内的流动为层流时,可以获得较为稳定的液膜压力;端面密封性能随着间隙的增加迅速恶化,当间隙超过0.03 mm后,即丧失密封能力.     

雾化施液抛光中化学作用和机械作用的试验研究

研究了单独的化学作用和机械作用对材料去除率的影响,通过设计单因素试验来研究抛光压力、抛光盘转速、雾液流量、氧化剂浓度对材料去除率的影响,分析雾化试验抛光中化学作用和机械作用的机理。研究表明,雾化施液化学机械抛光是化学作用和机械作用共同作用的过程,无论单独增加抛光压力、抛光盘转速、雾液流量和氧化剂浓度等其中任一因素,都不能获得材料去除率的持续增加,说明化学作用与机械作用是相互协同的作用。     

基于接触特性优化的模具曲面气囊抛光实验研究

为提高模具自由曲面上的气囊抛光加工效果,在六自由度气囊抛光实验平台上对不同曲率半径的二维曲面模具进行了气囊抛光实验研究。首先,研究了模具自由曲面上不同曲率表面对于气囊抛光过程中接触区域的接触面积、接触宽度,接触力和抛光效果的影响规律;在此基础上,提出了在气囊抛光过程中通过调节气囊抛光头的下压量和内部充气压力来改变接触面积、接触宽度和接触力值的方法,使抛光时不同曲率表面接触区域内的平均接触压力相同,且沿运动方向的接触宽度也相同,从而使不同曲率表面在抛光后的抛光质量接近,使整个模具自由曲面的抛光效果达到最佳;最后,运用上述方法对二维曲面模具进行了抛光实验。实验研究结果表明,经过接触特性优化,不同模具曲率表面气囊抛光后接触区域内的抛光质量接近,抛光效果得到提高。     

基于粘弹性球形小磨头的小口径非球面模具抛光

传统的抛光方法加工小口径非球面模具，存在工具容易干涉和面型误差补偿精度差的问题。提出一种使用粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的子孔径抛光方式，以适应小口径非球面模具的轮廓形状变化。首先，通过探究纤维布的压缩量与其不可恢复形变量和粘弹性应力的关系，确定抛光过程中纤维布的压缩形变规律，提出以纤维布的粘弹特性为基础，建立抛光压强分布模型，并结合抛光工具与模具的位姿得出合线速度分布规律，建立小磨头抛光单位时间去除函数；然后，通过单点抛光和均匀抛光实验，证明了粘弹性聚酯纤维布包裹球形小磨头的抛光方式比单独采用刚性球形小磨头抛光的效果更佳；接着使用粘弹性球形小磨头进行环带实验，探究了驻留时间、抛光压力、抛光工具转速和工件轴线速度等工艺参数对碳化钨模具的材料去除深度和表面粗糙度的影响规律，并对直径为9.7mm的回转对称非球面碳化钨模具进行面型误差补偿仿真与验证；最后，结果表明模具的面型误差仿真结果和实验补偿效果都有效收敛，面型误差PV值(Peak to valley)从0.208 7μm改善至0.079 9μm，而且中心处表面粗糙度Ra由20nm降至10nm。证明了提出的基于粘弹性球形小磨头的子孔径抛...     

液流悬浮超光滑加工中流体动压力对加工效果的影响

建立了基于数控装备的液流悬浮超光滑加工系统,研制了可控制加工压力的柔顺加工装置。应用流体动压理论分析了液流悬浮超光滑加工过程中的流体动压力分布规律,研究了工具转速和加工间隙对流体动压力的影响规律,并通过实验得到了加工间隙和流体动压力对加工效果的影响规律。结果表明,随着工具转速的提高,流体动压力逐步增大,在工具转速为6000 r/min 左右时流体动压力达到最大值,然后又逐渐减小。随着加工间隙的增大,流体动压力逐步降低,并最终趋于稳定。加工间隙在5-40 µm时,加工效果比较明显。在工具转速为6000 r/min 左右、加工间隙在10 µm附近时,流体动压力增强为5N左右,加工效果最佳。     

铝合金阳极氧化膜的集群磁流变平面抛光试验研究

为获得抛光均匀的铝合金阳极氧化膜表面,采用集群磁流变平面抛光技术对铝合金阳极氧化膜进行抛光试验,探讨加工间隙、工件转速、抛光盘转速、偏摆幅度、加工时间等加工参数对其表面粗糙度和材料去除率的影响规律。结果表明:随着加工间隙的增大,工件表面粗糙度先减小后增大,材料去除率则递减;随着工件转速或偏摆幅度的增加,工件的表面粗糙度均先迅速减小后缓慢增大,材料去除率则先增加后减小;随着抛光盘转速的增加,工件的表面粗糙度和材料去除率均先减小后增加;随着加工时间的延长,表面粗糙度迅速减小之后趋于稳定。在文中试验条件下,在加工间隙1. 1 mm、工件转速350 r/min、抛光盘转速60 r/min、偏摆幅度10 mm、加工10 min左右时工件表面粗糙度从原始的332. 9 nm下降至5. 2 nm,达到了镜面效果。     

导流式液流悬浮加工流场特性研究

为提高液流悬浮加工的效率,提出一种应用导流模块来改变悬浮液流场特性的液流悬浮加工方法。基于流体动压理论和可实现的k-ε湍流理论,建立导流式液流悬浮加工的动力学模型。研究发现,该加工方法的压力、速度参数在数值上与传统液流悬浮加工方法相比分别提高了5.04%和1%,且流体动压力和流体速度的大小与转速成正比,其流体动压力及速度最大值均出现在加工区最小间隙处。实验结果表明:当转速达到6500r/min时,工件加工区表面在加工90min后粗糙度值降至0.018μm,可得到比较理想的加工效果。     

用于模具自由曲面的新型气囊抛光中磨粒场的分析

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。研究了气囊抛光接触区内磨粒的运动轨迹、压力分布和抛光力的分布情况,建立了气囊抛光接触区内磨粒的运动模型、压力模型,揭示了气囊抛光接触区内磨粒直径对抛光力和被加工工件内部剪切应力的影响规律,研究了抛光过程中工件内部的剪切应力分布,明确了材料疲劳去除机理。为气囊抛光的应用奠定了理论基础。     

微细游离磨粒借助流体动压力实现的超精密加工技术

精密加工是先进制造方法的重要组成部分，利用微细游离磨粒进行陶瓷、玻璃、半导体等光学零件的超精密加工，不仅可获得高的表面质量，微米级的形状精度和纳米级表面粗糙度值，而且还可得到无加工变质层超精密加工表面。这里主要论述了流体动压力实现的条件及动压浮起平面研磨、浮动抛光、弹性发射加工以及砂轮约束磨粒喷射加工等微细磨粒借助于流体动压力实现超精密加工技术。     

Numerical analysis of hydrodynamic process of circular-translational-moving polishing (CTMP)

By keeping a pad moving relative to a wafer along a circular path without rotation, we developed a polishing technique called circular-translational-moving polishing (CTMP), which permits multidirectional polishing of the work piece and thus bears the advantage of isotropic polishing and a potential increase of material removal rate (MRR) on the wafer. To illuminate the mechanisms of CTMP and determine the optimum process variables in a CTMP process, a three-dimensional hydrodynamic lubrication model for CTMP with a smooth and rigid pad under a quasi-stable state is established in a polar coordinate system. The model equations are further calculated numerically by the finite difference method. The instantaneous distribution of fluid pressure is obtained, which shows that a negative pressure exists. The reason for negative pressure in CTMP and its effect on polishing is discussed. Moreover, the nominal clearance of the fluid film, roll, and pitch angles under different working conditions are obtained in terms of the applied load, moments, and polishing velocity. The obtained numerical analysis can be used as guidance for choosing operation parameters in a practical CTMP application.     

Numerical analysis of hydrodynamic process of circular-translational-moving polishing (CTMP)

By keeping a pad moving relative to a wafer along a circular path without rotation, we developed a polishing technique called circular-translational-moving polishing (CTMP), which permits multidirectional polishing of the work piece and thus bears the advantage of isotropic polishing and a potential increase of material removal rate (MRR) on the wafer. To illuminate the mechanisms of CTMP and determine the optimum process variables in a CTMP process, a three-dimensional hydrodynamic lubrication model for CTMP with a smooth and rigid pad under a quasi-stable state is established in a polar coordinate system. The model equations are further calculated numerically by the finite difference method. The instantaneous distribution of fluid pressure is obtained, which shows that a negative pressure exists. The reason for negative pressure in CTMP and its effect on polishing is discussed. Moreover, the nominal clearance of the fluid film, roll, and pitch angles under different working conditions are obtained in terms of the applied load, moments, and polishing velocity. The obtained numerical analysis can be used as guidance for choosing operation parameters in a practical CTMP application.     

基于Reynolds 方程的磨削流体动压特性的研究

由于旋转砂轮与工件表面之间存在楔形间隙,当磨削液进入楔形区域后,就会产生磨削流体动压力。以流体动压润滑理论的Reynolds方程为依据,推导出描述平面磨削时磨削流体动压力方程。采用VB和MATLAB混合编程开发出磨削时磨削流体动压力场的计算软件GRWHP。该仿真软件可用于计算磨削流体动压力的分布及磨削流体动压力对砂轮的法向作用力,且仿真结果与实验结果相符。仿真结果表明:最大磨削流体动压力产生于最小间隙附近,且位于磨削引入区内;最大磨削流体动压力随着砂轮转速的提高而增大,随着最小间隙的减小而增大。     

基于VRML的模具边界提取方法与加工轨迹优化研究

为解决气压砂轮进动抛光在模具边界区域的振动加剧、边界棱线过度磨损和气压砂轮失效等问题,将VRML技术应用到气压砂轮进动抛光轨迹规划中。经过对VRML文本内容的分析,采用一系列三角形平面取代原始的多边形平面和自由曲面的VRML描述模型表面的方法,建立了文本数据与模型边界线之间的对应关系,提出了一种基于VRML的模具边界线三维解析式提取方法,并将该方法应用到气压砂轮进动抛光轨迹优化中;通过限制气压砂轮切削速度方向与模具边界外法向量的夹角,获得了理想的切削速度分布特性。实验及研究结果表明:通过该优化方法获得的模具边界线数据具有较好的完整性和准确性,适用于各种复杂形貌的模具零件的轨迹优化,并可通过调整阈值来满足具有不同曲率曲面的识别要求。     

基于游离磨料的机器人抛光工艺实验研究

建立了基于游离磨料和软质抛光工具的工业机器人抛光系统,研究了机器人抛光轨迹的生成方法,并研究了主要工艺参数如主轴转速、轨迹间距和机器人行走速度对表面抛光质量的影响,为确定合理的机器人抛光工艺参数提供了依据。在此基础上对等离子熔射快速制造的金属模具型腔进行了表面抛光实验验证。