表面结构化砂轮磨削加工技术研究进展

针对表面结构化砂轮的磨削加工研究现状,系统介绍了砂轮磨粒有序排布、磨粒几何参数控制、砂轮结构设计、机械或激光修整砂轮等表面结构化方法,分析了表面结构化磨削工具的加工机理及其对加工表面质量的影响规律.阐述表面结构化砂轮磨削加工规则纹理表面的原理,并介绍了运用表面结构化砂轮磨削规则表面纹理的不同方法.论述了表面结构化砂轮磨削在特定材料加工领域的应用前景,对表面结构化砂轮制造技术的发展方向进行了展望.     

软磨粒冲刷下材料的行为及磨损机理

研究了具有不同硬度的材料在不同硬度的磨粒冲刷下的磨损特性。结果表明,在相对较软磨粒冲刷下,即使磨粒硬度低于材料硬度,也能使材料发生磨损。且韧性材料的冲刷磨损率随冲击角的增大而增大。对材料的磨损形貌进行了研究,其软、硬磨粒造成的磨损形貌是不相同的。在低角度下,较软磨粒的冲刷使材料发生犁沟及小片脱落,而不像通常硬磨粒冲刷下材料呈现微切削及锻和挤压。研究了热处理硬化后钢在较软磨粒冲刷下的磨损行为,建立了硬度影响磨损率的规律。在高硬度的磨粒冲刷下(H_p/H_m>3)*,材料的硬度变化对冲刷磨损率影响很小,即以热处理硬化来改善材料抗冲刷磨损作用并不大。而在较软磨粒冲刷下(H_p/H_m<3)材料硬度对冲刷磨损率有影响,热处理强化可提高材料抗冲刷磨损性能。     

磨粒簇叶序砂轮磨削结构化表面形貌仿真

为探讨磨粒簇叶序砂轮磨削平面结构化表面的形成机制,从磨削几何学出发,设计磨粒簇叶序排布砂轮并建立数学模型,推导出磨粒的运动方程,并研究实现结构化表面的磨削条件;利用Matlab对磨削过程进行仿真,分析不同参数下工件结构化表面的形貌特征。结果表明,通过改变磨削参数和砂轮磨粒簇形状可以获得凹坑、凸包和沟槽三种典型的结构化表面,其中叶序系数、磨削深度及工件进给速度与砂轮转速比是主要的影响因子。     

单晶锗表面抛光的ABAQUS多颗粒冲击仿真与实验分析

单晶锗是一种难加工脆性材料,通过使用固液两相流加工方法可获得较好的表面质量.为探究磨粒相关因素对加工质量的影响,根据实际材料的参数,利用ABAQUS有限元仿真软件建立多颗粒冲击仿真模型,研究磨粒材料、粒径对加工后单晶锗表面质量、表面材料去除速率的关系;然后利用现有设备进行实验.研究表明,加工后的单晶锗材料表面质量提高;使用较大尺寸磨粒可有效增加去除率,降低残余应力,但会增加表面粗糙度;使用较大弹性模量、低硬度材料的磨粒加工会产生相对较小残余应力;同时,由于软件限制,ABAQUS有限元软件不能很好地对液体项等因素进行仿真,这会导致仿真结果与实验结果的偏差.     

GMR硬盘磁头自由磨粒抛光材料去除机理研究

同时获得高去除率和超光滑平整的表面是硬盘磁头自由磨粒抛光的矛盾,研究自由磨粒抛光材料去除规律可以优化抛光工艺.采用修正环型浮动块抛光机抛光GMR硬盘磁头,采用场发射扫描电镜和原子力显微镜观察磁头表面形貌.通过改变抛光盘的表面形貌、抛光液以及抛光压力等抛光条件,获得不同的磁头表面形貌,磁头表面有磨粒产生的划痕和少量微坑,显示材料主要以微切削方式去除.划痕和微坑的深浅、数量随抛光条件的不同而改变.进一步采用纳米压痕仪测量磁头表面材料去除率,并研究抛光盘、抛光压力和抛光液等参数与材料去除率的关系,建立了GMR磁头材料去除率模型,并可预测表面粗糙度,与实验结果基本相吻合.据此可以优化工艺,在获得最佳表面质量的同时,获得高的去除率,兼顾效率与品质的因素.     

基于比磨削能的花岗岩内圆磨削的正交实验

目的研究不同工况下,各种磨削参数组合对比磨削能的综合影响.方法利用Kislter旋转测力仪在线测量切向磨削力,采用正交实验方法设定影响比磨削能的磨床各项磨削参数.通过比磨削能经验公式计算出相应的比磨削能.结果得到不同工况下花岗岩内圆磨削的比磨削能.通过对实验数据的处理得到花岗岩的比磨削能在15～40 J/mm^3.与最小比磨削能0.669J/mm^3对应的因素分别为：砂轮粒度80^#、砂轮转速8.64 m/s、工件转速0.92 m/s.结论揭示了金属材料与硬脆材料去除方式的本质差别,对花岗岩比磨削能的影响因素主次顺序为：切削深度〉砂轮粒度〉砂轮转速〉工件转速.可知影响花岗岩比磨削能的内在因素为材料去除方式,得到了花岗岩内圆磨削的比磨削能的最佳工艺参数组合.     

用CBN砂轮精密磨削高硬度铸铁时砂轮及磨削参数的实验研究

本文用正交试验法研究了精密磨削高硬度铸铁时,CBN 砂轮浓度和粒度对磨削比及磨削表面粗糙度的影响,研究了磨削参数对磨削表面粗糙度的影响,也研究了精密磨削铸铁时CBN 砂轮耐用度及烧伤、光磨等问题.     

杯型砂轮平面磨削的磨削力模型研究

风电叶片的表面处理是其制造过程中的重要步骤。磨削力是影响表面质量、打磨效率和磨削温度的主要因素，目前普通砂轮磨削力在理论和实验上都得到很大的发展。针对基于风电叶片表面处理的杯型砂轮磨削理论模型研究，利用未变形临界磨削深度分析材料的去除方式，提出了一种杯型砂轮高速精磨的磨削机理。通过运动学分析提出了打磨的未变形接触长度，并根据实验测得有效磨粒数推导瞬时打磨深度，利用正态函数得到的活动磨粒数建立了揭示磨削力与输入变量之间关系的磨削力模型。实验结果有力地证明了磨削力模型的正确性。表明了理论力模型可以用于估计磨削力，提高表面质量和打磨效率，对工程实践选择合理的打磨参数具有指导意义。     

18CrNiMo7-6高速磨削条件下表面质量的试验研究

在高速磨削条件下,以砂轮线速度、磨削深度以及工作台速度为变量,对齿轮常用材料18CrNiMo7-6进行了单因素高速磨削工艺试验,从表面粗糙度和表面硬度两方面研究了高速磨削对试验材料表面质量的影响,分析了磨削参数对表面粗糙度以及表面硬度的影响规律,揭示了试验材料在高速磨削加工中表面粗糙度和表面硬度的变化规律.试验结果表明:表面粗糙度随着砂轮线速度的增大而减小,随着磨削深度和工作台速度的增大而增大;表面硬度随着磨削深度的增大而减小,随着工作台速度的增大而增大,但是随着砂轮线速度的增大,表面硬度先减小再增大最后趋于稳定.     

氮化硅套圈内圆磨削及回归分析

目的 研究磨削工艺参数:砂轮的粒度、线速度(vs)、轴向振荡速(fa)和径向进给速度(fr)对氮化硅套圈内表面粗糙度的影响.方法 采用树脂结合剂金刚石砂轮对氮化硅陶瓷套圈内圆进行单因素磨削加工实验,进行了4因素的正交实验.利用Taylor-Hobson Surtronic25型接触式粗糙度仪测量被磨工件表面粗糙度,通过回归分析得出了加工表面粗糙度的回归方程.结果随着砂轮粒度的减小,加工表面粗糙度由0.31 μm下降到0.23 μm.随着砂轮线速度的提高,被磨表面粗糙度由0.28 μm升高到0.39μm,然后下降到0.33 μm.砂轮轴向振荡速的提高,使被磨表面粗糙度波动变化.砂轮径向进给速度提高对加工表面粗糙度的影响不明显.结论 明确了不同磨削参数对加工氮化硅陶瓷套圈内表面粗糙度的影响.利用正交实验法,将实验结果进行了回归分析,得出了氮化硅陶瓷套圈内表面粗糙度Ra的预测模型.     

Clarification of abrasive jet precision finishing with wheel as restraint mechanisms and experimental verification

According to the critical size ratio for the characteristic particle size to film thickness between grinding wheel and work, the machining mechanisms in abrasive jet precision finishing with grinding wheel as restraint can be categorized into four states, namely, two-body lapping, three-body polishing, abrasive jet machining and fluid hydrodynamic shear stress machining. The critical transition condition of two-body lapping to three-body polishing was analyzed. The single abrasive material removal models of two-body lapping, three-body polishing, abrasive jet finishing and fluid hydrodynamic shear stress machining were proposed. Experiments were performed in the refited plane grinding machine for theoretical modes verification. It was found that experimental results agreed with academic modes and the modes validity was verified.     

冠型气压砂轮的接触应力分析

为解决半球型气压砂轮光整加工过程中接触应力分布不均匀问题,设计一种新型的冠型气压砂轮,对气压砂轮动态接触过程中柔性变形进行分析,建立砂轮旋转变化下的应力应变关系式;对冠型与半球型气压砂轮的接触应力进行仿真对比分析,研究压缩量对不同尺寸结构冠型气压砂轮应力分布的影响,仿真结果表明:冠型气压砂轮与工件接触区域应力分布近似呈圆形,且数值均匀呈高斯型分布,有效克服了半球型气压砂轮接触中心区域应力缺陷的现象.激光强化Cr12模具的光整加工试验结果表明:D=40、80和120 mm的冠型气压砂轮,最佳压缩量分别为3、4和5 mm,平均表面粗糙度分别能达到150~160、60~65和30~33 nm.冠型气压砂轮有效地提高了光整效率与面形精度,可以针对不同加工对象,优选最佳光整工具.     

螺旋曲面成型抛光用千叶轮的廓型设计及修整方法

为了提高螺杆转子螺旋曲面的加工效率和表面加工质量,提出了一种采用砂带千叶轮成型抛光螺杆螺旋曲面的新型工艺方法.砂带千叶轮是一种具有抛光质量好、寿命长、效率高、成本低等优点的异型涂附磨具,为获得千叶轮的几何形状,研究了千叶轮成型抛光运动的原理,建立了千叶轮与螺杆螺旋曲面的数学模型,确定了空间啮合接触线,设计了千叶轮的廓型,给出了千叶轮廓型数据的计算实例,利用三维软件进行了啮合模拟仿真,搭建了简易修整试验装置并完成了对千叶轮的修整加工试验.结果表明:利用砂带千叶轮成型抛光螺杆螺旋曲面具有可行性.     

Determination of efficient superfinishing conditions for mirror surface finishing of titanium

To determine mirror surface finishing conditions and efficient and economical superfinishing conditions for pure titanium and titanium alloys, an abrasive film is used when superfinishing is performed under varying conditions. These conditions include the workpiece rotation speed, the oscillation speed, the contact pressure of the roller, the hardness of the roller, and the type of abrasive film. The superfinishing device is applied to polishing a thin and long cylindrical bar. A micro-finishing film and a lapping film were used as abrasive films. Al₂O₃ grains or SiC grains were used as abrasives. The surface roughness of a polished workpiece was measured using a stylus-type surface-roughness measuring instrument. As a result, the conditions to improve the polishing surface efficiently include high values for the workpiece rotation speed, oscillation speed and contact pressure. The roller hardness has no effect on the efficient polishing conditions. The mirror finish of a surface can be created using lapping film of 3 μm with Al₂O₃ grains after polishing to a steady surface roughness under the efficient polishing conditions.     

对角修形斜齿轮径向剃齿设计

为减小齿轮振动与噪音,设计对角修形斜齿轮齿面,根据啮合原理推导其径向剃齿刀齿面;根据齿条展成渐开线齿面原理,结合Y7432平面砂轮磨齿机,建立有齿向平移运动的平面砂轮磨齿CNC模型;建立基于CNC机床各轴及砂轮轴向廓形敏感性分析的齿面修正模型,各轴运动用6阶多项式表示,分析0阶及1阶系数变化对齿面误差的影响;通过判断砂轮与剃齿刀齿面的接触状态,确定磨削齿面的误差,以误差平方和最小为目标函数,采用粒子群优化算法,得到机床各轴运动及砂轮轴向廓形参数.结果表明:该算法计算结果稳定,降低了磨削误差;对角修形斜齿轮的径向剃齿刀拓扑修形曲面基本为齿向反鼓形与对角修形曲面叠加;沿齿向方向的压力角、展成运动角、螺旋角参数微调可分别实现一定的对角修形加工;砂轮增加齿向运动构成3轴联动,减小了砂轮半径,可用于磨削大螺旋角、大齿宽对角修形斜齿轮.     

Relationship between subsurface damage and surface roughness of ground optical materials

A theoretical model of relationship between subsurface damage and surface roughness was established to realize rapid and non-destructive measurement of subsurface damage of ground optical materials.Postulated condition of the model was that subsurface damage depth and peak-to-valley surface roughness are equal to depth of radial and lateral cracks in brittle surface induced by small-radius(radius≤200 μm)spherical indenter,respectively.And contribution of elastic stress field to the radial cracks propagation was also considered in the loading cycle.Subsurface damage depth of ground BK7 glasses was measured by magnetorheological finishing spot technique to validate theoretical ratio of subsurface damage to surface roughness.The results show that the ratio is directly proportional to load of abrasive grains and hardness of optical materials,while inversely proportional to granularity of abrasive grains and fracture toughness of optical materials.Moreover,the influence of the load and fracture toughness on the ratio is more significant than the granularity and hardness,respectively.The measured ratios of 80 grit and 120 grit fixed abrasive grinding of BK7 glasses are 5.8 and 5.4,respectively.     

自由曲面模具磁力研磨的试验研究

基于三杆五自由度并联机床进行了对自由曲面模具磁力研磨的试验研究.实验分析了利用球型磨头对工件磁力研磨时,磁场强度、研磨间隙、磨粒粒度等因素对自由曲面模具表面研磨质量的影响.利用五自由度并联机床不仅可以去除自由曲面模具表面的切削残留痕迹,降低模具的表面粗糙度,还解决了传统手工研磨方式所引起的工件研磨质量不一致的缺陷.拓宽了三杆五自由度并联机床的应用范围.     

分形理论模型的摆线针轮的接触刚度研究

为了准确计算摆线针轮分形面的接触刚度,提出了一种考虑摩擦系数的分形模型。采用修正后的Weierstrass-Mandelbrot函数和微分几何建立了一种二阶抛物线法修形的摆线轮齿与针齿的二维粗糙表面的几何模型,该模型体现了在宏观和微观视野中以独特地形式表达摆线轮齿完全共轭齿廓与针齿的形貌特征;在啮合载荷作用下摆线针轮处于弹性变形阶段,引入了摩擦因子,计算微观层面中的两个粗糙接触面的接触刚度。计算实例结果表明: 摆线针轮分形面的接触刚度Kn随着轮廓上的啮合力F的增大而先保持平稳,再快速增长,最后向下倾斜状态。其中,表面粗糙度Ra增加和摩擦因子u增大,导致接触刚度Kn减小;修形系数a1的增加会放缓接触刚度Kn的增加。以LTCA模型建立的赫兹接触刚度相比,验证了摆线针轮分形模型的正确性,体现了接触刚度Kn求解时,从静态转化为动态过程,单一性转化为连续性的优势。     

叶轮表面各种抛光方法的去除机理研究及磨料的研制

从力学去除机理对振动抛光和磨料流抛光进行了分析研究,提出了旋转磨粒流抛光,从而增加了运动行程长度,提高了材料去除率;同时,能使工件表面更加平整,也会改善表面的应力状态.分析了如何配制最合适的磨料流加工研磨磨料,通过几种不同配料的对比实验,最后提出了一种润滑油、橡胶和磨粒的混合模型,可以兼顾高强度、高扯裂性、氧化安定性和润滑性.     

自由曲面砂带磨削轨迹规划与误差控制分析

砂带磨削是提高自由曲面工件型面精度和表面质量的重要手段之一,针对目前自由曲面砂带磨削加工在效率和精度方面存在不足,基于砂带磨削加工的特性,提出了一种基于加工精度控制的自由曲面砂带磨削加工的轨迹规划方法。首先,对实现无曲率干涉的接触轮半径及满足加工允差的接触轮宽度进行了公式推导,结合轮与曲面上加工点主曲率关系,通过双倍体的遗传算法优选出满足自由曲面要求的加工允差,并获取无曲率干涉加工需求的接触轮尺寸参数。然后,基于加工点的主曲率方向实现加工轨迹的自适应宽行距规划,同时采用柔顺处理算法对其点导动规划过程中当曲面存在扭曲时的磨头潜在的大幅往复摆动运动进行了柔顺处理,获得了行距稳定且满足加工时接触轮在磨削点处始终与自由曲面达到最佳贴合效果的磨削轨迹。最后,应用该方法对某航空发动机叶片型面进行轨迹规划,并在数控砂带磨床上进行了加工验证。结果表明：规划的磨削加工轨迹能够使得叶片轮廓截面精度较好地满足加工要求,提高了叶片型面的表面质量和精度,证实了该方法的有效性和实用性。本文提出的轨迹规划方法可科学合理地控制曲面预期加工允差,解决了在自由曲面砂带磨削过程中因接触轮尺寸参数选择不当而引起的局部干涉的计算难题,能够有效提高砂带磨削加工的效率和精度。