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。     

基于介电泳效应的高速抛光电极分布仿真研究与实验验证

目的解决传统平面环抛过程中存在的两种问题:(1)抛光液受抛光盘和工件旋转离心力作用而抛光液在加工区域分布不均,导致加工工件高平面度差;(2)抛光液受到的离心力作用限制了抛光盘转速,导致抛光效率低。方法提出一种基于介电泳效应的平面抛光方法(DEPP),在抛光区域增加一个非均匀电场,利用中性粒子在非均匀电场中极化后受介电泳力的作用,使其具有向电极和抛光区域中心运动的现象,降低旋转离心力对抛光液的甩出作用,实现对平面工件的高速、高精度抛光。采用有限元分析软件数值模拟极化后磨粒所受介电泳力对离心力的抑制作用,优化产生非均匀电场的不同电极宽度,得到最优非均匀电场电极分布参数,实际测量优化电极后抛光液所受介电泳力的大小和方向,最后搭建试验平台验证介电泳效应高速抛光平面工件的有效性。结果提高抛光盘转速,进行抛光磨砂玻璃对比实验,加工1 h以后,采用介电泳效应抛光能完全去除玻璃磨砂层,工件平整度好,最终RMS值为0.276λ;无介电泳效应抛光后,工件中心部分磨砂层仍有存在,工件平整度相对较差,最终RMS值为0.694λ。通过测量加工去除量,介电泳效应抛光比无介电泳效应抛光的去除率提升了18%结论通过仿真模拟和实验验证,证明了调整电极布置形式以及优化电极分布参数后,介电泳效应高速平面抛光的方法能够有效提升抛光效率和抛光后工件表面平面度。     

复杂曲面柔性抛光材料去除模型研究

针对目前复杂曲面产品的需求,首先,通过采用Preston方程与Hertz接触理论建立复杂曲面柔性抛光的材料去除模型,采用ANSYS软件对模型进行仿真分析,并与经理论计算得到的表壳工件的接触区域压强与接触面积进行了对比分析。结果表明:两者之间的相对偏差约为20%;其次,引入修正后的Preston方程,建立了最终的材料去除模型且更加符合抛光的实际过程。研究表明:材料的去除量与法向抛光力、抛光轮线速度、进给速度、接触面几何性质、抛光工具与工件的材料性质均有关;最后,通过对进给速度的修正,在恒定不变的法向抛光力下,工件材料去除量不受抛光轮磨损的影响而改变。为了合理控制接触压强和抛光轮的磨损,随着抛光的进行,进给速度逐渐减慢,可加工的工件数减少。     

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.     

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。     

基于神经网络和遗传算法的工业机器人不均匀表面抛光

传统抛光过程中,抛光参数通常是根据工件表面设置为恒定值。但如果工件表面不均匀,恒定的抛光参数对于材料去除量大的区域会发生欠抛光现象,进而降低抛光效率,影响加工表面质量。为此,基于神经网络(NNW)和遗传算法(GA)提出一种工业机器人不均匀工件表面抛光算法,解决不均匀表面抛光过程中出现的问题。应用神经网络预测某一确定的抛光参数对应的抛光性能,利用训练的神经网络模型输出包括最佳材料去除率和改善表面粗糙度的目标函数;将遗传算法用于优化模型抛光参数。通过对不均匀表面的抛光实验,验证了该算法的有效性。     

球形磁极在小直径钛合金管内表面抛光中的应用

针对传统磁力研磨对小直径钛合金管内表面进行精密抛光时,研磨效率低、加工后表面质量不理想的问题,提出将多个球形磁极作为辅助抛光工具放置在管件内部,配合多种运动,完成对小直径钛合金管内表面的高效精密抛光。对比了添加不同辅助抛光工具后工件的表面粗糙度值和材料去除量的变化,分析了工件转速对研磨效果的影响。对4×150mm的TC4钛合金管进行精密抛光实验,实验结果表明:工件转速为20000r/min时的研磨效果最好,使用球形磁极研磨40min后,工件表面粗糙度值稳定至Ra0.2μm,材料去除量可达55mg,原始缺陷被去除;使用球形磁极作为辅助抛光工具时,研磨效率显著提升,且能够获得理想的表面质量;当工件转速不超过临界值时,工件的转速越高,研磨效果越好。     

铝合金锥镜化学增强力流变抛光优化实验研究

目的 为获得光滑表面并提高铝合金（Al 6061）锥镜全景反射光路集中度,采用力流变抛光方法去除工件在金刚石刀具切削后划痕、凹坑和凸起等表面缺陷,并消除这些表面缺陷导致的锥镜发射光路散射。方法 通过田口法分析力流变抛光过程中四个关键工艺参数——抛光速度、CeO2磨粒的组分（平均粒径为1.6 μm的大颗粒）/（平均粒径为200 nm的小颗粒）、磨粒浓度和抛光液pH值对抛光后工件表面粗糙度的影响。同时,对铝合金锥镜反射光路集中度进行了观测实验,讨论了表面形貌对反射光集中度的影响。结果 用信噪比分析发现,实验条件下抛光液pH值对抛光后的表面粗糙度影响最大,抛光速度和磨粒浓度次之,CeO2磨粒组分影响最小。优化得到的最佳抛光参数组合为：大/小磨粒组分比7∶3,磨粒质量分数4.5%,抛光速度1.38 m/s,抛光液pH=5。在该条件下抛光20 min后,表面粗糙度（Ra）从64.9 nm降低至8.1 nm,基本消除了切削的表面缺陷。结论 利用力流变抛光方法可以有效去除铝合金锥镜表面金刚石切削后的表面缺陷。铝合金材料硬质点Mg2Si对抛光后的表面形貌有重要影响,在优化的力流变抛光条件下,通过化学反应与磨粒机械去除的平衡,可以同时去除工件基体材料和硬质相,获得没有凹坑和凸起的光滑表面。     

激光抛光熔化机制中表面形貌的数值模拟

激光抛光作为一种光整加工技术近年来得到了迅速发展,然而其模型研究相对滞后,目前通过数值模型仍难以评估抛光工件的表面质量.在考虑工件表面形貌、传热和流体流动的基础上,建立一个二维移动数值模型来预测熔化机制下被抛光工件的表面粗糙度.通过该模型模拟熔池内的熔体流动,估算出激光抛光后工件的表面粗糙度,其与试验值非常接近;同时,...     

基于分子动力学的压力对纳米抛光碳化硅的影响分析

本文运用分子动力学基本原理建立了金刚石磨粒抛光碳化硅工件的三维模拟模型,对线性增大抛光压力时系统势能、碳化硅工件的温度与材料去除量的变化规律进行了深入分析。研究结果表明:随着抛光压力的线性增加,系统势能和工件温度首先明显增大,然后增速变得缓慢,最后趋于动态平衡的状态,工件表面的材料去除形式由压实去除转变为犁沟去除,直至大变形切削过程,工件表面的原子去除数量近似指数函数变化。     

18CrNiMo7-6钢研抛工艺试验研究

探究研抛工艺参数对工件材料去除率和表面粗糙度的影响。以砂纸和金刚石喷雾抛光剂为研抛介质,通过正交试验研究砂纸细度、研抛压力、研抛速度、研抛时间对18CrNiMo7-6工件材料去除率和表面粗糙度的影响。采用三维形貌仪、千分尺、电子天平和超景深显微镜对18CrNiMo7-6工件的表面粗糙度、厚度、质量和表面形貌进行测量分析,以材料去除率和表面粗糙度为评价指标,得到最佳的研抛工艺参数组合。在最佳工艺参数组合下,砂纸研磨工件的材料去除率为0.86μm/min,表面粗糙度为Ra0.048μm,金刚石抛光剂抛光后工件表面粗糙度为Ra0.024μm。砂纸研磨最佳工艺参数为:砂纸细度800#,研磨压力0.2MPa,研磨速度30rpm,研磨时间30min。抛光最佳工艺参数为:抛光压力0.2MPa,抛光速度30rpm,抛光时间15min。     

Modeling and analysis of the material removal depth for stone polishing

In this paper, a model of predicting the material removal depth of the workpiece surface for the mould polishing by fixed abrasives is developed and an approach to achieve the material removal profile is presented. The effect of the grain size on material removal depth is considered. The distribution of the abrasive grain protrusion heights is taken to be Gaussian distribution. The relationship between the pressure and the depth of indentation is investigated by analyzing interaction of the abrasive grains and the workpiece. It is assumed that the pressure distribution is Hertzian at the contact between the tool and the workpiece surface. The theoretical model of linear removal intensity is presented by calculating the removal volumes of all abrasive grains participating in cutting. The depth of the material removal can be obtained by integrating the linear removal intensity along the polishing contact path formed by the polishing tool passing this position. The predicted results based on the current model are shown to be approximately consistent with the experimental results.     

Modeling and analysis of the material removal profile for free abrasive polishing with sub-aperture pad

This paper addresses the problem of material removal in free abrasive polishing (FAP) with the sub-aperture pad both theoretically and experimentally. The effects of some polishing conditions upon the material removal are analyzed, including not only the process parameters, which refer to the normal force, angular spindle velocity and angular feed rate, but also the abrasive grain size, polishing slurry properties, topographical parameters of the sub-aperture pad, as well as tool path curvature. Based on the analysis, a model of material removal profile is proposed to facilitate more accurate polishing. First, by analyzing the contact among polishing pad, abrasive grain and workpiece surface in the micro level, the removal depth per unit length of the polishing path is derived, which is defined as the material removal index. Then, the distribution of this removal index can be obtained via modeling the pressure and relative sliding velocity in the contact region of polishing pad and workpiece. After that, the material removal profile can be calculated by integrating the material removal index along the tool path in the tool-workpiece contact region. To verify the effectiveness of the proposed model, a series of polishing experiments have been conducted. Experimental results well demonstrate that our model can accurately predict the material removal depth during the FAP.     

蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究

目的 针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题,对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真,进而优化抛光轮表面结构。方法 设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮,介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理,建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型,分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究,探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。结果 仿真结果表明,抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。实验结果表明,螺旋槽抛光轮的抛光效果最好,在螺旋抛光轮作用下,材料去除率为0.22 mg/h,抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08 nm。最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。结论 槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果,影响工件表面流场运动状态,增强工件表面受到抛光垫的作用力。相较于光滑和横条槽抛光轮,螺旋槽抛光轮的抛光效率最高,表面粗糙度最低,可有效提高抛光效果。     

基于分子动力学仿真的纳米胶体射流抛光材料去除机理

利用分子动力学模拟了纳米Si O2颗粒与单晶硅(100)表面的碰撞过程,以此来分析纳米胶体射流抛光的材料去除机理。仿真结果显示:粒径为7 nm的Si O2颗粒其速度在50 m/s时,与单晶硅工件表面的碰撞作用不会引起工件表面的原子排布的变化;而若要使碰撞对单晶硅工件表面原子排布产生影响,纳米Si O2颗粒的速度需大于250 m/s。以单晶硅工件为加工对象进行了纳米胶体射流抛光加工试验。利用激光拉曼光谱对加工前后单晶硅工件表面原子排布状况进行了比较,其结果与分子动力学仿真结果吻合。利用X射线光电子能谱,研究了加工前后纳米Si O2颗粒与单晶硅工件表面原子之间化学键的变化。通过仿真和试验得出:纳米胶体射流抛光中,纳米颗粒碰撞所产生的机械作用不能直接去除工件材料,材料的去除是纳米颗粒与工件表面之间机械作用和化学作用的共同结果。     

硬质合金刀具材料化学机械抛光机理研究

目的研究硬质合金刀具材料化学机械抛光(CMP)机理,为改善硬质合金刀具表面质量提供理论支持。方法分析硬质合金刀具材料在酸性抛光液中的化学反应,研究硬质合金刀具材料CMP的化学反应机理。基于接触力学理论计算抛光垫与工件的实际接触面积和单个磨粒的实际切削面积,在运动学分析的基础上,建立硬质合金刀具材料CMP的材料去除率模型,通过实验验证材料去除率模型的有效性。结果在酸性抛光液中,硬质合金被氧化成Co_3O_4。当工件、抛光垫、磨粒类型、工件安装位置确定时,材料去除率与抛光载荷、磨粒浓度和抛光盘转速有关。常用硬质合金抛光条件下,抛光YG8刀具的修正系数Kcm为8.53,抛光后刀具的最低表面粗糙度能达到48nm,材料去除率为62.381nm/min,材料去除率的理论值和实验值的最大相对误差为13.25%,消除了表面缺陷,获得了较好的镜面效果。结论建立的材料去除率模型具有一定的有效性,对硬质合金刀具材料进行化学机械抛光能消除刀具的表面缺陷,改善表面质量。     

磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺及机理

为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工,提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法,研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化,并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明:通过蓝宝石晶片对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动,其抛光压力动态变化且磁流变液产生挤压强化效应,使抛光效率与抛光效果显著提升。在工件下压速度为1.0 mm/s,拉升速度为3.5 mm/s,挤压振动幅值为1 mm条件下磁流变变间隙动压平坦化抛光120 min后,蓝宝石晶片的表面粗糙度R_a由 6.22 nm下降为0.31 nm,材料去除率为5.52 nm/min,相较于恒定间隙磁流变抛光,其表面粗糙度降低66%,材料去除率提高55%。改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性,且合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。      

超声复合磨料振动抛光方法有限元分析与实验

为研究超声复合磨料振动抛光方法对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响,分析了超声复合磨料振动抛光方法;并利用ANSYS Workbench软件分别分析了超声振动条件下和超声复合磨料振动条件下工件表面结构与应力变化情况,同时在超声复合磨料振动条件下通过实验验证超声复合磨料振动抛光技术对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响程度。结果表明:超声复合磨料振动条件下工件表面位移小于超声振动条件下的工件表面位移,超声复合磨料振动条件下工件表面应力大于超声振动条件下的工件表面应力;在超声复合磨料振动条件下,影响工件表面粗糙度最显著的因素是磨料质量分数,影响工件表面材料去除量最显著的因素是抛光时间,且磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时,抛光效果最佳。