数控旋转超声加工的工艺试验

以玻璃为被加工工件的材料，对数控旋转超声加工的工艺进行了初步试验研究，分析了材料去除的机理，通过工艺试验探讨了磨料粒度、工具旋转转速、工作台进给速度、分层厚度等工艺参数对材料去除率的影响。     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

Fe_3O_4基电流变液的抛光特性研究

利用Fe3O4基电流变液对玻璃材料进行抛光加工试验,考察了抛光截面的形状特征,研究了加工间隙、电场强度对玻璃工件的材料去除的影响.结果显示电流变效应微磨头定点抛光的加工痕迹呈近似"U" 形,材料去除率取决于磨料与工件表面的研磨压力和相对速度的共同作用,材料去除量随着外加电压的增大而呈线性增大,而随加工间隙的增大而线性减小.     

集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立"微磨头"组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与"微磨头"的实际接触面积最大化。通过设置"微磨头"尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。     

磁场分布对多磨头磁流变抛光材料去除的影响

为研究磁场分布对材料去除的影响,设计轴向充磁异向排布、轴向充磁同向排布、径向充磁异向排布、径向充磁同向排布4种磁铁充磁和排布方式,利用有限元软件Maxwell仿真不同磁场的磁力线分布及抛光轮表面的磁感应强度分布,并采用数字特斯拉计测量实际磁感应强度。对单晶硅基片进行定点抛光试验,检测抛光斑沿抛光轮轴向的去除轮廓及峰值点的表面形貌。仿真和实际磁感应强度检测结果表明,不同磁场分布方式对抛光区的磁场分布有很大影响,磁铁轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布时,具有较高的磁场强度和较好的多磨头效果。定点抛光试验表明,采用轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布这两种方式时,能实现多点加工,其中轴向充磁同向排布时加工效率较高;但采用径向充磁同向排布时,由于抛光区磁感应强度较低,磁流变微磨头无法对工件进行有效地抛光。峰值点表面形貌检测结果表明,采用不同磁场分布方式时,对工件表面均是以塑性去除方式去除。研究表明,通过优化磁铁充磁和排布方式,可实现多磨头磁流变抛光的加工原理。     

氧化锆陶瓷超声辅助磨削材料去除机理试验研究

为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响,文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下,采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削（ultrasonic assisted grinding,UAG）试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析,对变磨削深度条件下普通磨削（conventional grinding,CG）与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明：当磨削深度低于10μm时,两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主,且普通磨削表面伴有片层状破碎,而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎,同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10μm后,材料去除机理均转变为脆性断裂模式,且加工表面出现微裂纹,但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。     

基于微定位工作台的精密磨削过程动力学建模与误差补偿技术

为了消除传统平面磨床砂轮振动对加工精度的影响,提出了采用自行设计的纳米级微定位工作台进行在线动态补偿的方法。为了对平面磨床的动平台上安装有微定位工作台的新型机床磨削过程的特性进行研究,分析了磨头-砂轮-微定位工作台组成系统的动力学行为。运用模态综合理论和拉格朗日方程建立了磨削过程模态坐标下的动力学模型,并利用状态空间方法得到了磨床在模态坐标下振动响应的数值计算公式。由振型叠加原理,得到具有微定位工作台补偿装置的新型平面磨床在物理坐标下的响应。在此基础上分析了磨床系统的动态特性和补偿前后的加工精度。仿真结果表明,采用微定位工作台进行在线振动补偿,可有效地提高加工工件的表面质量。     

基于ANSYS设计的旋转超声加工振动装置与试验

旋转超声加工是加工陶瓷等硬脆材料的有效方式。参数化设计了旋转超声加工振动装置模型(包括夹心式压电换能器、变幅杆和工具头),运用ANSYS压电分析模块对旋转超声振动装置进行模态分析与谐响应分析。结果表明:当频率为19.8 kHz时,变幅杆小端面输出振幅最大约为19.6μm,符合旋转超声加工的要求。构建了旋转超声加工振动系统,以陶瓷材料为试验对象,进行机械磨削与旋转超声加工对比试验,加工完成后得到了加工深度与表面粗糙度参数,表明采用旋转超声加工可以得到更理想的表面粗糙度和更高的材料去除率。     

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。     

磁流变抛光技术及其质量控制的研究

阐述了磁流变抛光原理,依据Preston方程分析了影响磁流变抛光效果的因素,根据实际加工的工件特点,对Preston方程进行了修正;在自制的磁流变抛光实验机上进行抛光加工试验,结果表明,采用修正的磁流变抛光材料去除方程,可以有效控制工件的抛光质量、提高抛光效率。     

模具边界邻域气压砂轮进动光整轨迹优化

针对气压砂轮进动光整在模具边界区域的振动加剧和边界棱线过度磨损等问题,提出在进动光整轨迹规划过程中对气压砂轮与工件相对切削速度方向进行约束的方案,推导出边界约束条件,并编写具有边界约束条件的进动光整轨迹生成程序。优化后的进动光整轨迹在连续曲面/平面内采用常规的进动光整方法,在边界附近采用具有约束的进动光整方法,因此兼具了进动光整方法切削速度方向的无序性优势,又避免了在工件边界附近引起剧烈振动和材料过度去除等问题。应用边界约束条件后的进动光整轨迹相比无约束的进动光整轨迹,在边界附近具有更小的振动和更完好的边界线,对加工过程和加工结果的改善在实际加工中得到了验证。     

超声波磁流变复合抛光中几种工艺参数对材料去除率的影响

提出了一种光学抛光的新方法——超声波磁流变复合抛光。介绍了该抛光方法的基本原理和实验装置,进行了超声波磁流变复合抛光实验,采用轮廓仪实测了光学玻璃超声波磁流变抛光材料去除轮廓曲线。通过该项工艺实验,研究了五种工艺参数(磁场强度、超声振幅、抛光工具头与工件的间隙、抛光工具头转速、工件转速)对光学玻璃材料去除率的影响。在一定实验条件下,获得的材料去除率为0.139 μm/min,并获得了超声波磁流变复合抛光工艺参数与材料去除率的关系曲线,得出了光学玻璃超声波磁流变复合抛光的材料去除规律。     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理研究

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化,研究了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理。分析了在两体加工及三体加工模式条件下,单颗磨粒运动特点以及磨粒由两体研磨加工向三体抛光加工转变的临界条件。实验证明,砂轮约束磨粒喷射光整加工中,随着加工循环的增加,工件表面微观形貌变化规律与理论分析相同,实验结果和理论分析吻合很好。     

工具电极耐磨性和液体组分对电流变加工的影响

实验研究了基于电流变效应即效微型砂轮研抛加工过程中具有不同耐磨性电极材料(淬火钢电极、不锈钢电极、黄铜电极、石墨电极)、不同组分电流变液对玻璃材料去除率的影响,探讨了其作用机理。结果表明:淬火钢和不锈钢锥状电极的加工效率明显高于黄铜和石墨锥状电极,即采用耐磨性好的工具电极材料具有更好的加工效果;沸石粉电流变液的材料去除率高于二氧化硅电流变液的材料去除率。其作用机理是,锥状工具电极材料的耐磨性决定了工具尖端与工件表面之间的加工间隙的保持性,电流变液组分直接影响了电流变效应的强度,从而影响了电流变效应即效微型砂轮对工件表面的研磨压力,形成了不同的材料去除率。     

轴颈外圆磨削成圆过程的双转子耦合模型及仿真算法

主轴轴颈外圆的圆度对机床主轴部件的回转精度具有直接而重要的影响。磨削加工是实现轴颈外圆高精度加工的最重要的手段。虽然磨削技术在主轴外圆加工上已长期应用,但是利用现有的研究成果,还难以对一个既定的磨削系统的磨削成圆过渡过程进行完整有效的定量仿真,也难以对磨削工件的最终圆度进行科学合理的预测。在吸收国内外磨削转子系统模型成果的基础上,进一步考虑外圆磨削过程中砂轮和工件之间的相互耦合作用、材料去除、转子振动及变形协调规律,建立了外圆磨削系统的双转子耦合振动模型,提出了模拟轴颈材料去除和圆度变化的"磨削力-瞬时磨削深度"迭代算法。利用所建立的双转子模型和迭代算法,对不同磨削策略下轴颈外圆成圆的过渡过程进行了定量仿真,再现了轴颈材料去除和外圆轮廓变化的全过程;比较研究了不同磨削策略对磨削效率和最终加工圆度的影响规律。进行了相应的磨削试验和对比验证,试验结果证实了所提出的轴颈外圆磨削的双转子模型和迭代算法的有效性和合理性。     

Flow behavior of liquid-solid coupled system of piezoelectric micropump

This paper employs a shallow water model and the finite element method to approximate periodical flows of a micropump to a two-dimensional thickness-averaged flow. A liquid-solid coupled system equation of the micropump is presented. Through the mode analysis of the liquid-solid coupled system, the first-order natural frequency, diaphragm vibration shape and amplitude-frequency relationship are obtained. The vibration response of the diaphragm is calculated when an external electric field is applied. Based on the thickness-averaged flow equation, the periodical flow of the micropump is studied using the finite volume method to investigate the flow behavior and flow rate-frequency characteristics. Numerical results indicate that an optimal working frequency can be obtained, at which the flow rate of the micropump achieves the maximum when the external electric voltage is fixed.     

Modeling and simulation of magnetic abrasive finishing process

Magnetic abrasive finishing (MAF) is one of the advanced finishing processes, which produces a high level of surface quality and is primarily controlled by a magnetic field. In MAF, the workpiece is kept between the two poles of a magnet. The working gap between the workpiece and the magnet is filled with magnetic abrasive particles. A magnetic abrasive flexible brush (MAFB) is formed, acting as a multipoint cutting tool, due to the effect of the magnetic field in the working gap. This paper deals with the theoretical investigations of the MAF process. A finite element model of the process is developed to evaluate the distribution of magnetic forces on the workpiece surface. The MAF process removes a very small amount of material by indentation and rotation of magnetic abrasive particles in the circular tracks. A theoretical model for material removal and surface roughness is also proposed accounting for microcutting by considering a uniform surface profile without statistical distribution. Numerical experiments are carried out by providing different routes of intermittent motion to the tool. The simulation results are verified by comparing them with the experimental results available in the literature.     

球形磁性磨料磁力研磨ZrO2材料机理研究

在磁力研磨加工ZrO 2材料过程中,分析了单颗磁性磨料在加工区域内的受力情况,并对研磨压力的形成进行探讨,利用公式推导计算研磨压力,通过研磨压力的大小分析了磁力光整加工中材料的去除机理,包括脆性断裂去除、塑性变形去除和粉末化去除。通过白光干涉仪、扫描电子显微镜等分析检测仪器对磁力研磨加工后的工件表面进行检测,可知在其他条件相同时,磁力研磨加工后的工件材料精度高于传统的草轮抛光精度,可达到0.59μm。     

Synchronous finishing processes using a combination of grinding and electrochemical smoothing on end-turning surfaces

A new finishing mode has been utilized as an effective finishing tool design with an electrode and a nonconductive grindstone to execute grinding and electrochemical smoothing synchronously. This mode can be used for various end-turning operations. Through simple equipment attachment, grinding and electrochemical smoothing can follow the cutting process on the same machine. Among the factors affecting electrochemical smoothing, grinding performance combined with electrochemical smoothing, is primarily discussed. In the experiment, different types of electrodes are used with continuous and pulsed direct current. The control factors include die material, chemical composition, and concentration of the electrolyte. The experimental parameters are finish tool and workpiece rotational speed, flow rate of electrolytes, gap width between electrode and workpiece, electrical current density and pulsed period, and finishing tool geometry. High workpiece and electrode rotational speed produces a better finish. A thin electrode is associated with higher current density and provides larger discharge space for a better finish. Pulsed direct current can promote the effect of electrochemical finishing. Decreasing the height of the finish tool to a partial-form tool is associated with less restricted electrolyte flow and more discharge space, which creates better finishes than the full-form tools. The grindstone, with an adequately convex shape, also appeared to have an adequate initial gap width between the electrode and workpiece, which matches enough current density and obtains a better finish. The most effective geometric design for the finishing tool and the advantage of the low-cost equipment in electrochemical smoothing, following end-turning, is investigated in this study.