窄流道整体叶盘定轨迹数控抛光技术研究

为了实现对窄流道整体叶盘的数控抛光,在采用复杂母线超硬磨料柔性抛光轮的基础上,开展了针对叶盘型面、流道及叶根的抛光轮形状与尺寸设计研究,确定了用于整体叶盘高效率抛光的鼓型抛光轮和球头抛光轮尺寸设计原则,实现了大尺寸鼓形半径的优选。随后,针对型面、流道、叶根圆弧不同区域的抛光需求,利用选定工具对某型号整体叶盘全型面进行定轨迹抛光试验,抛光后表面粗糙度Ra≤0.4μm,完全去除精铣刀纹,达到了替代人工抛光的要求。     

机器人柔性抛光机床的研究

为满足机器人柔性抛光系统和抛光工艺要求,在抛光加工过程中,机器人柔性抛光机床的抛光轮轮径检测机构可使抛光轮与工件接触点的位置和线速度始终保持不变,这样抛光轮与工件接触点的线速度以及机器人的抛光路径不会随抛光轮的磨损而改变.该机器人柔性抛光机床还具有抛光力控制功能,可控制抛光轮与工件之间的抛光力保持恒定或小于阈值抛光力.     

基于柔性抛光轮抛光工艺的研究

为了实现航空发动机叶片表面高质量抛光以及数控加工技术的应用。研制了具有复杂母线的柔性电镀金刚石抛光轮,抛光轮是在磨料与弹性基体中增加必要的增强结构或增强材料,提升磨料的结合力和控制其局部支撑刚度,解决了常规抛光轮磨料尺寸小、结合力小、容易陷入基体、容易脱落、磨削能力低等问题。同时针对叶片的不同区域选择不同抛光轮的原则。通过对某型号发动机叶片抛光实验,叶片的表面及型面质量得到很大提高,叶片表面铣削的刀痕消除,表粗糙度值可以达到Ra≤0.2μm。     

模具型面快速数控抛光研究

针对模具型面的特点,提出一种快速数控抛光工艺方法.通过对抛光轮和抛光装置的柔性设计,使得与普通数控机床相联的抛光工具能够随着模具表面形貌的变化,作出一定范围内的姿态调节,从而保持了抛光过程的一致性,能够获得均匀的抛光效果.通过抛光实验,初步验证了抛光工具对曲面的加工能力,并从实验数据中总结出抛光加工的去除模型.     

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。     

砂布轮柔性抛光力影响参数敏感性分析

砂布轮有较大柔性,可用于复杂曲面抛光。为了掌握砂布轮抛光工艺参数对抛光力的影响规律,提高抛光质量,设计了四因素三水平正交试验,利用试验结果建立了抛光力预测模型,验证了模型的显著性;分析了影响参数的敏感性,结果表明:抛光力对砂布轮初始半径变化最敏感,对压缩量变化敏感程度次之,对粒度变化敏感程度一般,对转速最不敏感;抛光试验表明通过对敏感参数的控制可以实现理想的抛光效果。     

砂布轮抛光工艺参数对TC4材料切除深度影响规律研究

铣削成型的航空发动机整体叶盘,其叶片型面为空间自由曲面,曲率变化大,严重制约了抛光表面质量均匀一致性.为掌握砂布轮柔性抛光工艺参数对材料切除深度影响规律,基于"数控机床+柔性磨头+弹性磨具(砂布轮)"的抛光工艺装备,开展了TC4试件单因素抛光试验,分析了工艺参数对材料切除深度的影响规律,开展正交试验建立了材料切除深度预测模型;计算了材料切除深度对工艺参数相对灵敏度,结果表明材料切除深度对压缩量最敏感,对转速比较敏感,对进给速度敏感度一般,对粒度敏感度最小;最后开展了抛光实验,结果表明实际测量切除轮廓和预测轮廓基本一致,证明了预测模型是可靠的,能用于材料切除深度预测,为提高抛光表面质量一致性提供依据.     

集群磁流变效应平面抛光力特性试验研究

集群磁流变平面抛光加工硬脆材料可以高效率获得纳米/亚纳米级表面粗糙度,其中集群磁流变效应抛光垫对加工表面的作用力(抛光力)是材料去除的关键因素,搭建了集群磁流变平面抛光三向测力平台,对模拟的集群磁流变抛光加工过程抛光力(切向力F_t和法向力F_n)进行了系统试验研究。结果表明,2'单晶硅片试验条件下集群磁流变平面抛光切向力Ft最大达到32.25 N、法向力Fn最大达到62.35 N、F_t/F_n值为0.46~0.77;对抛光力影响最大的工艺参数是磁场强度和加工间隙,其次是羰基铁粉与磨料质量分数、磁流变液流量、抛光盘转速,工件摆幅与速率影响最小。集群磁流变平面抛光力大小以及Ft/Fn值随着工件材料硬度的增大而增大,具有低正压力高剪切力特征,有利于提高硬脆材料的超光滑平坦化抛光加工效果。     

复杂曲面软性磨粒流抛光可行性研究

提出基于软性磨粒流的复杂曲面与约束模块相配合的高精密抛光加工方法。使磨料高速高压通过经过设计的流道,利用液固两相软性磨粒流中磨粒的微量切削力加工复杂曲面,从而克服复杂曲面直接接触抛光的困难。以计算流体力学(CFD)的理论作为进行流体仿真的理论基础。建立了复杂曲面与约束模块组成的流道三维模型。通过前处理软件ICEM CFD画出三维模型的网格。将网格文件导入流体分析软件FLUENT。在FLUENT中采取Mixtrue两相流和k-ε湍流模型对涡轮整体叶盘的磨粒流抛光进行流场的三维数值模拟,获得流场中磨料的流动模式。主要对不同压力差下流场的压力场和湍流动能进行分析,得到出入口压强差对磨料的流动细节和特性的影响,从而达到对流场进行分析的目的。     

磁流变抛光表面粗糙度建模与仿真

为研究磁流变抛光表面粗糙度与工艺参数之间的关系,本文建立数学模型并进行了求解验证。通过分析磁流变抛光技术的原理以及磁流变抛光过程中的材料去除机理,结合Preston方程建立磁流变抛光力学模型。分析工件表面受到的正压力,依据磁流变抛光机理对氧化锆陶瓷工件理论模型的流体动压力和磁场产生的磁化压力进行求解分析,具体化磁流变抛光的力学模型,解得正压力。对磁流变抛光的表面粗糙度进行建模,依据单颗磨料的材料去除作用模型建立磁流变抛光的表面粗糙度数学模型,分析抛光过程中影响表面粗糙度的具体因素,并通过MATLAB软件对方程进行仿真求解,得到磁场强度和磨料粒径对表面粗糙度的影响规律。结果表明,表面粗糙度和工件的压入深度存在一阶线性关系;当磨料粒径固定不变时,表面粗糙度随着磁场强度的增大而增大;当磁场强度固定不变时,表面粗糙度值与磨料粒径之间呈现正比关系。通过实验证明了模型和仿真结果的准确性,仿真分析得到的磁场强度与磨料粒径的关系,磁场强度与表面粗糙度之间的关系与实验一致,确定的磁场强度合理范围为0.4T左右,磨料粒径在2.5μm左右。     

磁流变抛光系统去除函数的原点位置标定

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试,实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定,对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件,应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液,对抛光轮直径为360mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定,单次标定精度达到0.030mm。实验结果表明:本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠,能够满足磁流变抛光技术的修形需求,可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。     

砂布轮数控抛光力的试验分析与建模

为科学控制砂布轮的抛光力、提高航空发动机叶片的表面完整性和力学性能,通过单因素试验分析了工艺参数对砂布轮抛光力的影响规律;对抛光力重复性和材料切除量进行试验分析,确定了砂布轮转速和压缩量的二元二次回归正交旋转组合试验范围;利用二元二次回归正交旋转组合试验结果建立了法向抛光力预测模型,分析了法向抛光力和切向抛光力的相关性;分析了抛光力对抛光表面粗糙度的影响规律及机理,并做了整体叶盘叶片(叶背)抛光试验,结果证明,通过合理控制抛光力可以获得合格的表面粗糙度,且效率比人工操作有显著提高。     

磁流变抛光轮磨损影响因素分析

针对磁流变抛光轮长时间使用存在的严重磨损问题,分析磁流变抛光轮磨损原因,建立抛光轮半固着磨粒磨损模型,分析影响抛光轮磨损的主要因素。分析表明:磁流变抛光轮产生磨损的主要原因是回收器处形成的磁密封与抛光轮之间产生的半固着磨粒磨损,其磨损特征表现为介于二体磨损和三体磨损之间;磁场和磁链的变化是磨损率改变的根本原因,影响抛光轮磨损的主要因素为回收器间隙、抛光轮转速、抛光颗粒的含量和尺度。通过实验研究3种主要因素对抛光轮磨损的影响规律。结果表明:磨损率随回收器间隙的增大而减小,随着抛光轮转速、抛光颗粒的尺度和含量的增大,先增大后减小。实验结果与理论分析结果相吻合,验证了建立的半固着磨粒磨损模型的正确性。     

光学硬脆材料固结磨料研磨中的亚表面损伤预测

研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点,选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃),采用离散元仿真技术,分别建立了两种材料的二维离散元模型,分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后,采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度,进行了实验验证。结果表明:采用固结磨料研磨时,磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著,在相同研磨工艺条件下,随着磨粒粒径的增大,亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明:采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测,从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。     

曲面磁流变抛光工艺与抛光头结构分析

由磁流变抛光材料去除机理出发,阐述了磁流变抛光去除函数传递的工艺流程特点,明确抛光过程中对抛光轮与工件位置关系恒定的工艺要求。在此基础上,针对设计的磁流变抛光头结构,结合抛光轮轮廓外形与整个抛光头结构特征点计算法,对可加工曲面工件曲率半径和曲面角度范围及其影响因素进行了分析,给出了整个工艺过程中带动测头升降的气缸分别在加工位置和测量位置所需的行程及计算方法,并指出测头设计安装原则。结论可用于异形结构工具曲面加工设备的分析与设计。     

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。     

整体叶盘自适应柔性抛光效率优化

针对整体盘叶片型面抛光,"五轴数控+柔性磨头+弹性磨具"抛光工艺装备具有精度高、干涉小、自适应性好等优点;为提高抛光质量和抛光效率,根据弹性磨具(砂布轮)抛光原理建立了抛光效率的数学计算式,给出了抛光效率的优化方法;通过正交试验结果的灰色关联度分析获得了基于效率的工艺参数优化组合;叶片抛光试验结果表明:基于效率优化的工艺参数不仅能显著地减少抛光时间,还能获得合格的叶片表面粗糙度,从而验证了效率优化方法的可靠性.     

基于磁流变技术的非球面柔顺数控研抛工具研究

针对目前磁流变抛光成本高、抛光力控制复杂的问题,开发了一种新的基于磁流变技术的非球面柔顺数控研抛工具系统,由磁流变阻尼器(MRD)控制研抛过程中的研抛力,由数控车床控制研抛工具位置。介绍了工具系统的组成,阐明了基于MRD的研抛原理,分析了研抛工具与非球面工件之间的接触力及其动态传递过程,建立了研抛力模型和工具系统动态模型,并进行了参数辨识和仿真研究,得到了系统的传递函数的和PID控制器的相关参数,最后进行了系统动态性能和研抛实验验证,实验结果表明,开发的研抛工具系统,具有较好的响应特性,可以实时控制研抛过程中的研抛力,可获得表面粗糙度Ra=0.028μm的非球面镜面表面。     

基于磨料水射流抛光铝合金质量的研究

磨料水射流抛光铝合金表面质量的影响因素较多,本文分析了射流压力、靶距、喷射角度和磨料流量四个工艺参数对抛光质量的影响,利用正交实验和极差分析法,研究了该工艺参数对磨料水射流抛光铝合金工件表面粗糙度的影响主次顺序为靶距、射流压力、磨料流量、喷射角度。并运用多元回归分析法,建立工件表面粗糙度与影响因素间的经验模型,对铝合金汽车轮毂表面处理具有很大的实用价值。     

磨粒流抛光工艺中的磨料模糊优选模型

磨粒流抛光主要用于小尺寸和复杂结构化表面的光整精加工。针对磨料参数选取仅靠其定性选择原则和经验,导致一些工况的磨料选取不合理而严重影响加工质量的问题,提出了一种磨料参数模糊优选的方法。该方法基于模糊数学理论,采用模糊参数优化建立了多目标磨料参数优选模型,结合磨料参数的选择原则和磨料参数之间的影响建立了相对优属度矩阵和权向量,从而量化了不确定性因素。最后,通过实际加工实验验证了该方法的合理性和可行性。