应用于模具自由曲面的新型气囊抛光技术

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。建立相应的机器人抛光系统,研究旋转型膨胀气囊抛光工具及抛光过程中各因素对抛光表面粗糙度的影响。对气囊抛光工具的位置和姿态控制问题以及抛光工具,以一定下陷深度和倾斜角度与被抛工件接触时的接触区域的相关特性进行分析。在机器人抛光系统上进行抛光正交试验和试验数据分析,获取表面粗糙度的不同影响因数的最优参数组合,试验中被抛光曲面平均表面粗糙度达到了0.007μm。研究结果表明,气囊抛光技术可实现抛光工具与被抛光工件的大面积柔性接触,通过气囊内部气压的调节和机器人抛光系统对抛光工具的运动轨迹和姿态的精确控制,可有效地提升自由曲面抛光的品质和效率。

基于Preston方程的软性磨粒流加工特性

针对模具的细小尺度结构化表面难以进行光整加工的问题,提出一种基于固—液两相软性磨粒流精密加工新方法。利用软性磨粒流的湍流壁面效应,并配以约束模块,能够实现对模具结构化表面的无工具光整加工。基于对Preston方程及其修正系数的分析研究,确定了软性磨粒流加工中的颗粒选择条件,并得到适用于软性磨粒流的切削经验公式。采用可实现k-ε湍流模型以及SIMPLEC算法,对软性磨粒流的压力、速度分布及运动曲线进行数值分析;通过对不同规格颗粒对壁面的压力进行仿真研究,得到适用于软性磨粒流加工的最佳颗粒尺寸。基于上述理论分析与数值模拟结果,搭建软性磨粒流加工试验平台,进行不同入口条件下的加工对比试验,并详细分析入口条件对工件表面形貌的影响。试验结果表明,软性磨粒流加工方法可以实现细微尺寸结构化表面的光整加工,有效提高加工的精度。

结构化表面软性磨粒流精密光整加工方法及其磨粒流动力学数值分析

提出一种基于软性磨粒流的模具结构化表面无工具精密光整加工新方法,通过在被加工的结构化表面附近配置约束模块,使结构化表面成为一条截面几何形状可设计的约束流道的内壁面,利用液固两相软性磨粒流在约束流道内的湍流壁面效应实现对约束流道内壁面的微力微量切削,从而克服光整加工工具难以接触结构化表面的困难,完成对结构化表面的无工具化精密光整加工。基于液固两相流体耦合理论,建立面向结构化表面精密加工的约束流道内液固两相磨粒流动力学模型,利用标准k-ε湍流模型和离散相模型相结合的求解方法,以环形截面约束流道为研究对象,选择不同的约束模块配合参数,对流道内压力/速度分布及湍流动能进行数值分析研究,通过该数值分析方法,可以观察约束流道进口压力、入口与出口截面尺寸的相对变化等工艺参数对湍流形态的影响,为研究软性磨粒流湍流形态调控的基本规律和磨粒流特性提供一种理论工具。

软性磨粒流超声强化机理及试验研究

针对固液两相软性磨粒流加工时间长,效率低的缺陷,提出一种软性磨粒流超声强化方法。该方法基于流场的欧拉-欧拉多相流模型和k??双方程湍流模型,将Navier-Stokes方程的声场模型与流场模型进行耦合。利用CFD流体分析软件,在有无加载超声波的两种情况下,对两者流场内的压力、速度及湍动能等相关参数进行对比研究分析,通过流体方程的求解得到流道内磨粒流的压力和速度分布情况。运用canny边缘检测算法对模拟图进行轮廓提取,结合Bwmorph等功能函数对轮廓图降噪去毛刺,得到处理后的数值模拟分析图,在数值模拟的基础上,利用粒子成像测速(Particle image velocimetry,PIV)系统观测流道内的流场变化,同时设计软性磨粒流循环加工系统,搭建其试验平台,对有无加载超声波两种情况下的加工效果进行对比试验。数值模拟和试验结果显示:数值模拟中加载超声波的矩形流道出现了大量速度较小、压力较大的空化区域,不断发展撞击壁面,并且数值模拟结果与PIV试验结论相一致;超声波作用于软性磨粒流,明显缩短了加工时间、提高了加工精度及效率。

多种约束流道环境下的软性磨粒流流场特性

为了解决软性磨粒流加工中工件表面特定加工区域材料去除的难题,提出了一种通过改变约束模块结构控制约束流道内流场的方法。基于标准k-ε湍流模型和Mixture两相流模型,建立了面向液-固两相软性磨粒流湍流流型分析的动力学模型。以波浪形和矩形2种约束流道为具体模拟仿真对象,研究软性磨粒流流经2种约束流道过程中压力、速度等工艺参数。研究结果表明:简单流道内的湍流动能小于复杂流道内的湍动能,因此在流道内加入约束模块可提高湍流的紊乱程度;流道加工表面的静压力、动压力在波浪形约束模块作用下比在矩形约束模块的作用下流道性能有所提高,同时在波浪形流道内可根据约束形状形成明显的压力差值;加入不同形状的约束模块改变流道横截面积,可以改变加工表面压力、速度、磨粒入射角等工艺参数,并且能够获得更加明显的小涡流以提高加工精度。数值模拟结果为软性磨粒流加工工艺参数的选择提供了依据并部分通过试验得到验证。

气囊抛光技术及其研究现状

气囊抛光能够获得稳定的材料去除特性和高质量的抛光表面。回顾了气囊抛光的工作原理、特点和发展现状,对气囊抛光的关键技术进行了比较分析,包括抛光工具,进动抛光,脉动抛光,磁流体抛光,驻留时间,边缘控制和过程控制,抛光轨迹规划,磨粒场及气囊抛光应用等。研究结果表明,气囊抛光是一种值得关注的自由曲面高效精密抛光方法。

槽形抛光工具形状对液流悬浮抛光加工效果的影响

为了研究抛光工具形状对液流悬浮抛光加工的影响,基于液流悬浮抛光系统对柱形和槽形抛光工具在加工中的流体动压力与材料去除进行仿真及试验研究。液流悬浮加工以高速旋转的抛光工具和工件构成润滑副,利用CFD软件分别对柱形及槽形2种抛光工具与工件之间的流体进行数值模拟,通过比较2种抛光工具在工件表面流场中形成的流体动压力与流体速度,可知槽形抛光工具有助于增强加工过程中的流体动压力,但对流体速度的提升效果并不明显。通过加工试验,可知在同等加工条件下槽形抛光工具对粗糙度的去除率和去除速率都要优于柱形抛光工具,并能得到粗糙度为21nm加工表面。

结构化流道环境下不同颗粒浓度的磨粒群分布及其动力学特性

结构化表面流道内,由于流体相的驱动作用,磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞,从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。该文基于液-固两相流体耦合理论,利用欧拉-欧拉多相流模型中的mixture模型和Realizablek-ε湍流模型对V型纹理半环形截面流道内液-固两相流在不同颗粒浓度下运行时的壁面湍流效应进行了数值模拟,计算了流场中湍流速度及湍动性能等参数。模拟结果表明:V型纹理的流道有利于涡流的产生,因此可以通过配置V型纹理的约束模块来提高湍流的紊乱程度;随着颗粒浓度的增大,在一定范围内磨粒流的速度逐渐增大,磨粒流的湍动能逐渐减小,磨粒体积分数的波动振幅越来越小;颗粒浓度的选择应适当,不同的颗粒浓度可以产生不同的磨粒流综合性能和颗粒分布效果。

软固结磨粒气压砂轮的力学分析

建立了一种应用于高硬度、高耐磨性自由曲面光整的新型软固结磨粒气压砂轮模型。首先,根据材料特性确定了该模型的三种材料,并计算了两相模型的弹性模量,研究了强度极限;其次,对各层应力分布进行仿真分析,研究各层厚度对应力的影响;最后,将制作出的软固结磨粒气压砂轮用于抛光实验,得到一系列加工结果。仿真结果表明:双弹性体厚度值与应力值成反比,磨粒层厚度值与应力值成正比;对模型进行优化,磨粒层受力明显增大,即抛光作用力显著增大,力传递效果较好,且最佳黏结层厚度为0.5mm。实验结果表明:黏结层厚度为0.5mm时,加工效果最佳。

超声空化对软性磨粒流切削效率和质量的影响

为提高软性磨粒流切削的效能,研究了利用超声空化作用加快材料去除的方法。在分析磨粒抛光试验和计算流体动力学仿真结果的基础上,提出并验证磨粒碰撞壁面的动能是影响切削效率主要因素的假设;根据对超声空化气泡溃灭,及其在外围水域中冲击波形成与传播的研究结果,分析气泡溃灭在推动磨粒改变其动能时所起的增强湍流效果的作用。在此基础上搭建了超声辅助磨粒流试验装置,以表面覆有氧化层的硅片为试验对象,根据其表面氧化层的去除情况,分析超声空化对硅片表面材料去除能力的影响,并在磨粒流加工无氧化层硅片表面的试验中,观察到超声空化对磨粒流切削的显著影响。验证了超声空化能使磨粒流中的磨粒的动能发生改变,从而起到提高切削效率和提高表面质量的作用,以期为超声波作用下磨粒流加工工艺的改进提供参考。

软性磨粒流双入口约束流场数值分析及加工试验研究

针对软性磨粒流精密加工中单入口加工装置加工不均匀问题,提出一种基于流体碰撞理论的双入口加工新方法。借助计算流体力学软件,结合剪切输运(Shear stress transport,SST)k-ω湍流模型及Mixture混合模型,分析两种加工装置内磨粒流动力学特性,数值模拟结果显示:单入口加工装置内磨粒流流场固定分布,双入口加工装置内磨粒流流场呈现周期性摆动,提高约束流道内磨粒流流动无序性。加工试验进行35 h后,单入口加工装置加工工件表面粗糙度Ra值分散,工件表面存在严重加工不均匀性;双入口加工装置工件表面各处粗糙度Ra集中且各方向粗糙度值均小于单入口加工装置,表面加工效果均匀。上述研究结果表明:双入口加工装置有效地扰乱约束流道内磨粒流流场,提高磨粒流流动的无序性,改善表面加工质量。

结构化表面环境下软磨粒流的流场数值分析

为了研究模具结构化表面环境下软性磨粒流的流场加工特性,应用单颗动力学模型(SPD)通过数值模拟求解了颗粒在不同形态的湍流场中的运动特性。以U形流道为例,利用N-S方程、湍流的Realizable(k-ε)模型以及压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,求解了软性磨粒两相流场中流体的速度、压力等特性参数;接着利用SPD求解多种环境下软性磨粒两相流场中颗粒的速度、轨迹、密度分布等参数。实验结果表明:在流体初始速度为5,10,20m/s 3种情况下,流体初始速度为5m/s时颗粒沉降最为明显;在颗粒直径为0.01,0.05,0.1mm 3种情况下,直径为0.01mm时颗粒沉降较为明显;在水、柴油、机油3种不同黏度的湍流场中,两相软性磨粒流场特性非常接近。结论显示,流体的初始速度和颗粒的粒径使得湍流对颗粒运动特性影响较大,流体的黏性对其影响较小。

计算机视觉在刀具状态监测中的应用

介绍了计算机视觉方法在刀具状态监测中的应用情况 ,主要包括基于刀具表面图像、基于工件表面图像和基于切屑图像的三类监测方法。基于刀具表面图像的视觉监测方法 ,直接摄取刀具磨破损部位的图像 ,具有判断准确的特点 ,但难以在切削过程中实现监测。基于工件表面图像的视觉监测方法 ,由于工件的高速旋转时 ,难以获取工件表面的清晰图像 ,也不宜用于切削过程监测。基于切屑图像的视觉接监测方法 ,可以克服前两种方法的缺点 ,是一种有发展前途的新方法。

柔性抛光工具与工件接触区应力的测量方法与分布规律研究

提出一种用于测量柔性抛光工具与被加工工件之间接触区应力分布的方法。该方法通过柔性橡胶球头与工件试样之间的振动接触提升接触区温度,借助红外测温技术获得接触区温度分布,从而得到接触区的应力分布。基于热弹性效应和Hertz接触理论,推导出试样材料特性、接触区应力分布和接触区温度变化三者间的关系,并以旋转体橡胶球头和刚性平面试样接触为例进行了试验验证。研究结果表明:在接触区内,温度与应力变化均呈"M"形分布,其中温度变化与主应力正相关,同时还与热扩散系数、热膨胀系数以及热导率等材料特性相关。

软性磨粒流加工方法及近壁区域特性

为了解决模具细微结构化表面难以光整加工的问题,提出固-液两相软性磨粒流(SAF)无工具精密加工方法.通过为结构化表面配以约束模块,以构建磨粒流湍流流道,利用软性磨粒流与被加工表面的"无缝"接触特性及壁面效应,实现模具表面的无工具无死角光整加工.以Nikuradse实验方法为理论依据,分析软性磨粒流中固体相在近壁区的运动学和力学特性,得到适用于软性磨粒流加工的摩擦系数公式.采用标准k-ε模型和欧拉多相流模型对软性磨粒流进行数学描述;利用压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,对不同入口速度时流道内的固体相压力分布进行数值分析研究.数值模拟结果表明,软性磨粒流固体相的压力衰减程度与入口速度成反比,并且固体相在流道内的运动轨迹呈无序状态.利用动态分析三维显示系统对流道内的颗粒运动轨迹进行实验研究.结果显示,固体颗粒运动轨迹呈无序漩涡状,符合湍流形态的运动规律.搭建软性磨粒流加工平台并进行加工实验.实验结果表明,采用软性磨粒流的加工方法能够使工件表面粗糙度达到61.8nm.

软固结磨粒群加工方法及材料去除特性的分析

为了解决高硬度模具自由曲面光整技术难点,提出一种软固结磨粒群加工新方法(Softness consolidation abrasives,SCA)。所谓软固结磨粒群,特指由高聚物黏结剂黏结于气压砂轮基体表面的磨粒群体,其宏观上不像游离磨粒那样可自由移动,而微观上每个磨粒均受到黏结剂在各个方向的弹性支撑。结合层间弹性力学体系分析,讨论双层弹性体中(橡胶基体层-磨粒层)的力穿越问题,得到表层单颗磨粒的切削力学模型。建立基于应力修正的Preston方程,解决柔性基体供力时存在的应力滞后问题。根据磨粒硬度特性进行系数修正,给出材料去除经验公式。对磨粒群的切削力和速度进行数值模拟,建立材料去除的定量预估模型。总结高效光整加工的配比条件,并通过针对激光强化模具表面的光整试验,验证修正后的Preston方程的准确性。

茶叶茶梗的计算机在线识别技术及其应用

分析了茶叶茶梗在颜色、形状和重量方面存在的差异，提出一种茶叶茶梗计算机在线识别新技术。该技术采用颜色、形状和重量三要素，光学、机械分选相结合，实现对茶叶茶梗多维模式识别。分类阈值可根据茶叶品种和分级要求在线调整。利用茶叶自除尘机理解决了茶尘对光路的阻塞问题。分类效果不受环境温、湿度的影响。该技术可用来替代入工进行梗、叶分拣，分拣效率可达到人工的２０～３０倍。本文介绍了茶叶茶梗计算机在线识别技术的实现方法和应用实例。

气-液-固三相磨粒流光整加工及其工艺参数优化

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题,本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡,利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动,从而有效提升抛光效率。实验显示:在加工过程中,离心泵的发热会导致流体黏度下降,进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布,而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果,文中基于对磨粒流抛光机理的研究,提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法,实验求得了抛光流体温度从20℃到60℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明,相对未加入气泡时,该抛光方法的加工效率得到提高,而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。

基于修正Preston方程的气压砂轮加工特性

为了解决高硬度、高耐磨激光强化自由曲面难以高效光整的问题,提出软固结磨粒气压砂轮加工方法.通过高聚物黏结剂在充气柔性砂轮表面构成磨粒层,使每颗磨粒受力后可以局部微动,影响周边磨粒群的受力状况而发生群体效应,达到软性条件下的应力集中,形成高效切削.以拉宾诺维奇(Rabinoweizc)磨损理论为依据,引入硬度比例系数和表面硬度系数,结合磨粒粒度对材料去除的影响,给出修正系数.结合弹性力学理论,对柔性基体供力环境下的材料去除进行应力修正,给出修正的Preston方程,提出该方法材料去除的量化模型.建立砂轮表面磨粒群在任一接触状态下的速度计算公式,通过ANSYS仿真给出下压量与压力的关系谱图.修正系数经实验验证基本与理论分析相符,证明该方法可以降低材料去除的量化误差.根据不同磨粒粒度的实验对比,给出针对高硬度表面光整的工艺参照.

基于VOF的模具结构化表面软性磨粒流数值模拟

为了提高模具结构化表面光整加工的表面质量,通过流体体积模型和标准k-ε模型相结合的计算方法,以之字形微型流道为研究对象,对模具微型流道内部的软性磨粒流流场进行数值模拟。结果表明:随着入口流速的提高,管道内的磨粒流的平均速度也随之增大,有利于近壁区磨粒流与流道壁面的相互作用,从而提高磨粒流的加工效率。同时模具微型流道的形状和结构对磨粒流加工也有重要影响。当微型流道直径为2mm、入口速度为10m/s、湍动能为0.4m2/s2、湍流耗散率为19.8m2/s3时,与其他几组工艺参数相比,微型流道内轴向、切向速度分布及湍动能分布等更加均匀,能够得到较高的加工效率和表面纹理形态。数值模拟结果为深入研究软性磨粒流的基本规律提供了一种理论工具。