外圆鱼鳞结构化表面的研磨研究

为了在外圆工件表面上研磨出具有随行波结构特征的鱼鳞表面结构,首先基于对自然界中鱼鳞表面形貌的特征分析,建立起外圆工件沿轴向排布的鱼鳞结构化表面数学模型;其次依据外圆研磨原理以及拓扑学理论,设计出用于研磨外圆鱼鳞表面的结构化拓扑油石;然后依据外圆研磨的磨粒运动轨迹,讨论实现外圆鱼鳞结构化表面研磨的边界条件;并对外圆研磨过程进行仿真模拟,获得了具有随行波结构的鱼鳞结构化表面。研究结果表明,利用所设计的结构化拓扑油石可以实现外圆鱼鳞结构化表面的研磨;改变研磨的振幅和频率,鱼鳞结构化表面的形状参数也会变化,但其表面拓扑属性不变。

有序化砂轮磨削筋条表面中力对表面的效应

为了提高筋条减阻表面的加工质量,对磨粒有序化砂轮的磨削力对工件表面几何形状的影响规律进行研究。首先,根据筋条减阻表面的参数,设计能够实现筋条减阻表面加工的错位排布砂轮;其次,建立了筋条减阻表面磨削过程的简化模型,并基于有限元对工件表面形貌进行了力学仿真;最后,研究磨削速度、磨削深度、磨粒角度、排布参数等对筋条表面几何形状的影响规律,综合探讨磨削力和表面形貌之间的关系。结果表明,在磨削速度增大时,工件表面材料的隆起变形高度随着磨削力的减小而增大;在磨削深度增大时,材料的隆起变形高度随着磨削力的增大而增大;在磨粒角度增大时,材料隆起变形高度随着磨削力的增大,先增大后减小;在磨粒排布参数增大的过程中,材料隆起变形高度随着磨削力的增大而增大。

桨叶叶序排布混合器流体流动分析

基于结构仿生原理,分别以轮生、对生-轮生组合、旋生叶序排列桨叶,构建被动混合器。采用计算流体力学方法(CFD)对构建的混合器进行数值模拟。分析混合器内叶序排布与流体流动效应之间的关系,研究相同的叶序排布方式中,不同排布间距对流体流动的影响。结果表明:叶序排布间距相同时,旋生叶序排布混合器流体流动效果最好,对生-轮生组合叶序次之,轮生叶序最差;对轮生叶序排布和对生-轮生叶序排布方式来说,叶序排布间距越大,流体流动效果越好;对旋生叶序排布方式来说,叶序排布间距越小,流体流动效果越好。

五轴数控机床床身的全植物叶片结构仿生设计

为了提高机床的强度与刚度,使它具有良好的动静态特性。基于叶片褶皱稳定结构及叶脉分布结构的特点,建立叶片褶皱及叶脉的力学模型。以五轴数控机床的床身构件为研究对象,在SolidWorks环境下对床身构件进行全叶片的数字化仿生设计,通过Workbench对床身构件进行动静态特性分析。研究结果表明:仿生设计床身与原床身相比,比刚度效能提高14.39%,等效应力降低15.7%,质量减少2.17%,改善了床身动静态性能,实现了机床结构的仿生轻量化设计。

磨粒有序化砂轮滚磨外圆筋条表面的研究

为了在外圆零件表面加工出用于表面减阻的结构化筋条,基于滚齿加工原理,提出利用磨粒有序化(工程化)砂轮滚磨外圆筋条表面的加工方法。根据筋条表面的特征,对外圆筋条表面进行设计;利用筋条表面的特征参数设计了磨粒有序化砂轮,并给出实现滚磨外圆筋条表面的条件;对滚磨过程进行仿真分析,获得了磨削相关参数对筋条表面形貌的影响规律。研究结果表明:磨粒有序化砂轮能够实现对外圆筋条表面的磨削,筋条表面的主要特征为深宽比,选用合适的磨削用量和排布参数可以满足减阻功能深宽比筋条表面的滚磨。

结构化砂轮拓扑磨削阵列随行波表面研究

随行波表面是结构化表面中一种重要的表面,其具有优良的减阻性能。为磨削出阵列随行波凹坑表面,提出平面拓扑映射磨削结构化表面的方法。基于点集拓扑学理论,对随行波单元和排布进行拓扑特征分析并提取特征参量,结合凹坑表面磨削创成机制,建立在磨削过程中砂轮与工件的拓扑空间映射关系,设计出磨粒簇结构化砂轮,使用MATLAB软件对随行波表面磨削过程进行仿真分析,获得相关参数的影响规律,并通过磨削试验实现结构化表面的磨削。结果表明:使用拓扑学理论设计的结构化砂轮能够实现阵列随行波凹坑表面的磨削,且在磨削后随行波凹坑表面的拓扑属性保持不变,拓扑特征参数随着磨削用量的变化发生相应的变化。

外圆结构化阵列凹坑表面的拓扑磨削研究

由于结构化凹坑表面具有减阻效果,因此为在外圆表面磨削出凹坑结构化表面,依据磨削运动学原理与拓扑学理论提出了外圆凹坑表面的拓扑磨削方法。为了实现这一方法,首先提取凹坑表面特征参数与特征向量,建立了砂轮与工件的拓扑空间,给出拓扑映射关系并设计阵列结构砂轮;然后根据砂轮与工件的相对运动关系建立磨粒簇单个磨粒磨削轨迹方程,依据轨迹方程对凹坑表面成型过程使用MATLAB进行仿真,获得砂轮与工件的相对转速和磨削深度对结构化表面的影响规律;最后进行磨削实验。结果表明,使用拓扑磨削方法,能够实现外圆阵列结构化凹坑表面的拓扑磨削,磨削出的表面为原表面的拓扑表面,拓扑属性不变但特征参数随磨削用量改变而改变。

轴向排布鱼鳞结构化表面的外圆拓扑磨削

由于鱼鳞随行波结构化表面具有较好的降低流体阻力的效应,为了在外圆工件上磨削出沿轴向排布的鱼鳞随行波结构化表面,首先基于对随行波结构和鳞片表面的特征分析建立了外圆工件的沿轴向排布的鱼鳞随行波结构化表面模型;然后基于外圆磨削运动原理以及拓扑学理论,设计了一种用于磨削出沿轴向排布的鱼鳞随行波结构化表面的拓扑结构化砂轮,并且给出了实现这一磨削过程的运动学条件;最后,利用MATLAB软件对所设计的结构化砂轮的磨削过程进行了仿真,获得具有随行波特征的外圆轴向排布鱼鳞表面,并且通过磨削试验验证了该磨削方法的可行性。研究结果表明,使用设计的鱼鳞结构化拓扑砂轮可以在外圆工件表面磨削出具有随行波特征的鱼鳞结构化表面,不同的转速比以及磨削深度将改变被磨削鱼鳞表面的形状参数但拓扑属性保持不变。

磨削的结构化鱼鳞表面的摩擦特性研究

为了获得磨削后结构化鱼鳞表面的摩擦特性,首先设计拓扑结构化鱼鳞表面,然后对表面建立流体动压润滑模型,并利用流体仿真软件进行分析,研究对比磨削加工后不同粗糙度的单元鱼鳞凹坑的油膜承载力以及摩擦系数,并且整体分析结构化鱼鳞表面的压力和摩擦系数随油膜厚度变化的规律。研究表明:在给定的结构化表面参数范围内,磨削粗糙度越低的结构化鱼鳞表面单元的润滑效果越好;整体来看,结构化鱼鳞表面的润滑效果具有显著的累积效应;选择合适参数的结构化鱼鳞表面可以提高油膜承载力和降低摩擦系数,从而起到改善摩擦副润滑效果的作用。

一种磨粒族叶序排布的端面砂轮及其铣磨实验

为了改善超硬磨料砂轮的磨削能力,基于生物学的叶序排布理论设计了一种新型有序化排布磨料的超硬磨料砂轮;分析了叶序参数对超硬磨料砂轮工作表面上磨粒族的排布的影响规律,通过光刻技术和电镀技术相结合制造出了磨粒族叶序排布砂轮。铣磨实验结果表明:合理的选择叶序系数k和磨料族半径r可使砂轮获得较好的铣磨性能。

护环对硅片抛光表面压强分布和轮廓的影响

为了获得单晶硅片化学机械抛光过程中护环对接触压强分布的影响规律，从有护环化学机械抛光实际出发，建立了抛光过程的接触力学模型和边界条件，利用有限元法对有护环抛光接触状态时的接触压强分布进行了计算和分析，并利用抛光实验对计算获得结果进行了验证。获得了硅片与抛光垫间的接触表面压强分布形态，以及护环几何参数对压强分布的影响规律。确定了护环抛光接触压强的分布也存在不均匀性，而且在硅片外径邻域内接触压强最大，并导致被加工硅片产生平面度误差和塌边。结果表明，当选择护环与硅片的间隙为0，负载比为2．5～3．5，以及适当的护环宽度时，可以改善接触压强分布的均匀性。

叶序结构抛光垫表面的抛光液流场分析

为了解决在化学机械抛光过程中抛光接触区域内抛光液的分布均匀性问题,基于生物学的叶序理论,设计葵花籽粒结构的仿生抛光垫,建立化学机械抛光抛光液流场的运动方程和边界条件,利用流体力学软件(Fluent)对抛光液的流动状态进行仿真,并获得叶序参数对抛光液流动状态的影响规律。结果表明:抛光液在基于葵花籽粒的仿生抛光垫的流动是均匀的,抛光液沿着逆时针和顺时针叶列斜线沟槽流动,有利于流体向四周发散。

抛光垫提高化学机械抛光接触压强分布均匀性研究

为了改善单晶硅片化学机械抛光(CMP)接触压强分布的均匀性和实现高平坦化抛光,基于弹性力学的"Winkler地基"理论提出了一个新的CMP接触模型。依据此模型,从葵花籽粒分布的结构特征出发对抛光垫进行了分割,计算分析了分割参数对接触压强分布的影响规律,并实验验证了分割参数对硅片抛光平面度轮廓的影响规律。研究结果表明:当分割参数为顺时针0.008～0.009 mm,逆时针为0.005～0.006 mm时,抛光接触压强分布较为均匀,并使得被抛光晶片的平面度得到改善。

化学机械抛光中背垫对硅片表面接触压强分布及宏观表面形貌的影响

为了获得单晶硅片化学机械抛光过程中背垫对接触压强分布的影响规律,建立了有背垫抛光过程的接触力学模型和边界条件,利用有限元方法进行了有背垫时的接触压强分布的计算与分析,并利用抛光实验对计算结果进行了验证,获得了硅片与抛光垫的接触表面压强分布形态,以及背垫的物理参数对压强分布的影响规律。结果表明,在有背垫时接触压强的分布仍存在不均匀性,而且在硅片外径邻域内接触压强最大,这导致了被加工硅片产生平面度误差与塌边。增加背垫的弹性模量和泊松比,可以改善接触表面压强分布均匀性,使硅片有效区域的平面度形貌变得更好。

磨粒叶序排布砂轮磨削筋条表面力的表面效应

为了探索筋条表面磨削过程中,磨粒叶序有序化砂轮的磨削力对工件表面几何形貌的影响规律,首先,根据筋条减阻表面的特征参数,设计能够实现筋条减阻表面加工的磨粒叶序排布砂轮;其次,建立筋条减阻表面磨削过程的简化模型,对工件表面形貌进行力学仿真;最后,研究磨削速度、磨削深度、磨粒角度、排布参数等对筋条表面几何形状的影响规律。结果表明,磨削速度增大时,工件表面材料的隆起变形高度随磨削力的减小而增大;磨削深度增大时,材料的隆起变形高度随磨削力的增大而减小;磨粒角度增大时,材料隆起变形高度随磨削力的增大,先增大后减小;而在叶序系数增大过程中,材料隆起变形高度随磨削力的增大而增大。

磨粒叶序排布端面砂轮磨削纹理表面研究

为了磨削出结构化网纹表面,设计磨粒叶序排布端面砂轮并建立起磨粒运动学方程,通过计算机仿真获得磨削纹理的表面形貌,探讨叶序砂轮磨粒排布参数、磨削参数等对表面纹理形貌的影响规律。结果表明,砂轮相对工件的位置会影响表面形貌,砂轮两侧磨削生成的表面网纹相对均匀,增大砂轮转速,减小砂轮叶序系数可以使网纹的平台表面更加均匀。

基于叶序仿生抛光垫的化学机械抛光的运动分析

为了改善化学机械抛光的接触状态和被加工工件的表面形态,基于生物学的叶序理论设计了仿生结构的抛光垫。从单颗磨粒切削理论出发,建立了抛光运动方程和材料去除率分布模型。利用所建立的运动方程和材料去除率分布模型进行了晶片表面材料去除率分布的计算分析,得到抛光机的运动参数及抛光垫的叶序参数对材料去除率的影响规律。结果表明:当抛光盘的转速较大、工件转速适中、摆臂摆动频率较小、摆臂中心角较小及叶序参数取值较小时可以获得更好的材料去除分布。

斜面60°光纤透镜抛光接触状态的分析

为了掌握光纤透镜抛光接触状态,依据接触力学理论,建立了60o斜面光纤透镜抛光时的接触力学模型;应用ANSYS接触分析技术和MATLAB数据图视功能,对光纤透镜抛光过程中光纤加工端与抛光垫的接触状态进行了分析。结果表明:补偿角α、光纤夹持伸出长度l和抛光垫弹性模量E2不仅影响到光纤透镜抛光接触区域的接触形式,也同时影响接触压强的分布状态;外加位移载荷z对接触形式影响不大,但对接触压强分布影响较大。

光纤连接器端面研磨与抛光的运动分析

目的为了获得光纤连接器端面研磨与化学机械抛光(CMP)过程中的运动状态对加工精度的影响规律.方法建立双驱动差动行星式抛光机的运动学方程,基于这个方程利用随机磨料点法对磨料切削轨迹和平均相对速度场等进行了计算机数值模拟,然后依据PRESTON方程讨论了在加工中运动参量对光纤连接器端面的平均速度分布的均匀性,以及对加工形状精度的影响.结果获得了磨料切削轨迹,平均相对速度分布等对形状精度的影响规律.结论增大系杆长度和齿环转速可以使轨迹与平均相对速度分布获得合理状态,而系杆的转速存在一个合理的参数区域.

光纤连接器端面多工位自动研磨与抛光机设计

为了高精度而且无应力地加工光纤连接器的微球形状表面,设计了一种高效、精密、自动化的光纤连接器端面加工机床。该机床具有研磨、抛光、清洗、上料与下料6工位,采用了毂轮间歇换位机构,利用倾角调节机构和直线径向往复振荡机构实现了微倾角凸面研磨,利用380°的周向往复振荡方式解决了光纤连续旋转的缠绕问题,最终获得了一台多工序组合的自动加工机。