Cf/C-SiC烧蚀行为及激光复合超声磨削可行性研究

目的揭示激光与Cf/C-SiC陶瓷基复合材料相互作用机理,分析激光能量密度对材料形性演变的影响规律。提出Cf/C-SiC陶瓷基复合材料激光复合超声磨削加工方案,探究硬脆材料多能场复合加工的可行性。方法使用不同能量密度的激光束扫描Cf/C-SiC陶瓷基复合材料表面,以明确材料烧蚀行为。在材料表面预制不同间距的平行纹理沟槽,进而对比传统磨削、超声辅助磨削和激光复合超声磨削的加工效果,同时研究不同扫描间距的预制沟槽对磨削效果的影响规律。结果陶瓷基复合材料(CMC)在激光作用下可呈现2种截然不同的状态,改性状态时材料以氧化等热化学变化为主,样件内出现热影响区和裂纹区。烧蚀状态时材料以热物理和热机械变化为主,样件内出现烧蚀凹坑、重铸层、热影响区和裂纹区。纤维束中界面经整体脱黏后,裂纹向下延伸并发生偏转。基体中的裂纹多起源于纤维界面处,并在扩展过程中发生偏转、分叉。激光烧蚀作用可改变材料的可加工性,有利于后续超声磨削加工。激光复合超声磨削的两方向磨削力相较传统磨削分别减小了51.4%和56.5%,同时表面粗糙度Sa可降低至4.228μm。结论激光复合超声磨削可有效降低磨削力和加工表面粗糙度,从而提高加工质量,该方法在实现硬脆材料高质量低成本加工方面具有较大的潜能。

弹性磨抛轮加工硅片面形预测模型及试验验证

目的为分析弹性磨抛轮磨削硅片面形精度变化的影响因素,优化加工参数以获得良好的磨削面形。方法通过建立考虑弹性磨抛轮转速、硅片转速、偏心距等参数的弹性磨抛轮磨粒运动轨迹模型,结合单颗磨粒切削深度,提出了弹性磨抛轮加工硅片的材料去除非均匀性预测方法,建立了基于弹性磨抛轮磨削硅片的面形预测模型,并通过不同转速比下的磨削试验验证了预测模型的准确性。结果面形预测模型仿真出的面形与弹性磨抛轮加工试验后的硅片面形一致,均呈“凸”形,且PV值随转速比的增大而增大。转速比为1时,磨削后硅片面形PV值为0.54μm,仿真模型计算出的PV值为0.49μm,转速比为5时,磨削后硅片面形PV值为2.12μm,仿真模型计算出的PV值为2.38μm。结论磨削试验面形PV值与模型计算面形PV值的预测误差小于13%,建立的面形预测模型能够成功预测硅片的面形规律,可以分析加工参数对硅片面形的影响规律。由面形预测模型分析可知,转速比对硅片面形精度有影响,且随着转速比的增加,硅片面形不断恶化,因此在实际加工中,应选择较小的转速比进行加工,以获得更优的硅片面形精度。

超声振动辅助磨削CFRP复合材料薄管撕裂损伤研究

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)薄管超声振动辅助磨削过程中存在撕裂损伤且形成原因不明确的问题,通过对M55J和T300复合材料薄管开展超声振动辅助磨削试验,探究了超声振幅、进给量及主轴转速对磨削力和撕裂尺寸的影响规律,通过对磨削过程的受力分析和对最大未变形切屑厚度的计算,分析了撕裂位置的形成原因和撕裂尺寸的变化规律。结果表明:磨削力随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,与主轴转速的关联性较小;撕裂易出现于CFRP薄管内壁,其长度与高度随超声振幅的增大而减小,随进给量的增大而增大,随主轴转速的增大而减小。

基于点云数据的大曲率工件表面法向计算方法研究

航空航天构件装配制孔时对垂直度有严格要求,采用机器人等自动设备制孔时,为保证垂直度需要对每一个制孔位置的法向进行在位测量。现有的工件表面法向测量方式难以适应大曲率工件表面的测量需求。通过线激光扫描,可以获得反映工件局部表面详细信息的点云数据,在此基础上提出一种大曲率工件表面法向计算方法。首先研究了通过主成分分析(PCA)对局部点云数据进行平面拟合获得曲面法向的方法,然后选取了若干典型曲率,通过仿真生成点云数据,并分析了法向拟合误差的变化规律。通过试验验证了上述方法的有效性,结果表明,当点云选择范围在12mm以下时,直径为50mm的圆柱试验件的法向拟合误差可以保证在0.219°以下。

氧化镓单晶的磨削材料去除机理和损伤演化研究

为了探究氧化镓单晶在磨削过程中材料去除机理和亚表面损伤演化规律,通过变切深纳米划痕试验模拟单颗磨粒去除材料的过程来探究磨削过程中的材料去除机理,使用粒度分别为SD600、SD1500和SD5000的金刚石砂轮对氧化镓单晶进行磨削试验,分析磨削表面形貌和亚表面的损伤演化规律.使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜作为主要表征手段,采用有限元法分析划痕过程中的应力分布.研究结果表明,氧化镓单晶在材料去除过程中沿不同晶向扩展的交错滑移带可能导致不规则的破碎坑,取向裂纹受到(-3-10)滑移面的严重影响.随着砂轮粒径的减小,磨削表面形貌表现为破碎坑和取向裂纹主导的脆性表面逐渐演化为完全塑性表面.

硅片磨床伺服进给系统仿真模型与分析

在硅片磨削时,硅片加工质量与硅片磨床的进给系统性能密切相关。为了提升硅片磨床进给系统的精度和稳定性,提出了采用上位机、运动控制卡、伺服驱动器、位置传感器进行闭环控制进给的技术方案。研究了伺服系统和机械系统两者之间的相互耦合关系,建立了动力学模型,搭建了基于PID控制的三闭环控制系统,采用MATLAB中Simulink模块对进给系统进行仿真分析。仿真结果表明,磨床进给系统速度波动量在1%以下满足硅片磨削对进给精度的要求。

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石(YAG)晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

基于有限元分析的锥筒自定心装夹模块优化设计

针对现阶段锥筒在定位装夹时存在装夹精度低、装夹直径单一的问题,在分析锥筒结构特征及其装夹定位要求后,建立锥筒自定心装夹模块三维模型。采用有限元方法分析锥筒刚度的薄弱环节,建立了自定心装夹模块涨紧力、下压力和涨紧面积与窗口区变形量之间的关系模型,制定了各影响因素规律的研究方案,并对窗口处圆周径向变形导致的定位误差进行分析。以窗口加工区最大变形量不超过0.03mm作为优化目标,按最终分析结果改进相关参数,搭建的锥筒自定心装夹模块满足性能要求。与现有产品相比,搭建模块实现了550~870mm直径范围的锥筒装夹统一基准,装夹范围得到扩大。

钨合金精密磨削砂轮磨损及对表面质量的影响机制

为了满足钨合金零件的高精度和高完整性表面加工需求,实现钨合金磨削质量的控制和加工工艺的优化,通过分析砂轮磨粒种类和结合剂类型对砂轮磨损形式的关系,明确了超硬磨料砂轮在钨合金磨削加工中的优势.研究了磨粒粒度和磨削参数对钨合金磨削加工质量的影响规律,为制定合理的磨削工艺提供依据.通过磨削试验获得钨合金高精度和高完整性表面磨削加工工艺.研究结果表明,钨合金磨削过程中砂轮易磨损,超硬磨料砂轮更适合钨合金的磨削加工.金属结合剂金刚石砂轮在钨合金磨削加工的表面质量和加工精度方面表现出优越性.通过改进磨削参数,钨合金精密磨削后表面粗糙度可达18.9nm,实现了镜面磨削效果.

石英晶片化学机械抛光工艺优化

为同时优化化学机械抛光(CMP)后石英晶片平面度和表面粗糙度,进行化学机械抛光协调控制实验。分析了抛光时间、抛光转速和抛光压力对石英晶片平面度和表面粗糙度的影响,确定了最佳工艺参数。研究结果表明:石英晶片平面度和表面粗糙度都随抛光时间延长而优化,在150 min时,平面度和表面粗糙度都能达到稳定。抛光时间为150 min、抛光盘转速为50 r/min、抛光压力为53.5 N时,能使晶片同时得到较好的平面度和表面粗糙度,此时平面度为2.03μm,表面粗糙度为0.68 nm。

基于八叉树的复杂曲面测量路径规划

针对异形天线罩复杂曲面的测量加工一体化加工方法中,存在测量复杂曲面时测杆与工件易发生干涉,使得数控编程困难的问题,提出了一种复杂曲面测量路径规划方法。该方法将机床测量系统离散为点云数据,通过点云的空间坐标变换来模拟数控测量时测杆与工件的位置关系,同时引入八叉树算法为点云增加拓扑关系,并检测测杆点云与工件点云之间是否发生干涉。最终将无干涉测量状态下的测量系统信息输出为G代码,通过Vericut软件进行轨迹仿真。文中对8504个测量点进行测量路径规划,结果表明,测量路径均可以避开干涉位置进行有效地测量。该碰撞检测算法可以在满足测量要求的前提下准确地实现复杂曲面的测量路径规划,为复杂曲面的测量方法提供理论指导。

光电化学机械抛光装置设计

针对第三代半导体材料氮化镓(GaN)光电化学机械抛光的加工需求,研制了具有紫外光照射、电压加载和机械抛光功能的光电化学机械抛光(PECMP)装置。设计了紫外光可直接照射到GaN晶片表面的抛光盘单元,加工区稳定加载电压且与装置绝缘的电气回路,抛光盘和工件盘能够独立回转的驱动机构,并且抛光盘可以往复移动、抛光压力可以可调加载。建立了PECMP装置的整机三维模型,通过静力学分析和模态分析,优化了抛光盘和龙门等关键部件结构。搭建了PECMP抛光装置,并进行了性能测试,实现了可施加的光照强度0~200 mW·cm^(−2),电压大小0~10±0.1 V,绝缘电阻150 MΩ,抛光盘转速10~100 r/min,工件转速10~200 r/min,抛光盘往复移动速度1~100 mm/s,压力加载范围0~200 N,满足2英寸GaN晶片的PECMP加工需求。

基于光轴法的深孔直线度测量装置设计

针对深孔直线度检测装置存在的环境适应性差、操作复杂以及直线度评定方法计算时间长等问题,提出了一种基于光轴法测量深孔直线度的方法,设计了以光电自准直仪为测量基础的深孔直线度测量装置。装置由反射镜、光电自准直仪、激光测距传感器组成的测量单元,与测量单元配合的高精度的自定心单元以及精密的行走单元组成。采用最小区域法与最小二乘法相结合的一种直线度评定算法更好地完成了深孔直线度测量,提高了深孔直线度测量的环境适应性,实现了深孔直线度的自动检测。

基于多目标优化的砂轮杆结构轻量化设计研究

为了得到大长径比砂轮杆合理的结构及支撑方式,保证砂轮杆满足刚度要求,通过建立大深径比孔磨削用砂轮杆的三维参数化模型,用有限元方法分析了砂轮杆的静力变形和约束模态,采用最佳空间填充试验设计(optimal space-filling design)方法构建了砂轮杆各设计变量与优化目标的二阶响应面模型,采用NSGA-Ⅱ算法对砂轮杆进行了多目标优化。经过轻量化优化设计及仿真比较,得到一种大长径比砂轮杆及支撑的合理化结构,轻量化率达到10.3%。分析结果表明:砂轮杆质量、刚度及模态均满足工程要求。

固结磨料研磨石英晶片材料去除率建模与试验研究

针对固结磨料研磨石英晶片材料去除率难以预测的问题,提出一种基于接触力学和广义回归神经网络(GRNN)的石英晶片材料去除率模型。首先根据脆/塑材料去除机理、磨粒块与晶片微观接触简化形式,采用微积分、力平衡原理等方法,建立了理想情况下的材料去除率模型。然后采用微单元法,进行了三因素四水平正交试验,并通过GRNN分析研磨液流量、研磨液浓度、研磨盘转速与材料去除率修正系数的映射关系,进一步完善了材料去除率模型。最后为验证材料去除率模型,设定研磨盘转速为20 r/min,研磨液浓度为5 wt.%,研磨液流量为36 ml/min,仿真并测量不同研磨压强以及相对速度下,晶片材料去除率预测值与实际值。结果表明:研磨压强和相对速度的增加使晶片材料去除加快,材料去除率模型预测值与实际值变化趋势相同,模型误差为8.57%。材料去除率模型基本满足固结磨料研磨工艺中石英晶片材料去除率预测需求。

陶瓷基复合材料超声辅助磨削力建模的研究进展

超声辅助磨削技术在加工陶瓷基复合材料时具有磨削力小和加工质量高、精度高、效率高等优势。磨削力是影响材料去除量、加工精度和加工质量的关键要素,准确预测磨削力对优化超声辅助磨削陶瓷基复合材料加工工艺具有重要意义。综述了超声辅助磨削加工陶瓷基复合材料的磨削力预测模型发展现状,详细介绍经验建模法、解析建模法以及有限元分析建模法三种典型磨削力建模方法并分析其优缺点,最后对磨削力的影响因素及未来研究作了讨论、总结和展望。

磨床床身立柱固定结合面动态特性研究

床身与立柱是磨床的重要装配体,其结合面的特性直接影响磨床的动态性能,为探究结合面刚度对系统动态性能的影响,针对磨床的床身立柱结合面,提出了一种结合面刚度等效弹簧有限元模型,通过模态试验验证了模型的准确性,并利用该有限元模型分别得到了结合面X、Y、Z这3个方向的刚度对系统模态的影响规律。仿真结果表明:结合面的刚度在2×109~8×109 N/m范围变化时,Z向刚度对系统的前三阶模态频率的影响都是最大,其中对第一阶模态频率影响最大,影响占比90.2%;结合面X向刚度主要影响系统的第二阶模态频率,影响占比32%;结合面Y向刚度主要影响系统的第三阶模态频率,影响占比38%。为提高整机的动态特性、优化机床结构提供了一种新方法。

基于VERICUT仿真的磨杆结构优化

针对用于加工某种非回转体锥罩的大长径比磨杆,采用加工仿真的方法来探究其在不碰撞情况下的最大尺寸。确定磨杆初始尺寸并建立三维模型,利用CATIA软件生成覆盖罩体内廓表面的加工轨迹,并开发专用后处理器来生成G代码。通过VERICUT软件完成加工仿真,根据仿真结果优化磨杆结构,缩减磨杆碰撞处直径,增大磨杆不碰撞处直径。优化后确定了磨杆尺寸长为1 855 mm,大端直径为150 mm。经过最终仿真检验,证明通过仿真方法确定了不碰撞情况下的最大尺寸的磨杆。

天线反射面表面富树脂层的精密抛光参数对表面粗糙度的影响规律

针对新一代全碳纤维复合材料天线对反射面表面富树脂层的高质量加工需求,开展富树脂层抛光工艺试验,研究抛光时间、磨粒粒径、磨粒质量分数、加载压力以及抛光转速对富树脂层表面粗糙度的影响规律。结果表明:在当前试验条件下,表面粗糙度随抛光时间的延长先减小后趋于稳定,随着磨粒粒径或加载压力的增大而增大,随磨粒质量分数的升高或抛光转速的增大先减小后增大。在此基础上形成优化工艺参数组合是磨粒粒径为25 nm,磨粒质量分数为20%,加载压力为14.1 kPa,抛光转速为50 r/min,抛光时间为1.0 h,抛光液流量为10 mL/min,用该参数组合加工可获得表面粗糙度Sa为4.73 nm的高质量富树脂层抛光表面。

超声辅助磨削SiC_f/SiC陶瓷基复合材料

针对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)存在加工质量差、刀具磨损严重等问题,开展金刚石砂轮端面超声辅助磨削SiCf/SiC复合材料试验,对比研究超声辅助磨削和普通磨削SiCf/SiC过程中的磨削力、表面形貌及表面粗糙度,并分析其材料去除机理.结果表明:超声辅助磨削可有效降低磨削力;超声作用能促使SiC纤维断裂,形成较短纤维而被去除,减少了纤维的折断和剥落,提高了其表面加工质量;在纵向振动端面磨削条件下,超声振幅在一定范围内有助于改善其表面加工质量,振幅过大则会导致表面冲击作用过强而使其表面质量降低.