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。

机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。

基于RTCP控制算法的叶片加工六轴砂带磨床优化设计

基于叶片型面磨削工艺参数及工艺过程确定机床各坐标轴运动性能和磨削接触压力,进行叶片加工砂带磨床优化设计和频率分析。采用RTCP算法和传动链独立的算法结构模式,建立转轴数学模型、工件传动链算法库以及刀具传动链算法库。对设计的机床伺服速度进行测试,优化机床结构薄弱环节,满足叶片型面及全特征型面磨削要求。通过有限元分析研究X,Y,Z轴的变形量,计算六轴砂带磨床1阶~6阶的固有振动频率,并进行分析和优化,提高了叶片磨削的轮廓精度,加工经济效益显著。

金属钼圆基片平面研磨及其表面创成机理研究

目的实现金属钼圆基片高效平坦化加工,获得超光滑表面。方法采用游离磨料对钼圆基片进行平面研磨加工,研究磨料种类及研磨盘转速、研磨压力、研磨时间等工艺参数对研磨效果的影响规律,通过材料去除率(MRR)与表面粗糙度(Ra)的建模分析,对比钼材与高硬脆和高塑性材料,揭示其研磨工艺特性、探究其表面创成机理。结果钼圆基片材料去除快慢和表面形貌受各因素作用的综合影响。CeO_(2)磨料适合钼圆基片的研磨加工,材料去除方式为二体、三体摩擦塑性去除;在研磨过程中,MRR随研磨盘转速、研磨压力的递增而先增大后减小,在研磨盘转速为60 r/min、研磨压力为0.026 MPa条件下MRR达到最大;除磨料因素外,其他工艺因素对表面粗糙度的影响较小;MRR和Ra随加工时间的延长而趋于稳定;使用粒径W1 CeO_(2)磨料在研磨盘转速为60 r/min、研磨压力为0.026 MPa下研磨40 min后,表面粗糙度Ra由46 nm降至9.53 nm,MRR达1.16 mg/min。结论采用游离磨料研磨方法在优化工艺条件下可以有效降低表面粗糙度,获得良好表面。

基于综合熵权-信噪比的球轴承外圈沟道ELID磨削加工参数优化

为提高球轴承外圈沟道表面的加工质量,实现对电解在线砂轮修整ELID磨削加工试验中摆动参数、磨削参数的精确控制,设计正交试验并基于试验数据建立表面质量与加工参数之间的二阶响应模型和指数回归模型;通过熵权理论确定表面粗糙度与轮廓度的综合权重,最终获得最优加工参数,并结合信噪比的基本特性分析加工参数对表面质量的影响程度。结果表明:指数回归模型对表面粗糙度预测较为精确,二阶响应模型对轮廓度预测较为精确,误差均在5%以下;表面粗糙度、轮廓度综合权重分别为0.4568,0.5432,最优加工参数为摆动幅度11°、摆动速度6°/s、砂轮转速19500 r/min、工件转速50 r/min;加工参数的影响程度由大到小依次为摆动幅度、摆动速度、工件转速、砂轮转速。

面向可配置复合磨削中心的监控系统设计与实现

智能制造的大环境不断推动先进制造装备和信息通信技术的进一步融合,面向可配置复合磨削中心,设计开发监控系统实现对复合磨削中心加工状态的监控功能。针对复合磨削中心可配置的不同数控系统,标准化封装其通信接口;同时,设计开发基于C/S架构的监控系统,实时读写接口数据,达到监测复合磨削中心加工状态的目的。

表面喷丸及退火处理对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢组织与性能的影响

为实现强韧化,对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢进行了表面喷丸及退火热处理。采用金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等手段分析了喷丸以及喷丸结合退火处理对TWIP钢显微组织结构的影响,并利用显微维氏硬度计和万能材料试验机对原始样品、喷丸以及喷丸结合退火处理样品的硬度分布、力学性能及加工硬化行为进行了研究。分析结果表明,喷丸可在TWIP钢表面引起强烈的塑性变形,并形成包含60~100 nm大小的位错胞块的强烈形变层和包含微纳尺度形变孪晶结构的过渡层。该纳米-微米尺度的晶粒尺寸梯度结构可以将TWIP钢表面强烈形变层的硬度显著提升至366 HV0.1,并在残余压应力联合作用下使试样的屈服强度提升至485 MPa,均远高于初始样品的对应值。但受喷丸引起的表面粗糙和强烈形变层纳米晶塑性低的影响,其断后延伸率仅为41.8%。退火处理后,喷丸样品中的形变组织发生回复与再结晶,其中强烈形变层位置的再结晶晶粒尺寸为1~3μm,硬度也降低至215 HV0.1。所形成的微米-微米尺度晶粒尺寸梯度结构试样的屈服强度降低至261 MPa,但延伸率增加至65.3%。晶粒尺寸梯度结构有助于增加TWIP钢屈服与抗拉强度,但不利于延伸率的提升。

钨合金超声辅助划擦试验及仿真研究

目的揭示钨合金在超声辅助磨削加工下的材料去除行为。方法通过超声辅助划擦试验与有限元仿真相结合的方式,分析超声振动作用对材料表面形貌、截面轮廓、划擦力、温度、塑性应变及应变率的影响,探究超声振动作用下的材料去除和表面创成机理。结果钨合金在划擦过程中发生严重的塑性变形,在划痕两侧出现由耕犁作用而形成的隆起现象。超声辅助划擦形成的划痕表面鳞刺更少且未出现犁沟现象,且划痕深度相较于普通划擦增大14.1%,划痕宽度增大39%。随着划擦深度的增加,试验划擦力与仿真划擦力均线性增大,且仿真值与试验值误差为18.1%,验证了有限元仿真模型的有效性。超声振动作用下的划擦力呈周期性变化特征,使平均划擦力降低了43.2%。此外,仿真结果表明,超声辅助划擦相较于普通划擦,温度最高降低50%,表面塑性应变最高降低20%,超声冲击过程中材料的塑性应变率相较于普通划擦提高1个数量级,分离过程中塑性应变率最大降低2个数量级。结论超声振动作用可以有效降低划擦过程中的划擦力和划擦区域温度,增大冲击过程中材料的瞬时应变率,改善压头的切屑黏附现象,从而抑制划擦表面鳞刺的生成和犁沟的形成,改善表面质量。此外,超声振动作用还可以有效提高材料去除率。

轴承内圆轴向超声高速磨削理论建模与试验研究

目的以GCr15材料的6309型轴承内圆为研究对象,探究高转速超声磨削过程中超声辅助振动对磨粒运动轨迹、磨削后表面粗糙度、圆度以及微观形貌的影响规律。方法基于超声内圆磨削磨粒切削轨迹及超声振幅与砂轮转速对轨迹影响的理论仿真,构建磨削去除量与磨削表面粗糙度的理论模型,通过对轴承内圆进行超声磨削试验,研究高转速(16000~22000 r/min)下各工艺参数对内圆表面质量的影响并验证理论粗糙度评价模型。结果超声振幅的增大使磨粒与内圆接触轨迹变长,但随砂轮转速的提高,磨粒切削轨迹的密集程度也有所下降。振幅和砂轮转速的增大可使切削去除量增大、粗糙度降低,铬刚玉粒度100#陶瓷结合剂砂轮磨削GCr15轴承内圆后,其表面质量更有优势,单因素下表面质量变化趋势与理论分析结果相一致。结论在相同磨削参数下,1.5μm振幅超声磨削可使内圆圆度降至0.92μm,粗糙度降至130.5 nm,与传统磨削相比,粗糙度最高减小了41.5%,圆度最高减小了52.6%。在高转速下,各因素按砂轮对磨削后表面质量的影响由大到小的顺序依次为砂轮转速、超声振幅、进给速度,当磨粒线速度超过41.8 m/s、进给速度超过600 mm/min、振幅超过1.5μm时,表面质量呈下降趋势。

大尺寸圆锥滚子3MZ4250球基面磨床支承结构的改进

针对原3MZ4250球基面磨床加工风电轴承大尺寸圆锥滚子存在的支承尺寸小以及支承结构不稳定问题,提出以下改进措施:增大支承尺寸,将支承硬质合金面由方形改进为圆柱形;增大支承安装槽与支承座表面的距离。实际加工表明,改进支承后加工的大尺寸圆锥滚子球基面曲率半径、端面跳动、表面粗糙度均满足技术要求。

ITO导电玻璃单颗磨粒切削机理仿真试验研究

为研究氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)导电玻璃材料的去除机理,采用单磨粒对材料进行切削仿真,建立了ITO导电玻璃的材料模型,根据加工表面形貌、应力和切削力情况分析了材料去除机理,之后研究了切削参数对切削力和残余应力的影响,并与钠钙玻璃进行对比分析。结果表明:在磨粒的切削过程中,材料的去除受ITO薄膜层、玻璃基底和内聚力接触行为的共同影响,会产生分层、通道开裂和层间断裂等失效形式;随着磨粒的进给,切削力在一定范围内波动,且呈现上升、稳定、降低的变化,同时磨粒的切削力与切削速度和切削深度呈正相关;薄膜上残余应力相比玻璃基底,数值更大且波动更剧烈;当切削深度接近ITO薄膜厚度时,薄膜的存在对磨粒切削行为的影响显著。

基于变刚度复杂曲面模糊路径策略的飞机座舱自动化磨抛

飞机座舱罩作为典型的复杂曲面弱刚性薄壁零件,是军用与民用飞机的重要部件,其安全与否直接关系到飞机和飞行员的安全。针对飞机座舱盖研磨抛光过程的曲面形状复杂以及刚性弱等问题,本文基于机器人自动化磨抛系统提出了一种基于自适应阻抗控制策略的复杂曲面模糊路径的生成方法,并对磨抛过程的接触力进行建模与分析,引进主被动相结合的磨抛方法,对某型飞机座舱盖进行了仿真及磨抛试验分析。试验结果表明,所提出的主被动相结合的磨抛方法结合自适应阻抗控制策略能较好的适应复杂曲面模糊路径的磨抛过程,力控制精度可达±1N;提出的复杂曲面模糊路径能够满足某型飞机座舱罩的自动化磨抛工艺需求,在保证磨抛结果一致性的同时提高了磨抛效率。

基于灰色关联分析方法和熵权法的纵扭超声振动螺旋磨削制孔工艺参数优化

为优化纵扭超声振动辅助螺旋磨削制孔工艺参数和提高加工性能,以氧化锆陶瓷为研究对象,选取螺距、螺旋进给速度、主轴转速和超声振幅为工艺参数,设计了四因素三水平正交试验,并测量其磨削力、孔壁表面粗糙度和孔底表面粗糙度;借助灰色关联分析方法和熵权法得到最优工艺参数为螺距3.5μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速20000r/min,超声振幅6μm;螺距、超声振幅、主轴转速、螺旋进给速度对灰色关联度的影响程度依次降低。建立了灰色关联度、目标参数与工艺参数的经验预测模型,得到最优工艺参数为螺距3.0μm,螺旋进给速度875mm/min,主轴转速22000r/min,超声振幅6μm;孔壁和孔底的表面粗糙度分别为0.12789μm和0.38137μm,磨削力为9.482N,且关联度略优于正交试验最大关联度。

基于点云的机器人焊缝自动化磨削系统与方法

结构件的服役周期和动态性能受焊缝磨削精度和表面一致性的影响,目前,焊缝磨削主要依靠人工或轨迹示教的方式,存在均一性差、效率低、成本高等问题。鉴于此,开发了基于点云的机器人焊缝自动化磨削系统,采用焊缝点云二次精简方法准确获取焊缝表面的全局信息,基于采样点与邻域重心点之间的距离准确提取焊缝宽度、高度及中心线特征。系统提取后的焊缝高度、宽度误差约为0.09 mm和0.2 mm,磨削后焊缝最小残留高度约为0.17 mm,表面粗糙度Ra值可达0.498μm。

CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性分析

为分析不同影响因素对CFRP砂轮高速外圆磨削稳定性的影响,采用铁木辛柯梁理论对具有阶梯特征的工件进行动力学分析,结合锤击试验测得砂轮动态特性,对高速磨削过程中的砂轮-工件两自由度系统进行了磨削稳定性分析。在对阶梯工件进行动力学分析的过程中,发现阶梯特征对于动态特性的影响较小,误差小于2%。在稳定性分析中发现,不同的砂轮转速和不同的工件磨削位置均会影响磨削稳定性。磨削位置越靠近工件中心,工件刚度越弱,磨削稳定性降低易诱发颤振;而在靠近顶尖支撑的位置,由于工件刚度增强,该位置的磨削稳定性将同时受到工件和砂轮的动力学性能的影响。通过磨削试验验证了分析方法的有效性,试验结果表明,工件磨削位置的刚度差异将会影响加工表面质量,由磨削失稳导致的粗糙度增幅可达51.6%。

基于分形理论的磨削粗糙表面静摩擦系数模型

为更准确地计算磨削粗糙表面的静摩擦系数,本文综合考虑了微凸体相互作用和区域扩展系数的影响,基于分形几何理论和Hertz接触理论,并利用切向接触载荷的基本理论,推导了磨削粗糙表面的真实接触面积、法向总载荷和切向总载荷,建立磨削粗糙表面的静摩擦系数分形模型,通过数值仿真研究了不同法向总载荷、分形维数、高度尺度参数以及材料参数对粗糙表面静摩擦系数的影响规律。仿真结果表明,磨削粗糙表面的静摩擦系数随着法向总载荷的增加而增加,随着高度尺度参数或材料参数的增大而减小;静摩擦系数和分形维数存在非线性关系,当分形维数小于2.65时,静摩擦系数随着分形维数的增大而增大,当分形维数大于2.65时,静摩擦系数随分形维数的增大而减小。最后通过试验和现有模型验证了本文模型的有效性。

磨粒间距和材料特性对磨削温度影响的有限元仿真研究

针对磨削过程中,磨粒间距和工件材料特性对工件表面温度的影响规律进行了有限元仿真研究,结果表明,随着磨削过程的进行,工件表面温度逐渐升高;磨削过程中,相比多磨粒磨削,单颗磨粒磨削的工件表面温度更低,且随时间增加上升速度更小;磨粒间距越大,工件表面温度越低且随磨削过程的进行变化速度越小;工件材料导热率越大,工件表面温度越低,当导热率大于1 W/(m·K)时,温度随导热率增大而下降的趋势不再明显;工件的比热容和密度对磨削温度的影响规律相似,随着比热容、密度增大,工件表面温度降低,且当比热容大于200 J/(kg·℃)、密度大于4000 kg/m3时,工件表面温度随比热容、密度持续增大而降低的趋势不再明显,且温度随时间推移而上升的速度下降。

容器结构对立式振动抛磨颗粒介质流动特性影响分析

为探究立式振动抛磨设备的容器结构对颗粒介质运动特性的影响,采用ADAMS-EDEM耦合仿真--振动抛磨工艺下的颗粒介质运动特性仿真。首先从颗粒运动轨迹与速度矢量角度分别分析容器结构对颗粒运动特性的影响,其次从深度方向与径向方向综合判断容器结构对颗粒速度与颗粒作用力的影响,最后通过动态力测试实验验证仿真的有效性。实验结果表明:岛状结构有助于颗粒的翻滚运动,阻碍了周向运动。有岛容器内颗粒运动更剧烈,颗粒平均作用力大于无岛。容器结构不会改变颗粒作用力在深度方向与径向方向分布的基本规律,但有岛容器内颗粒作用力在深度方向的增长尤为明显,2组实验均验证了仿真合理性。

基于单颗金刚石划擦的单向C_(f)/SiC复合材料去除机理

为研究单向C_(f)/SiC复合材料划擦去除机理,采用单颗金刚石磨粒开展准静态划擦试验,分析不同压痕载荷下划擦材料的声发射信号变化,结合SEM形貌分析材料的去除行为和划擦去除机理。试验结果表明:声发射信号强度随着压痕载荷增加而增强,相同参数下SB方向信号值更大,信号波动更剧烈。结合声发射信号与SEM形貌分析,得出材料在不同方向的划擦去除行为,材料以脆性去除为主,SA方向纤维以拉伸断裂和纤维拔出为主,SB方向纤维主要断裂方式为弯曲断裂和剪切断裂。根据SEM形貌分析,阐述去除行为的形成过程,即解释材料划擦去除机理。