微细磨削技术及微磨床设备研究现状分析与探讨

采用微磨床及微磨具的微细磨削技术,可以实现多种材料复杂形状三维微小零件的加工,且设备体积小、能耗少、成本低,已受到国内外研究人员的广泛关注。但是目前微细磨削技术的研究还处于起步阶段,在微细磨削机理、微磨床及微磨具等方面存在大量问题需要解决。因此非常有必要深入分析微细磨削技术的研究现状、存在的问题及发展趋势。明确了微细磨削技术的内容范畴;全面总结了微细磨削机理及工艺、微磨床及其关键部件、微磨棒等方面的研究现状;在此基础上,深入探讨了微细磨削技术在磨削机理及工艺、微磨床和微磨棒等方面存在的基础性问题,并进一步指出微细磨削技术还应关注其向多种材料应用、复合化加工、高效高精及智能化柔性化的发展方向,以期促进微细磨削技术在我国的推广应用,提升我国超精密微小零件的加工制造水平。

基于不同单颗磨粒模型的微细磨削力研究

微细磨削技术能够实现硬脆材料复杂结构微小零件的高精高效低成本加工.通过深入分析微细磨削机理,考虑刃角圆弧半径的影响,建立了圆锥、球形、三棱锥、四棱锥等4种单颗磨粒切削力模型;采用VHX-1000超景深光学显微镜对Φ0.5mm、#600微磨棒表面磨粒形状进行观测分析并统计,建立了基于单一磨粒模型和基于综合磨粒模型的微细磨削力模型;在ZCuZn38上进行微细磨削试验,对比研究了微细磨削力理论计算结果与试验结果,并基于理论模型讨论了微细磨削力随工艺参数的变化规律.结果表明,单一磨粒模型微细磨削力与综合磨粒模型微细磨削力均能预测不同工艺条件下的微细磨削力,但综合模型微细磨削力的误差最小;不同磨粒模型计算得出的法向磨削力较为一致,但切向磨削力差异较大.

高弹性合金钢的微细磨削仿真

挠性接头刚性差,在微细磨削加工中易变形,其精度难以控制.为了提高挠性接头的工作性能,重点研究了挠性接头细颈的磨削工艺参数及其表面质量.基于磨削加工、弹塑性力学和有限元法等理论,利用ABAQUS模拟单颗磨粒微细磨削高弹性合金钢,分析磨削工艺参数对磨削力、热的影响规律,并用专业金属切削软件Advantedge对残余应力进行仿真,研究工艺参数对残余应力的影响规律,为进一步提高细颈的磨削质量及挠性接头角刚度的稳定性奠定基础.研究结果表明,提高砂轮线速度,可以大大减小磨削过程对工件表面的热作用宽度和深度,有利于减小热损伤和提高表面质量.

细丝微细磨削设备的研制

针对现有细丝微加工设备成本高昂、实用性差以及加工后表面性能恶化的特点,研制了一套微细丝磨削设备。该设备包括磨削机械系统、视觉测量系统和加工智能控制系统。机械系统解决了细丝夹持、细丝两端同步旋转等问题,设计了一个V型槽和张紧机构解决细丝偏心旋转;视觉测量系统对细丝尺寸进行无接触、高精度测量;加工智能控制系统由上位机和下位机组成,二者通过USB数据线通信,实现了坐标轴多模式运动控制、零位传感器的信号检测以及其他控制量的控制。磨削过程由视觉测量系统与加工智能控制系统联合工作,结合工艺数据库实现智能化磨削。采用挠度补偿方法,可在直径小于1 mm的细丝上加工出阶梯丝和锥度丝。

挠性接头细颈微细磨削仿真研究

惯性导航关键件挠性接头细颈尺寸小、刚性差,在微细加工中极易变形,其精度很难控制。为了更加明确工艺参数与残余应力间的关系,充分认知细颈结构特征对残余应力分布的影响,形成更加符合细颈结构特征的相互作用机制的残余应力精确预测,以挠性接头细筋为研究对象,基于磨削加工理论、弹塑性力学和有限元等理论,利用专业金属切削软件Advantedge对残余应力进行仿真,构建了单侧及双侧磨削工艺参数对挠性接头细颈残余应力仿真模型,并分析两种模型得出的残余应力分布规律。实现了在现有条件下以加工质量为主要目标,提高加工效率为次要目标对工艺参数进行优化,为实际加工工艺参数的选择提供理论指导。

微细磨削表面成型机理的研究浅析

微细磨削是一种在硬脆材料上制造结构化表面的新兴技术。MPGT(micropencilgrindingtool)是一种在固体圆柱表面粘结一层超级磨料颗粒而构成的微细笔状磨削刀具。随机分布的、几何形状不确定的磨粒与工件表面在任意位置相互作用。这些随机的磨粒位置及突起,导致了未变形磨屑在尺寸上的差异。本文在对比前期研究的基础上加以分析与对比。

单晶硅微细磨削非稳态特征声发射信号感知研究

针对硬脆材料微小零件和微结构微细磨削加工时非稳态特征感知和识别难题,开展单晶硅微细磨削非稳态特征声发射信号感知方法和分析研究。设计了单晶硅微槽阵列微细磨削单因素工艺实验,搭建了声发射(AE)信号实时监测平台,基于均方根法提取了信号时域特征并采用小波包分解法和快速傅里叶变换划分了对应频带。选取微磨具直径损失量、微槽平均崩边宽度及微槽锥度角作为微磨具磨损和磨削质量变化的非稳态特征评价指标。探究了声发射信号时、频域特征与非稳态特征间的相关性。结果表明,AE信号分析区间的均方根与微槽平均崩边宽度近似为线性关系。低频带信号(0~62.5 kHz)主要源于机械振动及磨屑与工件、微磨具间的摩擦作用。中频带AE信号(62.5~125 kHz)主要源于微磨具对微槽的成型作用,其能量占比能反映微磨具磨损程度。高频带AE信号(125~500 kHz)主要源于材料的脆性碎裂去除,其能量占比能反映微槽崩边损伤程度。

钛合金超微细磨削中磨削力和加工表面质量的研究

超微细磨削是指磨削工具直径不大于100μm的磨削加工过程,它在制造由各种材料制成的微结构元器件方面具有巨大的潜力。通过磨粒轨迹仿真和理论分析的手段,系统地研究了超微细磨削加工中的加工表面质量、磨削力和磨具磨损特性。发现在超微细磨削加工中,拥有最大出刃高度的磨粒一定是有效磨粒,且拥有最大出刃高度的磨粒会在磨削表面的形成过程中起主导作用。建立了考虑磨粒粒径差异时的未变形切屑厚度模型和磨削力模型,并最终通过在钛合金上进行超微细磨削实验对磨削力模型进行了验证。实验发现,超微细磨削加工的表面质量随进给速度和径向切深的增大而变差,表面粗糙度也随着进给速度和径向切深的增大而增大。对于超微细磨削加工过程,发现加工中超微细磨具磨损迅速,而造成磨具快速磨损的原因主要是参与加工的有效磨粒数非常少。在径向切深等于1μm时,磨具上参与切削的磨粒仅占总磨粒数的12%。在大径向切深时,除有效磨粒少之外,磨具磨损迅速另一个重要的原因是未变形切屑厚度非常大,超过了磨粒所能承受的极限。

微流道精密磨削技术及自驱动检测芯片实验研究

针对病原体检测用芯片需要蠕动泵和离心机外加驱动的问题,设计微V槽流道的自驱动芯片,研究微液体流动的微流道拓扑结构及其精密磨削技术。因为激光等物理加工难以保证微拓扑结构精度,所以采用金刚石磨削技术实现石英玻璃表面的微V槽流道精密加工。基于多轴联动技术和机械物理去除原理开发了砂轮微尖端的高效精密在位修整工艺,可将磨粒精密修尖至同一角度,进行机械精密复制的塑性域微磨削。然后,实验分析微V槽流道的尖角、表面粗糙度、梯度等对微液体流速的影响。最后,制造出病原体检测的微流控芯片。研究结果显示,更大梯度、更小尖角和更小粗糙度以及尖角端分布的纳米流道可以大幅提高微液体流速。而且,微流道的V槽尖端半径为15μm,表面粗糙度为30 nm,可诱导微液体运动。在此基础上,研发的自驱动微流控芯片不需离心机就能够检测出布鲁氏菌的病原体核酸,检测灵敏度可以小于100 ag/μL。

数控桌面微纳米磨削加工机床的研制

研制了一台适于微小尺寸零件磨削的(650×650×650)mm三轴微型数控磨床,采用全闭环数控系统,能实现亚微米级加工精度。该机床关键部件采用高速空气静压电主轴、交叉滚柱支撑的高分辨率超精密滑台、永磁直线电机、CCD显微镜以及基于IPC的多轴运动控制卡,结合优化的插补控制策及误差补偿机制,能实现三维复杂形面超精密微细磨削加工的精度要求。

高磨粒浓度电铸金刚石工具制造工艺的开发及其在微型磨具中的应用

对制备高磨粒浓度金刚石电铸皮膜的电铸工艺进行了开发,试图通过重新开发现有沉降共析法与以前开发的连续旋转法相组合的断续旋转法以及振动辅助断续旋转法,提高皮膜共析的磨粒密集度。试验结果表明,采用连续旋转法、断续旋转法和振动辅助断续旋转法制备的电铸皮膜磨粒密集度可分别达到5%～20%、20%～35%和35%～45%。