超声振动辅助研磨SiCp/Al材料去除特性的研究

SiCp/Al因具有高强度,低密度,高耐磨性等优点被应用在许多领域,如航空航天,汽车和电子领域等。但SiCp/Al是典型的难加工材料,在研磨过程中极易造成表面损伤,从而影响工件的表面精度和材料去除率。基于金属基复合材料的研磨去除机理,建立有限元仿真模型。仿真模拟超声去除SiCp/Al的表面损伤形式、颗粒的破碎方式与材料去除过程。通过超声振动辅助研磨SiCp/Al实验可知,超声振动能够有效降低表面粗糙度。材料去除率随主轴转速和研磨深度的增加而增大,随进给速度的增加而减小。

氧化锆陶瓷超声辅助磨削材料去除机理试验研究

为研究超声振动作用对先进陶瓷磨削材料去除机理的影响,文章在超声振动方向垂直于磨削表面条件下,采用钎焊磨头对氧化锆陶瓷开展了超声辅助磨削(ultrasonic assisted grinding,UAG)试验。基于磨削表面微观形貌、磨削力和磨削比能分析,对变磨削深度条件下普通磨削(conventional grinding,CG)与超声辅助磨削的材料去除机理进行了对比。结果表明:当磨削深度低于10μm时,两种方法对应的表面材料去除机理均以塑性去除为主,且普通磨削表面伴有片层状破碎,而超声辅助磨削表面则存在尺寸细小的纹路状微破碎,同时磨削力与磨削比能也较低。当磨削深度超过10μm后,材料去除机理均转变为脆性断裂模式,且加工表面出现微裂纹,但相同条件下超声辅助磨削表面微裂纹尺寸较小。

中心供液弹性研抛工具的材料去除模型研究

为提高计算机控制光学表面(CCOS)成形技术的确定性加工能力,提出了一种中心供液弹性研抛工具(CEPT)。针对CEPT的结构特征及与工件接触的应力场模型,研究了贴附金刚石树脂砂纸前后CEPT的径向接触应力分布,发现贴附砂纸后的CEPT有更平稳的径向接触应力分布和更大的接触应力幅值。构建了CEPT连续进给状态下的接触应力及速度分布函数,结合Preston方程建立了CEPT的材料去除模型。进行了抛光试验及单因素对比试验,获得了CEPT的材料去除深度分布规律及关键工艺参数与材料去除深度之间的影响关系。试验结果表明,构建的材料去除模型与实际材料去除廓形之间的平均偏差小于10%,可较好地预测CEPT的实际材料去除深度。

面向钢轨修复的不同槽型接触轮砂带打磨接触行为及材料去除特性

为掌握不同槽型接触轮砂带对钢轨打磨接触行为及材料去除特性的影响规律,基于橡胶接触特性,建立X齿型、锯齿型和人字型3种典型接触轮砂带打磨仿真模型,模拟分析不同槽型特征对接触轮-钢轨静态接触行为和动态冲击应力的影响机制;通过钢轨砂带打磨试验,对比研究3种槽型接触轮的材料去除特性。结果表明:3种槽型接触轮与钢轨的接触区域整体均呈椭圆形态,符合赫兹接触理论,内部接触形态则随槽型特征呈现为块状分布;接触区域应力分布总体符合弹性半空间接触理论,但在接触块边缘会出现应力集中;X齿型接触轮和人字型接触轮因齿尖和齿槽结构的存在而具有较高的材料去除能力,同等打磨条件下X齿型接触轮较平型接触轮的材料去除能力提高了79%;顺磨条件下的材料去除能力高于逆磨,以X齿型接触轮为例,顺磨比逆磨的材料去除能力提高了22.7%;X齿型和人字型接触轮砂带打磨的噪声、振动、粗糙度、平均电流均较高,锯齿型接触轮具有较低的振动、粗糙度及平均电流,平型轮则具有较低的噪声和电流。

材料去除过程中Rehbinder效应的研究进展

精密机械加工过程中,利用Rehbinder效应对工件表面特性的影响,可以更好地控制零件表面质量。不同工程材料的Rehbinder效应的微观表现形式有所差异,但宏观结果都是降低工件表面硬度,使材料去除过程更容易进行。回顾了Rehbinder效应概念的提出和发展过程并对其内涵和应用范围进行了阐述,为加工过程中的材料去除方法提供思路,对材料表面完整性的形成具有指导意义。列举了近年来科研人员对Rehbinder效应的相关研究成果,分析对比其在硬脆材料和塑性材料加工过程中的表现形式和微观作用机理,总结Rehbinder效应的影响因素,如极性分子的吸附活性、工件材料的晶粒尺寸等。揭示了Rehbinder效应中极性分子的吸附作用,以及吸附作用后的扩散、位错和间隙三种促进机制,并综述离散元法、有限元法和分子动力学等数值仿真方法对宏观尺度和微观尺度Rehbinder效应机理的研究。Rehbinder效应可以看作是一种对加工表面的改性机制,研究Rehbinder效应作用下的表面活性剂与被加工表面的匹配机制是提高材料表面完整性的关键,对推动精密制造工艺的发展有重要意义。

碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究进展

化学机械抛光已经成为半导体制造中关键的工艺步骤之一,该技术是目前实现碳化硅晶片超精密加工的一种常用且有效的方法,可用于加工晶片表面,以获得高材料去除率、高表面质量和高表面平整性的晶片。然而,在碳化硅晶片化学机械抛光中,晶片表面材料去除非均匀性一直是一个具有挑战性的问题,减小晶片表面材料去除非均匀性对确保半导体器件的高性能和稳定性至关重要。本文介绍了碳化硅材料的性质及应用与化学机械抛光工艺,研究了不同碳化硅化学机械抛光技术的材料去除机理、不同化学机械抛光技术的发展状况和性能及优缺点,综述了碳化硅晶片化学机械抛光中材料去除非均匀性影响因素,如:抛光压力、抛光液(磨粒)和转速等因素,最后对未来碳化硅化学机械抛光中材料去除非均匀性研究做出了展望。

单颗CBN磨粒超声振动辅助磨削AISI 304材料去除机理

为了解释超声作用下磨粒切削材料的去除机理,对单粒磨削过程进行了分析,建立了未变形切削厚度和磨粒与试件的固定速度比(vs/vw)的数学模型.在AISI 304试件上进行了固定速度比的普通磨削(conventional grinding,CG)、切向超声振动辅助磨削(tangential ultrasonic vibration assisted grinding,TUVAG)以及径向超声振动辅助磨削(radial ultrasonic vibration assisted grinding,RUVAG)的单颗粒试验.结果表明,在固定速度比条件下,试件在CG与TUVAG作用下都是以塑性变形的形式去除,但超声辅助显著提高了材料去除率.试件在RUVAG作用下材料的去除方式与未变形切削最大厚度agmax的值息息相关.agmax小于0.8μm时,试件表现为脆性断裂的形式去除;之后随着agmax逐渐增大,试件转变为塑性变形的形式去除.

弹性基体软固结磨料磨具的材料去除机理

基于弹性磨具的磨抛工艺为硬脆材料超精密加工效率与加工质量的兼顾平衡提供了新的解决思路,但其磨抛过程的材料去除机理尚未明确。为研究弹性磨抛过程中的材料去除行为,以硅橡胶作为磨具基体材料,混合微米级金刚石磨料制备弹性基体软固结磨料磨具,利用有限元仿真分析方法研究弹性基体软固结磨粒的受力状态,结合接触力学与运动学分析建立考虑单颗磨粒磨损行为与有效磨粒数量的材料去除模型,通过石英玻璃试件的弹性磨抛加工试验验证预测模型的准确性。结果表明:石英玻璃试件的材料去除率随着磨抛压力、主轴转速、磨具偏角的增大而显著增加,而磨料粒径对其影响程度较小;当工艺参数组合为磨料粒径100μm、磨抛压力7 N、主轴转速1500 r/min、磨具偏角20°时,经60 min磨抛后,工件已加工表面粗糙度由1.069μm降至0.089μm,材料去除率为8.893×10^(8)μm^(3)/min;该试验条件下,建立的材料去除模型预测准确度相比Preston经典模型提高36.7%。研究成果可为实现硬脆材料的确定性材料去除提供技术支持和理论依据。

机器人恒力干磨削的材料去除深度建模

在机器人末端安装被动柔顺装置进行恒力干磨削加工,材料去除深度较难控制。为确定合适的磨削用量控制材料去除深度,根据磨削理论和磨削力经验公式,建立关于法向压力、进给速度和主轴转速的材料去除深度模型,材料去除深度与磨削用量指数幂的乘积成正比。通过正交实验标定模型的未知参数,建立完整的材料去除深度模型;通过单变量实验分析材料去除深度与磨削用量的关系;通过多变量随机实验对材料去除深度模型进行验证。单变量实验和随机实验表明,材料去除深度与磨削用量指数幂的乘积成正比。在磨削加工精度允许范围内,可以根据材料去除深度模型确定磨削用量控制材料去除深度。

基于多源数据融合的半导体晶片CMP抛光材料去除率预测

目的 对半导体晶片抛光过程中的工艺参数、耗材使用量、抛光垫状态参数等多源数据预处理后进行数据融合,建立材料去除率(MRR)预测模型,为实现半导体晶片抛光加工工艺的决策和处理奠定基础。方法 研究晶片抛光加工中的数据特点及数据融合需求,提取数据集中每个晶片加工过程中的统计特征并生成新数据集,同时引入邻域特征以应对晶片加工过程中动态因素对材料去除率的影响。提出基于深度自动编码器的多源数据融合及材料去除率预测方法。设计深度自动编码器参数,优化深度自动编码器的损失函数从而增强深度自动编码器对强相关性特征变量的重建。基于深度自动编码器进行多源传感器信号融合,降低数据维度。使用超参数搜索算法优化BP神经网络超参数,利用BP神经网络方法将融合后的数据进行半导体晶片抛光过程中的材料去除率预测。结果 采用PHM2016数据集对模型进行验证,均方误差MSE达到7.862,相关性R^(2)达到91.2%。结论 基于多源数据的融合模型能有效预测MRR,可以对半导体晶片CMP工艺过程的智能决策与控制起到良好的辅助作用。

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。

GA-BP神经网络在抛光材料去除率预测中的应用

材料去除率(material removal rate,MRR)是抛光过程中调控工艺参数和评估加工效果的一项重要指标。为了有效地预测抛光过程中工件的材料去除率,建立了一种运用遗传算法(genetic algorithm,GA)与反向传播(back propagation,BP)神经网络相结合的MRR预测模型,利用GA的全局寻优能力对BP神经网络的初始权重和阈值进行优化。通过随机森林(random forest,RF)算法选择出对MRR预测结果影响显著的参数变量作为神经网络的输入,运用有关实验数据对网络模型进行训练与预测分析,并与同等条件下运用传统BP神经网络建立的预测模型进行对比分析。结果表明:GA-BP神经网络具有较高的预测精度。

2.5D C/SiC复合材料铣削材料去除的实验研究

为了探究2.5D C/SiC复合材料铣削加工的材料去除特性,分别选用端铣刀和鱼鳞铣刀对2.5D C/SiC复合材料开展普通铣削和超声振动辅助铣削实验。分析了四种铣削工况下切削力、切削温度的变化规律,研究了0°、90°和z向针刺纤维的去除特性。结果表明,相比于传统端铣刀和普通铣削,鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削分别可以显著地降低切削力和切削温度。超声振动辅助铣削可以使纤维的整体去除变为破碎去除,减小表面缺陷。鱼鳞铣刀和超声振动辅助铣削的组合工艺方式可以较大程度地降低表面缺陷、切削力和切削温度,提高工件表面质量,为2.5D C/SiC复合材料低损伤铣削提供了可行性。

基于软性磨粒旋转射流抛光技术的材料去除

本文针对高精度内壁面的加工难题,提出了一种新型加工方法——软性磨粒旋转射流抛光技术(SARJP),以满足管类零件超精密内壁面要求。该方法采用入射角无极可调喷嘴对内壁面进行加工,并基于计算流体力学方法对内壁面的材料去除进行建模。为验证材料去除模型的可行性并研究材料去除特性,进行对比试验。结果表明,加工后的内壁面有明显的材料去除效果,改进了圆周廓形且表面质量较高。

动密封环研磨中材料去除率建模及仿真研究

液体火箭的寿命主要受发动机影响,涡轮泵又是发动机的心脏,所以涡轮泵性能至关重要,其平稳运行对火箭发动机的安全运行意义重大。影响涡轮泵稳定运行的核心问题包括轴承和密封的磨损、变形及失效等。文中围绕涡轮泵密封性中的重要组成部件——动密封环的研磨工艺进行研究。对动密封环研磨中材料去除率进行模型构建,研究其去除机理。对材料去除模型工艺参数进行仿真计算,对照研磨试验结果,把研磨加工压力、研磨转速、研磨时间工艺参数作为要素核心。所得的仿真结果可对研磨试验起到预测作用,以提高动密封环加工研磨效率。

基于轴承毛坯表面分析的磨削材料去除率模型与应用实验

目的 在轴承套圈磨削加工中,传统基于动力学模型建立的磨削材料去除率模型仅考虑了磨削工件-砂轮-机床三者的弹性变形,未考虑毛坯零件表面不规则变形对模型的影响,导致传统理论模型在实际磨削应用中的效果不佳。针对此问题,基于轴承套圈毛坯表面形状分析建立了新的磨削材料去除率模型,并进行了应用实验。方法 基于轴承套圈毛坯零件表面形状的工艺研究,针对粗磨阶段毛坯零件表面不规则形状和弹性变形对磨削加工及产品质量的影响,建立不同偏心圆数量的轴承套圈结构分析方法,并提出一种以分段函数形式的磨削材料去除率模型,该模型充分考虑了轴承套圈毛坯零件表面不规则变形和偏心圆形状对磨削材料去除的影响,可有效反映轴承套圈实际材料磨削去除过程。最后,通过大量实验对所建的分段函数形式的磨削材料去除率模型进行应用实验研究。结果 与传统磨削材料去除率模型GPSM相比,所建的以分段函数形式的磨削材料去除率模型MMRG的准确率提高了96%以上,该模型可有效在线量化分析毛坯表面不规则大小及偏心圆结构。结论 该模型对指导毛坯零件制造,保证磨削加工质量和磨削加工效率有着重要的理论指导意义。

机器人砂带磨削单磨粒材料去除影响因素

为了研究机器人砂带磨削单磨粒材料去除的影响,基于机器人砂带磨削进行了单磨粒划擦实验.研究了高温合金的机器人砂带磨削去除行为,分析了划擦长度、切除深度、堆积比随磨削速度、设定磨削深度的变化规律.实验结果表明,随着磨削速度的增加,划擦长度与切除深度总体上呈减小趋势,当磨削速度达到10.99 m/s时会出现局部增大;堆积比在总体上呈现增加的趋势,在10.99 m/s时出现局部减小.随设定磨削深度的增加,划擦长度与切除深度都在增加,但并非线性增加;堆积比总体上呈现先减小后增加趋势.研究结果为机器人砂带磨削工艺优化提供了重要参考.

考虑材料去除特性的球形刀具抛光轨迹规划新方法

采用传统的轨迹规划方法时,由于未考虑抛光过程中刀具-工件接触力学特性的变化,容易产生过抛光或欠抛光现象。为此,提出一种考虑材料去除特性的轨迹规划新算法。基于赫兹理论,得到了球形抛光刀具与曲面接触区域的压强分布与速度分布,据此建立了抛光过程材料去除模型,并给出了相邻抛光轨迹的最优行距数值解法。分析了刀具姿态角对材料去除深度和轨迹规划算法结果的影响,通过优化行距与进给速度来适应相邻轨迹刀具姿态角的变化,以避免欠抛光与过抛光。仿真与试验结果表明,该算法能有效保证材料去除均匀性,达到期望的材料去除深度,抛光后的表面质量相对等参数法更佳。

NdFeB薄片的超声辅助水基切割的材料去除机理研究

目的通常采用金刚线切割工艺批量生产NdFeB薄片,其表面粗糙度及表面线痕问题十分严重,提出超声水基切割液的金刚线切割新方法,以消除NdFeB薄片切割中的线痕,降低其表面粗糙度,并对超声辅助条件下的材料去除机理进行研究。方法通过白光干涉仪和光学显微镜对样品表面形貌进行观察,通过激光位移传感器检测并分析了金刚线在各处的横向位移,分析其对切割表面线痕形成的影响因素。通过线激光测量方法量取超声辅助和纯水切2种条件下的线弓偏移,并分析线弓的形成机理,研究材料去除形式、排屑润滑之间的关系。综合分析线弓形成机制、线痕形成机制及表面形貌形成机制,揭示材料的去除机理。结果实验结果表明,在进给速度0.2 mm/min下,可将水切的表面粗糙度Ra控制在0.4μm以下,仅为油切的一半,而在超声辅助下的峰谷值(PV)仅为油切下的二分之一。在相同进给速度下超声辅助切割的线弓变形与水切的差值先增大后减小,在进给速度0.2 mm/min下达到0.5 mm。结论水基切削液比油基切削液具有更好的排屑性能,能够有效降低切割表面的粗糙度,而在超声辅助下使金刚线在NdFeB表面进行微磨削,有效地消除了样品表面的线痕,超声辅助水基切割对NdFeB切割的表面质量具有很大的改善作用。

基于Hertz接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料去除深度建模研究

为了揭示复杂曲面百页轮抛光的材料去除机理,假设磨粒凸出高度服从正态分布,通过Hertz接触理论得到了接触区的抛光压力分布模型,然后基于弹塑性接触理论进行单颗磨粒受力分析,结合百页轮表面磨粒凸出高度分布函数建立了磨粒切入深度模型。在此基础上,综合主轴转速、进给速度和磨粒切削沟槽形状等确定了单颗磨粒的材料去除体积,并通过沿抛光轨迹积分的方法建立了材料去除深度模型。实验结果表明,材料去除深度的预测值与实验值的最大偏差和平均偏差分别为4.85%和2.95%,验证了所建材料去除深度模型的正确性和有效性。