磁场辅助剪切增稠流体抛光硬质合金刀片的仿真与实验研究

为了提高硬质合金刀片磨削后的表面质量,提出了一种用于硬质合金刀片抛光的新方法——磁场辅助剪切增稠流体抛光。介绍了该抛光方法的基本原理,配制抛光液并进行流变特性的测试与分析,基于流变测试结果,获得了抛光液的优化配制方案。通过ANSYS FLUENT模块获得不同放置方式下工件表面的流场状态,分析在不同抛光速度与磁感应强度下工件表面的动压力与剪切应力分布情况,确定了工件的放置方式和加工参数。建立抛光实验平台,通过抛光实验探究了抛光速度、磁感应强度等工艺参数对表面粗糙度与材料去除率的影响规律。实验结果表明:刀片表面粗糙度Ra随着抛光速度的增大而降低,但磁感应强度对表面粗糙度影响不明显;工件表面抛光液的剪切应力和速度的乘积与材料去除率成正相关性。通过优化抛光工艺参数(工件竖直放置、抛光速度100 r/min、磁感应强度30 mT),可以获得刀片表面粗糙度Ra=15 nm的超精密加工表面,以及11.1μm/h的高材料去除率。

硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究

针对硬质合金钻削刀具曲面加工效率低的问题,提出了用剪切增稠抛光(Shear Thickening Polishing,STP)方法实现硬质合金钻削刀具的复杂双螺旋曲面的低成本、高效率整体高质量抛光加工.配制具备剪切增稠特性的非牛顿抛光流体,使用MCR302旋转流变仪测试其流变特性.基于剪切增稠抛光液的流变特性,对硬质合金麻花钻的刃背、刃带和螺旋槽曲面进行整体抛光.采用控制变量法分析抛光槽转速和工件转速对硬质合金麻花钻表面粗糙度与材料去除率的影响规律.试验结果表明,加工后的麻花钻整体表面粗糙度随抛光槽转速的增大先减小再增大,在抛光槽转速为90 r/min时,加工效果最好.随着工件转速的增加,其整体表面粗糙度先减小后基本不变或略有增加,在工件转速为3500 r/min时,加工效果最好.麻花钻材料去除率与抛光槽转速及工件转速呈正相关.在较优加工参数抛光槽转速90 r/min、工件转速3500 r/min下,麻花钻经STP 60 min后,其刃背、刃带和螺旋槽表面粗糙度分别从原始的310 nm、450 nm、270 nm降低至10 nm、243 nm、15 nm,刃背和螺旋槽磨削痕迹几乎消失,螺旋槽刃口处缺陷明显减少.

球面滚子剪切增稠抛光优化实验

目的研究球面滚子在剪切增稠抛光过程中,不同抛光参数对表面粗糙度的影响,获得滚子光滑滚动面,并优化抛光工艺参数。方法基于田口实验设计,以表面粗糙度Sa为评价指标,分析磨粒种类、磨粒浓度、抛光转速、抛光间距等4个抛光工艺参数对球面滚子剪切增稠抛光后表面粗糙度的影响。通过实验分析表面粗糙度Sa的信噪比结果,得出最优的参数组合,并通过摩擦磨损实验评价抛光表面的摩擦磨损性能。结果得到了优化的工艺参数,Al_(2)O_(3)与SiO_(2)混合磨粒的质量比为1∶1,磨粒的质量分数为10%,抛光转速为70 r/min,抛光间距为4 mm,抛光时间为30 min。在此优化的工艺参数下,球面滚子表面粗糙度Sa从(40±10)nm降至(8.51±2)nm。结论剪切增稠抛光可以有效地去除球面滚子的表面缺陷,且在抛光过程不会改变滚子的圆度,抛光后滚子表面的摩擦因数减小,表面不易发生氧化物堆积。采用剪切增稠抛光可以有效提高GCr15球面滚子的表面质量。

圆柱表面声波辅助剪切增稠抛光优化实验研究

目的获得声波辅助剪切增稠抛光方法抛光轴承钢圆柱表面的最佳工艺参数。方法应用田口法,对声波辅助剪切增稠抛光过程中影响工件材料去除率,以及表面粗糙度的声波频率、声波功率、声波波形等参数进行实验与优化分析,以材料去除率、表面粗糙度为评价条件,得到最优抛光参数,并在最优参数条件下做多组重复性实验以验证结果的可靠性。利用金相显微镜、光学轮廓仪等测试手段对加工后的工件进行表面形貌检测。结果以材料去除率为评价指标,声波频率影响最为显著,声波功率影响次之,声波波形影响最小;以表面粗糙度为评价指标时,声波波形影响最为显著,声波频率影响次之,声波功率影响最小。结论在声波频率为20 Hz、声波功率为25 W、正弦波形条件下,工件材料去除率最高,材料去除率达到了11.32μm/h;在声波频率为60 Hz、声波功率25 W、正弦波形条件下,工件表面质量最佳,抛光1 h后工件平均表面粗糙度Ra由100 nm下降至7 nm以内,最低达到了4.48 nm。

剪切增稠抛光的材料去除数学模型

提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型抛光方法——剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP),通过对剪切弹性层理论的研究,推导出剪切增稠抛光中非牛顿幂律流体与工件之间的剪切弹性层最小厚度方程。在此基础上,根据Preston方程,建立加工过程中的材料去除数学模型。当流速U一定时,非牛顿剪切增稠幂律流体相对于牛顿流体或剪切稀化流体能够使得加工获得更高的材料去除率(Material removal rate,MRR),随着黏性指数n的不断增加,MRR会进一步增大。当黏性指数n和稠度系数K分别为2和0.32时,随着U的增大,MRR呈现幂函数增长趋势,说明增大流速,有利于提高加工效率。在STP加工系统上进行f20 mm的GCr15轴承钢圆柱工件的加工试验,经过90 min的STP后,表面粗糙度由R_a 105.95 nm降至R_a 5.99 nm,MRR达到2.1μm/h。MRR理论值与试验值之间的相对误差仅为6.12%,试验结果证明所建MRR模型具有一定的有效性。

剪切增稠抛光磨料液的制备及其抛光特性

为了实现对工件的剪切增稠抛光(STP),采用机械混合与超声波分散法制备了一种Al2O3基STP磨料液,并研究了它们的抛光特性。利用应力控制流变仪考察其流变性能,通过扫描电镜和光学轮廓仪研究了单晶硅加工后表面显微组织的变化,并测量其表面粗糙度。结果表明:STP磨料液具有剪切变稀和可逆的剪切增稠特性,达到临界剪切速率后,会形成Al2O3"粒子簇";当剪切速率增大至1000s-1,储能模量,耗能模量和耗散因子都增至最大值,此时主要表现为类似固体的弹性行为,有利于形成类似"柔性固着磨具"。在STP加工单晶硅过程中,采用塑性去除的材料去除方式。随着抛光时间的延长,硅片去除速率先增大后减小;表面粗糙度不断减小并趋于稳定。实验显示,磨粒浓度不宜过高,否则会因剪切增稠效应造成黏度过大,导致流动性差而影响抛光质量。当Al2O3质量分数为23%时,抛光25min后,硅片表面粗糙度Ra由422.62nm降至2.46nm,去除速率达0.88μm/min,表明其能实现单晶硅片的高效精密抛光。

Si_3N_4陶瓷的剪切增稠抛光

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率、表面质量及圆度误差精度。结果表明:含有金刚石磨粒的抛光液具有非牛顿幂律流体的剪切增稠性质,当剪切速率(g(5))不断提高时,储能模量(G′)、耗能模量(G″)均呈现出一定的增长趋势,耗散因子(n′)不断降低;Si_3N_4陶瓷的STP加工为持续微切屑"柔性抛光"过程;抛光液中的金刚石磨粒粒径为0.2μm时,工件抛光的材料去除率相对较大,且MRR理论值与试验值的平均误差约为11.7%,表明在抛光区域内STP材料去除模型具有一定的有效性;工件经60 min的STP后,材料去除率由初期4.20μm/h下降到4.00μm/h,表面粗糙度R_a由107.2 nm降至26.5 nm;抛光120 min后,材料去除率会减小至3.85μm/h,表面粗糙度可降至R_a 6.5 nm;由初始圆度误差RONt 1.418mm下降至RONt 0.360mm,实现了Si_3N_4圆柱高效超精密抛光。

剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

基于剪切增稠抛光（STP）的加工原理分析 Si3 N4陶瓷超精密加工的控制策略，考察所制备的含有立方氮化硼（CBN）磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为，分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态，研究其抛光特性．结果表明：抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应，可达到 STP 加工工艺用抛光液的要求；改变磨粒粒径，可以控制 Si3 N4加工效率与表面质量，且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化；STP 加工Si3 N4为持续微切削的“柔性抛光”，初期为脆性剪切、粘着磨损去除，后期为塑性去除；当磨粒粒径达到纳米级时，表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力，说明 STP 不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小；随着抛光时间的延长，去除量先快速增大而后趋缓；抛光90 min 后，去除率由初期的5．00～2．40μm ／h 降至3．24～2．04μm ／h，表面粗糙度 Ra由108．9～111．1 nm 降至22．0～10．7 nm；抛光150min 后，Ra可降至9．6～7．2 nm，实现了 Si3 N4陶瓷粗抛后的精密抛光．

石英晶片剪切增稠抛光优化实验

剪切增稠抛光(STP)是利用非牛顿流体抛光液在抛光过程中产生的剪切增稠效应实现工件表面高效、低损伤的抛光.本文以材料去除率和表面粗糙度作为评价指标;采用田口法对石英晶片剪切增稠抛光过程中的4个关键影响参数:抛光液转速、工件倾斜角度、磨粒粒度、磨粒质量分数进行优化实验分析,得到最优抛光参数组合以及各主要工艺参数对抛光效果的影响程度;通过实验验证了优化结果的可靠性.对于材料去除率,工件倾斜角度的影响最明显,抛光液转速次之,再次是磨粒质量分数,磨粒粒度影响最小;对于表面粗糙度,抛光液转速的影响最明显,工件倾斜角度次之,再次是磨粒质量分数,磨粒粒度影响最小.通过信噪比平均响应分析,材料去除率优化参数组合为:Al_2O_32 500#、磨粒质量分数18%、抛光液转速80 r/min、工件倾斜角度15°,石英晶片材料去除率最高达到12.25μm/h;石英晶片最佳表面粗糙度参数组合为:Al_2O_35 000#、磨粒质量分数18%、抛光液转速80 r/min、工件倾斜角度15°,抛光1 h后石英晶片表面粗糙度R_a由300.08 nm降低至4.26 nm.

基于田口法的石英玻璃剪切增稠抛光工艺参数优化

目的研究石英玻璃剪切增稠抛光(STP)过程中,不同抛光参数对材料去除率及表面粗糙度的影响,提高石英玻璃表面质量,并优化工艺参数。方法基于田口法设计实验,以材料去除率、表面粗糙度为评价指标,分析抛光速度、磨粒浓度和抛光液p H值三个关键参数对石英玻璃STP抛光效果的影响。通过信噪比评估实验结果,采用方差分析(ANOVA)法计算各因素的权重,并得出最优工艺参数组合。结果抛光液p H值对Sa的影响最大(41.85%),其次是磨粒浓度(39.06%)和抛光速度(19.09%)。磨粒浓度对材料去除率(MRR)的影响最显著(63.78%),其次是抛光速度(28.81%)和抛光液p H值(7.41%)。在优选的抛光参数组合(抛光速度100 r/min,磨粒质量分数12%,抛光液p H=8)下,石英玻璃在抛光8 min后,表面粗糙度Sa从(110±10) nm降低到(1.2±0.3) nm,MRR达到165.2nm/min。结论在优化工艺参数下进行剪切增稠抛光,可有效去除石英玻璃表面划痕,提高石英玻璃表面质量。剪切增稠抛光可应用于石英玻璃平面及曲面抛光。

剪切增稠抛光方法的基础研究

如何实现目标工件的高效、高质量、低成本加工是目前精密与超精密加工领域的研究热点。为此，本文提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型加工方法——剪切增稠抛光（Shear—thickening Polishing，STP）：利用抛光液的剪切增稠流变特性达到增强把持磨粒的约束力而形成类似“柔性固着磨具”、增大接触区域面积而具有良好的面形适应性，从而可实现工件表面的高效精密抛光。

剪切增稠抛光方法的基础研究

如何实现目标工件的高效、高质量、低成本加工是目前精密与超精密加工领域的研究热点。为此,本文提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型加工方法——剪切增稠抛光（Shear-thickening polishing,STP）：利用抛光液的剪切增稠流变特性达到增强把持磨粒的约束力而形成类似＂柔性固着磨具＂、增大接触区域面积而具有良好的面形适应性,从而可实现工件表面的高效精密抛光。

基于BP神经网络的确定性剪切增稠抛光材料去除率模型

目的通过训练不同实验参数条件下的确定性剪切增稠抛光的实验数据,建立基于BP神经网络的确定性剪切增稠抛光材料去除率模型,为实现抛光点材料的确定去除控制提供基础。方法以BK7平面玻璃为抛光对象展开确定性剪切增稠抛光正交实验,根据正交实验分析结果,比较抛光头转速、抛光头与工件之间的间隙以及抛光液浓度三个因素,对抛光点材料去除率影响的权重,确定BP神经网络的输入参量。根据经验公式初步确定网络隐含层节点个数,并综合比较不同隐含层节点数目下的模型性能来确定整体网络结构,使用训练集实验数据训练网络模型,建立抛光点的材料去除率模型。结果模型预测结果与实验结果对比表明,所建立的峰值去除率BP神经网络预测模型输出结果与实验结果之间的相对误差在6.8%以内,验证了所建立材料去除率模型的准确性。结论传统理论模型难以精确描述确定性剪切增稠抛光的工艺参数与抛光区域材料峰值去除率之间复杂的非线性映射关系,而BP神经网络的自学习自适应能力能够克服这种问题,为确定性剪切增稠抛光去除率模型的建立提供新的思路。

圆柱曲面剪切增稠抛光材料去除函数仿真与实验研究

目的通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光(STP)的材料去除函数。方法运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对比工件所受作用力的仿真值与实验测量值,求得流体流变特性修正系数Kv,再根据仿真得到的圆柱曲面表面压强场和抛光液速度场,基于Preston方程建立圆柱曲面STP的材料去除函数。以不锈钢316圆柱曲面为抛光实验对象,通过去除率测量结果拟合得到材料去除函数系数。结果计算得出流体流变特性修正系数Kv=40.1,修正后,仿真模型的压力输出值与实验测量值的误差为4.7%。计算得到Preston方程去除函数的方程系数Kc=28.85。材料去除函数在整个圆柱曲面呈现近似正弦函数的分布规律,与抛光速度呈指数函数关系。抛光仿真和实验结果有着较好的吻合,误差在5%以内,表明了仿真模型的有效性。结论通过CFX仿真,可以很好地揭示剪切增稠抛光过程中圆柱曲面表面压强场和速度场的分布规律,并基于Preston方程建立材料去除函数,这种剪切增稠抛光去除函数的建立方法,不仅仅适用于规则的圆柱体,也适合其他形状工件剪切增稠抛光去除函数的建立。

不同组分配比对剪切增稠抛光流体流变性能的影响

为研究分散相质量分数、磨粒质量分数、磨粒粒径和分散介质种类对分散体系剪切增稠特性的影响,通过四因素三水平正交试验探究了不同组分含量下分散体系的流变性能,并通过极差分析得出各组分对剪切增稠特性的影响规律,最后进行抛光试验验证。结果表明,各组分对剪切增稠特性的影响由大到小依次为分散相质量分数、分散介质种类、磨粒粒径、磨粒质量分数。对于优选的组分配比,分散相质量分数30%、磨粒质量分数23%、磨粒粒径40nm、分散介质WSP200与WSP400复配,其峰值粘度达到临界点粘度的2.49倍。在抛光试验中,抛光液用量为5ml/min,硅片表面粗糙度R a由68nm降至11nm,表明其能以较低的损耗实现硅片的精密抛光。

硬质合金刀片前刀面的剪切增稠抛光实验研究

目的采用柔性的剪切增稠抛光(STP)方法抛光开设有弧形断屑槽的硬质合金刀片前刀面,降低其粗糙度,提高刀具的切削性能。方法利用非牛顿幂率流体的剪切增稠效应与磨粒的微切削作用,实现对工件粗糙表面的微凸峰去除。以前刀面断屑槽的表面粗糙度为评价指标,采用田口法设计正交实验,分析抛光速度、磨粒浓度、倾斜角度以及磨粒粒度等抛光工艺参数对刀片前刀面表面粗糙度的影响,采用方差分析(ANOVA)法评估各因素的有效权重,得到优化工艺参数组合。结果抛光速度对表面粗糙度的影响最大,为74%;磨粒粒度与磨粒浓度次之,均为11%;倾斜角度对刀片前刀面表面粗糙度的影响最小,仅为4%。在抛光速度为85 r/min、磨粒浓度为9%(质量分数)、倾斜角度为2°以及磨粒粒度为#8000的优化工艺参数组合下进行抛光实验,抛光15 min后,刀片前刀面断屑槽表面粗糙度从(120±20)nm下降到(7.2±0.6)nm,微观粗糙峰变得平滑,刃口完整无缺陷。结论相对于传统毛刷抛光方法,剪切增稠抛光方法抛光硬质合金刀片前刀面的效率更高,抛光质量更好。通过优化抛光工艺参数,可以有效提高刀片表面质量,且不会造成刃口缺陷,为硬质合金刀片高效高质量抛光提供了新的方法。

磨粒类型对K9玻璃剪切增稠抛光的影响

目的采用剪切增稠抛光方法对K9玻璃进行抛光,以工件表面粗糙度Sa为评价指标,研究不同磨粒抛光液对K9玻璃的抛光效果。方法采用金刚石、CeO_(2)、Al_(2)O_(3)和SiO_(2)等4种单一磨粒,以及金刚石+SiO_(2)混合磨粒,制备了不同的剪切增稠抛光液,并测试其流变特性。以φ20 mm K9玻璃圆片为工件,首先在相同磨粒浓度下,进行4种单一磨粒抛光液的抛光实验,观测在抛光时间不同时工件表面粗糙度Sa的变化情况,比较4种抛光液的抛光效果。然后,对比CeO_(2)抛光液与金刚石+SiO_(2)混合磨粒抛光液的抛光效果,并分析讨论混合磨粒抛光液的材料去除过程。结果使用CeO_(2)抛光液抛光35 min后,将工件的表面粗糙度Sa从(233.1±15.2)nm降至(1.6±0.2)nm;金刚石抛光液次之,在抛光55 min后工件的表面粗糙度Sa达到(1.86±0.2)nm;Al_(2)O_(3)抛光液的效果相对最差。采用SiO_(2)(质量分数10%)+金刚石(质量分数5%)抛光液,在抛光5 min后工件的表面粗糙度Sa比CeO_(2)抛光液的低53.3%;在抛光35 min后,工件的表面粗糙度Sa从(230.7±10.5)nm降至(1.43±0.9)nm。在金刚石(质量分数5%)抛光液中添加不同浓度SiO_(2)磨粒的抛光实验中发现,在抛光初始阶段,抛光效率随着SiO_(2)磨粒浓度的增加而增大。结论CeO_(2)抛光液和SiO_(2)(质量分数10%)+金刚石(质量分数5%)抛光液的抛光效果相对最优,后者在低表面质量时的抛光效率更高。

机械振动对磨粒流抛光TC4钛合金加工效率及质量的影响

为进一步提高磨粒流抛光TC4钛合金的加工效率及质量,提出机械振动辅助磨粒流抛光方法,进行磨粒流抛光TC4钛合金试验,探究机械振动对工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌的影响,分析其变化规律。结果表明:在抛光过程中,对工件施加机械振动辅助,抛光液“剪切增稠”效应增强,磨粒去除工件表面材料的能力增加;相比于无机械振动,有机械振动条件下工件的材料去除效率提高19.90%,表面粗糙度降低19.58%,工件表面划痕、凹陷等加工缺陷减少,提高了表面质量,为实际的生产加工积累经验和提供基础数据。

齿轮齿廓抛光方法研究进展

齿轮是现代机械传动系统中运用最为广泛的传动件,齿轮齿廓的精度和表面质量对齿轮传动的精度、平稳性、可靠性和噪声影响巨大。齿轮的加工过程通常要经历初切齿—热处理—初磨—精磨等工艺过程,然而,经磨削加工后齿廓仍然存在磨削横纹、表面粗糙度难以进一步降低、表面粗糙度沿齿廓分布不均匀等问题。目前,齿轮经磨削后进行齿廓抛光是解决上述问题的有效途径之一。为此,将现有主要齿轮齿廓抛光方法归纳为齿廓电化学机械抛光、齿廓磨料流抛光、齿廓磁流变抛光以及齿廓剪切增稠抛光等4大类。详细阐述了当前主要齿轮齿廓抛光方法的加工原理;列举了各种加工方法的加工实例;从加工的适应范围、加工效率、抛光后的齿廓表面粗糙度的改善率以及对加工设备的要求等方面归纳了各个加工方法的技术优势和存在的问题。结果表明,使用其他辅助能场(如超声、激光、磁场等)与传统抛光方法复合以实现高效、高精度、高表面一致性齿廓抛光将是未来的主要研究方向。

大尺寸圆柱滚子力流变抛光试验

为提升大尺寸圆柱滚子抛光加工的表面质量,对其表面进行力流变抛光试验,利用力流变抛光液在高剪切速率下的剪切增稠特性形成贴合滚子表面的“柔性固着磨具”,对滚子表面进行柔性抛光,通过分析抛光槽转速、磨粒浓度和磨粒平均粒径对工件表面粗糙度的影响优选试验参数。结果表明:磨粒Al_(2)O_(3)平均粒径为4.5μm,磨粒质量分数为15%,抛光槽转速为65 r/min,工件倾斜角度为10°,力流变抛光90 min的条件下,圆柱滚子滚动面的平均表面粗糙度值由初始的(128.7±2.5)nm降低至(9.8±1.1)nm,端面的平均表面粗糙度值由初始的(134.5±2.7)nm降低至(9.4±1.3)nm,验证了力流变抛光可以有效提高大尺寸圆柱滚子的表面质量。