基于双磁盘刀具钝化中磁弹磨粒的磨损及寿命研究

为了探究磁弹磨粒在双磁盘刀具钝化中磨损规律以及使用寿命的长短,通过对磁弹磨粒进行受力分析讨论了其磨损失效的形式,得出了影响磁弹磨粒寿命的主要因素。然后,制备出不同质量配比和不同磨粒相类型的磁弹磨粒,采用双磁盘钝化设备进行钝化实验,分析了磁弹磨粒质量配比和磨粒相类型对磁弹磨粒的磨损规律和对刃口表面粗糙度的变化规律,同时还对钝化前后的磁弹磨粒进行X射线能量色散普(EDS)和激光粒度分析。实验结果表明,以氧化铝为磨粒相的磁弹磨粒在钝化过程中主要发生磨粒相磨钝磨损,以金刚石为磨粒相的磁弹磨粒主要发生磨粒相脱落磨损,两种类型的磁弹磨粒都是在质量配比3:1时使用寿命最好。

复合螺旋磨粒流流场特性的研究

针对无摩擦铝合金气缸表面阳极氧化膜的精密加工问题,提出复合螺旋磨粒流抛光方法。建立了抛光过程中颗粒与壁面碰撞的仿真模型,分析了磨粒各向速度对抛光的影响,揭示了复合螺旋磨粒流抛光的加工机理。仿真结果表明:复合螺旋运动改变了磨粒运动轨迹,磨粒叠加了旋转速度后,增大了磨粒的有效应力;壁面的有效塑性变形随螺旋槽转速的增大而增大。粒子图像测速观测实验结果表明,复合螺旋运动提高了磨粒旋转速度,增大了流场的涡旋量。加工实验结果表明,复合螺旋磨粒流抛光不仅对铝合金氧化膜破坏较少,且可以有效提高工件的表面质量。

基于环形均匀磁场的磨粒传感器设计

针对传统的电感式磨粒传感器流量较小、监测区域磁感应强度较低、梯度较大的问题,设计了一种基于环形均匀磁场的磨粒传感器。通过设计环形流道,实现在监测区域内产生均匀径向磁场。同时分析了磁路截面面积与传感器磁感应强度的关系,并比较不同磁极截面形状对磁感应强度的影响,完成了对传感器的结构优化,得出采用楔形磁极可有效提高磁场利用率。利用Ansys软件建立传感器的三维有限元模型,揭示了传感器的静磁场和瞬态特性。利用单磨粒无油液实验,对比分析实验结果与仿真结构的输出特性,验证了传感器的有效性。实验结果表明,传感器在采用低倍率放大器的情况下,可检测出0.28 mm的铁磁性磨粒,与现有的传感器相比具有较高的灵敏度。

管件内壁磁粒研磨时的磨粒动力学行为仿真及分析

为探究磁性磨粒在管件研磨过程中的动力学行为,对其研磨过程进行离散元仿真,并分析其运动轨迹和磨削力随管件转速和加工间隙的变化;通过单磨粒球运动及磁粒研磨试验,验证磁场力模型的准确性与粒子运动学行为可视化的可行性。结果表明:随管件转速提高,磁性磨粒在离心力作用下向加工区域外运动,且加工间隙越大越容易被“甩飞”;在达到临界转速之前,随管件转速提高,磨削力减小,材料去除效率提升。当管件转速由400 r/min提高至临界转速,加工间隙为2 mm和4 mm时,磨削力分别下降5.4μN和2.3μN,材料去除效率明显提升;当加工间隙为6 mm时,磨削力变化较小,且当转速大于临界转速650 r/min时,材料去除效率下降。同时,材料去除量在达到临界转速之前随管件转速提高而增大,但加工间隙的增大会使临界转速降低;且材料去除量的变化趋势与仿真结果一致,验证了仿真分析的可靠性。

基于磁性复合磨粒的磁流变抛光试验研究

针对铝合金磁流变抛光过程中出现的磨粒分布不均,提出基于二氧化硅包覆四氧化三铁(Fe_(3)O_(4)@SiO_(2))壳核结构磁性复合磨粒的化学辅助磁流变抛光工艺。用溶胶-凝胶法制备Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)磁性复合磨粒,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱仪(EDS)及振动样品磁强计(VSM)对其进行表征。进行6061铝合金平面材料的单因素抛光试验,研究主轴转速、抛光间隙、进给速度及抛光时间等对表面质量的影响。结果表明:主轴转速为600 r/min、抛光间隙为3 mm、进给速度为80 mm/min、抛光时间为40 min是最优参数组,在此参数下抛光6061铝合金,获得了Ra=0.02μm的超光整表面。对比同参数下传统磁流变抛光后的铝合金表面,因磨粒分布不均导致的表面细小划痕得到改善。

微磨粒对超声空化冲击波衰减作用研究

目的研究超声加工过程中微磨粒对冲击波的影响。方法建立功率超声振动加工下的空化泡动力学方程,以及空化泡溃灭产生冲击波的数学模型,进而建立冲击波在微磨粒与水混合介质中的传播模型。使用六阶Runge-Kutta方法对数学模型进行求解,得到空化泡半径随时间的变化规律,以及空泡内部压强随空化泡半径变化的规律。结果当空泡半径被压缩至1μm左右时,空泡内部压强可达1000 MPa。通过对距离空泡壁1.5R_(0)处的冲击波压力进行求解发现,冲击波的压力仅需0.07μs就可从初始的1000 MPa迅速衰减至80 MPa。通过比较纯水介质与混合介质(SiO_(2)微磨粒与水)中冲击波传播速度的结果发现,加入SiO_(2)微磨粒会使冲击波的最大速度由2976 m/s降至2681 m/s,降低率约为10%。通过钛钽合金的功率超声振动加工实验验证了数值结果。对比分析了加入SiO_(2)微磨粒前后钛钽合金表面结构和三维表面形貌,发现微磨粒的加入导致材料表面空化坑的投影面积下降了12.5%。结论证实微磨粒对冲击波的传播起到了明显的衰减作用,是对材料表面产生作用的主要因素。该研究在超声加工领域具有理论意义和工程价值。

铁谱磨粒图像多焦点融合算法研究

铁谱分析技术是一种常用的磨损监测技术。受限于高倍物镜下的景深限制,一张铁谱大磨粒图像往往只有局部聚焦清晰的特征。为了能够解决在高倍物镜下铁谱大磨粒图像的自动化清晰采集以及高质量图像融合问题,设计并构建一套自动化扫描显微系统,该系统可进行多焦点铁谱图像的自动扫描采集;同时,提出一种基于相位一致性的铁谱磨粒图像多焦点融合算法,对自动扫描的多焦点图像进行融合,得到清晰的磨粒图像。实验结果表明,设计的自动化扫描显微系统能快速完成多焦点铁谱图像的自动化采集流程,提出的图像融合算法相较于传统的小波图像融合算法具有更高的图像评价质量,并能获得更加清晰的图像边缘信息。

实时温度和磨粒条件下氟橡胶密封圈摩擦磨损特性研究

橡胶密封件的磨损失效严重影响了其使用寿命,而井下钻进时地层温度导致的密封件力学性能衰减和岩屑侵入导致的材料磨损失效都是加剧橡胶密封件失效的重要因素。为探讨氟橡胶(FKM)密封件在实时温度环境和磨粒条件共同作用下的磨损失效机制,通过模拟井下实际工况,研究实时温度对氟橡胶密封件力学性能的影响,开展实时温度下氟橡胶密封件与SS304钢配副的磨粒磨损实验,探究橡胶力学性能变化导致温度和磨粒条件下FKM/SS304配副接触形式转变的原因,并分析氟橡胶密封件磨损机制变化以及对摩擦因数、磨损量以及配副表面磨损形貌等的影响。结果表明:氟橡胶硬度、弹性模量等力学性能指标在实时温度升高至60℃时发生明显衰退,力学性能的衰退使密封副之间的接触形式由三体接触转变为二体接触;橡胶表面磨损形貌由60℃之前的三体磨损导致的凹坑转变为二体磨损时的表面材料剥离,金属表面磨损形貌也由犁沟为主转变为划痕损伤;橡胶磨屑形貌也因磨损机制变化逐渐转变成条状磨屑。研究结果为井下钻进机具密封件材料的选择及性能优化提供依据。

基于GMM和分水岭算法的润滑油粘连磨粒的在线检测方法

润滑油中磨粒的数量、尺寸特征是磨损程度判断的主要依据,由于运动状态下的磨粒极易发生粘连,难以实现磨粒的在线监测及特征提取。为提高粘连磨粒目标检测精度,提出了一种基于融合GMM(Gaussian Mixture Modelling,GMM)和分水岭算法(Watershed Algorithm)的磨粒目标检测算法。首先,采用基于GMM的背景差分算法初步提取出运动磨粒目标,然后再利用分水岭算法对所提取目标进行分割,完成粘连磨粒目标的精确检测。实验结果表明,相比于传统算法,GMM-Watershed算法能够有效提高粘连磨粒的目标检测精度,准确率达98.86%,为提高油液磨粒在线特征提取的准确率提供了有效的方法。

基于VMD和小波分析的油液磨粒信号去噪方法

油液金属磨粒检测传感器通过监测机械设备油路中的金属磨粒,可实时反馈机械设备故障特征。为了提升油液磨粒检测传感器的检测精度,文章提出一种针对油液磨粒信号的变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)结合小波分析的去噪方法。首先,通过计算各模态分量与原始油液磨粒信号的相关系数确定最优K值;其次,对原始信号进行VMD分解,筛选出特征分量;最后,利用小波阈值去噪方法对特征分量进行降噪处理。实验结果表明,与经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和传统小波去噪方法相比,本方法的信噪比最高,均方根误差最小,能量占比最大,在油液磨粒信号降噪效果中表现最好,有利于提升磨粒检测传感器的检测精度。

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液p H、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。

联合光度立体视觉和图像校正的磨粒三维形貌重建

分析铁谱技术在机械装备磨损状态检测中发挥了重要作用,但其仅能提供磨粒二维图像,导致磨粒形貌信息不足。为实现磨粒三维形貌的精确重建,联合光度立体视觉和图像校正,为精确重建磨粒的三维形貌,联合光度立体视觉和图像。该方法首先采用大津阈值法由全光源图像识别磨粒与背景区域;然后为消除LED发光强度差异对磨粒形貌重建的影响,结合平面形状和朗伯反射模型确定背景区域的理想成像亮度,并校正各光度图像序列的亮度;最后根据光度立体视觉方法,由校正后光度图像序列重建磨粒的三维形貌。以不同类型的磨粒为测试样本,将所提出的方法的重建结果与激光共聚焦显微镜的测量结果进行对比。结果表明:重建磨粒的形貌参数误差小于15%,表明提出的方法能够精确重建磨粒的三维形貌。

基于电磁感应的齿轮箱润滑油磨粒检测试验

为了探究齿轮箱内铁屑磨粒对原有润滑系统的负面影响规律,基于电磁感应原理,以STM32F103ZET6单片机为控制单元,设计了一套齿轮箱润滑油磨粒在线检测系统,比较了样品油液和某齿轮箱油液铁屑磨粒体积、数量测量结果;以单个磨粒体积为指标,判定某齿轮箱润滑油清洁程度,分析了齿轮不同转速运行对在线测量结果的影响。试验结果表明,该齿轮箱润滑油在线检测系统检测效果良好;齿轮箱静态检测数值远低于动态检测数值;齿轮箱动态检测输入齿轮大于一定转速阈值时,磨粒体积、数量检测结果增幅明显。研究对齿轮润滑系统故障诊断及风险预警具有一定实用价值。

单颗磨粒切削TC4钛合金过程摩擦行为仿真与研究

通过有限元仿真软件研究了单颗磨粒在切削TC4钛合金过程中的摩擦行为及其对抛光加工的影响。利用Abaqus软件建立了单颗磨粒切削TC4钛合金过程中材料的塑性变形模型,并应用迭代自适应网格重划分技术,准确模拟了不同摩擦系数下单颗磨粒切削TC4钛合金表面时的接触应力分布和塑性变形,为优化TC4钛合金叶片抛光工艺提供了理论依据。研究表明,摩擦系数对切削深度和材料堆积率有影响,特别是在磨粒切出阶段,摩擦系数的增加会显著促进材料在磨粒前端和两侧的堆积,故在实际抛光加工中应合理控制摩擦系数。

PCBN磨粒对In625镍基合金高速磨削力影响分析

为了提高对镍基合金加工性能的认识,设计了以PCBN磨粒对In625镍基合金进行高速磨削的测试方案,通过MV-40进行In625磨粒高速磨削实验,分析了磨损程度的变化情况。研究结果表明:当磨削次数增加后形成更大磨削力,磨削力对PCBN磨粒磨削刃磨损程度也存在明显作用,磨粒受到了更大的磨削力作用,造成磨损破碎,引起磨削力减小。逐渐提高磨削次数时,磨削力比先升高再降低,磨削效率先减小再上升。提高磨削深度后,形成了更大的磨削力作用,造成了更严重的磨粒磨损,并生成了更多微磨削刃。

高梯度静磁场的多通道磨粒检测传感技术研究

针对机械设备磨损在线检测系统存在的大流量和高灵敏度难以同时满足的问题,提出了基于对向布置环形磁铁的多通道磨粒在线检测传感器结构.通过建立传感器磁特性及铁磁性磨粒磁化的数学模型,推导得到了磨粒通过传感器时磁场扰动的解析解;进而采用仿真与实验的方法验证了传感器结构参数对传感器性能的影响规律.研究表明,铁磁性球体磨粒通过传感器时,其内部磁感应强度约为背景磁感应强度的3倍,且传感器感应线圈布置于磁铁外边缘比布置于磁铁内边缘时的检测灵敏度高约10.1%;同时,随着磁铁外径及两磁铁轴向间距的增加,传感器输出感应电压呈现先增加后下降的趋势.采用优化后结构参数的传感器可实现直径80μm铁磁性磨粒的有效检测.

磨料水射流单颗磨粒侵彻的仿真研究

为了提高磨料水射流的材料去除率,采用ABAQUS软件建立磨料水射流单颗磨粒侵彻18CrNiMo7-6靶材的仿真模型,观察分析磨粒侵彻过程中靶材表面凹坑的变化情况;同时探究磨粒初始速度、磨粒直径、磨粒密度以及入射角度对凹坑形状及尺寸的影响规律,并根据材料去除体积优化磨料水射流工艺参数。结果表明:凹坑深度、材料去除体积随着磨粒初始速度、磨粒直径、磨粒密度、入射角度的增加而增大,凹坑宽度随着磨粒初始速度、磨粒密度的增加先增大而后保持在最大宽度,随着磨粒直径的增加而增大,随着入射角度的增加而减小。以最大材料去除体积为目标,此仿真方案中最优参数为:磨粒初始速度为400 m/s,磨粒密度为12000 kg/m^(3),入射角度90°,磨粒直径为1 mm。

磨粒磨损的模型化分析

磨粒磨损作为磨损的主要类型之一,影响机械使用寿命。针对犁沟磨损机制,用球形、圆锥形和圆台形磨粒模型分析其磨粒磨损的磨损率和摩擦因数,考虑磨粒数量与磨粒尺寸间的指数关系,分析磨损率随磨粒数量和磨粒尺寸的变化,计算平均摩擦因数随磨粒数量及其参数的变化。研究结果表明,球形磨粒模型的磨损率随着磨粒的减小和磨粒数量的增加而减小,其摩擦因数随着磨粒数量的增多而增大;圆锥形磨粒模型的磨损率随着磨粒的增大与数量的增多而增大,其摩擦因数随着倾斜角的增大而增大;圆台形磨粒模型的磨损率变化趋势与球形磨粒一致,但其摩擦因数变化的趋势与球形磨粒相反。

超硬磨粒可控排布砂轮研究进展

在磨削加工过程中,砂轮上磨粒的分布、排布方式影响着磨粒与工件材料的相互作用形式、磨削痕迹分布次序及材料去除特性等,进而决定着磨削表面形貌、亚表面质量、磨削力等。相对于磨粒随机分布的砂轮,通过合理调整有序化砂轮表面上磨粒的位置和分布方式,有助于使砂轮表面磨粒受力均匀、容屑空间大小合理,从而减小加工过程中的磨削力,降低磨削温度,提高磨具的寿命及磨削性能。目前,相比磨粒簇和结构化等有序砂轮,磨粒有序化砂轮的研究是发展较早、相关理论较多、相对成熟的研究方向。综述了超硬磨粒可控排布砂轮制备的研究现状,探讨了磨粒定向排布、叶序排布与其他排布超硬磨粒可控排布砂轮的理论及应用现状,展望了超硬磨粒可控排布砂轮未来的研究方向。

基于K-Means聚类与凸包检测的金刚石磨粒分割与评价

金刚石工具广泛应用于磨削、线锯、研磨等领域,其表面的磨粒特征是影响加工结果与工具性能的重要因素。针对具有复杂背景信息的磨粒图像,提出一种基于K-means聚类与凸包检测的磨粒分割方法,结合二值化、形态学处理、主轮廓提取等相关操作实现磨粒的提取与分割;最终提出磨粒轮廓面积精度η_(CAA)、磨粒位置误差θ_(PE)和磨粒数量召回率σ_(QR) 3个相关指标来评价分割效果。结果表明:金刚石磨粒的平均轮廓面积精度为95.01%,平均位置误差仅为2.93%,平均数量召回率为98.30%,证明了该方法的准确性。