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。

基于自激振荡原理的双线圈磨粒检测技术研究

为满足实际工业应用的需要,基于LC自激振荡,提出双线圈式磨粒检测技术。首先建立了等效电路模型,其次引入磁场均匀度系数的概念并利用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了管道域中的磁场分布及金属颗粒通过线圈时的输出响应,最后制作传感器进行试验。结果显示,该传感器管道域的磁场均匀度系数达0.91以上,可通过检测电压、频率的变化获取磨粒信息。研究结果为电感式磨损传感器研发提供一种新思路。

基于油液磨粒检测的机械测试技术教学探索与实践

聚焦机械测试技术教学方法与内容的探索与实践,提出一种基于油液磨粒检测的创新教学方法,设计并实现教学实验平台。以实际科研案例为基础,建立实践指导理论学习的教学模式,充分培养学生的工程思维与实践能力。利用系统化、模块化思路构建教学实验平台,实现教学与科研接轨。具体内容兼顾知识基础性与测量系统整体性,将涉及的抽象理论知识转化为直观的感性认知,促进学生对相关知识点的理解与掌握,激发学生探究具体科学问题的主动性,助力高水平复合型工程创新人才的培养。

磨粒尺寸对往复密封用HNBR摩擦学性能的影响

为探究油润滑条件下磨粒尺寸对氢化丁腈橡胶摩擦性能的影响,使用UMT摩擦磨损试验机开展了高速往复摩擦试验.试验前对磨粒进行能谱分析并使用激光粒度分布仪统计其粒度分布.试验后使用白光干涉仪、扫描电镜对HNBR(氢化丁腈橡胶)磨损形貌进行表征,为磨粒磨损机理的分析提供了支撑.磨损区域EDS(能量色散X射线谱仪)结果表明,各尺寸磨粒在HNBR表面不同程度的影响摩擦化学反应.磨损形貌表明磨粒在300目和150目之间存在由滚动向滑动转变的临界尺寸.在摩擦力位移曲线中发现每个往复周期内都存在2个大小不一的波峰,对其积分可得往复过程摩擦做功差,波峰差体现往复不平稳性.根据摩擦系数时变曲线将摩擦过程分为非稳态、稳态阶段.在摩擦非稳态阶段,磨粒使摩擦功往复差值增大.磨粒尺寸越大,往复摩擦做功差值也越大,趋于平稳越慢.在摩擦稳态阶段,与纯润滑组相比,滑动磨粒增大往复摩擦做功差值,滚动磨粒减小往复摩擦做功差值.滚动磨粒尺寸越大,往复摩擦做功差值越小.

基于多磨粒同路径划擦仿真的自由磨粒抛光材料去除行为

传统对自由磨粒抛光材料去除机理研究的建模方法为单磨粒划擦仿真,针对磨粒数量对材料去除行为的研究还比较少,抛光过程中材料去除机理的研究对工艺参数选择和优化意义重大。建立纳米级材料去除尺度下多磨粒同路径划擦钛合金热力耦合有限元模型,对比分析不同抛光工艺参数下,磨粒数量对工件表面材料去除行为的变化规律,并对抛光过程中材料去除深度、应变及应力等指标进行对比分析,研究工艺参数及磨粒数量对划擦接触区物理场的影响。结果表明:磨粒低速划擦时,材料为连续式去除,磨粒高速划擦时,材料为间断式去除,多磨粒相对于单磨粒可以提高材料去除深度的均匀性。揭示了抛光微观材料去除过程中磨粒数量对材料去除行为的影响机制。

基于SPH-FEM的油菜茎秆磨粒气体射流切割仿真与试验

针对传统油菜收获切割刀具振动大、茎秆缠绕磨损及效率低等问题,该研究提出一种油菜茎秆磨粒气体射流切割技术,以实现作业机具与油菜无接触式切割和高效低耗收获。采用光滑粒子流体力学与有限元(smooth particle hydrodynamic-finite element method,SPH-FEM)耦合仿真对油菜茎秆射流动态切割过程进行分析,揭示气-固间能量传递规律,获取射流切割动态特性,并搭建试验系统进行射流切割试验验证。研究结果表明,采用4 mm孔径高速喷嘴,射流压力为20 MPa时气流及磨粒最高速度分别为741和411 m/s,约95%加速过程发生在喉管段与扩张段;喷嘴外流场流速呈现先下降后上升的变化规律,射流压力越大速度变化越剧烈;射流束主要通过气体膨胀-收缩-膨胀的加速过程将压力能转化为射流束动能;入口压力从3 MPa增加至10 MPa时,磨粒最大速度提升率从31%下降至11%。当压力超过3 MPa后,随射流压力提高,射流束压力能-动能转换效率显著减小;在相同条件下0.1 mm粒径磨粒的最大速度比0.3 mm粒径磨粒大19%;粒径越大磨粒获得的切割动能越大,0.3 mm粒径磨粒切割动能最大,其次为0.2与0.1 mm粒径磨粒;磨粒速度在120 m/s时可以实现茎杆有效切割,对应射流压力约为0.4 MPa;横移速度为5 mm/s、靶距在10 mm以内可一次切断茎秆,横移速度超过5 mm/s时无法一次切断茎秆;靶距5 mm、横移速度5 mm/s时,可获得最小切割侵蚀体积,切口宽度在1~6 mm之间;射流切割能力主要受横移切割速度影响,切割靶距影响相对较小;茎秆切割效果主要受靶距影响,横移速度影响相对较小。研究成果还可用于其他类似作物茎秆的切割,可为农业非接触式高效切割技术装备的开发提供理论与技术支撑。

电磁磨粒检测中气泡对铜颗粒信号的影响特性分析

三线圈式电磁磨粒传感器在油液在线监测中应用广泛,而油液中的气泡对铜颗粒的检测极易造成干扰,定量分析气泡在颗粒检测时的影响规律将有助于提高电磁磨粒传感器的检测精度。基于电磁磨粒检测中的磁耦合效应,分别研究了气泡间隙、气泡大小、气泡位置以及气泡数量对铜颗粒检测的影响特性,并以大管径通道(?38 mm)电磁磨粒传感器为对象进行仿真和试验。结果表明,气泡与铜颗粒间隙越大,铜颗粒信号幅值越小,影响范围(0.52~10.31)%;气泡尺寸增大铜颗粒信号幅值也增大,气泡直径为20 mm和25 mm时影响分别是3.07%和5.47%;气泡与铜颗粒中心连线与传感器中心轴线的夹角越大,检测影响越小,影响范围(0.4~5.6)%;气泡数量越多干扰越大,单气泡和双气泡的影响程度分别是5.66%和8.74%。

永磁交变磁场平面磁粒研磨试验研究

目的探究永磁交变磁场下平面磁粒研磨质量的影响因素,增强加工区域的磁场变化,使磁性磨粒的加工轨迹多样化,提高研磨效率和研磨效果。方法设计永磁交变磁场取代传统平面磁粒研磨中的恒定磁场源,并采用磁场模拟软件对永磁交变磁场进行仿真,对不同状态下磁场的分布进行分析,参考仿真结果选取实验参数;使用产生径向磁场的环形磁铁作为磁场发生源,导磁性良好的纯铁作为导磁骨架,通过磁路的开放和闭合实现磁场的交变;使用步进电机及脉冲发生器调节研磨磁场,进而调节磁极交变频率;通过试验对比不同参数下对SUS304不锈钢的研磨效果,在研磨间隙为1.5mm的条件下,对比不同研磨时间、不同磨粒目数、不同主轴转速对工件表面质量的影响,使用触针式表面粗糙度测量仪和超景深3D电子显微镜检测对比试验前后试件的表面质量并对仿真结果进行验证。结果对比永磁交变磁场不同磁场分布状态仿真图,发现永磁交变磁场研磨区域场强变化显著,场强峰值时磁感应强度较高;磁性磨粒随离心力与永磁交变磁极状态的变化做周期性运动,使研磨轨迹复杂化。在研磨时间为40min、主轴转速为245 r/min、磨粒粒径为60目条件下,SUS304不锈钢板经研磨后,表面粗糙度由原始的0.312μm降至0.060μm。结论永磁交变磁场在提高加工区域磁感应强度的同时,使磁场发生周期性变化进而使磁性磨粒在加工区域做周期性运动,复杂化研磨轨迹促进了磨粒的更新,相比于恒定磁场磁粒研磨工艺,永磁交变磁场提高了研磨效率与研磨效果。

一个用于磨粒图像快速分类的轻量化CNN模型

针对磨粒分析CNN模型存在参数多、运算速度慢、难以实际应用等问题,开展磨粒图像分类CNN模型的轻量化研究。通过分析模型各层的参数量、运算量和剪枝敏感度,确定卷积层4和卷积层5为滤波器剪枝的目标;对卷积层4和5所有滤波器重要性进行计算并排序,以75%的剪枝率去除重要性低的滤波器并重新训练,获得轻量化模型。实验结果表明,轻量化后的模型在保证准确率几乎不降低的情况下实现了磨粒图像的快速分类,其理论参数量和内存占用量均减少50%以上,运算速度提高20%以上。研究结果为CNN模型在便携式、移动式铁谱分析设备上的应用提供参考。

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。

基于磨粒三维轨迹的钽酸锂双面研磨均匀性

为了改善钽酸锂(LiTaO_(3),LT)晶片的材料去除均匀性,提出一种考虑磨粒三维微切削的材料去除均匀性模型。根据钽酸锂晶体脆/塑性去除机理,结合研磨垫表面磨粒的分布特征,运用力平衡方程计算了研磨垫上各磨粒的切入深度与切屑截面积。通过运动学分析推导了双面研磨中磨粒运动轨迹方程,建立了考虑磨粒三维微切削的材料去除均匀性模型,并研究了齿圈与太阳轮转速比m、下研磨盘与太阳轮转速比n对材料去除均匀性的影响。最后,开展了钽酸锂晶片固结磨料双面研磨实验,测量了不同转速比m,n下晶片的总厚度变化,验证了模型。实验结果表明:材料去除均匀性受转速比m,n的影响较大,当转速比m,n分别为0.85,1.3时材料去除均匀性最佳,此时晶片的总厚度变化为0.83μm,实验结果与仿真一致。所建模型对改善钽酸锂晶片双面研磨材料的去除均匀性有一定的指导意义。

磨粒有序化砂轮排布参数对磨削筋条表面影响

为了使用磨粒有序化砂轮磨削出减阻筋条表面,首先,分析了磨粒有序化砂轮的排布参数与磨削减阻筋条表面深宽比的关系,设计出了磨粒有序化砂轮的几何和数学模型,并且建立了磨粒运动轨迹方程;然后,建立了减阻筋条深宽比与有序化砂轮排布参数之间的数学方程;最后,由仿真结果得到了砂轮排布参数对减阻筋条表面形貌与深宽比的影响规律。研究结果表明,在磨粒有序化砂轮的排布参数中,倾斜角度、磨粒间距和磨削深度的改变会直接对减阻筋条尺寸有影响并且对其深宽比的大小起到决定性作用。

基于单颗磨粒磨削的SiCp/Al材料去除机理研究

基于单颗磨粒磨削的仿真和实验,研究了SiCp/Al复合材料的去除机理,并对体积分数为20%和55%的SiCp/Al材料加工表面/亚表面质量进行对比研究。通过建立单磨粒磨削SiCp/Al材料的有限元仿真模型,对材料的去除过程进行仿真模拟,研究了不同磨削深度对表面/亚表面质量的影响;通过单磨粒磨削实验验证了仿真结果的准确性,并深入研究体积分数分别为20%和55%的SiCp/Al材料的表面形貌,分析了Al基体与SiC颗粒的去除方式,此外,还研讨了SiC颗粒的塑性去除条件。最后,通过对磨屑形貌的分析,进一步研究了材料的去除机理。

可溶固着软质磨粒抛光薄膜制备及性能研究

目的实现微小光学器件高效、高质量、绿色的可溶固着软质磨粒薄膜抛光,对可溶固着软质磨粒抛光薄膜的制备工艺及抛光性能进行研究。方法研究可溶树脂、不可溶树脂、磨粒和薄膜基底等原料对成膜及抛光性能的影响,探索可溶固着软质磨粒抛光薄膜制备工艺,以光纤连接器作为加工对象验证抛光薄膜的抛光特性。结果选用双峰SiO_(2)作为磨粒,采用环氧树脂(质量分数为95%)和聚丙烯酸树脂(质量分数为5%)组成的“可溶”混合树脂为结合剂,可实现磨粒层逐步溶解。在磨粒涂覆层中添加5%(质量分数)的硅橡胶可调节磨粒涂覆层成膜后的弹性模量和硬度,使薄膜兼顾抛光性能和耐用性。对PET薄膜基底进行电晕处理可增强其表面附着力。选用含1%(质量分数为)有机硅烷偶联剂的聚氨酯树脂作为PET基底和磨粒涂覆层连接剂,结合强度好,成膜后表面无裂纹。通过光纤端面抛光对比实验发现,可溶固着软质磨粒抛光薄膜的抛光性能和耐用性均优于日本NTTAT抛光片的相关性能。可溶固着软质磨粒抛光薄膜使用25次后,光纤端面仍可保持表面光滑,曲面面形完整,表面粗糙度Ra小于5 nm,回波损耗大于45 dB,连接损耗小于0.1 dB。结论抛光实验表明,可溶固着软质磨粒抛光薄膜能实现光纤端面的高效精密加工。

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。

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.

磁弹磨粒对刀具冲击特性仿真分析

磁弹磨粒因其低弹性可在加工时产生弹性变形而减轻对工件的冲击和划伤,成为了抛光和研磨表面精加工领域的热门材料。基于双磁盘磁力刀具钝化方法,探究磁弹磨粒的几何形状对硬质合金刀具材料冲击特性的影响。首先,通过仿真软件ABAQUS建立磨粒冲击刀具模型并进行仿真;其次,通过仿真分析磨粒冲击速度、几何形状等对应力应变、冲击深度和冲击过程中的能量转移等的影响规律。结果表明,同条件下锥体磨粒对刀具造成的最大应力、冲击深度值皆比球体磨粒的大,且随着锥体磨粒锥角的增大,刀具受到的最大应力呈减小趋势。

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。

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。