预应力硬态切削加工过程的有限元数值模拟研究

基于预应力切削的原理,建立预应力硬态切削42CrMo钢的正交切削热力耦合有限元模型,采用剪切断裂失效准则、单元删除和任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)方法实现切屑的分离。研究工件材料的本构关系、切屑分离标准、刀屑接触面的摩擦模型以及热传导方程等切削模拟中的关键技术,得到不同预应力大小对加工表面残余应力的影响关系;将数值模拟结果与实验数据进行比较,两者具有较好的一致性。

海泡石螺旋搅拌磨机最优工艺参数研究

为了减小研磨后海泡石矿粉粒径及其分布宽度,基于层压破碎理论,研制了一款螺旋搅拌磨机。利用工程离散元法(engineering discrete element method,EDEM)对海泡石研磨进行仿真,研究介质球在研磨腔的运动规律,以介质球的速度梯度、旋转动能和搅拌磨机的磨损量为评价指标来获得最优工艺参数。采用自行研制的螺旋搅拌磨机进行海泡石研磨实验,并对研磨后的海泡石矿粉进行粒径检测。仿真和实验结果表明:当磨机转速和介质球直径较小时,可以获得粒径及其分布宽度较小的海泡石矿粉,同时磨机的磨损量较小。研究结果可为海泡石研磨设备的优化和最优工艺参数的确定提供参考。

双机器人松协调装配轨迹规划方法研究

针对主-从式双机器人松协调装配轨迹规划问题,提出了一种基于量子粒子群优化算法和B样条的轨迹规划方法,并进行了仿真实验。结果表明该方法可以使双机器人以较优的无碰撞干涉轨迹高效地完成协调装配任务,实现了双机器人的高精度装配作业,为物联制造系统中双机器人协调装配面临的关键问题提供了有效的解决方案。

移动激光预切槽辅助TBM滚刀破岩的仿真研究

为提高全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,以下简称为TBM)滚刀掘进寿命,文章提出一种TBM滚刀在移动激光预切槽辅助下破岩的方法,并在ANSYS中建立方案的有限元模型,对模拟环境下的移动激光切槽进行数值仿真,探究其切槽效果,同时分析不同激光功率、移动速度对切槽过程岩石去除效果、激光槽轮廓形貌的影响.结果表明:移动激光在一定功率和速度下能有效实现切槽;给定激光功率下,激光移动速度增加,槽宽与槽深呈递减的趋势;给定激光移动速度,激光功率增加,槽宽与槽深呈现递增的趋势;激光参数除影响槽宽和槽深外,还影响激光槽轮廓的完整性;对后续进一步把移动式激光集成到TBM滚刀上进行联合破岩仿真及实验具有参考性.

可控柔性表面抛光研究综述

随着光电通讯、生物医疗、航空航天等技术的飞速发展,高性能、高精度、高集成的零件及模具不断涌现,其不仅结构复杂,加工精度和表面质量要求高,而且大部分都属于硬、脆难加工材料,传统的抛光方法难以胜任。基于可控柔性理念的抛光技术,为上述零件的高效率和高精度抛光提供了一种新思路,逐渐成为超精密抛光的重要发展方向。首先,介绍了可控柔性抛光技术的基本概念,并就柔性执行装置、柔性"研抛模"、柔性控制系统三种可控柔性抛光方法的柔性可控原理、结构特点以及国内外研究现状等分别进行了综述;其次,对以上可控柔性抛光方法的加工原理、材料去除、抛光精度等进行了深入分析与比较,进一步阐述各类方法的优缺点;最后,对可控柔性抛光方法基本理论的系统研究、抛光精度和效率的提高、抛光工艺的复合化和智能化以及智能材料应用等方面的发展趋势进行了展望。

基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片化学机械抛光工艺参数优化

为了快速确定YG8前刀面抛光的最佳工艺参数,提高加工效率和精度,利用响应曲面法对YG8硬质合金刀片抛光工艺进行优化试验研究。通过单因素试验确定抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度的水平,并对4个工艺参数进行中心复合设计试验。建立了材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的预测模型,基于响应曲面法优化工艺参数获得最佳工艺参数为抛光转速65.5 r/min、抛光压力156.7 kPa、磨粒粒径1.1μm、磨粒浓度14%,此时得到了最小表面粗糙度预测值Ra=0.019μm,材料去除率RMR=56.6 nm/min。试验结果表明,基于响应曲面法的材料去除率与表面粗糙度预测模型准确有效。

基于轨迹动态规划的移动机器人焊道自动跟踪

针对大型构件复杂轨迹焊缝自动焊中的移动机器人跟踪控制滞后和焊接轨迹频繁振荡等问题,提出一种基于轨迹动态规划的焊道跟踪方法.利用结构光传感器检测区域超前于电弧的优势,实时获取焊接区前方焊缝位置特征信息实现对焊道轨迹宏观走向的超前感知,基于焊道等距逼近思想动态规划移动机器人运动轨迹,结合电弧传感技术实时检测焊接偏差信息,通过机器人本体与机载执行机构的协同控制对焊接轨迹进行动态补偿.结果表明,该方法提高了复杂轨迹焊缝跟踪中焊接速度一致性及焊接轨迹平滑度,改善了焊道弯曲或折角处的焊缝成形质量.

在线电解修整磨削与化学机械抛光相结合的蓝宝石基片组合加工技术

通过分析ELID磨削和CMP抛光两种加工技术的原理和特点,充分结合两种技术的优点,对蓝宝石基片进行超光滑纳米级精度的组合加工。从理论上分析和计算了蓝宝石的临界切削深度,以及在不同粒度砂轮下的脆性和延性磨削方式;采用不同粒度的砂轮对蓝宝石基片进行超精密ELID磨削实验,快速地获得高质量的加工表面,同时采用磁流变斑点法对加工面的亚表面损伤进行测量;利用CMP抛光技术对磨削加工后的表面进行光整,以减少磨削时产生的加工缺陷,使工件的表面质量得到进一步改善与提高,最终获得亚纳米级的表面粗糙度。

刀具磨损的机器视觉监测研究

为提高铣削加工时的刀具利用率、降低刀具成本,提出采用机器视觉技术在机监测铣刀磨损状态,及时更换刀具。建立刀具磨损监测系统,由电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相机获取刀具磨损图像,通过图像预处理、阈值分割、基于Canny算子和亚像素的边缘检测方法建立刀具磨损边界,提取刀具磨损量。开展GH4169镍基高温合金铣削实验,将监测系统检测的磨损量与超景深显微镜的测量结果进行比对,结果表明:该系统具有较高的检测精度,可实现铣削加工时刀具磨损状态的在机监测。

硬质合金刀具材料化学机械抛光机理研究

目的研究硬质合金刀具材料化学机械抛光(CMP)机理,为改善硬质合金刀具表面质量提供理论支持。方法分析硬质合金刀具材料在酸性抛光液中的化学反应,研究硬质合金刀具材料CMP的化学反应机理。基于接触力学理论计算抛光垫与工件的实际接触面积和单个磨粒的实际切削面积,在运动学分析的基础上,建立硬质合金刀具材料CMP的材料去除率模型,通过实验验证材料去除率模型的有效性。结果在酸性抛光液中,硬质合金被氧化成Co_3O_4。当工件、抛光垫、磨粒类型、工件安装位置确定时,材料去除率与抛光载荷、磨粒浓度和抛光盘转速有关。常用硬质合金抛光条件下,抛光YG8刀具的修正系数Kcm为8.53,抛光后刀具的最低表面粗糙度能达到48nm,材料去除率为62.381nm/min,材料去除率的理论值和实验值的最大相对误差为13.25%,消除了表面缺陷,获得了较好的镜面效果。结论建立的材料去除率模型具有一定的有效性,对硬质合金刀具材料进行化学机械抛光能消除刀具的表面缺陷,改善表面质量。

硬质合金化学机械抛光工件-磨粒-抛光垫接触状态研究

基于弹塑性力学理论,对工件-磨粒-抛光垫间的接触状态进行理论分析,计算各状态下磨粒压入工件深度,建立接触状态临界条件的数学模型,并进行实验验证。研究结果表明:在硬质合金化学机械抛光过程中,工件-磨料-抛光垫间存在着非接触状态、部分接触状态和完全接触状态三种形式;不同接触状态下磨粒压入深度主要受抛光载荷、磨粒粒径以及工件表面软质层硬度影响,临界条件由抛光垫特性、磨粒质量分数以及抛光载荷共同决定。实验结果表明所建立的数学模型是可信的。

封闭差动行星齿轮箱动态均载性能试验研究

针对同时具有太阳轮浮动、柔性销轴和柔性内齿圈三种均载方法的封闭差动行星齿轮箱进行试验研究,探索多种均载措施的封闭差动行星传动均载性能的特点。测试行星传动的差动级内齿圈齿根弯曲应力和封闭级的太阳轮齿根弯曲应力,根据齿向方向和圆周方向上各个通道应变测试结果提出均载系数的数据处理方法。得到每个被测轮齿最大均载系数,研究行星齿轮箱动态均载系数随工况载荷的变化趋势。分析并统计封闭级和差动级不同载荷下的平均均载系数及其标准差,并与某航空发动机主齿轮箱的理论分析均载系数进行对比。结果表明封闭级均载性能优于差动级,载荷越大两级均载性能越好,具有这三种均载方法的行星系统较采用单种均载措施的传动均载性能好,为封闭差动行星齿轮的均载设计提供了依据。

加压内冷却砂轮的研制及磨削性能研究

针对高温合金材料在磨削加工过程中存在磨削烧伤问题,为避免气障效应并强化冷却液在磨削弧区的换热效果,提出采用加压式内冷却断续磨削方法。利用数值模拟方法和3D打印技术对砂轮基体、加压内冷却系统和密封结构等进行设计和验证,制备了用于平面磨削的加压内冷却开槽CBN砂轮。在相同的磨削加工参数条件下,使用加压内冷却方法与外部喷射冷却方法进行镍基高温合金磨削对比试验,分析了砂轮速度、磨削深度和工件进给速度等加工参数对磨削温度、加工表面粗糙度和表面形貌的影响规律,验证了加压内冷却断续磨削方法对磨削弧区的强化换热效果。结果表明:在相同试验参数条件下磨削镍基高温合金,加压内冷却法比外部喷射冷却法的换热效率更高,得到的磨削温度更低,表面粗糙度更小,加工表面更为光滑细腻。

7150⁃T6铝合金动态特性实验及本构方程研究

为研究高温与高应变率对7150⁃T6铝合金动态力学性能的影响,利用分离式霍普金森压杆装置进行动态冲击试验,并对冲击后试样进行了SEM显微组织分析。结果表明:7150⁃T6铝合金在常温、高应变率下呈现局部热软化现象和较弱的应变率敏感性。材料的流动应力随着温度的升高而不断减小,尤其当温度高于200℃时,流动应力显著降低。在高应变率冲击下,应变率增大使绝热剪切带的形成更加明显,而高温下未发生明显绝热剪切现象。通过最小二乘法拟合出的Johnson⁃Cook本构方程能够有效预测不同加载条件下的流动应力,其预测结果与试验结果基本吻合。本研究可为7150⁃T6铝合金在汽车等运载器结构的轻量化与安全性设计提供指导。

Cu-15Ni-8Sn合金的热变形行为和热加工图

借助Gleeble-3500热模拟试验机研究了Cu-15Ni-8Sn合金在变形温度为933~1083 K,应变速率为0.001~10 s^(-1)条件下的热压缩变形行为,通过Arrhenius模型建立了合金的热压缩变形本构方程并对其准确性进行了验证,基于动态材料模型得到了合金的3D热加工图。结果表明:合金适宜的热加工区间为变形温度993~1083 K,应变速率0.01~0.1 s^(-1);在应变速率为0.01 s^(-1)时,随着变形温度的升高,合金的位错密度逐渐降低,动态再结晶体积分数逐渐增加,小角度晶界逐渐转化为大角度晶界,动态再结晶产生的软化效果使得合金的变形抗力逐渐降低。

反复镦拔SIMA法制备100Cr6钢半固态坯料的工艺与组织

利用多道次反复镦拔预塑性变形和半固态等温处理工艺(反复镦拔与等温处理SIMA法)制备了100Cr6钢半固态坯料,对100Cr6钢细化晶粒的反复镦拔预变形工艺和后续的等温处理工艺及其微观组织分别进行了研究。结果表明:反复镦拔预变形可以有效利用塑性变形破碎枝晶而达到细化晶粒的目的,从未预变形(镦拔0次)到镦拔3次,晶粒直径先快速减小然后变化不大;当反复镦拔3次时,试样中心的晶粒直径减小了90.4%,即从未经预变形的晶粒直径Φ274.1μm细化到Φ26.2μm;而试样边缘的晶粒直径减小了91.7%,细化效果更佳。在半固态温度区间进行等温处理时,随着温度的增加,半固态坯料的晶粒逐渐近球化;随保温时间的增长,半固态坯料的晶粒逐渐变大;尺寸为Φ10 mm×15 mm的试样在1420℃下保温30 min等温处理后所得半固态组织相对较好。

磁流变弹性体砂轮抛光镍基高温合金GH4169表面完整性研究

为了改善磨削后镍基高温合金GH4169的表面完整性,本文采用磁流变弹性体砂轮对镍基高温合金GH4169进行抛光试验研究。首先,通过模压成型的方法制备了磁流变弹性体砂轮,并对其表面微观形貌及不同磁场强度下的硬度进行了表征。其次,将制备出的磁流变弹性体砂轮用于对镍基高温合金GH4169的抛光工艺试验中,并讨论抛光工艺参数中磁场强度对镍基高温合金表面完整性的影响。试验结果表明:在一定的磁场强度范围内,零件抛光后的表面粗糙度和显微硬度随着磁场强度的增大而减小,同时增大磁场强度也有利于改善零件的表面形貌,减少砂轮的磨损量,降低零件磨削后的亚表面损伤层厚度。

基于物质点法不同头部形状弹体侵彻动靶过程的仿真研究

为分析弹头形状对动靶侵彻性能的影响以及解决有限元法模拟子弹侵彻问题时存在的网格畸变问题,本文采用物质点法建立了弹体侵彻靶板的数值模型。利用编写的程序对卵形弹侵彻静靶过程进行了仿真,并将仿真结果与实验测试结果进行了对比分析。结果表明,利用物质点法仿真子弹侵彻过程是可行和有效的。通过对平头弹、球形弹、卵形弹侵彻动靶过程的模拟仿真,得到了弹体贯穿动靶后弹体的剩余速度、偏转角、扭转角、靶板的毁伤效果。所得结果显示:当靶板速度较低时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最小;当靶板速度较高时,卵形弹侵彻动靶时靶板的毁伤面积最大;弹体偏转角和扭转角均随动靶速度的增加而逐渐增大,且卵形弹的偏转角和扭转角均大于平头弹和球形弹;当动靶初速度小于300m/s时,卵形弹的侵彻能力较强;当动靶初速度大于300m/s时,球形弹的侵彻能力较强。本文研究对弹丸侵彻和装甲防护等军工领域有一定的指导作用。

基于数控加工中运动参数可视化的零件表面质量预估方法

数控加工采用柔性速度规划控制方法,使得速度、加速度及捷度等运动量连续,减少刀具在变速过程中对零件冲击从而提高加工质量。但是速度等运动参数在加工中作为过程量很少保存,很难与具体零件表面质量相对应,而运动参数的连续性和平滑性对表面质量的改善有重要因果关系。因此,将运动参数保存起来,通过运动参数可视化来预估表面质量情况。该方法通过采集数控系统实时运动参数,建立参数与零件表面空间点对应关系,根据运动参数的不同大小和强度,通过渐变色方法,在与之对应的空间点匹配着色,通过颜色是否均匀变化来判断表面质量情况。通过实例证明了该方法简洁高效,能很好地预估加工表面质量。

定向内冷方法在高温合金铣削加工中的应用

针对浇注冷却铣削镍基高温合金时因供液不充分产生的过热问题,采用定向内冷方法改善铣削换热。采用计算流体动力学方法分析了定向内冷流场特性,结果表明:定向内冷可保证切削液准确集中喷射至切削区并改善换热。开展了浇注冷却、定向内冷的端铣试验,实验结果表明:在相同铣削参数下,定向内冷具有更好的换热性能,且随供液压力增加冷却效率增强,当压力为10 bar时,铣削温度、表面粗糙度和加工硬化分别降低32.2%、19.8%和11.9%,表面残余压应力增加105.52 MPa,获得了更规整的加工表面。