航空增材制造复杂结构件表面光整加工技术研究及进展

增材制造是解决航空复杂结构件制造难题的有效方法。首先概述了增材制造技术原理、特点及其在航空领域的应用,并深入评述了增材制造技术在材料力学性能、表面质量等方面面临的挑战,指出增减材复合制造的方法,并表明先进表面光整加工技术是提升航空增材制造复杂结构件表面质量和精度的有效途径。重点阐述了高加工可达性的磨粒流加工技术在航空复杂结构件精密抛光中的优势,并总结了保持零件精度同时改善表面质量需要重点研究的内容。

基于Windows98磁粒光整加工CNC系统的开发研究

磁粒研磨是复杂模具高精度光整加工最具潜力的方法之一.为解决模具型腔表面高精度光整加工的难题,将磁粒光整加工与数控技术结合起来,以开放式CNC体系为指导思想,在Windows98下开发适合磁粒光整加工的三坐标CNC系统.采用了VXD技术进行Windows98下的实时中断操作.用所开发的CNC系统进行试验研究,结果表明磁粒光整加工能大大降低模具表面粗糙度.该结论对模具高精度光整加工自动化的研究具有重要意义.

高密度芳纶纸蜂窝的磨削试验

高密度芳纶纸蜂窝是航空航天领域常用的减重复合材料,由韧性较大的芳纶纤维和含量较高的脆性树脂固化而成,固化成型后很难加工。为了满足其加工需求,根据该材料的组成成分和结构特点,用金刚石砂轮进行高密度蜂窝的磨削加工工艺试验,归纳出其在磨削加工后出现的3种典型加工特征形貌,即双层芳纶纸变宽形貌、未分离切屑和纤维拔出;并通过单因素试验法,研究磨削速度、进给速度和磨削深度对其表面形貌的影响。试验结果表明:不同工艺参数对高密度蜂窝加工形貌的影响差异较大。当磨削速度由5.2m/s提高至20.9m/s时,3种特征形貌均得到改善;当进给速度从50mm/min提升为350mm/min时,纤维拔出数量增多;当磨削深度从0.1mm增加为0.9mm时,未分离切屑的平均宽度变大。

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性振动特性试验研究

超磁致伸缩薄膜(GMF)的振动特性是决定其驱动性能的重要因素。针对研制出的Cu基双层GMF(TbDyFe/Cu/SmFe),测量并分析了其磁致回线、矫顽力等磁化特性。在此基础上,采用基于激光位移传感器的薄膜振动特性试验装置,研究了Cu基GMF悬臂梁在低频低磁场下的振动特性,结果表明,Cu基GMF悬臂梁具有10阶超谐波共振特性,二、三阶超谐波共振的峰峰值均在35μm以上,且其一阶主共振呈现明显的"软弹簧"特征。最后,给出了直流偏置磁场和交流驱动磁场对Cu基GMF共振频率和振动幅值等驱动性能的影响规律,为设计开发低频低磁场驱动的GMF微执行器和微传感器提供试验参考。

圆片刀超声切削蜂窝芯材料试验研究

为提高加工Nomex蜂窝芯材料的质量和效率,采用试验方法对超声切割时的切削力进行测量,研究其影响因素和变化规律,并对切削后蜂窝芯的表面进行观察。使用回归分析法分析不同振幅和切削深度下的切削力,推导切削力的经验公式。结果显示:切削力F_y,F_z与切削深度a_p,圆片刀底部边缘处振幅A呈指数关系。通过对比切削力拟合结果和试验数据,发现误差在10%内。切削后蜂窝芯表面平整、毛刺更少。

碳/碳复合材料切削表面粗糙度的评定方法及评定参数研究

通过对航空航天领域应用的碳/碳(C/C)复合材料和硬铝材料切削表面进行三维表面粗糙度测量实验,研究了C/C复合材料切削表面粗糙度的二维评定与三维评定方法、幅度表征参数及分形表征。结果表明:对于C/C一类的复合材料需选用三维评定参数才能准确表达其切削表面粗糙度的真实特征;表面均方根偏差比表面算术平均偏差更适合作为C/C复合材料切削表面粗糙度的幅度评定参数,表面粗糙度的三维标准应优先选用表面均方根偏差作为评定参数;表面分形维数可作为C/C复合材料切削表面粗糙度的表征参数之一。

铁基作用下的金刚石石墨化研究

通过构建含催化剂铁的金刚石仿真模型,进行了金刚石石墨化的三维分子动力学仿真,获得了金刚石在铁基催化剂作用下的石墨化机理。并对化学气相沉积金刚石进行了摩擦化学抛光试验,验证了铁基金属对金刚石石墨化的催化作用。分子动力学仿真结果表明铁原子的存在会降低金刚石石墨化的转变温度,进一步的微观结构分析可以得出,在催化剂作用下的石墨化机理是:铁原子价电子层中的未配对电子与金刚石原子的电子相互作用,形成了化学键,对金刚石原子产生吸引作用,使其逐渐变为石墨结构。所以铁基催化剂具有催化作用的原因就是铁原子价电子层结构中含有未配对的电子,而且与金刚石原子结构符合对准原则。试验结果验证了仿真结论的正确性。研究结果表明,金属铁的存在会加速金刚石石墨化的过程,利于对金刚石刀具的超精密加工。

一种基于NURBS插补器的多轴交叉耦合控制方法

针对复杂型面零件的高精度数控加工需要,在分析传统机床轮廓控制方案不足的基础上,提出了一种基于NURBS插补器的多轴交叉耦合控制(CCC)方法。该方法为闭环轮廓控制,算法简单、实用,并可适用于多轴控制。仿真结果表明所提出的CCC方法能够大大减小由于机床各轴动态性能不一致所引起的轮廓误差。该结论对零件的高精度数控加工具有重要意义。

微构件力学性能片外拉伸测试装置

微构件材料力学性能测试中,拉伸测试主要解决材料弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度的测量问题。介绍了一种片外拉伸测试试验装置的设计过程及工作原理,试样放在动/静载物台上,压电陶瓷制动器驱动动载物台,从而拉动试样,直到试样被拉断。施加在试样上的力和试样被拉伸后的伸长量分别由微力检测传感器和位移检测传感器测出。分别介绍了每个部件的功能,给出了误差分析。结果表明:此装置设计合理,达到预期目标。

微圆柱阵列微流控芯片注射成型

以直径为?100μm和?50μm的微圆柱阵列微流控芯片为研究对象,利用单因素试验和正交试验进行充填研究,研究成型工艺参数对微圆柱阵列成型高度及翘曲变形的影响。结果表明,模具温度和注射速度是影响微圆柱阵列成型高度和翘曲变形的主要因素,模具温度对翘曲变形起决定作用;熔体温度和保压压力是次要因素,在保证微圆柱阵列的成型高度,保压压力应减小;充填时间和注射压力对微圆柱阵列成型高度和翘曲变形影响较小,在保证型腔充填完全及注射速度有要求时,充填时间和注射压力应尽量减小。

模内自动冲切浇口凝料机构的微流控芯片注射模设计

以具有微纳米结构的碟形微流控芯片为研究对象,设计了具有模内自动冲切浇口的注射成型模具。通过对碟形微流控芯片注射时熔体流动均匀性和散热翘曲分析,注射成型模具采用1模1腔的形式,注射浇口选择盘形浇口,冷却水道采用环形水道。为了提高生产效率,降低后续消除浇口对芯片造成的二次破坏,注射模中增加了模内自动切浇口凝料机构,以实现开模前完成浇口凝料切除,并用工具显微镜观察切口成型质量。

注射成型工艺参数对薄壁透明塑件熔接痕的影响

为解决薄壁透明塑件熔接痕问题,提出了一种局部加热的模具设计方式,利用工具显微镜和激光显微镜测量熔接痕的三维结构,研究了工艺参数(模具温度、熔体温度、注射压力)对熔接痕的影响。结果表明:提高模具温度、熔体温度和注射压力,都能使熔接痕的长度、宽度和深度有效减小;当形成熔接痕处的模具局部温度从55℃升高到80℃时,熔接痕的宽度减小了71.9%,深度减小了84.9%,有效提高了成型塑件的外观质量。

石英纤维增强陶瓷基复合材料制孔工艺研究

本试验针对目前硬质合金刀具加工石英纤维增强陶瓷基复合材料时存在的刀具磨损严重、加工质量差、效率低下等问题,对比了硬质合金刀具钻孔、PCD刀具钻孔和电镀金刚石套料钻螺旋铣磨制孔的效果,分析了切削力对制孔质量的影响。研究结果表明:纬纱纤维对X向和Y向切削力的影响明显大于经纱纤维,垂直于纬纱纤维方向的切削力较小,平行于纬纱纤维方向的切削力较大;PCD刀具钻孔质量相对较好,刀具磨损不明显,适用于石英纤维增强陶瓷基复合材料的制孔加工。

碳纤维复合材料表面形貌测量采样条件研究

采样条件的确定对表面微观几何形状误差评定的准确性有重要影响。针对现实中用户依据自身经验选择采样条件的不确定性,提出了一种能够客观判定最佳采样条件的方法。基于二维功率频谱分析,考虑奈奎斯特采样定理与混叠效应,提出一个归一近似因子来确定合适采样条件。经实验验证其适用于碳纤维复合材料表面形貌测量,研究证明用较大采样间距多次测量加工后工件的表面形貌,取粗糙度值的平均值或St、Sp和Sv取最大值来评定其表面质量更合理。

金刚石砂轮磨削贴膜硅片崩边的研究

用树脂结合剂金刚石砂轮将贴膜厚度为80μm和160μm的单晶硅片减薄到400μm,通过测量硅片边缘的崩边尺寸评价贴膜对硅片加工质量的影响.试验结果表明:硅片贴膜能有效降低硅片碎片率;当硅片未贴膜时,硅片的平均崩边尺寸为3.08μm,当硅片贴膜厚度为80μm和160μm时,硅片的平均崩边尺寸为4.61μm和3.60μm;即硅片贴膜磨削对硅片崩边有恶化作用,但该影响较小,用厚膜时恶化程度可控制在20%以内.且用23μm金刚石砂轮减薄磨削贴膜硅片时,硅片<110>晶向和<100>晶向的崩边尺寸无明显差异.

铜表面脉冲电化学射流加工的定域性和粗糙度分析

电化学射流加工(Jet-ECM)是一种用于表面微细结构加工的超精密加工方法。但是,Jet-ECM加工的定域性不足,表面质量不高,无法满足高精度表面加工的需求。采用合理的电解液和脉冲电源参数可以提高电化学加工的精度和表面质量,但单纯基于试错的方法获得合理参数的难度极大。根据电化学反应和双电层的基本原理,将Jet-ECM系统等效为RC电路,用于指导脉冲Jet-ECM加工参数的选择。研究结果显示,磷酸基电解液Jet-ECM中采用脉冲电源能有效减少过切,提高铜表面加工的定域性,当加工电压为6.5 V时,采用10 kHz,50%占空比的脉冲电源相比直流电源定域性提高36%。降低加工电压和占空比也可有效提高加工定域性。但表面质量和定域性的变化趋势相反,降低加工电压和占空比不利于工件表面黏膜层的形成,降低了表面质量。本研究有助于进一步明确Jet-ECM加工中的电化学去除机理,提高无应力加工方法的加工精度,为Jet-ECM在工业中的进一步应用提供了指导。

金属材料表面残余应力超声测量方法

针对金属材料零件制造中的表面残余应力无损检测难题,提出一种平面应力状态超声测量方法。基于线弹性理论,引入晶粒取向表征因子,揭示晶粒取向对超声传播的影响机制。虑及材料力学性质(弹性常数、晶粒取向等)和应力状态对声速的共同影响,建立平面应力分量-声速解耦模型。基于临界折射纵波(LCR波)表面应力测量原理,分析温度与耦合状态对超声信号衰减、畸变以及声时的影响规律,并设计出一种一发双收直接耦合造波探头。以单向拉伸的变截面铝合金板和搅拌摩擦焊后的轧制铝合金板为典型对象,利用自主开发的超声应力测量系统进行表面应力测量试验,分别与有限元法和小孔法进行对比,应力测量结果具有良好的一致性,可为金属材料表面残余应力测量提供可行方案。

碳纤维复合材料表面形貌测量中频谱法的应用

针对现实中用户依据自身经验选择采样条件的不确定性,提出了一种能够客观判定最佳采样条件的方法。基于二维功率频谱分析,考虑奈奎斯特采样定理与混叠效应,提出一个归一近似因子来确定合适采样条件。经实验验证其适用于碳纤维复合材料表面形貌测量,研究证明用较大采样间距多次测量加工后工件的表面形貌,取粗糙度值的平均值或最大值来评定其表面质量更合理。