K9光学元件的锥形约束射流抛光流场与加工实验研究

提出了锥形约束射流抛光的加工方法,将原本垂直的细小射流约束成几乎平行于工件表面的环形射流。使用Fluent软件对抛光流场进行数值分析,根据Preston方程建立了材料去除函数模型;并以K9玻璃为加工对象,利用自主设计的锥形约束射流抛光平台进行加工实验。结果表明,锥形约束射流抛光方法法向最大速度比切向最大速度小63.9%,从而减少射流在垂直于工件表面方向的冲击损伤;锥形约束射流抛光后,K9玻璃表面粗糙度在加工区域内呈“V”型分布,其算数平均粗糙度(Ra)值从95.40 nm降至14.52 nm,表面质量得到明显提高。锥形约束射流抛光主要依靠射流沿工件表面的剪切力,不仅有效减小了射流法向冲击力,对射流的约束还减小了射流束的发散;确定的表面去除函数表明该方法有望实现确定性抛光;另外,环形的射流出口提高了射流抛光的效率。

基于曲率特征分析的小儿颅骨畸形重建技术

小儿颅骨畸形影响患者容貌和发育,并会导致局部触痛、易怒、不安等症状,需要通过手术重建出规则的颅骨形状。但目前手术方案设计多依据医生的经验,缺乏标准的目标形状作指导,手术时间长,重建效果需要提升。针对这一问题,利用曲面的主曲率和高斯曲率分布为依据,对正常的颅骨形状特征进行曲率分析,获得了分区域的曲率值分布范围;通过有限元及实体仿真实验,研究了不同接触结构及不同骨瓣参数对重建模型力学性能的影响;针对具体病例,基于计算机断层扫描(CT)图像重建颅骨三维模型,并进行曲率分析,与正常颅骨曲率分布进行比较,制订出重建修复方案,并设计和打印手术切割模板,临床手术时在模板引导下完成重建手术。实际应用表明,术前额骨部位高斯曲率极值为-0.05200和0.00023,术后降低至正常范围,颅骨重建的效率和形状恢复效果得到了显著提高。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

二维插装式流量调节阀的理论分析和实验研究

针对流量阀功重比低、体积大的问题,提出一种新型二维插装式流量调节阀。阀体后端的力矩马达带动具有双自由度的二维活塞转动并进行功率放大驱动阀芯,阀体上的压差反馈杆可精准地测量进出口压差,无需安装额外的压力传感器。首先建立该阀的数学模型,并使用Matlab进行了稳定性分析;其次以AMESim为平台搭建了模型,对其动静态特性进行了仿真分析;最后进行实验验证。该阀滞环为4.4%,线性度为1.6%,响应时间约为44 ms,幅频宽约为17 Hz,相频宽约为28 Hz,压差测量范围为8 MPa。理论分析和实验结果均表明,二维插装式流量调节阀不仅结构简单、功重比高,且具有良好的动静态特性,是较为合适的解决方案。

螺旋深小孔电解加工间隙多相流场特性及实验研究

针对电解加工(ECM)成形尺寸难以预测与控制问题,以螺旋深小孔ECM为研究对象,采用Mixture多相流模型、扩展的κ-ε湍流模型与SIMPLEC算法,应用流体力学分析软件Fluent对ECM间隙两相流进行了数值模拟和验证性实验,揭示了ECM间隙流场的流动特性。研究结果表明:间隙流场的流速分布影响着间隙内产物的排出规律,随着孔深加大,流速沿流程逐渐减小,使得加工稳定性变差;沿电解液流程方向上间隙气泡率含量逐渐增加,致使电解液电导率逐渐降低,工件加工后尺寸前大后小,增加出口背压在一定程度上可以改善这一问题;阴极形状影响着间隙内流场的流动特性,合理的阴极形状可避免间隙流场"死水区"的形成及短路和烧伤现象发生。

基于机器视觉技术的疲劳裂纹自动检测实验系统

为解决现有传统的金属疲劳裂纹检测方法存在的精度不高、操作繁琐、抗干扰性差和不易实现自动记录等问题,将虚拟仪器和图像处理技术应用到金属疲劳裂纹检测系统中,进行了疲劳裂纹长度在线测量和疲劳扩展速率计算。通过系统的整体设计和原理介绍,提出了疲劳裂纹在线非接触式的机器视觉检测方案;并基于LabVIEW的实验平台,进行了疲劳裂纹扩展试验,通过使用NI的IMAQ Vision实现了图像处理功能。研究结果表明,由该方案建立的基于图像处理技术的裂纹检测系统在线测量得到的最大裂纹长度测量误差为0.148 mm,且由拟合裂纹长度-时间曲线的导函数可得到裂纹扩展速率,是一种较理想的疲劳裂纹在线检测方法。

激光表面强化和再制造技术的研究与应用进展

激光表面技术是一种先进的表面工程技术,已越来越多地应用到工业生产中,许多关键基础部件由于采用激光强化与再制造技术实现了高性能低成本制造,并改造了传统制造方法。从材料、工艺与装备对当今国内外对激光表面强化与再制造技术的研究现状做了系统阐述,分析了存在的几个难点并提出解决途径。详细介绍了国内外激光表面技术工业应用情况,深入分析了该技术领域的发展趋势与现今所面临的挑战。

软性磨粒流精密加工的仿真及实验

为改进现有磨粒流加工技术存在的缺陷,提出了软性磨粒流加工技术,并将其应用于各种微小型腔及通道的加工中。首先针对加工表面配置了相应的约束模块从而构成密封的加工流道,建立了欧拉双流体数值分析的数学模型,利用Fluent开展了流道中软性磨粒流固-液两相流动特性的分析,然后通过对工件表面进行喷漆的方法,观察了软性磨粒流的实际加工效果,并进行了相应的软性磨粒流加工试验。试验结果表明,加工表面喷漆磨损的分布比较均匀,表面细腻,体现了软性磨粒流加工的先进性与有效性。研究结果表明,实际工件表面喷漆磨损的分布与仿真中颗粒相压力的分布比较接近,这为软性磨粒流的加工提供了一种预测方法。

基于静电微量润滑技术的磨削加工性能试验研究

在构建静电微量润滑(EMQL)磨削加工系统的基础上,分析了不同荷电电压下润滑液液滴的荷质比和润湿渗透性能,研究了正负荷电电压下静电微量润滑技术的磨削加工特性。通过分析工件表层的显微硬度和显微组织,揭示了静电微量润滑技术的磨削加工作用机理。结果表明:荷电液滴的表面张力与润湿角减小,液滴的渗透性和润湿性提高。与传统微量润滑(MQL)相比,荷电液滴更易在砂轮-工件接触面渗透铺展,提升了润滑与换热能力,在正荷电静电微量润滑条件下,工件表层显微组织中的铁素体相对含量增加,工件表层显微硬度降低,磨削加工性能更好。

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了"之"字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明:磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137 nm/min提高到288 nm/min,频率5 Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405 nm减小到Ra=0.641 nm。

磨粒流加工壁面效应研究

数值模拟了圆柱内表面的初始粗糙度、入口流速和内孔直径对壁面流场压力、局部压差及剪切力的影响规律,分析了入口处流场速度和剪切力的形成过程,从磨粒切削作用角度剖析了圆柱内表面入口处过抛现象的形成原因,结合磨粒流加工试验揭示了各参数对壁面效应的影响规律。理论分析和试验结果表明:增大圆孔直径或减小入口流速能有效改善磨粒流流场压力的均匀性,初始表面粗糙度对流场压力数值及其局部压差有微弱影响;入口处圆孔壁面速度突变引起剪切力突变,从而导致磨粒流加工过抛现象;初始表面粗糙度Ra=0.296μm时有利于减弱磨粒流加工的壁面效应,而Ra=4.273μm时有利于提高材料去除速率。

二维活塞/缸体副微间隙流场的剪切空化实验研究

二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能,但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究,分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明:流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系,压力越大油液空化所需剪切应力越大;若油液上方空间内留有空气,则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强;而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩,另一方面会改变纯剪切流场,从而抑制剪切空化的发生;微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小,从而降低剪切空化发生的难度。

冷风静电微量润滑换热特性及其钛合金铣削加工性能研究

针对钛合金铣削温度高、刀具寿命短的问题,提出并开展了基于冷风静电微量润滑(CAEMQL)技术的钛合金加工新方法研究。在构建冷风静电微量润滑系统的基础上,研究了冷风荷电气雾的换热特性和钛合金铣削性能,通过刀具磨损揭示了刀具延寿机理。结果表明,与微量润滑、静电微量润滑和冷风微量润滑相比,冷风静电微量润滑具有更高的临界热流密度和更好的稳态换热性能;与微量润滑相比,冷风静电微量润滑下的切向铣削力Fx下降了21%,法向铣削力Fz下降了17%,铣削温度下降33%,工件表面粗糙度Ra值减少26%;冷风静电微量润滑下切屑自由面的褶皱高度降低,切屑背面划痕减少;低温压缩空气和荷电切削液协同作用抑制了刀具的粘着磨损,刀具寿命提高41%。

线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式,推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟,剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明:液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加,与此同时其分布均匀性反而下降;抛光间隙值越小,液动压力和黏性切应力数值越大,且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台,以K9玻璃为实验对象,探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。

低频振动小孔径内壁面微结构电解加工技术研究

为了研究低频振动电解加工对小孔径内壁面加工的影响,采用数值模拟和实验相结合的方法进行电解加工,分析影响加工结果的工艺参数及低频振动对小孔径内壁面加工精度的影响。结果表明:采用阴极低频振动加工小孔径内壁面,有利于加工间隙内电解液的循环更新和电解产物、电解热的排除,提高加工精度,改善加工定域性,同时也延长了工具电极的寿命。

基于FANUC-0i数控车床系统的曲线牙型螺纹加工技术

随着数控技术的发展,在一些机械零件上使用的螺纹牙型要求也越来越多,对于常用的三角牙型螺纹、梯形螺纹都有比较成熟的加工技术,但是一些特殊的曲线牙型螺纹由于牙型复杂,面积较大,采用成型刀加工时易出现振动,同时零件精度不能满足使用要求。文中针对常见的非标二次曲线螺纹的加工基于FANUC-0i数控车床进行技术分析。

某特种装备前滑板的抗撞击设计

为改善某特种装备前滑板的抗撞击性能,本文采用了有限元软件ABAQUS作为非线性动力学仿真分析的工具,以撞击速度为变量,调用显式分析模块ABAQUS/Explieit,分别模拟计算了由铝合金、高强度钢及特种工程塑料制成的前滑板因撞击而引起的应力及变形情况,得到了各种材料的撞击速度与其最大Mises应力的关系,并对材料达到屈服应力时的撞击速度进行了对比分析,最后给出了某特种装备前滑板的抗撞设计方案。

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。

基于黎曼普鲁克的手部离散动作识别方法

肌电信号能反映人体的运动意图,是外骨骼和假肢控制的主要信号之一。但受试者间的差异,增加了基于表面肌电信号(sEMG)的手部离散动作识别使用成本。针对这一情况,本文从域适应的角度出发,提出一种基于小型调整集的迁移学习建模方法。该方法利用黎曼普鲁克分析(RPA)提取黎曼特征与传统时域特征作为支持向量机(SVM)的输入特征,并通过实验验证了其识别精度。在10名受试者身上进行了实验,在黎曼特征下黎曼普鲁克分析相比于不进行迁移学习的动作识别方法提高了5%~7%的准确率。在特征空间分布上,黎曼普鲁克分析后的黎曼特征的重合度更高。结果表明,该方法在基于肌电信号的手部离散动作识别上有明显优势。

基于径向基函数神经网络算法的高频转阀阀芯稳定性

针对伺服电机驱动高频转阀时受液动力矩变化影响造成高频输出精度下降的问题,以液压马达作为动力源,提出一种基于径向基函数神经网络算法的转阀阀芯转速控制策略。首先,搭建高频转阀阀芯转速控制系统的数学模型;其次根据数学模型在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行仿真分析;最后建立高频转阀转速控制系统实验台,对不同算法作用下阀芯转速控制特性进行实验研究和理论验证。结果表明:与常规PID控制方法相比,基于径向基函数神经网络的高频转阀转速控制策略转速控制系统阶跃响应所需调整时间最少为0.16 s,超调量小;三角波与正弦波转速跟踪误差均值下降最大值分别为46.51%、53.69%;6 MPa、10 MPa下,转速稳态误差均值分别下降34.92%、38.26%。径向基函数神经网络算法有效提高了高频转阀阀芯转速控制精度。