钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究

针对具有复杂曲面的钛合金工件磨粒流抛光后表面粗糙度Ra不均匀问题,提出一种具有扰流结构的仿型约束加工流道。借助计算流体动力学（CFD）分析软件,结合SST k-ω湍流模型、离散相模型（DPM）和Oka冲蚀模型,仿真分析原始流道和5种不同扰流角度的扰流流道内磨粒流动力学特性。数值模拟结果表明：扰流流场中的磨粒流相较于原始流场在工件表面具有更大的湍流动能、动压力和冲蚀速率,其中扰流角度为30°时冲蚀均匀性较好。基于仿真条件搭建了磨粒流加工试验平台,使用原始流道和30°扰流流道分别进行了加工试验。试验结果表明：使用原始流道加工5 h后,工件表面曲率不同区域的表面粗糙度Ra值分散,加工效果均匀性较差;使用扰流流道加工5 h后,工件表面各区域表面粗糙度Ra的均匀性明显优于无扰流流场的加工均匀性。     

介电泳效应磨粒流抛光中的电极形态

针对薄壁陶瓷工件内表面抛光，提出一种基于介电泳效应的磨粒流抛光方法。将非均匀电场布置于陶瓷工件外表面，极化磨粒，实现陶瓷工件内表面高效抛光。仿真分析发现:电极间隙比为2时，SiC磨粒具有最好的介电泳效应，参与抛光的磨粒最多。陶瓷工件初始内表面粗糙度值Ra为(208±5)nm时，抛光10 h后，无介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为51 nm，有介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为23 nm。     

基于CFD-DEM耦合的面约束软性磨粒流加工特性研究

软性磨粒流加工能有效解决复杂结构曲面的抛光问题。基于该技术特点,针对硬脆性材料加工存在的技术问题,提出一种面约束软性磨粒流加工方法,即通过在工件表面设置窄缝约束流道,利用多向磨粒流注入法,在流道中形成高速涡旋磨粒流抛光工件。同时,针对传统磨粒流建模无法描述磨粒-壁面碰撞行为的不足,提出一种基于计算流体力学与离散元法耦合的磨粒流建模方法(Computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM),并通过该方法得到了磨粒-壁面碰撞分布及工件表面材料去除分布,在此基础上研究了面约束软性磨粒流加工的均匀性。结果表明:入口直径是影响磨粒-壁面碰撞均匀性的关键因素,随着直径的增大,碰撞分布存在最优值;当磨粒流处于不同的流态时,流体黏度对材料去除的作用原理不同,低黏度流体下材料去除均匀性有明显提升。最后搭建试验平台,通过对比试验验证了建模方法及抛光方法的有效性,试验结果显示,面约束软性磨粒流抛光方法能够使得单晶硅表面粗糙度从506.71 nm降低到10.17 nm。     

软性磨粒流双入口约束流场数值分析及加工试验研究

针对软性磨粒流精密加工中单入口加工装置加工不均匀问题,提出一种基于流体碰撞理论的双入口加工新方法。借助计算流体力学软件,结合剪切输运(Shear stress transport, SST) k-ω湍流模型及Mixture混合模型,分析两种加工装置内磨粒流动力学特性,数值模拟结果显示：单入口加工装置内磨粒流流场固定分布,双入口加工装置内磨粒流流场呈现周期性摆动,提高约束流道内磨粒流流动无序性。加工试验进行35 h后,单入口加工装置加工工件表面粗糙度Ra值分散,工件表面存在严重加工不均匀性;双入口加工装置工件表面各处粗糙度Ra集中且各方向粗糙度值均小于单入口加工装置,表面加工效果均匀。上述研究结果表明：双入口加工装置有效地扰乱约束流道内磨粒流流场,提高磨粒流流动的无序性,改善表面加工质量。     

软性磨粒流磨粒入射壁面过程及其加工特性研究

针对利用两相流模型无法计算高浓度固—液两相流固相颗粒撞击壁面时颗粒速度的问题,提出一种边界层内颗粒运动轨迹计算模型,基于Mixture两相流模型和Realizable k-ε湍流模型仿真计算结果,通过分析提取颗粒入射前速度、计算边界层厚度、建立边界层内速度场和颗粒运动分析可以得到颗粒撞击壁面时的速度和入射角度。分析加工表面动压力分布和磨粒体积分数分布,结合两种结构约束流道验证仿真结果与加工效果的对应关系。通过对试验结果的分析,为约束模块的设计提供依据。研究结果表明:磨粒入射速度、磨粒体积分数和加工表面所受动压力大小直接影响工件加工效果,并与材料去除量成正相关关系;在本次试验中选择的工艺参数导致加工材料去除量小,适合初始粗糙度低的工件表面加工,对于此次试验的初始粗糙度应在0.2μm以下;约束模块的设计除了要考虑磨粒流流场特性之外,还要对加工表面的原始加工痕迹作详细了解,为约束模块的设计及加工工艺参数提供参考。     

磨粒流抛光弯管的数值模拟与试验优化

针对当前复杂零件难以精密加工的问题,运用磨粒流技术进行光整加工,考虑入口压力和颗粒浓度双因素对磨粒流加工的影响,以弯管为研究对象,依据流体力学理论,对不同入口压力和颗粒浓度下的速度、湍流动能和总压进行了仿真分析,经过对比分析得出结论:当入口压力为6MPa,颗粒浓度为10％,磨粒流的抛光效果最好,并根据此参数进行了磨粒流抛光试验.试验结果表明:弯管内表面的粗糙度降低,但是出口处的表面粗糙度要高于入口处的表面粗糙度,因此选择以出口为磨粒流入口,重复进行试验,最终得到均匀一致的表面.     

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.     

基于均匀设计法的磨粒流加工试验

根据磨粒流加工原理,以坦克发动机喷油嘴为研究对象,利用均匀试验设计方法,通过均匀分散而选出较优的磨粒流加工试验参数（磨粒粒径、磨料浓度、加工时间及研磨液的酸碱性）,再通过优化变量得到目标函数,进而获得最优磨粒流加工工艺参数。试验结果表明：采用均匀设计方案较正交设计方案可节省70%的时间;经过均匀试验后,喷油嘴工件内孔表面粗糙度减小,达到了磨粒流加工试验的目的,而回归优化后的工艺参数可以进一步减小喷嘴小孔的内表面粗糙度,所得到表面粗糙度与材料物性及加工时间的数学模型可为磨粒流的生产实际提供技术支持。     

液压管路中连接头的磨粒流加工实验研究

针对液压管路中连接头零件管道内壁光整加工的问题,以液压管路接头零件为研究对象,对采用磨粒流光整加工液压管路连接头内壁的加工机理、加工工艺进行了研究。根据零件材料硬度选择了试验磨粒,通过对比加工磨料对管壁表面质量和材料去除量的影响,得到了适用的液压管路连接头加工磨粒和工艺参数;分别选用碳化硅和金刚石作为加工磨粒,通过实验分析了磨粒流加工中磨粒对零件内壁表面的形貌、表面粗糙度、材料去除量的影响。研究结果表明:磨粒流加工可以有效降低管道内表面粗糙度,粗糙度值由原始的400 nm～500 nm下降到200 nm以下;相比金刚石磨粒,采用碳化硅磨粒加工后形成的零件内壁表面粗糙度更低,且粗糙度值分布均匀性更好,材料去除效率更高。     

低黏度液-固两相磨粒流湍流调控与结构化表面光整加工技术研究

针对结构化表面不易采用工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于低黏度液-固两相磨粒流的精密光整加工新方法。该方法采用约束模块与被加工结构化表面构成磨粒流流道,将低黏度液体与微细磨粒按照一定体积分数混合形成液-固两相磨粒流,当磨粒流以湍流状态流经所构建的流道时,通过磨粒微力微量切削的频繁作用实现流道表面的逐步光整加工。由于磨粒流在湍流状态下易于实现表面加工纹理无序化,从而提高表面质量,因此对比研究了约束模块优化前后所构成的流道中磨粒流的压力分布、速度分布和湍动能分布,得出优化设计后的约束模块易于形成均匀湍流的结论。在自行搭建的低黏度液-固两相磨粒流加工装置上进行了光整加工试验,结果表明,经过50h的光整加工,工件表面粗糙度由Ra=93.28nm减小到Ra=42.78nm,从而证明了该方法的可行性和有效性。     

超声振动辅助电火花铣削间隙流场分析与验证

为研究超声振动对电火花铣削间隙流场的作用,根据流场理论将超声振动辅助电火花铣削间隙流场简化为二维流场,建立间隙流场动力学基本方程并推导出间隙流场在x和y方向的压力变化方程。通过Fluent有限元软件建立二维轴对称旋转仿真模型,验证该方程的正确性。分析了间隙流场交变压力的作用,并进行实验验证。研究结果表明:在超声振动的作用下,加工间隙中电介质沿x和y方向超声频率周期性变化的压力增强了空穴作用,促进了电介质的循环,减少了短路和电弧放电,提高了加工过程的稳定性和加工效率,进而提高工件材料去除率,同时能够减小火花放电凹坑深度,使工件加工表面的熔融金属铺展得更均匀,从而降低工件加工表面粗糙度。     

椭圆内腔表面磨粒流均匀化光整加工研究

针对磨粒流加工中椭圆孔腔表面加工质量因表面曲率半径变化而不一致的问题,提出通过置入相似模芯实现磨粒流均匀化光整加工的新方法。运用非牛顿流体的幂律方程,建立了磨粒流加工的微元体动力模型,分析磨粒流加工中表面剪切应力分布不均的影响因素,而后通过COMSOL软件进行了数值计算与模拟仿真论证;最后,开展实验研究,对椭圆孔腔壁面压力及表面粗糙度等进行相关数据测量。研究结果显示：置入相似模芯后,椭圆流道的长、短轴方向剪切应力的理论值误差由置入模芯前的9.87%降为0.39%,长、短轴方向剪切应力分布趋于一致;椭圆流道的轴向、径向平均压力差仅为0.03 MPa、0.11 MPa,且表面粗糙度(Ra)差值由置入芯轴前的0.212μm下降为0.005 μm,加工压力与表面粗糙度的变化趋势均趋于一致。置入相似模芯的方法改善了磨粒流加工中剪切应力分布不均的状况,为椭圆孔的高质量精密加工提供了重要参考依据。     

砂轮约束磨粒喷射加工外圆表面创成机理及三维形貌

磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的光整加工新工艺。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为表面粗糙度0.6 m左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用扫描电子显微镜和Micromesvre2表面轮廓仪测量。应用自相关函数对磨削加工表面和光整加工表面进行分析,并研究材料去除机理和微观表面形貌的创成机理。在楔形区游离磨粒获得能量对工件进行抛磨、滑擦、和微切削是材料去除机理的核心因素,磨料流体侧向挤出是均化和降低表面波纹度的主要因素。试验结果表明,试样表面从连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,表面粗糙度明显得到改善。随着加工循环的增加,工件表面的粗糙度值由0.6 m下降到0.2 m左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。     

硅晶片的液流悬浮超光滑加工机理与实验

建立了基于机器人的液流悬浮超光滑加工系统。配置出了适用的悬浮加工液,通过对硅晶片的大量加工实验研究,得到了加工时间、工具转速和粒子浓度对工件表面质量的影响规律。实验结果表明:当加工时间在60 min、工具转速为6 000 r/min上下、粒子浓度为30 g/L左右时,加工效果最佳。加工后的硅晶片表面粗糙度Ra能达到1.55 nm。深入分析了液流悬浮超光滑加工的去除机理,硅晶片的液流悬浮超光滑加工是机械冲击作用和化学作用的综合结果,加工液中的磨料颗粒有对工件表面的机械冲击作用和对化学反应的催化作用。理论分析和实验结果表明,通过采用液流悬浮加工新技术,可以实现对半导体材料硅晶片的纳米水平的超光滑加工,获得表面无塑性变形和晶格缺陷的纳米精度表面。     

砂轮约束磨粒喷射加工表面材料去除机理

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化研究了磨粒喷射光整加工的材料去除机理,建立了两体研磨及三体冲蚀单颗磨粒的材料去除模型和材料去除率模型。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为Sa=06μm左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用SEM和MICROMESVRE2表面轮廓仪测量,试验结果和材料去除模型相吻合。试样表面连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,随着加工循环的增加,Sa值由06μm下降到02μm左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。      

A novel polishing method for single-crystal silicon using the cavitation rotary abrasive flow

Traditional low-pressure abrasive flow polishing can produce highly smooth surfaces, but the efficiency of this method is too low for polishing of hard-brittle materials parts. This paper proposes a novel cavitation rotary abrasive flow polishing (CRAFP) method. The energy generated from the cavitation bubble collapse is used to increase the kinetic energy of the abrasive particles in the low-pressure abrasive flow and the motion randomness of the abrasive particles near the wall; thereby, the efficiency and quality of low-pressure abrasive flow polishing are improved. The CRAFP mechanism was first introduced, and then the characteristics of the CRAFP process were investigated using computational fluid dynamics (CFD)-based abrasive flow simulation. Subsequently, a single-crystal silicon wafer polishing test was carried outperformed to verify the validity of the CRAFP method. The polishing results were compared with those of the traditional low-pressure abrasive flow polishing method. After 8 h of polishing using the CRAFP method and the traditional low-pressure abrasive flow polishing method, the surface roughness of the workpiece decreased to7.87 nm and 10.53 nm, respectively. Furthermore, by starting at similar initial roughness values, the polishing time required to reduce the roughness to 12 nm was 3.5 h and 6 h, respectively. The experimental results demonstrated that CRAFP can satisfy the surface requirements of single-crystal silicon (R_a < 12 nm) and exhibit high polishing efficiency and good quality.     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。