光学玻璃旋转超声端面铣削表面特性

为了提高光学玻璃元器件的整体加工效率,提出了将旋转超声端面铣削(RUFM)工艺方法应用于光学玻璃的平面加工。通过分析RUFM金刚石磨粒运动学、动力学特性,结合脆性材料压痕断裂力学理论及材料去除特性,建立了脆性材料RUFM去除模型。在此基础上,开展了RUFM和普通加工光学玻璃的对比试验。扫描电子显微镜(SEM)观察两种加工方式的表面形貌显示:RUFM以较小且均匀的贝壳状碎屑完成材料去除,具有较小的径向裂纹和侧向裂纹尺寸。亚表面损伤磁流变抛光斑点检测的结果表明:与普通加工相比,RUFM可以有效降低光学玻璃加工亚表面损伤深度。理论和试验研究表明,RUFM工艺方法是光学玻璃等脆性材料的有效加工方法。     

超声电流变复合抛光试验

针对模具微结构光整加工,利用电流变效应对磨料的聚集作用和超声振动对磨料的驱动作用,提出了超声电流变复合抛光工艺.开发了超声电流变复合抛光加工系统.正交试验结果表明超声振动的振幅和施加的电场强度对表面粗糙度的影响最大.通过单因素试验研究了超声电流变复合抛光工艺参数对抛光后表面粗糙度的影响规律.试验结果验证了超声电流变复合抛光工艺可行性,为后续工艺优化和实际应用奠定了基础.     

磁流变抛光效果影响因素控制的研究

在介绍磁流变抛光原理的基础上,依据Preston方程分析了影响磁流变抛光效果的因素,根据实际加工的需要,对Preston方程进行修正,采用BK9光学工件进行抛光试验,试验结果表明,采用修正的抛光材料去除模型以及对影响抛光效果主要因素的控制,可以有效的提高抛光质量及其加工效率。     

超声振动辅助抛光氮化镓分子动力学仿真分析

为了揭示超声振动辅助抛光（UVAP）氮化镓（GaN）的微观机理,为优化超声参数实现GaN材料高效去除和改善表面质量提供指导意见。采用分子动力学（MD）模拟方法研究了超声振动条件下单个磨粒在氮化镓（GaN）材料表面的划擦行为,并分析了超声振动周期和幅值对GaN材料去除行为的影响。结果表明,随UVAP振动周期的增大,平均切向力不断减小,平均法向力先增大后减小,损伤层厚度先降低后逐渐趋于平缓。振动周期为40 ps时,去除原子数量为常规抛光的5.6倍,同时损伤层深度仅为15.85 ?。而随着UVAP振幅的增加,平均切向力先减小后增大,平均法向力不断减小,划痕宽度和损伤层深度非线性增大。在振幅为8 ?时,损伤层深度与常规抛光基本保持一致,且去除原子数量相比常规抛光提升了4.6倍。UVAP较常规抛光能够降低平均磨削力,增大划痕宽度,提升去除原子数量,具有优异的抛光效果。UVAP振动周期和振幅的增大均会增加划痕底部的位错类型。此外,位错总长度的大小主要受振幅的影响,而与振动周期基本无关。通过调控UVAP振动周期和振幅分别为40 ps和8 ?,能够保证较好的表面质量和较高的材料去除效率。     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验研究

在研制超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验装置基础上,进一步开展了抛光压力P,抛光点速度v及抛光液供给量Q等可控工艺参数对硅片抛光表面粗糙度、表面形貌和材料去除率影响的有无超声椭圆振动辅助抛光的对比实验研究.实验结果表明:抛光工具的超声椭圆振动有利于抛光垫保持良好的表面形貌和抛光区获得良好的工作状况,提高硅片材料的去除率;抛光压力对抛光质量的影响最大,抛光速度次之,抛光液供给量影响最小;在最佳抛光效果情况下,可使硅片抛光表面粗糙度值由传统抛光法所获得的Ra0.077ìm降到超声辅助抛光法的Ra0.042 ìm,材料去除率最多可提高18%,并且工件表面形貌有明显改善.     

磁流变抛光工具及其去除函数

在确定性抛光过程中,去除函数对于工件表面精度的提高具有非常重要的作用。该文提出了一种磁流变抛光工具,在机床加工范围内能够加工任意形状、任意尺寸的工件。分别求出了抛光区域内压力的两个组成部分,磁化压力和流体动压力的数学表达式。根据Preston经验公式,得到了磁流变抛光的理论去除函数模型。最后通过实验得到了这种抛光工具的去除函数,验证了理论去除函数的合理性,满足使工件面形误差收敛的必要条件。精确获得去除函数是实现数控磁流变抛光的前提。     

纳米ZrO2增韧Al2O3复合陶瓷的超声磨削性能

采用树脂结合剂的金刚石砂轮,对纳米氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷(纳米ZTA陶瓷)与普通纯Al2O3陶瓷进行了超声磨削对比试验,对磨削加工表面显微形貌进行了SEM观察,探讨了该材料超声磨削加工机理及主要磨削参数对磨削力的影响。研究结果表明:对纳米ZTA陶瓷采用超声振动磨削可以获得较高的表面质量和加工效率,因而是比较理想的加工方式。     

超声振动辅助磨削脆性材料去除机理

脆性材料塑性去除有利于提高加工表面质量。采用切向、轴向和径向超声振动辅助磨削加工方法,对烧结钕铁硼NdFeB永磁材料去除机理进行了试验研究,结合脆性材料去除脆-塑性转变临界条件,分析了不同超声振动辅助方式对材料去除机理的影响。分析得出以下结论:轴向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性剪切的方式去除;切向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性方式去除,同时伴有少量沿晶断裂;径向超声振动辅助磨削加工过程中,工件材料主要以断裂破碎的方式去除,而且加工表面残留裂纹。因而,轴向超声振动辅助磨削最有利于实现脆性材料塑性去除。     

换能器阵列型超声抛光机理及声场仿真和实验研究

为了提高工件表面抛光质量和抛光效率,对传统非接触式超声振动抛光进行了改进,将单个换能器换成换能器阵列,同时加入料筐的旋转运动,设计了实验样机。分析了超声抛光的材料去除机理,推导出单颗磨粒去除材料体积和磨粒振动速度的表达式。利用COMSOL对样机抛光槽内液体进行声场仿真,研究了换能器个数、换能器布置间距、换能器输入电压对抛光液声场分布的影响,优化了抛光槽底部换能器的布置方式,仿真结果显示,换能器个数为4个、布置间距为55mm时,抛光槽中心区域声压分布更加均匀。实验探究了样机料筐转速、抛光时间、换能器输入电压对工件表面抛光质量的影响规律,确定了工件表面抛光效果最佳时的工艺参数组合,结果表明:料筐转速为50r/min、抛光时间为80min、换能器输入电压为150V时,抛光效果最好,此时工件表面粗糙度减小量为0.019μm,表面粗糙度变化率为33.33%。     

公自转磁流变抛光循环装置及其稳定性

磁流变抛光中磁流变液的循环更新是产生确定性去除的重要条件。该文针对循环系统展开分析,讨论了机械结构稳定性、磁流变悬浮液性质、循环系统压力流量稳定性及温度稳定性等因素的影响;并针对公自转磁流变抛光设备提出了特有的轮上磁流变液循环装置,开展了相关的分析和实验研究。结果表明:该轮上循环装置满足了公自转加工的要求,并且明显增强了公自转磁流变抛光设备的去除稳定性和去除效率。     

磁流变抛光头形状对加工表面粗糙度的影响

设计了4种不同形状的抛光头,并使用自制的磁流变抛光液体在三轴数控铣床上对K9平面玻璃进行了磁流变抛光工艺试验.分析了在不同的磁场强度、磁极转速,加工间隙等多种情况下抛光头形状对加工表面粗糙度的影响.试验结果表明:槽型平面抛光头的抛光效果最好;同等条件下,在抛光头上开槽能有效地提高加工效率和加工质量.     

小口径非球面碳化钨模具的磁场辅助抛光工艺

小口径非球面光学透镜具有优良的光学性能和广阔的应用前景，但其常用的碳化钨模具由于高硬度的材料特性，加工和抛光难度较大.为获得高质量、高精度的小口径非球面透镜，利用磁场辅助的抛光方式对其碳化钨模具进行加工：首先，通过一系列单因素试验选出合适的金刚石微粉粒度和抛光液成分配比，再采用正交试验探究多种工艺参数对抛光效果的影响规律，确定最佳工艺参数组合.结果表明，使用该组工艺参数抛光可以使检测点的粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm,刀纹痕迹明显变浅甚至消失.因此，磁场辅助的抛光方式能够有效改善模具表面的波纹度和粗糙度，对于小口径非球面光学元件的加工具有一定的参考意义.     

纳米复相陶瓷超声磨削频率与表面质量关系的实验研究

基于超声刻划试验得出超声振动下单颗磨粒去除材料方式的变化,从本质上解释了超声磨削下表面质量提高的原因.超声振动作用会导致材料的磨削层表面等效硬度急剧降低,材料去除方式从脆性向塑性转变,且随频率升高现象更为明显.实验结果表明,超声磨削下纳米复相陶瓷材料的表面质量高于普通磨削,且超声振动频率的升高对提高表面质量有促进作用.     

纳米结构陶瓷(n-WC/12Co)涂层材料精密磨削的试验研究

对纳米结构陶瓷(n—WC／12Co)涂层材料在金刚石砂轮精密磨削过程中的磨削力进行了较详细的试验研究，对常规结构陶瓷(c—WC／12Co)和n—WC／12Co涂层材料的磨削力作了对比磨削试验。分析了磨削工艺参数如砂轮磨削深度、工件进给速度、金刚石砂轮粘结剂类型和磨粒尺寸以及被磨试件材料特性等对磨削力的影响。结合被磨试件表面的扫描电镜(SEM)的观察，分析了n—WC／12Co涂层材料磨削的材料去除机理。     

具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具

在光学自由曲面的成形抛光加工当中,加工去除的稳定性对工件加工质量具有重要的影响,而抛光液的更新是保证去除稳定的关键。该文提出了一种具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具,能够完成磁流变抛光液内部磁链的重组更新,使得加工去除稳定。针对此抛光工具,使用刚体润滑理论获得理论去除轮廓,通过实验获得其在单自转状态下的去除轮廓,与理论分析吻合。峰值去除量时间的实验表明,该抛光头的去除效果受时间的影响很小,抛光去除稳定。     

连续进动气囊抛光材料去除特性研究

为提高和调控模具自由曲面的加工效率与质量,提出了机器人辅助连续进动气囊抛光方法;运用运动学原理,推导了行切法加工方式下的切向速度数学模型;基于Preston方程,建立了连续进动气囊抛光材料去除模型;通过MATLAB仿真技术,分析了其它工艺参数一定的条件下,进给速度和叠加次数对气囊抛光切削方向分布和材料去除特性的影响;以材料快速均匀去除为目标,获得了优化进给速度v=0.7mm/s和叠加次数n=3.最后,通过机器人辅助气囊抛光系统,进行了试验对比验证,与仿真结果吻合,证实了连续进动气囊抛光方法应用于模具自由曲面抛光的有效性.     

机器人气囊抛光SiC光学元件加工特性研究

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以及速度分析建立了材料理论去除模型,并对去除函数进行了仿真,再此基础上设计了气囊抛光磨头装置。然后对非球面碳化硅元件开展了单点和多点抛光,实验验证了去除函数的精确性和稳定性。最后通过粗抛和精抛进行加工应用验证,实验结果表明,所提出方法能够有效实现碳化硅光学元件抛光,并且去除函数精度高稳定性强,通过3个周期的粗抛、4个周期的精抛,面形收敛率分别为69.4%、51.9%,且收敛速度快、加工精度高。     

超声振动珩齿材料去除机理的初步分析

在硬齿面齿轮加工中,为了降低成本并促进珩齿工艺的发展,把超声振动应用于珩齿工艺中,即硬齿面平行轴超声振动珩齿。研究了超声振动珩齿新工艺,分析探讨了超声振动珩齿材料的去除机理。     

基于振型分解法的磁流变液夹层梁动力特性分析

为准确地模拟磁流变液夹层梁在不同磁场强度及作用位置下的振动特性,获得其阻尼变化规律,对于磁流变液复合结构的动力性能研究具有重要意义。通过ABAQUS的Frequency与Modal dynamics振型分解求解方法,研究了填充两种磁流变液的双层铝条夹层梁在不同条件磁场作用下的自由振动特性。结果表明:采用振型叠加法可以简单、有效地实现对磁流变液夹层梁构件自由振动过程的模拟;基于Cohesive单元构建的磁流变液阻尼计算方法能够准确地获取磁流变液夹层梁在自由振动过程中的模态及其运动状态;通过对模拟结果的分析,可将结构阻尼和材料阻尼分离,达到深入剖析试验结果的目的。该方法可用于磁流变液复合结构在不同激振条件下的动力响应的模拟分析。     

剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

基于剪切增稠抛光(STP)的加工原理分析Si3N4陶瓷超精密加工的控制策略,考察所制备的含有立方氮化硼(CBN)磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为,分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态,研究其抛光特性.结果表明:抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应,可达到STP加工工艺用抛光液的要求;改变磨粒粒径,可以控制Si3N4加工效率与表面质量,且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化;STP加工Si3N4为持续微切削的"柔性抛光",初期为脆性剪切、粘着磨损去除,后期为塑性去除;当磨粒粒径达到纳米级时,表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力,说明STP不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小;随着抛光时间的延长,去除量先快速增大而后趋缓;抛光90 min后,去除率由初期的5.00~2.40μm/h降至3.24~2.04μm/h,表面粗糙度Ra由108.9~111.1nm降至22.0~10.7nm;抛光150min后,Ra可降至9.6~7.2 nm,实现了Si3N4陶瓷粗抛后的精密抛光.