微沟槽低黏度磨粒流抛光工艺研究

摘要

由于流体容易进入细结构表面，因而磨粒流体加工方法一直是微小结构超精密加工领域的一个研究热点。论文所研究的低黏度磨粒流加工方法是一种可以很好应用于微小尺寸结构的两相流体抛光方法。论文从微沟槽低黏度磨粒流加工的基本原理、材料去除机理、抛光平台的搭建、数值仿真及工艺实验等几个方面对微沟槽低黏度磨粒流加工方法开展系统性的研究工作。研究内容如下：
　　（1）介绍了微沟槽低黏度磨粒流的基本原理。结合流体动力学理论知识，分析了湍流现象在低黏度磨粒流加工中的应用，发现湍流是微沟槽低黏度磨粒流加工中材料去除的主要因素，因而对磨粒流流动过程中磨粒流体的湍流模型进行了进一步的分析。通过介绍磨粒在流动流体中的受力状态，分析出磨粒流中的磨粒可实现对工件的无序加工，并从冲击剪切和摩擦磨损两个方面对材料去除机理进行分析。
　　（2）利用CFD仿真软件Fluent并结合湍流模型对微沟槽低黏度磨粒流抛光通道分别进行二维和三维模拟优化计算，通过仿真分析了流道内磨粒流的湍流强度的分布。通过分析工件壁面受到磨粒剪切力的作用对流道进行优化，获取了可以使工件表面受到更为均匀剪切力的流道。对流道内磨粒的运动轨迹进行模拟分析，深入了解磨粒对工件的冲蚀作用。
　　（3）搭建了微沟槽低黏度磨粒流加工的实验平台，设计了抛光限流装置和形成抛光通道的工具头。对不同磨料的性能进行分析，并选用碳化硅磨料作为本次实验磨料颗粒。
　　（4）对微沟槽低黏度磨粒流加工工艺参数进行实验研究，通过铜材料的抛光实验研究，发现较小的抛光槽深度、较大的磨粒尺寸、较大的抛光压力以及较大的磨料浓度可以获得更好的材料去除率。通过对不锈钢材料的实验研究，分析了不同工艺参数对工件表面粗糙度的影响。研究表明，微沟槽低黏度磨粒流抛光方法可以对微小结构的工件产生有效的材料去除，并可获得粗糙度值Ra12nm左右的光滑表面。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景及意义

1.3流体抛光技术的研究现状

1.4磨粒流光整加工技术的国内外研究现状

1.5流体抛光在微结构表面抛光中的应用分析

1.6论文研究目的与内容

第2章 微沟槽低黏度磨粒流抛光的理论模型

2.1微沟槽低黏度磨粒流抛光的基本原理

2.2湍流模型在低黏度磨粒流抛光中的应用

2.3单颗磨粒在磨料液中的受力分析

2.4微沟槽低黏度磨粒流抛光的材料去除机理

2.5本章小结

第3章 微沟槽低黏度磨粒流抛光的仿真分析

3.1低黏度磨粒流的CFD基本原理

3.2仿真模型及边界条件

3.3微沟槽低黏度磨粒流的二维两相流模拟及抛光通道优化

3.4磨粒运动轨迹的模拟分析

3.5微沟槽磨粒流抛光的三维两相流模拟

3.6磨粒流对工件表面剪切力和动压力的仿真研究

3.7本章小结

第4章 抛光平台及实验准备

4.1抛光平台的搭建

4.2实验材料的选取及准备

4.3实验检测仪器

4.4本章小结

第5章 微沟槽低黏度磨粒流抛光的实验研究

5.1实验方法

5.2铜材料去除率的抛光实验研究

5.3不锈钢材料表面粗糙度的抛光实验研究

5.4本章小结

结论与展望

1 论文的主要研究工作和结论

2 论文的主要创新点

3 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间参与的研究课题