弹性发射加工中磨粒群运动特性的研究

摘要

随着科学技术的发展，具有超光滑表面质量的光学元件已广泛应用于高精密产品和现代化国防等重要领域，超光滑表面加工技术是当今制造业的研究热点，直接影响机械产品的精度和表面质量，本文研究的弹性发射加工技术（Elastic emission machining，简称EEM）具有加工范围广、材料去除稳定、无亚表面损伤等优点，在高质量光学元件的超精密加工中具有很好的应用前景。
　　本文针对EEM中的磨粒运动状态及材料去除函数分别进行了仿真分析和实验研究，为基于EEM技术的超光滑表面加工提供了理论依据及技术支持，主要做了以下几方面的工作:
　　(1)搭建了具有压力反馈和在线调整功能的EEM系统实验台，利用实验台对K9玻璃进行了EEM实验研究，并在不同工艺参数条件下对工件的去除率进行了仿真和实验分析。
　　(2)通过Fluent软件计算抛光区微观流场，分析了磨粒在流场中的受力状态，建立了单磨粒在流场中的运动方程，分别利用Fluent软件和Fortran软件对单磨粒的运动轨迹进行了仿真。
　　(3)建立了磨粒-磨粒、磨粒-弹性轮以及磨粒-工件的碰撞模型，利用建立的考虑多磨粒碰撞的EEM磨粒运动仿真模型，基于Verlet算法和Fortran软件模拟了磨粒群在流场中的运动规律。
　　(4)建立了基于EEM的K9玻璃理论去除函数模型，利用建立的模型对不同工艺参数条件下的材料去除率进行了仿真分析。
　　通过上述研究，EEM方法可以获得纳米级的超光滑表面;考虑多磨粒碰撞的EEM磨粒运动仿真模型更客观地反映了磨粒群在抛光液中的运动规律;磨粒冲击工件壁面的区域主要集中在最小加工间隙的前段位置，在最小间隙处并没有磨粒的冲击作用;随着加工间隙的减小，磨粒冲击工件壁面的速度变大，磨粒冲击数量呈现出先变大再变小的趋势;随着磨粒浓度的增大，冲击工件壁面的磨粒数量变多，但冲击速度和冲击角度基本一致;随着磨粒粒度的增大，冲击工件壁面的磨粒数量变少，但冲击速度变大，冲击角度基本一致;实验研究和仿真分析均表明工件的去除率随着磨粒浓度、磨粒粒度的增大而增大，随着最小加工间隙的增大而减小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超光滑表面抛光技术现状

1．1．1 超光滑表面定义

1．1．2 超光滑表面抛光方法

1．1．3 自由曲面超光滑表面抛光存在的主要问题

1．2 弹性发射加工技术研究现状

1．2．1 弹性发射加工的实验研究

1．2．2 弹性发射加工的理论研究

1．2．3 目前存在的问题

1．3 课题来源、研究目标及论文主要研究内容

2 基于圆柱形工具轮的弹性发射加工实验系统的搭建

2．1 加工系统的整体设计

2．1．1 加工系统的设计要求

2．1．2 加工系统整体设计方案

2．2 加工系统中关键部件的性能特点分析

2．2．1 高精度电动平移台及其控制器

2．2．2 伺服电机及其驱动器

2．2．3 压力传感器

2．3 实验台的搭建方案及其稳定性分析

2．3．1 实验台的搭建方案一及其稳定性分析

2．3．1 实验台的搭建方案二及其稳定性分析

2．4 工具材料的选择及其精度控制

2．4．1 工具材料的选择

2．4．2 工具轮精度的控制

2．5 本章小结

3 EEM中多磨粒运动状态的数值模拟

3．1 EEM中固液两相流流场的计算

3．1．1 固液两相流概念及其研究方法

3．1．2 固液两相流的基本方程

3．2 抛光区流体速度场计算

3．2．1 问题原型描述

3．2．2 边界条件及网格划分

3．2．3 利用Fluent求解器进行求解

3．3 单磨粒运动状态分析

3．3．1 磨粒在流场中的受力分析

3．3．2 磨粒在流场中的运动方程

3．3．3 Verlet算法

3．3．4 单磨粒的运动轨迹仿真

3．4 多磨粒的运动状态分析

3．4．1 磨粒间的碰撞模型

3．4．2 磨粒与工具轮的碰撞模型

3．4．3 磨粒与工件壁面的碰撞模型

3．4．4 磨粒群的运动状态分析

3．5 本章小节

4 弹性发射加工中材料去除率仿真分析及其实验研究

4．1 弹性发射加工中超光滑表面创成机理分析

4．2 材料去除率的仿真分析

4．2．1 工件材料的去除率模型

4．2．2 工件材料的去除率仿真分析

4．3 弹性发射加工的实验研究

4．3．1 弹性发射加工工件形貌实验研究

4．3．2 磨粒浓度对材料去除率影响的实验研究

4．3．3 最小加工间隙对材料去除率影响的实验研究

4．3．4 磨粒粒径对材料去除率影响的实验研究

4．4 本章小结

5 总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢