（机械电子工程专业论文）圆柱表面低温无磨料抛光工艺与机理研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郏重声明：所呈交的硕士学位论文，圆柱表面低温丸磨料抛光工艺与机理 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 班到本声明的法律结果由本人承担。 作栉签私之三年立jj , 3f t 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”同意k 春理工大学保留并向中囡科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论 文食文数据唪和c i 系列数据库及其它国家有关部i 或机构送变学位论文的复印件和 电子版允许论文被查阅和借闻。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 挪分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 名：爨碎垃吐山l 导师椎名 逋鳟 趁，竺年上jj 丝 i 摘要 本文结合吉林省教育厅的科研项目“嘲柱表面低温无磨料抛光工艺与机理研究” 对圆柱表面低温无磨料抛光加工方法进行了系统的研究 本文详细地介绍了实现低温无廓料抛光的实验装置抛光冰刀的制备垃程，阐迷 了) j i l li ：岂过程及加工后工件的清洗与测量，采用不司水质冻制的川具，不同的主轴转 速、气缸丁贞头的k 力硬抛光时日j 对会属材料进行抛光试验研究在上述条件f 对抛光 结果的影响规律，最终得出抛光= 岂过程中的最佳参数，井目在微观领域内运用界面、 表面和金属材料结构等理| 仑对会属材料低温抛光加工过程中表面微观去除机理及试件 表面耦糙度变化规律，进行了初步的探泔和解释 关键词：低温无磨料圆柱表面冰刀抛光 a b s t r c t a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to fj i f i np r o v i n c ee d u c m i o nd e p a r t m e n t i nt h ep a p e r i ti s t a l k e da b o u tt h ep o l i s h i n gp r o c e s sa n dp o l i s h i n gm e c h a n i s mr e s e a r c ho lt h en o n a b r a s i v e c r y o g e n i cp o l i s h i n go nc y l i n d r i c a ls u r f a c e s i tw a si n t r o d u c e dt h ep o l i s h i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dt h ep r o d u c i n gp r o c e s so ft h e p o l i s h i n gi c et o o l i nd e t a i li tw a sa l s oe l a b o r a t e dt h et e s tm e t h o da r e rp o l i s h i n gt h ew o r k p i e c e a n di nt h ee x p e r i m e n t1 h ed l f i e r e n tl c et o o l sd i 雎i e n tr o t a t i o ns p e e d sd i f f e r e n t p r e s s u r e sf r o m t h ec y l i n d e ra n dd i f i 、c r e n t p o l i s h i n g t i m ew e r ea l l a n a l y z e do nm e t a l c y l i n d r i c a lp o l i s h i n gs u r f a c e si nt h ec o n d i t i o n s t h ep o l i s h i n gl a ww i l lb em u n di nt h ef i n a l t h eh e s lp o l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw i l lb ec o n c l u d e da tt h es a m et i m e i tw i l lt a k eu s eo f s u r l a c e st h e o r ya n dm e n t a lm a l e r i a l ss t r u c t u r ea n do t h e rr e l e v a n tk n o w l e d g et oe x p l a i nt h e p o l i s h i n gm e c h a n i s mi nm i c r of i e l d k e yw o r d s ：e u , o g e n i c l l o l l a b r a s i v e c y l i n d r i c a ls u r f a c e s i c et o o l p o l i s h i n g 目录 摘要 a b s t r c t 目录 第一章绪论1 11 超光滑表面概述 i 12 圆丰：l ! 表面的加工方法概述l l3 低温i 一程发腱和应用 6 i4 研究内择 8 15研究意义8 第二章圆柱表面低温无磨料抛光的实验装置及测量设备1 0 2 l 实骑装胃发冰刀制备1 0 22 金概唰 e 表面低温无磨科抛光的) j n s i 丁岂 1 5 23 表珀】f h 糙度的测量1 6 第三章金属圆柱表面低温无磨料抛光过程分析与r e e u r l ) y n 仿真】8 3i 抛光过程。l il ：件抛光过程分析i 仿照1 8 32 嘲托表面低温无麝料抛光吏螗基j r e c u r d y n 运动仿真分析2 2 第四章金属圆柱表面低温无磨料抛光影响因素的实验研究2 7 41 水质对金腻圆柱表面低温无磨料抛光影响的实验研究2 7 4 2 气扛x 头j j 二力对金属圆柱表面低温无醇料抛光影响的实验研究 3 2 43 转述及抛光时间对会属圆柱丧面低温无磨料抛光影响的实验研究 3 2 4 4 实验验证， 3 8 第五章金属圆柱表面抛光加工机理的初步探讨3 9 5 l 勺= 属材料介绍 3 9 52 边界润滑理论4 8 53 枭槭幽托表面低温无磨料抛光机理的探讨4 9 结论一5 2 l 女谢，站 参考文献。5 4 第一章绪论 1 1 超光滑表面概述 超光滑表面最龃接的评价标准就是，它的表面 h 糙度r a 值为01 n m r a i 这 个严格的要求晶扫j 是在光学中提出柬的随着科技的不断进步，先进的产品和尖端武器 对器个元件的表而 h 糙度要求越来越严格凶此，超光滑表面的应j l 】范围越柬越广在 光学系统中，光学兀件的表面都非常的光滑一般用于反射和折射的元件，表面粗糙度 要求r a 值达到1 2 r i m 方可使用超光滑零件表面能够获得很高的透明度现在光学和薄 膜科学的发展对零件的袤面粗糙度提了苛刻的要求在超精密机械和计算机的发展 领域，同时超光滑表面和超精度的零件，得到了广泛的应用如计算机的硬盘驱动器、 激光检测用到的金属扫描转镜、硅摹扳的加1 、激光核聚变应用的会属反射镜加上等 纳米技术的提高和发曩可使机械，f a 子、航宅、航天等高尖端技术的到稳定发展 1 2 圆柱表面的加工方法概述 目前，对i f | j 】托表面抛光的方法有搬多如磁力研磨抛光、砂带席削、超声波振动研 孵、电解抛光、l u 衅磁力抛光及激光加工等 1 2 1 磁力研磨抛光法 磁力研磨的方法是在1 9 3 8 年由前苏联f t j 3 2 程师k a r g o o w 首次提出的早在上个 世纪5 0 年代，6 0 苏联、h 本和保加利亚等圆对此方法做了很多研究并且研究制造出了 磁力研磨的装霄这种疗法得到了广泛心用 磁力研磨( m a g n e t ica b r a s iv ef i n is h n g ，简称m a f ) 是利用磁场的作用进行材料微 去除表面的加工方法实质上就是通过利用磁场嬗过磁性介质产生的磁力作用在带磁 性的粒子e ，使碰性粒子对工件进行微切削的加工方法这种疗法能够对不同材料、结 构和尺寸的攀什进行有效地、快速地研磨抛光如图l _ i 所乐，为圆柱表面磁力研磨加 工原理图将圆柱工件放在磁场中，然后在磁铁和工件之间填充满磁性磨粒通过对电 磁铁加以直流电，在、极和s 极之问形成磁场磁性粒子就会立刻受到磁力而被吸引。1 时磁性蘑托在磁力的作用下，在磁力线的方i l l 上整齐地形成刷子，i i l l , t 在工件的表 面产生一定压力随着工件与磁极f i j j 的相对转动磁刷经过与1 ：件的摩擦，从而实现1 件表面的硎黪抛光 磁力研磨加丁方法具有很多的优点”1 研磨的工具具有可控性、自适应性、柔性、 自锐性等特点，h 时它无变质层、l l y l 卟、效率高、质量高，井且工具无须进行磨损 补偿、无须修形等优点此研究成果已经在平【自i 、内外圆面和成型面光整加工中得到了 r 泛应用此方法町以达到亚微米加工精度 22 电解磁力抛光 幽l _ l 捌杵表面1 l i l 力研磨示意倒 碳刷 能i 极 磨粒 幽12 电斛磁力i l j f 晰抛光示意幽 k u p p u s w 椰v 提m 磁场对电解磨削材料有去除作用“k u m a g a i 提出磁场对电解磨削 铁磁材料切削j 发材料去除有很大的作川j c o n gd u 等对i u 解磁力抛光的机理进行 了系统地研究一电解磁力研瑭抛光是把电化学加工和磁力研磨加t 两种加工方法结合 在一起这种方法址对高硬度、高强度、高韧性及难加工的表面的新型抛光方法通过 这种方法能够获得趣光滑的加工表面如图l2 所示，电解磁力研蘑抛光工艺的加l 原 理图工件通过电刷接通电源的正极，阴极接通电源的负极在泵的作用下，电解液经 阴极通孔流到t 件的表面工件同时以一定速度旋转，也做轴向振动在垂直于 件轴 线方向蚌与i b 山线成9 0 的方向通赢流强磁场，此时，在磁极和工件问的磁场中填充 游离状的磁性颗粒，磁 t 会沿着磁力线方向排别而形成磁刷磁刷以一定的压力吸附在 丁件的表面l 。，进而对：l 件进行研磨加工 电解磁力研磨的特点 ( 1 ) 研磨效率高，电解磁力研磨是在电解、磁性磨料研磨和洛伦兹力的三重作用下 对工件进行抛光，因而会比磁力研磨或者电解抛光单独加工的加工效率高 ( 2 ) 上件没有热变形产生由十磁性颗粒是以一定压力吸附在工件表面上对硬度比 较低帕钝化膜进行磨削，同时加上电解液的冷却作用，与其他刚性研磨方法相 对比，工件不会产生热变形，也不会造成表面残余应力及烧伤退火等表面加工 的缺陷 ( 3 ) 在电解磁力研磨如l 工过程中阳极的溶解与被加工材料的硬度、强度、韧性等 机械性能没有关系只与被加工材料的电化学性质和加 二过程中达到的电流密 度有妥系因此，对于研跨难加1 ，材料的表面更有利 1 2 3 超声波振动研磨抛光 超声振动研磨抛光是非去除材料方式的种抛光方法。 。9 ，抛光后材料的表面粗糙 度能够大幅度地降低，能够使表面硬度提高，耐腐蚀性、耐磨性也有所改善 超声超声波振动研路抛光特点： ( i ) 超声波抛光比传统的机械抛光效率高超声的高速振动极大地陴低了抛光阻力使 抛光加【能够快速地进= 亍 ( 2 ) 超声波抛光，通过选用不同的工具，能够应用于电火花加工、铣削加工及其它表面 的抛光处理除了可以加工黑色盒属工件外，对有色金属和非会属，也呵以进行去毛 刺、研瘗和抛光处理。 ( 3 ) 超声抛j _ 三帆的结构比较小巧，十分便于携带 ( 4 ) 用于抛光的工具制造比较容易抛光的过程为手工操作，因此可以根据不同用途及 时方便地更换合适的抛光工具 超声波震动研磨抛光是对工件脉冲式地连续抛光通过利用常态下会属的冷塑变 形的特点通过特定工具在工件表面力作用使工件表面产生塑性流动从而把工件 衷面的微观波峰烫平1 。，填 不平的表面进而改善工件表面的质量，在普通的车床 进行抛光时_ 件随主轴旋转工且头沿着轴向进给，敲击。【件的表匮1 抛光原理如蹦 l3 所示 i 13 抛光过程示意圈 i 2 4 激光抛光 随着激光相关技术的高速发胜，出现了一种新型的材料表面处理技术这种技术是 通过一定能嚣密度和波长的激光束照在特定的工件上，使工件的表面薄层物质融化或 者蒸发从而获得超光滑表面此方法，1 i = 需要任何机械和抛光的工具，它可以用于加工 传统方法很准加工或者不可能抛光的，及复杂形状表面的表面加工。 激光加工的特点“： ( 1 ) 激光抛光可用于加工的范围非常广，加工的材料既可以是会属的也可以是非余 属的，既可以加l = 精度要求离的精密元件，也町加工精度要求不高的一般器件 ( 2 ) 激光抛光出来的元件精度高激光加工可以获得超光滑表面 ( 3 ) 激光抛光是一种非接触式的衷何加 。方法，其可控性很强，和计算机连接t 可 咀实现加工过程的自动化同时能精确的控制熔深也可控制被加工材料的温度 这种方法还可以控制工件加工表面的区域和面积 ( 4 ) 激光抛光的过程中，被加工工件表面去除的材料，要么被熔化掉，要么被蒸发 困此，最终的加工表面没有任何的抛光残渣这种方法清沽无污染是坪保的 加工方法 ( 5 ) 激光抛光这种方法工艺比较简单，啦一效率也比较高 ( 6 ) 激光抛光的优点我们清晰町见然而昂贵的设备和自l i e 成本t 以及在线监测技 术和精度控制技术的高要求，使激光抛光的“泛应辟j 受到了限制 1 2 5 砂带磨目q 技术 砂带磨削是利用砂带在高速转动f 与工件表面进行接触，产生摩擦，从而改变工 件表面质量的磨削方法其工作原理图1d 所示 砂带磨削是利用接触轮与工件表面发生接触产生摩擦进行磨削因为这种磨削方 法产生的接触力犬单位时间的金属切削量大，加工的效率高，所以适用于内外圆表 断和平面韵磨削相对于轮压式磨削，带压式磨削接触力，j 、，单位时脚内金属切削量小 差要用于鲆削圆弧表面和圆锥面等异型表面” 阿1d 砂带磨削d i 意幽 砂带磨削具有h 下特点二 ( 1 )砂轮廓削是冷态的磨削原因在于砂带比较长，便于散热，使磨粒得到了很好 的冷却不容易造成工件表面的烧伤和命相组织的变化 ( 2 ) 磨削效率在材料去除率方面。砂轮磨削要比普通砂轮磨床好得多加工敬率 高，在于砂带上的磨抖是专门制作出来的磨粒的形状呈长三角体，采用静电植砂等先 进工艺制作，磨粒的大小均匀，等高性好，并且尖韧的一面部朝向外部所以砂带的塘 托比砂轮的磨粒堑锋利切削性能好 ( 3 )砂轮磨削是弹性磨削整套的磨削系统具有抗振性因为砂带本身具有很好的 柔性和挠性，与工件接触属于柔性接触有很好的抛光作用 ( 4 ) 砂带磨削适用的范围比较大i 这种加工方法几乎适用于所有工程材料的加 丁，如会属非会属、难加丁的材料等 ( j ) 砂带磨削的，e 产成本低经济效益好砂带磨削的设备比较简单，制造成本低 砂带调整容易，安装方便，制造也擞方便 1 3 低温工程发展和应用 1 3i 低温工程的介绍 低温丁程是通过超低温流体在刀具内或工件内形成局部的低温( 或超低温) 状态， 从而在这种状态f 的工件和刀具的机械性能得到改变，有利于机械加工物质都有温 度，然而温度的高低与物理热息息相关热的物质，其内部的原，表现十分活跃但n 低温条件f ，其原子排列秩序井然 低温抛光是指在加工区域的温度控制在零摄氏度左右，进行的抛光加工过程分为 两走类：即有磨料低温抛光和无磨料低温抛光只本理化所的大t i ! i 整研究员是最早从 事研究低温抛光的研究过程中他首次提出了冰冻砂轮抛光的概念如图l5 所示 抛魁过科 凹15 冰冻砂轮抛光过程和外观幽 大森整并投古j f ：式提出低温抛光的概念在他的文章中，他写到要得到非常光滑表 面，抛光工其的磨粒应该是极其微小的，并且是要求分布很均匀枯结磨料的粘结力要 也需要非常小经以l - 总结，他制作出冰冻砂轮他详细地阐述了制作冰冻砂轮的疗法t 将水与一定力度s i 【) ，微粒均匀混合这就形成丁具有一定浓度的胶体，然后将胶体裟 入律器内进行冻结，冻制后再把砂轮取出柬，冰诛砂轮的制作就完成了把砂轮安装在 i 5 计好的l 装1 就可以对【件进行抛光丁”4 132 低温工程的发展现状 北2 0 世纪j 0f f 代对低温就丌始进行研究1 9 5 2 年，o l s o n e t a l 在低温下进行了 忻形铣削实验、1 9 5 9 年本益子教授等人对低温加工效果矗理论上进行了详细的叙述 【刊时也进行了大量试验，着重阐述了低温f ，工件的脆性、难加 材料的加i 、延长刀 具寿命等碍。论，返衅理论在试验中得到进 步的验翊- - 1 9 5 9 年，利用c 吼冷却 件，冷却 i 驯奠使温度达到1 0 9 0 加工过程中采用开放式回路对切削区域进行冷却 1 9 6 2 年，同本的问木教授通过应用己二醇水溶液采取封闭循环方式对工件进行冷却冷却 i ；矗度可以达到一2 5 3 0 v1 9 6 5q - 1 9 6 6 年i 训f i 本东洋大学的上原教授利用c 0 干、。 丌放式冷印嘲路对工件进行连续冷却，温度t 以达到一2 0 0 1 9 6 7 年1 9 6 8 年日j h 本 京都大学奥岛教授采取阿种方式冷却刀其，首先应用电子冷却法在一8 下使刀具进行 切削加工，然后应刷c 0 ，和对刀具继续冷却，温度n 丁达到7 0 - 1 9 0 1 9 8 1 年f 1 本山 崎制作所研制出可供刀具内部冷却的切削实验的全自动机床，在媛系统中低温刀具得 以应用1 9 8 2 年美田研制出利用冷冻的方法及干冰对热塑性材料进行冷冻加工，并取得 成功】9 8 6 年| j i 苏联也通过研究冷冻法对t 件在低温条件下进行加工到了2 0 世纪9 0 年代羹国| j e b l o n g 公司掌握了利用高压气体冷却对i ：件进t r l j n 工技术，川具上产生热 量是经过主轴的高压气体带走2 01 垃纪9 0 年代| 1 本的麟决工所研发制作的k c 2 5 0 h 】1 1 11 ：式滚齿机，采川硬质台余刀具，经过冷k l 冷却，它的加工效率比传统滚齿机高根多 在国内吉林人学王立江教授领导的学术团队对平面零件低温抛光进行了深入研 究1 2 这个学术团队通过采川冰冻砂轮分别对硬脆材料、半导体材料、仑属材料进行 了低温无磨料平面抛光实验研究。：，取得了传统抛光方法难以达到的设果，得到了纳求 级别的超光骨表面，并且首次正式提出了低温无磨料抛光这种m n 工工艺方法” 1 3 3 低温无磨料抛光介绍 低温无磨料抛光是指在温度不高于零搬氏度的祭件下将1 i 台有任何磨料的水冻 制成抛光t 具对工件表 酊进行研磨抛光的方法冰冻工具能够使材料的表面温度很低 1 冰是晶体，冰的品胞格予如图16 所示 幽l6 球胞结构【目i7 冰中水分子的排列硬氢键作心示意幽 冰中水分子的排列及氢键的作用如图l7 所示许多研究超光滑表面加工的人员都 在细化磨粒力度和增加磨粒自锐角上做了深入研究，无磨料低温抛光的提出- 超越了 有磨料思想的禁锢抛光工具只要有磨料存在，无论做到多么小都会影响t 件表面的 质量 低温无髓料抛光的特点： ( i )低温无磨料抛光加工b 芏域温度不超过0 ，抛光中无瓣料，避免了工件损伤能 得到高质量的超光滑表面 ( 2 )低温无磨料抛光足在普通机床 进行的，冰刀是采用水冻结成冰块，因此加工 费用低，环境污染小5 _ ( 3 )冰刀表面在加工过程中不断融化不需用冷却液进行冷却，避免了冷却液对工 件的腐蚀 ( 4 )抛光过程具有自适应性，可加工带有任意特征的圆柱表面零件 1 4 研究内容 本文采j 1 低温无磨料抛光的方法，通过制备冰冻刀具，设计刀具进给装置在 c a 6 1 4 0 车床上实现对圆柱表【面零件的抛光实验研究抛光工艺工装和抛光机理具体内 容及主要思路如f ： 1 ) 刀具制各 研究冰冻刀具的尺寸及其形状，设计冰冻刀具的模具，采用去离子水在低温条件下 实现刀具的制各 2 ) 工装设计 设计的 具进给装置使得满足以f 条件： ( 1 ) 随着冰冻刀具的融化，保证刀具对加丁工件的恒压作用并且使进给装置的压力可 调 ( 2 ) 保证进给装置能够与车床安装可靠且保证加工过程的稳定性 3 ) 实验分忻研究 在实验叫j 通过改变工件材料、： 件直径、工件转速以及抛光压力、抛光时日j 肄参 数分析研究这些因素对1 二件表面耜糙度r a 值的影响 4 ) 抛光机理研究 对分析实验结果分析研究探索圆柱表面低温无磨料抛光得到光滑表面的机理 1 5 研究意义 金属材质的低温无磨料抛光加工能够提高科技产品- z 的关键零件等技术性能采 取先进的加工r 艺制作出高精度的零件能够促进机械、电子、航天，航空等领域高科 技的发展 随着发动机轴和超精密机床主轴转速的不断增加，现如今已经出现了几万转转速 的机床主轴要求# 轴具有高回转精度和超光滑表面对零件圆柱表面的低温无磨料抛 光研究尚未吧报导因此，对零件圆柱表面低温无磨料抛光的工艺t 装及机理研究提供 了新的抛光疗法，对实际生产有一定意义 圆柱表面的低温无磨料抛光作为种新的抛光工艺，冰冻刀具自适应调整- 避免 由于热变形对加i 工件带柬的加工误差影响，加工成本低且无污染，适应绿色制造发 展的方向 第二章圆柱表面低温无磨料抛光的实验装置及测量设备 2 1 实验装置及冰刀制备 2 i 1 实验设备 本实验是在长存太学低温加工实验室的c a 6 1 4 0 车床l 进行的自制的工装替换了 原来刀架的位置，工装通过四个t 型螺栓与刀架底座位置相连，工装与机床连接十分 叮靠且工作平稳机床的外观圈如图2i 所示 2 1 _ 2 实验工装介绍 如f 图22 所不图片对蛮验| 装的模型以及备个部分做洋细自 ( 2 ) 幽22 实验i 装组成 时q 定桨2 宣鞋底3 州定扎4e 】q 自架5 气“6 【缸顶头7t 件8 底同2 板9 悯同定扳1 2j 问定扳1 3 埠l 1 5 # 蝶4 1 6 抖荫l t 机m 蝶栓 此下装结构简单实用工装中的冰刀央扳l o 和侧固定板1i 之间 并加以弹簧1 6 安装弹簧的目的是为了随着冰川在抛光过程中水断牌 作用下，能够持续保证l ：装对冰川的失紧作用能够保证冰川小会产 光过程巾的稳定性观将整个抛光过程阐述一f 首先将轴类零什7 卡盘e 面然后电机经过变速箱经过卡盘带动工件旋转同时冰川1 4 安放在工装t ，通 过控制气缸5 的作用，推动冰刀l 与工件7 接触，通过控制时h j 、进给压力、l _ f i ：的 转速，实现对丁件的低温无磨料抛光_ 件转速通过控制革床主轴实现，控制范围在 5 r l m i n 1 6 0 0 r l m in 气缸的玎三力通过调压阀町以调节，史现对气缸气压的可变控制 同时也保证实现门县的恒瓜进给气压的调节范围是0 l m p a 本实验由r 条件有限，在常温f 采取丌式e 作进行的避免不了对抛光加工造成 消极的影响，环境中存在的杂质不町避免会进入抛光区域内由于实验在常温f 进行， 虽然是托寒冷的冬季但是室温的影响，电造成冰刀会连渐地融化 工装宴体以殷与车床的连接情况如图2 3 所示。工装实体与模型完全一致，且动 作过程与事先进行的运动仿真完全柏吻合。 2l3 工装气动控制回路 冰川 剖2 ai 姨的气压控制同路 如图24 所示为实验工装的气动控制【i i 路部分，该控制路简单 法旧路主要山气泵、过滤器、止力调宵阀、二他四通手动控制阀及气缸组成通过控制 力调谛阀，调整实验过程中的气压，满足实验过程调压与恒压的需要通过控制手动 控制阀实j 蛇气缸的伸缩最终实现冰刀的进给 2 14 冰刀的制各 、水和冰的特性 冰刀出 。是山水冻制而成，首先我们有必要了解一下水和冰的特性 水的特性。 1 ) 水的比热比其它的物质大，为41 8 6 8 j ( gk ) ，在相同受冷或者受热条件下，水 的温度变化比较缓慢 2 ) 一般状态下水是无色无味透明的液体在标准气压下水的凝固点足o c ， 沸点是1 0 0 3 ) 水冻结成冰时，它的体积会膨胀变大，线膨胀系数约为o5 5 * 1 01 ，体膨胀 系数约为线膨胀系数的3 倍 4 ) 当水在零上d 时，它的密度最大，为l g c m 当温度大于4 c 时，水和其它的 物质样热胀冷缩，但是水温介于o c 和4 c 时会出现热缩玲胀现象当水高 于4 时，其体积就会增大 5 ) 许多的物质易溶于水，气体可以溶于水同时还有这样一个规律那就是夫部 分物质在水中的溶解度都会随着温度的升高而增大，而气体却是恰恰相反 6 ) 水是具有定粘度的流体水的粘度随温度的升高变得越来越低 ( 2 ) 冰的特性 】) 在常压f ，水冻结成冰以扁，体积会增大9 ，可见冰的密度比水小 2 ) 冰的比热与温度息息相关约为水比热的一半 3 ) 冰的导热系数，会随着温度的降低不断增加 4 ) 冰的组成成分及结构对冰的性能产生很大影响若冰中含有的气较多，就会在 成冰具有很差的致密性，且成乳白色，它的硬度也会受到影响 5 )“姆潘巴问题”，对两个容积相同容器中的水同时冷冻，温度高的水会先结 冰5 针对本实验，水冻制成冰，并且冰块直接参与抛光加工故在冻制冰刀过程中提 出几点要求： 1 ) 冰刀中保证无裂纹存在有裂纹存在，抛光过程中容易对工件表面产生划痕 同时划痕的存在极易造成抛光过程不稳定 2 ) 冰刀中的气泡要非常少有气泡存在，会降低冰的硬度和致密性如果较多气 泡存在，会容易造成冰刀破碎 3 ) 冰川冻删过程中各处的膨胀不一样，所以冰在冻制过程中应该放置平整 不能倾斜 针对以i ：注意事项在冰刀冻制过程中采取以f 措施： 1 ) 冰巾的裂纹实验过程巾是无法避免凼此_ ! = l 能尽量减少内应力的存在导致的 裂纹的产牛冰刀冻制成后，起模的过程中，温差存在，会产生较大的内应力 超过冰能承受的强度时就会产生裂纹由“姆潘巴问题”得到启示，把水加 热砸沸腾再冻制，会有一点帮助防l i = 温差过大，将冰柜的温度不直调节过低 2 一j 为好打肝冰柜门取冰刀时，这时会听到冰丌裂的声音这是由 于冰柜与室内温差较大所造成的因此不要急于取出冰刀，待2 0 分钟左右 情i 堆会好报多若获得更好的效果，降低室温是比较好的方法 2 ) 冻冰用的水需事先加热至沸腾随着温度的升高，气体在水中的溶解度会降 低通过加热可以去除水中气体也能握高冰的致密性和螋度 二、冰刀形状及模具 考虑到冰刀模县制作易于实现及简单实j ； j 性，以及冰刀取出及安装方便可靠将冰 刀制作成带锥度的方形形状，模具采 h 塑料材质，根据模具尺寸通过注塑成型模具如 图2 j 所示 目25 诛j j 模n 实刚 冰月制作的工艺流穰图如26 ： 幽2 , 6 冰刀制nr 过f q 框嘲 22 金属圆柱表面低温无磨料抛光的加工工艺 221 工件的准备 奉论文研究的丁件材料均为金属材料，分别为惦钢和4 0 c r 其尺寸为自1 0 、书1 5 、 中2 0 在进行低温无瓣料抛光之前，对工件进行精车、精磨、研路预加工使1 件县有 较光滑的表面t 件罔27 所示 斟27 盘届轴类i 仆 22 2 冰刀表面的预处理 冰j j 表面的预处理是在正式抛光1 斗f 前对冰刀的用于参与抛光的表面进行修证 加丁面应政光_ ；章、，f 整冰刀从冰柜取出来刚冰面会有许多高低不平的霜花产生致 使表面很不光滑通过预处理可以改善冰刀的表面状l 兄保证冰刀抛光工件时更加平 稳 22 3 工件的预处理 由十低温无磨料抛光的材料去除餐根小，若我们采用的工件初始表面粗糙度报大， 体现的加工效果就不会很明显。因此，我们采用的轴在实验前通过普通磨床精磨再 通过在研磨机上研磨，尽量降低工忭的表面柑糙度值，使：【件具有光滑的表面。 2 24 工件抛光后的表面处理 工件在抛光后，表帆上会有许多水珠谩留若不及时擦掉t 。件表面很快就会留下 水渍并日氧化，影响对表面粗糙度测量为此，采取使用容易挥发的高纯度的酒精擦拭 上件，然后进行烘干等r 了以后，f 耳进行测量t 件的表面粗糙度 度的测量 接触式表面轮廓仪” 轮廓披戎口l 粗糙艘删l 原理恻 幽2i ow y k o 表面轮廓披删越状志 e 后的全部表面杆1 糙度测量都是在w y k on 1 9 1 0 0 表耐轮廓仪e 测量的 非接触式表嘶轮廓测世仪，山美国w y k o 公州丌艇片制造它的 二作原理 技术和数字信号处理米快速、准确地埘= 三维轮廓测量它通过压电陶瓷 进 ? 摧，采用c c i ) 面阵作为接收装置，然后通过接口 乜路连接n i l 算 理如图28 所1 i w y k o 表面轮廓仪测量结果t 要与和它横向和纵向的分辨率有关当p z t 移动2 或x 8 距离会配采6 个强度数掘，系统根据强度数据求出位相数掘v ( x ，y ) 然后从位 相数据继续j 拉出相对的表面高度能：h ( x ，y ) = ( 4 ) u ( x 。y ) 式中x 是光源的波长 w y k ( ) 的横向分辨率是关于物镜放大倍数和探测面阵尺寸的函数基于放大倍数和物镜 的数值孔径( 、 ) ，每个物镜都具有它独立的的光学分辨率如物镜1 0 ，其数值 n a - 10 1 6 ，由公式 1 r 求出其光学分辨率c = o 船um 每一种的探测面阵都具有最小探测 阳j 距如2 5 6 x 2 5 6 而阵它的鼓小探测问距是i3 “m 在选择面阵类型和物镜时，如粜 探测样片i h j 距比光学分离率小得多，就会造成表面取样过多，一般在这种状况f ，光 学系统就会自动限制分辨率，造成得到表嘶1 ：清晰( 原因是特征不能被光学分辨) 般 地选择的面阵，它的探测间距应改比光学分辨率要大，此时的分辨率是受探测器限 制然而如果探测f 叫距远远大于光学分离率，就会造成表面取样过少这将影响某些表 面特征不会被探测到在奉文实验的测量过程中，综合考虑物镜的放大倍数和探测面阵 的尺寸选定物镜l o 、及3 f i 8 x 2 5 6 的面阵 对十被测的光滑表面内部参考面的表面粑糙度也是限制精确测量结果的个条 件测量值赴内_ ；| j 参考水，f 面和测试表面的共同的结果： r 脚i h 2 删5 i “+ r 舢；蛐 因此，在测量的过程中要尽可能将参考面所带柬的影响降至最小 2 32 采样区域 蚓2l l 试表面被测l l 点的俺萱 点5 一般地对于殷衽小于1 5 0 m m 的t 件，通常采取5 个区域洲量，这5 个区域就足以 反映轮廓的表面辊糙度实际状况各个区域应哦均匀的分靠在轮廓表面的各处若采样 过多并没有实际的意义本沦丈中实验过程川到的试件直径均小于1 5 0 r 唧，所以采样区 域选择5 个这h 个l 蔓域在横向径向都是典型的区域，- 口以充分腱示工件的袭面形貌 丘个区域的位筲如图21 l 所示每完成一次实验，都在相同的位盟进行表面粗糙度值 的测量 第三章金属圆柱表面低温无磨料抛光过程分析与r e c u r d y n 仿真 3 1 抛光过程中工件抛光过程分析与仿真 3 1 1 抛光过程中的状态分析 冰刀对圆柱面抛光主要经历两种状态：种是初始抛光状态如图31 ( 所示， j 件星初与冰7 j 接触成一条直线随着时问增加，冰月在摩擦t | 1 随着热量的产生慢慢 融化，接触面由条直线慢慢增大，在l 时刻接触面增大至。角度如图31 巾( 2 ) 所示；第二种是稳定抛光状态如图32 所示，工件达到稳定的抛光状态时，o 角为1 8 0 度丁件的半圆而总是处于连续摩擦状态 削31 初始抛光状态 幽32 稳定抛光状态 3 1 2 抛光过程中任意点受力分析 如图3l 中( 2 ) 所示冰块与轴之间的摩擦系数是 ，冰川作用于轴上的单位正 e 力为n 轴上任意一点厅与轴心0 连线o k 和水平线的央角为d ，轴与冰刀接触面的夹 角范闱目，轴的直径为转速为u 冰刀与轴的接触长度为， 如图所示将正压力，分解为沿切线方向的力f 和沿直径方向的力 ( 1 ) 韧始状态f 目角变化与冰刀和轴的接触时删有关，虽协的接触状态为一条直 线，随着时问的推移接触的范围变得越来越大，此时分析k 点受力状况将k 点受力力、 分解为沿切线方向的力f 和沿半径方向的山，所以k 点受力 = ( t 月n c o s a ns i n c t 如 ( 31 ) 式中出一k 点微7 e 面积 从公式中可以知道，4 是一个波动的函数，k 点进入接触区域的时间内抛光过 程中每一时刻受到的力都是变化的由于工件处于非稳定抛光状态k 点在抛光过程中， 在启动时候 件。i 冰刀接触面积很小，参与抛光时间很短；随着日角不断增大t k 点被抛光的时间逐渐增长 ( 2 ) 当冰刀与轴接触面积不变叫，此时进入稳定抛光状岙，此时0 的角度为1 8 0 恒 定不变，t 。件的半圆处于连续抛光状态k 点参与抛光的时另j 是可以确定的 l ，、 l m l n 】 2 c a 3 1 _ 3 结合流体动力润滑油膜理论分析水膜形成过程 当达到稳定抛光状态时，在气缸压力的作用下，冰刀与轴之叫会形成间隙r 件在 静i l 时，轴和冰 的适应孔的虽左侧相接触如图33 ( 1 ) ，随着冰刀表喵的不断融化， 这时两个表而形成了收敛的楔形空问当轴】丁始转动时，融化的水将进入楔形窄问内 此时冰刀对轴的摩擦力的方向与轴表面叫周速度方向相反，山r 轴是固定在二角# 盘 径向位置不发，l 改变，此时就会迫使冰刀自适应孔沿轴颈受力刚运动，随着转速的 不断增大，轴表面的嘲周速度也增f i _ = ，同时带入楔形空删的水鞋就会增多这时， 侧 的水膜产q 二定的功脏力，当轴稳定旋转时，冰刀自适应孔会稳定在一定的偏心位置 l 如图33r2 ) 此时，轴和冰刀处于流体润滑的状态，水膜产生的动压力与外载荷f 发轴受到卡盘的径向力n ，相平衡 ( “，- o( 2 ) 水膜形成 幽33 水膜流体润滑形成过科 如图34 所示冰刀自适应孔与轴颈的连心线与外载荷f 的方向形成一偏角丸 图34 水噤形成过群参数分布 自适应孔和轴领直径分别为d 、d 表i ，那么直径日j 隙为 = d d ! # 径问隙为适应孔半径r 与轴颈半径r 之差则 d = r - r - 2 直径白j 隙与轴颈公称直径之比的相对间隙用v 表示，则 d 妒2 i 2 了 轴颈稳定运转时，其轴心0 与自适应- f l # 心。的距离成为偏心距 距与半径问隙的比值成为偏心率用x 表示所以有 e z 2 i 山图可知。域小的水膜厚度为 h 。= j e = d ( 1z ) = 7 ( 1 一z ) 32 3 ：j ( 3 4 ) 用e 表示。而偏心 35 ) 36 对于如图模型，采用极坐标分析比较方便，去轴颈中心0 作为几点，连- 1 5 线为极轴， 时f 任意角击( 包括巾。巾，由：均由0 0 , 算起) 的水膜厚度为h ，h 的大小可由a0 0 , 中 应用余弦定理求i 月2 ：e 2 + p + ) 2 2 e ( r + ) c o s ( 37 ) 由上式( 3 7 ) 推出 h = d ( 1 + x c o s , # ) = r p ( 1 + z o o s # ) ( 38 ) 在三力展太处的水膜厚度为h n = 8 ( 1 + z c 。5 ) 式中0 。是最大脏力处的极角 将雷诺方程詈= 等油w 改写成极坐标的彤式有 生：6 _ 罢z ( c o s - c o _ s # 0 ) ( 31 0 ) 删v 2 ( 1 + c o s ) 将上式从水膜的起始角中。到任意角巾进行积分，得到任意位置的厩力 旷s - 乒e 等笔器掣却 慨川 脏力p 。在外载荷f 方向上的分量为 p 女= p # c o s 1 8 0 “一( 九十) 】= 一p _ c o s ( 丸+ ) ( 31 2 ) 把i 一式在巾到中= 区间内积分，就得到冰刀上单位长度的水膜承载力 ，= 胁删一盼叫纠= e 等r l f 丛蒿笔铲卟c o s c w 删一 ( 3 i ： ) 然后对r 式在整个冰刀接触长度1 上积分得到水膜在i 上总得承载能，j 丁为 、f ：! 掣c 。 ( 3l d ) 式中为承载昼系数 基于滑动润滑油膜模型对本实验的抛光过程分析，由( 31 4 ) 町铀，水膜的承载能 力与水的粘度、上件转速、工件直径及接触面冰川的宽度1 有关并且成i el l 变化规律 奉文中水的粘度是定的，不町改变也就是蜕，水膜的承载能力随工件转速： 件 直径和接触面盘度i 的增加而增大本文中，考虑变验工装的商度和宽度1 一定，咀及 保旺加工过程的稳定性要求，导致工件的直径和接触面冰刀的宽度1 不直过大因为只 有通过改变 件的转速来改变水膜的承载能力改变工件与冰刀的接触状态，进而有利 。对工件表面的形貌产生变化 3 2 圆柱表面低温无磨料抛光实验基于r e c u r d y n 运动仿真分析 3 2 1r e c u r d y n 软件介绍1 r e c u r d y n ( r e c u r s iv ed y n a m i c ) 是出韩国f u n c t i o n b a y 公司基于递归算法开发出的 最新一代多体系统仿真优化软件它采用相对氆标系运动方程理论和完全递归法，非常 适台于求解太规模及复杂接触的多体动力学问题借助于其特有的m f s d ( m u l t j f l e x i h leb o d yd y n a m ic s ) 多乘体问的接触、柔性体和刚性体间的接触等r e c u r d y x 基 于参数化的各种专- , i k l 其包极大地提高了工程师建模速度及分析效率其子系统建模 理念使得多绂系统复杂机构的虚拟样机模型能够按照独立能力单元而治之 以多体动力学起步的r e c u r d y n 正在走向完全的多学科集成仿真，将机构、结构、 控制、液压、润滑、摩擦、疲劳、可靠性等方面的问题通过其所措建的平台实现耦合 计掉联合仿曳 技术打面，r a c u r d y n 有如特点 【) 可以对棠性体接触进行非线性的m r b d 有限元分析 2 ) 基于模志综台法的f m b d 技术 3 ) 泼软件肇十递归掉法，县有高效、快速、可靠的仿真能力 1 ) 能够快速简捷地完成建模，如链、皮带、履带、齿轮、传送等 j ) 丰富、强大的接触建模功能，支持s m i ，并行计算 6 ) 基于v b 、c # 的p r o c e s s n e tj 次j f 发、基于v b 和c + + 的用户子程序功能 7 ) 独特的系统子系统结构模式，具有强大的子系统建模管理功能 8 ) 图层结构管理便于仿真模型的管理 9 ) 仿真模型的树状管理方式，便于盘看模型细节 1 0 独特的萃取仿真中间状态的e x t f a c t 功能 11 ) 强大的多学科优化分型功能，参数化建模模式，方便建立适用于优化的参数化模型 r e c u r d y n 基于w l n d o w s 开发，完全w i n d o w sm 格的g e i 操作界面，操作方便：以 p a r a s o li d 式为几何特性，支持p a r a s o li d 、i g e s 、s t e p 、a c i s 、s h l 等格式的几何模 型文件有较强的c a d = 三维建模能力，可对各种图形显示及灯光投影设蜀进行控制：提 供轮廓线、翦影轮廓线、去隐藏线、以灰阶方式去隐减线和彩显等5 种显不模式可 通过图表，报告和动画方式再现仿真结果多窗u 显示及照相机聚焦显示功能，为计算 结粜的动画、曲线、动态应力变云图的显示提供了方便：具有丰富的数据后处理功能， 提供各种数学| 十算工具及多种信号处理技术，如f n 变换、滤波等：用户可以自定义 界面：通过r e c u r d y r ，可输入多种格式的文件如a v i 动画文件、多种格式的图像文 件、h t m i ，格式文件以及表格文件等 r e c u r d y n 产l 拈应用的领域 r e c u r d y x 的戍用领域非常广泛，举儿有机构开发的领域，r e c u r d y n 都可以有所 作为 ( 1 ) 通用机械领域 履带轮式车辆稳定性；推土机、挖掘机、压路机、破井机、吊车、矿产机械等： 操控人员视野研究；电机及其他驱动装置助率项测：振动机冲击效应：工具集：丝杠 螺纹等 ( 2 ) 传送机械 送纸设备如打印机、复印机、传真机传送效率及卡纸预测与改进；备种制造厂( 水 泥厂、钢铁厂、玻璃厂等) 的传送系统机构；包装设各、银行a t m 自动取款机和点钞 机等传动系统；医疗器械如x 一光、c t 机等传送机构等 ( ：1 ) 汽车 整乍r & i i ：悬架k c ：传动系统动力学；转向机构接触：制动系统：齿轮变速器： 离台器振动；车辆停车装置：车椅设计：变速器、分动器、差速器冲击仿真：其他附 属设施的动力学仿真；配气机构：曲柄连杆机构：弹性流体润滑轴承：正时链：活塞： 非线性弹簧等 ( 4 ) 航天航空 卫星姿态、轨迹动力学：太阳能