基于力流变原理的确定性抛光材料去除函数研究

论文摘要

力流变抛光是利用抛光液特有的剪切增稠特性对工件表面材料进行抛光去除。确定性抛光主要指通过控制去除函数和驻留时间来实现对工件表面材料的定量去除,其重点在对加工工件形状精度的控制。去除函数的建立对去除量和去除的分布规律有着重要作用,是确定性去除抛光的关键之一。因此,本文将对力流变确定性抛光的去除函数进行研究,建立了力流变确定性抛光的实验平台,分析了抛光液的流变特性和确定性抛光原理,结合计算流体动力学和具体实验,揭示了力流变确定性抛光去除函数的分布规律和建立方法。具体的研究内容如下:搭建了力流变确定性抛光实验平台,该实验平台包括测力平台、四轴联动装置、工件夹具、力流变抛光液循环冷却系统以及粘度控制系统,开发多轴联动机构,驱动主轴最高转速3000 rpm,抛光槽最高速度400 rpm。对确定性抛光头进行设计,根据抛光液的特性,选取楔形槽抛光头进行确定性去除抛光。研究了力流变抛光液的流变特性,探究了不同分散相浓度和粒径大小对抛光基液流变特性的影响,又进一步探究了不同磨料种类,不同磨料粒径和不同磨料浓度对抛光液流变特性的影响。研究表明抛光液的流变特性大致分为三个区域,剪切变稀,剪切增稠,剪切变稀。经过不同参数变量的实验,选出剪切增稠区域最适合抛光的配比:PHHP粒径为13μm,质量分数52.5%,磨粒粒径3000#,磨粒浓度10 wt%。研究了力流变确定性抛光的有限元仿真,为了得到力流变抛光液仿真模型中粘度曲线的设置,首先对更常规更容易验证的力流变圆柱绕流抛光进行流体仿真,然后用得到的抛光液的设置参数,对确定性抛光中抛光液的参数进行设置。仿真结果表明,抛光头的形状对压力场和速度场的分布有很大影响,以压力场和速度场分布的高斯均匀度为评价指标,楔形(槽数12,槽深3 mm)的抛光头呈现较好的高斯分布,并对峰值压力进行实验验证,得到仿真压力的修正系数。建立了力流变确定性抛光的去除函数,首先根据经典Preston方程,结合力流变确定性抛光的特点,建立去除函数的基本方程;然后运用仿真得到的压力场和速度场的结果,拟合出具体的去除函数的数学式;最后,结合实验结果,得到仿真修正系数,和抛光液浓度修正系数,得到去除函数呈现较好的高斯分布;运用方差分析,得到主要参数对去除率的影响分别为抛光头转速(34.38%),抛光间隙(33.45%),抛光液浓度(32.17%)。对力流变确定性抛光的去除函数和稳定性进行实验验证研究,分别在不同抛光参数下进行抛光实验,将得到的实验结果与建立的去除函数的理论值进行对比,两者的截面轮廓基本一致,在轮廓上分布取10个点,运用最小二乘法得到误差在7%以内。为了探究力流变确定性抛光的稳定性,通过直线轨迹的抛光实验,力流变确定性抛光具有较高的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题背景与意义
•   1.2 确定性抛光的现状
•     1.2.1 计算机控制光学表面成形技术
•     1.2.2 磁流变抛光
•     1.2.3 气囊抛光
•     1.2.4 射流抛光
•   1.3 确定性去除函数的研究现状
•     1.3.1 磁流变抛光去除函数研究
•     1.3.2 射流抛光去除函数建立
•     1.3.3 气囊抛光去除函数建立
•   1.4 力流变抛光现状
•     1.4.1 非牛顿流体配制方面的研究现状
•     1.4.2 力流变机理的研究现状
•     1.4.3 力流变抛光的机理研究现状
•   1.5 流体仿真方法的研究现状
•     1.5.1 计算流体力学的发展
•     1.5.2 旋转机械流体仿真现状
•   1.6 研究内容
• 第二章 力流变确定性抛光实验机构和抛光液流变特性
•   2.1 引言
•   2.2 力流变确定性抛光原理
•     2.2.1 力流变确定性抛光加工原理及特点
•     2.2.2 力流变确定性抛光微观加工原理及特点
•   2.3 力流变确定性去除抛光实验平台建立
•     2.3.1 力流变确定性去除抛光实验平台中多轴联动装置的研制
•     2.3.2 抛光头的设计分析
•   2.4 力流变抛光液的配制及其流变特性
•     2.4.1 抛光液的配制
•     2.4.2 分散相对抛光液流变特性的影响
•     2.4.3 磨料对抛光液流变性能的影响
•   2.5 本章小结
• 第三章 确定性抛光的流体仿真
•   3.1 引言
•   3.2 确定性力流变抛光数值计算
•     3.2.1 控制方程
•     3.2.2 基于有限元的有限体积法
•     3.2.3 离散方程解法
•     3.2.4 湍流模型
•   3.3 力流变圆柱绕流抛光有限元仿真与实验验证
•     3.3.1 力流变抛光液流变性质的确定
•   3.4 确定性力流变抛光有限元分析
•     3.4.1 建立仿真模型及网格划分
•     3.4.2 力流变流体特性和边界条件设置
•     3.4.3 结果分析
•   3.5 不同抛光头下的压力场和速度场
•     3.5.1 不同形状抛光头的影响分析
•     3.5.2 不同楔形齿槽数量的影响分析
•     3.5.3 不同楔形槽深度的影响分析
•   3.6 本章小结
• 第四章 确定性抛光去除函数的建立
•   4.1 引言
•   4.2 去除函数本构方程的建立
•     4.2.1 Preston方程简介
•     4.2.2 力流变确定性抛光特殊的影响系数
•   4.3 运用仿真建立工件表面去除函数的分布方程
•     4.3.1 工件表面压力场和速度场的矩阵化
•     4.3.2 矩阵方程的拟合
•   4.4 材料去除函数影响系数的试验修正
•     4.4.1 对去除函数系数K（ω,h）方程的建立
•     4.4.2 试验条件及去除率检测方法
• s的修正'>    4.4.3 仿真修正系数K_s的修正
• c的修正'>    4.4.4 浓度修正系数K_c的修正
•   4.5 去除函数各参数对去除率的影响分析
•     4.5.1 正交实验设计
•     4.5.2 实验结果
•     4.5.3 结果分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 确定性抛光去除函数验证实验
•   5.1 引言
•   5.2 不同实验参数下的抛光实验
•     5.2.1 不同抛光头转速对比实验
•     5.2.2 不同抛光间隙对比实验
•     5.2.3 不同抛光液浓度对比实验
•   5.3 力流变确定性抛光稳定性的分析
•     5.3.1 力流变确定性抛光稳定性实验
•     5.3.2 不同抛光参数下稳定性实验
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
•   1 作者简历
•   2 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈士豪

导师: 吕冰海

关键词: 力流变,抛光,确定性去除,去除函数,有限元仿真

来源: 浙江工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 浙江工业大学

基金: 国家自然科学基金委(项目编号LR17E050002)

分类号: O37;TB306

DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000365

总页数: 109

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