基于去除函数预测模型的磁流变抛光工艺优化研究

在分析磁流变抛光加工过程的基础上,建立了磁流变抛光的去除函数预测模型,该模型利用加工前后的面形误差分布和仿真计算的面形残差分布,针对不同材料间的去除函数模型效率系数进行辨识,能够实现去除函数模型的准确预测.以该模型为基础,通过在传统磁流变抛光工艺中加入去除函数效率系数实时辨识的工艺环节,可以对磁流变抛光的加工工艺进行优化.利用该优化工艺对一块口径202mm的HIP SiC进行9次循环迭代加工,采用子孔径拼接测量技术进行测量,面形误差由初始的PV 0.72μm,RMS 0.108μm提升到最终的PV0.13μm,RMS0.012μm.实验表明,去除函数预测模型能够优化磁流变抛光工艺,提高加工的确定性和增强工艺的适用性,实现光学镜面的高精度确定性磁流变抛光加工.     

基于矩阵运算的光学零件磁流变加工的驻留时间算法

提出了一种光学零件磁流变加工的驻留时间计算方法.该算法以矩阵运算为基础,首先确定工件上各个控制节点的高度余量,并将磁流变抛光模对各控制节点的材料去除能力体现到去除矩阵中,然后利用非负最小二乘法求解驻留时间向量.采用该算法在自行研制的磁流变抛光机床上进行抛光实验,经过2次迭代加工后,有效口径为145mm的球面镜P-V值达到40.5nm(约为λ/15),RMS值达到5nm(约为λ/125),表面粗糙度Ra值达到0.57nm.     

流体动压超光滑加工关键工艺参数优化

流体动压超光滑加工材料去除主要受工件表面流体动压和剪切分布的影响,根据材料去除的理论模型分析了影响材料去除的关键工艺参数。基于流体动力学仿真和具体实验对抛光轮浸没深度、抛光轮转速和抛光轮间隙对流体动压超光滑加工的材料去除速率的影响规律进行了研究。分析结果表明:抛光轮的浸没深度对材料去除速率影响不大;材料去除速率随着抛光轮转速的减小、抛光间隙的增大而减小;考虑实际使用条件,最优抛光轮转速为300 r/min、抛光间隙为25μm、抛光轮浸没深度为(2/3)R。同时对抛光头温度稳定性进行了具体实验测试,其在装置启动后4 h基本达到热平衡,通过试运行预热的方式可有效避免温升变化对抛光间隙的影响。     

回转对称非球面光学零件磁流变成形抛光的驻留时间算法

介绍了一种基于代数算法的回转对称非球面计算机控制表面成形的驻留时间算法。该算法将驻留时间转化为工件自转的整数圈数,并且将抛光模对工件的材料去除效率体现到材料去除矩阵上进行计算。利用非负最小二乘法求解驻留时间向量。最后,利用该算法在自研的磁流变抛光实验装置上对一回转对称光学零件进行3次迭代加工,使其面形精度从8μm提高到0.5μm以内。     

用声发射信号和改进的BP神经网络预测磨削表面粗糙度

针对磨削表面粗糙度传统BP（Back Propagation）神经网络模型在线预测时存在预测精度低、误差大等问题,以磨削声发射信号的RMS值、FFT值、标准差、方差和偏斜度5参量为输入单元,建立了三层BP神经网络来预测磨削表面粗糙度,并应用附加动量法和自适应学习速率法对其进行了改进。通过仿真优化了隐层单元数,利用模型对磨削加工10个频段的声发射信号样本进行优选,确定将300400kHz的声发射（Acoustic Emission,AE）信号作为表面粗糙度预测模型学习样本频段。实验结果显示：改进后的BP预测模型与传统BP模型相比,具有收敛速度快、预测精度高的特点,相对误差可控制在8.66%以内。     

基于CFD的磁射流抛光去除机理分析

应用计算流体动力学(CFD)方法分析了一种新型精密抛光技术——磁射流抛光的材料去除机理。磁射流抛光中,含有磨料的磁流变液射流被喷嘴出口附近的局部外加纵向磁场磁化,产生准直的硬化射流束来进行相对远距离的精密抛光。介绍了磁射流抛光的原理和实验装置,分析了磁流变液聚束射流的形成,通过一系列定点抛光实验研究了磁射流抛光工艺的材料去除分布特征,利用计算流体动力学的方法分析了垂直冲击和倾斜冲击情况下,磁流变液射流与工件表面相互作用时径向流场功率密度的分布特征。实验结果和仿真计算结果表明:磁流变液射流在工件表面径向扩展流动产生的径向剪切作用导致了材料去除;CFD方法能模拟抛光区去除率的三维分布,因此可以准确地预测抛光区形状。     

电力机车主传动齿轮轴油孔孔角超声冲击强化处理

针对电力机车齿轮轴油孔处萌生疲劳裂纹的问题,提出了超声冲击强化与表面抛磨复合处理齿轮轴油孔孔角的方法,并研究了处理前后齿轮轴表面完整性、组织、硬度及残余应力变化情况。结果表明:处理后的齿轮轴孔角处产生了倒角,去除了表面加工纹理,表面粗糙度降低了52.7%,表面完整性得以提高;齿轮轴孔角附近材料产生了明显的加工硬化,表层显微硬度提高了44.8%,形成了约80μm厚的超细晶和纳米晶层,并引入了较大的残余应力。表面完整性、细晶强化作用和残余应力等方面联合作用将改善齿轮轴的抗疲劳性能。     

爆磁压缩发生器延时控制系统分析及实现

针对爆磁压缩发生器高精度延时起爆控制的要求,建立了基于电路控制延时方案的最佳起爆时序模型,分析了其时序误差散布。设计了一种爆轰驱动飞片型高功率放电开关,通过数值仿真分析了开关的耐压能力及飞片变形。实验测试了6发开关的闭合放电性能,数据表明:开关两极间电压5k V时未出现击穿现象,闭合响应时间分布在66±5μs以内、标准差2.7μs,开关导通时间≥900μs,放电效率接近90%。采用小型爆磁压缩发生器与延时控制系统进行了联调实验,结果表明:爆磁压缩发生器运行时刻与电流峰值时刻相差1.8μs,延时误差7.8%,延时控制系统满足高精度起爆控制的要求。     

履带车辆专用磁流变液制备及稳定性研究

分析了磁流变液稳定性的影响因素,并进行了履带车辆专用磁流变液的制备.通过添加分散剂和表面活性剂,改善了磁流变液的悬浮稳定性及再分散性.在大量实验的基础上,配制出4种悬浮稳定性及再分散性较好的磁流变液.实验表明,硬脂酸能大幅提高磁流变液的稳定性,聚丙烯酰胺对提高磁流变液的流动性和再分散性作用明显.     

化学气相沉积碳化硅超光滑抛光机理与表面粗糙度影响因素

为实现化学气相沉积碳化硅(CVD SiC)的超光滑抛光,采用纳米划痕试验研究了化学气相沉积碳化硅脆塑转变的临界载荷,根据单颗磨粒受力对其抛光机理进行了分析,并从材料特性、工艺参数以及抛光液pH值三个方面对其表面粗糙度影响因素进行了系统的试验研究.研究结果表明:化学气相沉积碳化硅的稳定抛光过程是磨粒对碳化硅表面的塑性域划痕过程;CVD SiC的晶粒不均匀与表面高点会降低晟终所能达到的表面质量;表面粗糙度在一定范围内随磨粒粒度增加呈近似线性增长,随抛光模硬度的增加而增长;抛光压强对表面粗糙度的影响规律与抛光模的变形行为相关,当抛光模处于弹性或弹塑性变形阶段时,表面粗糙度随抛光压强的增加呈小幅增长,而当抛光模包含塑性变形之后,表面粗糙度基本与抛光压强无关;此外,抛光速度和抛光液pH值对表面粗糙度的影响不大.研究结论为CVD SiC超光滑抛光的工艺参数优化选择提供了定量的试验依据.     

计算机控制小工具抛光技术中磨盘材料对去除函数的影响

研究了计算机控制小工具抛光(CCOP)加工中三种常用的磨盘材料对去除函数特性的影响,进一步完善材料去除模型,用以指导光学零件的加工。利用自行研制的AOCMT光学加工机床及接触式测量系统进行实验和分析。从去除函数形状、去除效率及稳定性、表面形貌三个方面进行了研究。实验结果表明:聚氨酯材料适用于粗抛光阶段;阻尼布材料适用于精抛光阶段;沥青材料适用于最后的修形加工和表面处理。     

大型光学表面纳米精度制造

纳米精度光学表面在光刻技术、同步辐射、空间观测和惯约聚变等领域有重大需求。随着装备性能需求的不断提升,这些光学系统对光学零件面形精度和表面质量的要求几乎接近于物理极限,对光学制造技术提出了更高挑战,使光学制造成为纳米制造技术的发展前沿。通过攻克纳米量级材料去除的稳定性、复杂曲面可控补偿和装备运动轴性能设计等关键问题,掌握了以磁流变和离子束抛光技术为代表的可控柔体抛光技术,利用自主研发的抛光制造装备和工艺实现了典型光学零件的纳米精度制造,为国家相关科技项目的顺利实施提供有力的制造技术支撑。     

An experimental investigation of wire electrical discharge machining of hot-pressed boron carbide

The present work discusses the experimental study on wire-cut electric discharge machining of hot-pressed boron carbide.The effects of machining parameters,such as pulse on time(TON),peak current(IP),flushing pressure(FP) and spark voltage on material removal rate(MRR)and surface roughness(R_a) of the material,have been evaluated.These parameters are found to have an effect on the surface integrity of boron carbide machined samples.Wear rate of brass wire increases with rise in input energy in machining of hot-pressed boron carbide.The surfaces of machined samples were examined using scanning electron microscopy(SEM).The influence of machining parameters on mechanism of MRR and R_a was described.It was demonstrated that higher TON and peak current deteriorate the surface finish of boron carbide samples and result in the formation of large craters,debris and micro cracks.The generation of spherical particles was noticed and it was attributed to surface tension of molten material.Macro-ridges were also observed on the surface due to protrusion of molten material at higher discharge energy levels.     

单晶硅反射镜激光能量吸收系数与衬底表面质量的关联

高能激光系统中,单晶硅基底反射镜的能量吸收系数是影响系统性能的关键指标。衬底加工质量对镀膜后元件激光能量吸收系数影响显著。通过测试不同衬底粗糙度、划痕密度的单晶硅反射元件,分析衬底表面典型加工特征(粗糙度、划痕)对激光能量吸收系数的影响规律,认为粗糙度与吸收系数正相关,粗糙度均方根从0.668nm降低至0.345nm会使吸收系数降低28.0%。少量划痕对吸收系数的直接影响并不明显,吸收系数均值变化在3.1%以内。但表面划痕会诱发激光损伤,划痕密度较大时会引起后续能量吸收持续增大,辐照400s后,吸收系数较辐照100s时增大18.3%。     

光学材料抛光亚表面损伤检测及材料去除机理

抛光后光学元件仍然存在亚表面损伤,它降低光学元件的抗激光损伤能力和光学性能,为去除抛光亚表面损伤以提升光学元件使用性能,需要对其进行准确检测和表征.首先,采用恒定化学蚀刻速率法和二次离子质谱法分别检测水解层深度和抛光杂质的嵌入深度.然后,使用原子力显微镜检测亚表面塑性划痕的几何尺寸.通过分析表面粗糙度沿深度的演变规律,研究浅表面流动层、水解层和亚表面塑性划痕间的依存关系.最后,建立抛光亚表面损伤模型,并在此基础上探讨抛光材料去除机理.研究表明:水解层内包括浅表面流动层、塑性划痕和抛光过程嵌入的抛光杂质;石英玻璃水解层深度介于76和105nm之间;抛光过程是水解反应、机械去除和塑性流动共同作用的结果.     

光学表面的分形特点与模拟表征算法

根据光学表面在微观结构呈现出的自相似性,利用尺度无关的分形模型描述了其结构特征;采用结构函数法对抛光表面的分形维数进行计算,分析了粗糙度参数RMS值、误差波长、测量尺度、采样长度和采样点数对分形维数的影响规律。在此基础上,提出了采用一阶自回归分形模型对抛光表面进行模拟的新方法,分析了界定尺度、模型参数对分形特征和分形维数的影响规律。利用分形维数描述光学表面的微观结构具有评价方法简单、在一定范围内与测量尺度无关等优点。