【摘 要】
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微结构成型模芯的传统光整加工存在抛光工具的微细端制造困难,抛光工具与微结构接触表面的压力不易控制,微结构边沿毛刺难去除等问题。因此,本论文基于流体动压和剪切增稠效应,提出一种动压剪切增稠磨粒加工及其复合微磨削的新方法。其技术特点是:将微成型磨削与表面光整去毛刺两种工艺复合,在同一台机床、同一工位上使用同一工具,实现金属模具钢的微磨削和表面光整一体化加工。基于动压剪切增稠磨粒流加工的基本原理,利用仿
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“微纳生物表面成型模芯放电辅助磨削的智能控制技术研究”（项目号No.51975219）; 广东省自然科学基金面上项目“复合物理与机械加工原理的微脉冲放电辅助微纳磨削技术研究”（2020A1515010807）
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微结构成型模芯的传统光整加工存在抛光工具的微细端制造困难,抛光工具与微结构接触表面的压力不易控制,微结构边沿毛刺难去除等问题。因此,本论文基于流体动压和剪切增稠效应,提出一种动压剪切增稠磨粒加工及其复合微磨削的新方法。其技术特点是:将微成型磨削与表面光整去毛刺两种工艺复合,在同一台机床、同一工位上使用同一工具,实现金属模具钢的微磨削和表面光整一体化加工。基于动压剪切增稠磨粒流加工的基本原理,利用仿真分析的加工区磨粒流体压力场和速度场,构建单颗磨粒及整个加工区的材料去除模型。结果表明:相比于非剪切增稠磨粒流体,剪切增稠磨粒流体对工件表面的增压能力明显更优,对磨粒的把持能力更强,加工效果更好。为探究磨粒粒径和浓度对磨粒流体黏度的影响,进行磨粒流体流变性能的实验研究。结果表明,磨粒粒径在微米尺度和亚微米尺度间存在不同流变特性,磨粒粒径为1～2μm时磨粒流体黏度与剪切速率无关。在微米尺度的磨粒流加工中,剪切速率大于临界剪切速率10 s-1时,磨粒流体具有较强的剪切增稠能力,微米尺度固相粒子能够固聚在磨粒周围产生把持作用。而且,磨粒浓度越大,磨粒流体黏度越大,对磨粒的把持能力越强。然后,进行粒度为3～8μm的磨粒流加工模具钢的实验,分析发现:当转速过小、加工间隙过大时,产生的流体动压过小,无法有效去除材料;磨粒流体黏度越大把持力越大,有效磨粒数越多,加工表面质量越高。实验结果显示:剪切增稠磨粒流加工比非剪切增稠的可减小模具钢表面粗糙度约63%,达到50 nm。最后,将动压剪切增稠磨粒流复合粒径106μm固结磨粒砂轮的微磨削,进行模具钢微槽加工实验,结果表明,动压剪切增稠磨粒流复合磨削不仅可以改善微结构表面加工质量,而且可以去除微结构边沿毛刺。采用8μm的游离磨粒可以将普通微磨削边沿毛刺从5μm减小到0.3μm,但较粗磨粒会导致加工表面粗糙度有所增加。最终,采用粒径为50 nm的剪切增稠磨粒流复合粒径为44μm固结磨粒砂轮的微磨削,可以将粗糙度从78 nm下降到16 nm,实现微结构表面的光整加工。
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