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金刚石砂轮分时修整的曲面微沟槽精密加工研究

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金刚石砂轮分时修整的曲面微沟槽精密加工研究

作者：郑佳华华南理工大学

学位级别：硕士

非晶硅薄膜太阳能电池没有冶炼硅带来的次污染问题，其电池薄膜单层小于1m，制造成本较低，但其转化效率不高。因此，提出在薄膜电池的光学玻璃基板上加工出微沟槽结构曲表面，吸收周边的散射光发电。但是，其基板为难加工的光学玻璃，... 详细信息

非晶硅薄膜太阳能电池没有冶炼硅带来的次污染问题，其电池薄膜单层小于1m，制造成本较低，但其转化效率不高。因此，提出在薄膜电池的光学玻璃基板上加工出微沟槽结构曲表面，吸收周边的散射光发电。但是，其基板为难加工的光学玻璃，其硬脆性会使得在机械加工中产生微裂纹、微破碎，且微工具极易磨损，致使微沟槽结构曲表面成型困难。因此，采用金刚石砂轮的微细尖端，在数控系统下对光学玻璃进行微结构曲表面的机械加工。为了同时形成宏观的曲表面和微观的沟槽结构表面，提出金刚石砂轮的分时修整，即先粗修V形金刚石砂轮为圆弧端，然后再精修整V形金刚石砂轮为微细尖端，分时地对光学玻璃的宏观曲面和微沟槽结构表面上进行成型加工。首先，研究金刚石砂轮V形尖端的修整工艺，采用机械对磨的方法，使GC油石和金刚石砂轮进行对磨，经过改进修整路径和修整工艺，形状误差可小于3.28μm，V形尖端圆弧半径为7.15μm。然后，针对砂轮尖端的微金刚石磨粒出刃状况分析光学玻璃的脆塑性转变的磨削工艺。其次，通过实验研究在玻璃基板表面磨削微沟槽的最佳工艺。实验结果表明，砂轮进给速度为400mm/min，砂轮转速为2000r/min，零磨削次数为5次时，微沟槽表面的粗糙度最小，可达10.5nm，圆角半径仅为34.29μm。最后，在非晶硅太阳能电池表面加工平面、圆柱、凸球、凹球四种形状的微沟槽功能表面，并对其光电转换效率进行检测。结果表明，圆柱微沟槽对光电转换效率的提高较为明显。此外，当光线入射角大于60°时，加工了微沟槽功能表面的非晶硅太阳能电池光电转换效率提升效果更为明显，因此即使在室内没有阳光直射的情况下，也可以有效地提高其光电转换效率，进一步扩大非晶硅太阳能电池的应用范围。

关键词：金刚石砂轮V形尖端微磨削数控磨削微沟槽结构曲表面非晶硅太阳能电池

光学微透镜阵列曲面的精密镜面磨削及其光伏特性研究

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光学微透镜阵列曲面的精密镜面磨削及其光伏特性研究

作者：吴可可华南理工大学

学位级别：硕士

微透镜阵列结构和宏观曲面的组合可以综合微光学和宏观光学的光学特性。因此,设想在薄膜太阳能电池的光伏玻璃表面加工出微透镜结构曲面,探索新的光伏性能。但是,脆性玻璃的微加工困难,所以提出了一种将精密修整的金刚石砂轮微型尖端复... 详细信息

微透镜阵列结构和宏观曲面的组合可以综合微光学和宏观光学的光学特性。因此,设想在薄膜太阳能电池的光伏玻璃表面加工出微透镜结构曲面,探索新的光伏性能。但是,脆性玻璃的微加工困难,所以提出了一种将精密修整的金刚石砂轮微型尖端复制到光伏玻璃基板上的塑性域去除的微磨削方法。首先,对微透镜阵列曲面的可见光吸收率进行微光学分析,优化微结构尺寸;其次,对光伏玻璃基板的塑性域去除以及微磨削参数对表面粗糙度的影响进行了实验分析;然后,建立了微透镜阵列曲面的检测模型,评价微结构微观尺度误差和宏观曲面误差;最后,对微透镜阵列曲面的光伏特性进行应用研究。实验结果表明,微结构的精密磨削和塑性域镜面磨削工艺依赖于精密修整的砂轮微型尖端及其表面分布的微金刚石磨粒颗粒。在微磨削中,进给速度和零磨削次数分别是影响微透镜阵列曲面的镜面加工和精密加工的主要因素。微结构误差和曲面误差分别达到为6.7?m和10.3?m;其表面粗糙度达到27 nm。在薄膜太阳能电池的光伏玻璃基板的应用中,微透镜阵列曲面可以在散射光条件下提高实验室测试的光电转换效率3.4?10.6%,而且,一个惊人的发现是,在晴天和多云下可以分别提高发电量约260%和419%,另外,阴天的发电能力比晴天的更强,这是因为微透镜阵列曲面吸收周围散射光然后均匀分散到电池薄膜上。

关键词：微透镜阵列曲面光伏玻璃基板微磨削精密镜面磨削光伏特性

TC4钛合金槽孔复合微结构阵列元件的精密加工工艺研究

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TC4钛合金槽孔复合微结构阵列元件的精密加工工艺研究

作者：张庆贺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

TC4钛合金具有热传导率低、化学活性高、材料黏性大等加工缺点，容易造成加工区域温度高、刀具磨损严重、切屑粘接等现象，是一种典型的难加工材料。采用表面具有小而密磨粒的微磨具，以高转速、低进给的形式对钛合金进行微小量的磨削... 详细信息

TC4钛合金具有热传导率低、化学活性高、材料黏性大等加工缺点，容易造成加工区域温度高、刀具磨损严重、切屑粘接等现象，是一种典型的难加工材料。采用表面具有小而密磨粒的微磨具，以高转速、低进给的形式对钛合金进行微小量的磨削去除是一种新型高精加工方法。其中，化学气相沉积(CVD)金刚石微磨具是一种加工性能优良、耐磨损性好且方便做到直径1mm之内的新型微工具，非常适用于复杂微小结构表面的精密加工。所以本文将采用CVD金刚石微磨具进行钛合金微磨削工艺的探索，为微结构元件的加工提供工艺参考。本文具体研究内容如下：　　首先，基于CVD金刚石微磨具表面形貌特征信息建立了微磨具表面形貌的数学模型。通过扫描电镜和白光干涉仪等表征方法对CVD金刚石微磨具表面进行了观察，统计了磨粒粒径、间距、高度以及偏转角度等信息，并生成了CVD金刚石微磨具表面形貌模型。分别从未变形切屑厚度和有效磨粒刃宽等参数评估了磨削加工参数与结构化参数对CVD金刚石微磨具磨削性能的影响规律，并开发了相应的微磨具表面形貌模型和磨削性能评估可视化界面。　　接着，开展了TC4钛合金微磨削、沟槽微铣削和大深径比微径钻孔工艺实验，探究了加工参数如刀具转速、进给速度、切削深度等对加工质量及切削力的影响规律，为后续槽孔复合微结构阵列元件的加工提供一条高效、高精的技术路线。　　最后，根据最佳加工参数组合对TC4钛合金槽孔复合微结构阵列元件进行了加工与检测。依据所加工样件特征制定了加工工艺方案，对加工路径进行了规划并求取了加工特征点的几何坐标，分析了对刀方案，并对实验装置进行了定位误差测量与补偿。对各项加工指标进行了检测，实现了槽孔几何精度一致性较好的加工结果。

关键词：微磨削精密加工钛合金槽孔结构金刚石微磨具形貌建模

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异形微尺度断续磨具制备过程与加工工艺研究

异形微尺度断续磨具制备过程与加工工艺研究

作者：于涛东北大学

学位级别：硕士

随着工业化不断发展,人们对微型元器件产品的需求已经越来越大。在生产加工过程中,为了提高产品的精度以及表面质量,微磨削越来越受到人们的关注,是目前作为实现微零件和微结构元件的高精度和高表面质量的重要研究方法。但是普通微磨具... 详细信息

随着工业化不断发展,人们对微型元器件产品的需求已经越来越大。在生产加工过程中,为了提高产品的精度以及表面质量,微磨削越来越受到人们的关注,是目前作为实现微零件和微结构元件的高精度和高表面质量的重要研究方法。但是普通微磨具在微磨削加工过程中存在排屑以及散热等方面的局限性,因此本文提出并设计了两种不同类型的断续微磨具,用以解决上述问题。首先,本文提出并设计了直式和螺旋式两种不同类型的断续微磨具。断续微磨具的磨削机理与普通圆柱型微磨具有所不同,由于无效磨削区的存在,断续微磨具在磨削过程中磨粒与工件是不连续接触的。通过考虑磨粒出刃高度建立了断续微磨具材料去除模型以及螺旋式断续微磨具和直式断续微磨具的微磨削力模型。为了验证所建力学模型的准确性和所设计的断续微磨具的优越性,本文进行了一系列微磨削单因素对比实验。通过实验证明,断续微磨具的磨削力明显小于普通圆柱型微磨具的磨削力。除此之外,随着进给速度的增大,普通圆柱型微磨具的磨削力幅值以及磨削力波动程度均大于断续微磨具。对不同微磨具加工工件的结果进行了分析比较,由于断续微磨具具有良好的容屑和排屑能力,随着进给速度的增大,断续微磨具加工的工件表面质量优于普通微磨具。同时根据实验数据对所建力学模型进行了验证,本文所建立的不同断续微磨具微磨削力模型能够很好地预测实际加工产生的微磨削力,磨削力实验测量值和所建立的力学模型计算值的误差在可控范围内,尤其随着进给速度增大,误差越来越小。本文进一步从磨具磨损、加工工件的表面质量以及磨削力三个方面比较了所设计的四种断续微磨具,得到结论为四槽螺旋式断续微磨具的磨削性能最好。最后,针对四槽螺旋式断续微磨具加工不同材料设计了一系列的单因素实验。对不同材料加工后的表面质量进行分析,对不同材料在磨削过程中产生的x轴方向和y轴方向的平均磨削力和磨削力随进给速度变化的细节图进行了分析比较。得到碳纤维复合材料加工后的表面质量最好,同时其平均磨削力最小、磨削细节力波动最稳定。本研究得出的结论为断续磨具微磨削提供了理论参考和实验依据。

关键词：微磨削断续微磨具材料去除机理磨削力表面质量

增材制造高熵合金的制备及组织和机械性能研究

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增材制造高熵合金的制备及组织和机械性能研究

作者：刘文博东北大学

学位级别：硕士

高熵合金作为一种新兴的多主元合金材料,因其独特的固溶体组织和高硬度、高强度等优异的综合性能,目前是国际上金属材料领域共同关注的热点。增材制造技术因具有“急冷急热”的快速成形特点,已成为当前复杂金属构件制备中最具前景的制... 详细信息

高熵合金作为一种新兴的多主元合金材料,因其独特的固溶体组织和高硬度、高强度等优异的综合性能,目前是国际上金属材料领域共同关注的热点。增材制造技术因具有“急冷急热”的快速成形特点,已成为当前复杂金属构件制备中最具前景的制造方法之一,基于增材制造技术制备高熵合金零件的基础问题研究越来越成为广大专家学者们的关注和研究热点。本文基于增材制造技术制备不同种类高熵合金,利用仿真与实验相结合的方法研究了不同激光工艺参数对高熵合金成形质量的影响规律,通过建立激光熔覆温度场仿真模型,分析激光熔覆过程中熔池温度变化规律,结合理论研究,分析影响高熵合金微观组织、宏观成形质量及机械性能的因素,并通过增材制造高熵合金微磨削加工实验,分析影响不同高熵合金微磨削性能的因素。本文主要内容包括以下几点:(1)通过增材制造技术制备高熵合金的相关理论研究,探讨高熵合金热力学基础及成形理论,研究激光与多元素金属混合粉末、基体热交互作用及熔池流动控制理论,分析熔池表面张力的形成原因及熔池凝固理论。通过探究不同工艺参数下激光熔覆过程仿真中熔池内温度场的变化规律,分析熔池温度场沿不同方向温度梯度变化情况,探究熔池内温度随时间变化一般规律。(2)基于激光熔化沉积方法制备高熵合金,探讨激光工艺参数对激光熔化沉积制备高熵合金熔覆层尺寸的影响规律,分析高熵合金熔覆层微观组织的形貌及特点,探究不同添加元素含量对高熵合金熔覆层成形质量的影响规律,通过激光熔化沉积高熵合金的仿真与实验对比研究,验证仿真模型的准确性。(3)利用选区激光烧结方法制备添加元素含量不同的高熵合金,分析不同粉末粒径、元素含量、工艺参数对选区激光烧结高熵合金试件宏观成形质量、微观组织形貌、机械性能的影响规律,探讨高熵合金成形试件组织中晶相组成及分布规律,研究试件不同高度对于试件拉伸性能的影响规律。(4)通过增材制造高熵合金微磨削加工实验,探究了不同微磨削工艺参数、不同Al元素添加含量对增材制造高熵合金微磨削加工表面粗糙度及微磨削力的影响规律,进行增材制造高熵合金与铸态高熵合金的微磨削加工对比实验,综合分析增材制造高熵合金的微磨削性能。

关键词：增材制造高熵合金微观组织机械性能微磨削

具有微切削刃阵列结构的球形铣刀制造及应用研究

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具有微切削刃阵列结构的球形铣刀制造及应用研究

作者：黎宇弘华南理工大学

学位级别：硕士

在机械零件、人工假体等曲表面体上加工出高精度的微米级结构可以改变其表面特性、从而产生更高的性能。目前的制造工艺流程需要曲面精加工、微结构加工和微结构去毛刺共三套装置和三种工具,并且在较大面积的自由曲面上进行加工比较困... 详细信息

在机械零件、人工假体等曲表面体上加工出高精度的微米级结构可以改变其表面特性、从而产生更高的性能。目前的制造工艺流程需要曲面精加工、微结构加工和微结构去毛刺共三套装置和三种工具,并且在较大面积的自由曲面上进行加工比较困难。因此,本课题提出采用一种具有微切削刃阵列结构的球形铣刀,通过五轴联动控制在同一设备上加工出微阵列结构自由曲面。首先,开发具有微切削刃阵列的球形铣刀微磨削工艺。采用精密修整的金刚石砂轮微尖端,在数控磨床上安装夹具使球形铣刀轴线与砂轮轴线形成一个固定的角度,在球形铣刀表面的弧形切削刃设计点绕刀具轴线在圆周上加工出微切削刃阵列。并且,建立微切削刃阵列的形状和位置控制模型,构建切削前角和后角的参数化模式。实验结果显示,微切削刃结构光滑整齐、无毛刺;设计高度为225μm,角度为75°的6单元微切削刃阵列,实际加工的平均高度误差为4.3μm,平均角度误差为2.6°,切削刃刃口圆弧半径约2μm-8μm。然后,构建五轴联动加工的刀位和姿态的控制模型,利用微切削原理实现在工件的表面上高效精准复制出与微切削刃阵列结构形状互补的、方向可控的、法向适应曲面的微阵列结构。加工实验表明:增加切削线速度和减小进给速度有利于提高微结构表面质量与形状精度。加工的设计深度为225μm,角度75°的4单元微沟槽阵列结构,实际加工的平均形状误差为6.6μm,平均角度误差为1.9°。而且,针对微锥塔阵列结构棱边毛刺问题,开发出一种去除微毛刺的正交微切削工艺,可将微锥塔阵列结构毛刺高度从35μm降至5μm。最后,利用CT断层照片重建并提取患者的股骨内腔的空间结构,设计个性化的人工髋关节假体柄镶嵌空间曲面和生物相容的曲表面微槽阵列结构。通过对五轴联动模型添加约束以及对具有微切削刃阵列结构的环形刀具的球形化计算,实现利用具有微切削刃阵列结构的环形铣刀,在轴四联动加工系统中精密加工假体柄曲表面微槽阵列。设计的深度为172μm和角度为60°的4单元微沟槽阵列结构,实际加工的平均形状误差与平均角度误差为16.0μm和9.9°,加工表面粗糙度Ra为2.27μm。

关键词：微磨削五轴铣削微铣削自由曲面微阵列结构表面髋关节假体柄

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光纤端面加工技术及其发展趋势

机械工程与技术 2016年第1期5卷 1-8页

作者：陈兵舒启林沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳

回顾光纤的发展历程及国内外光纤端面加工技术的发展情况,本文针对国内外光纤的发展的需求、历程,进行简单归纳。着重对光纤研磨抛光、光纤熔融拉锥、光纤光栅刻写、光纤化学腐蚀以及光纤微磨削加工等光纤端面加工技术进行分析与总结,... 详细信息

回顾光纤的发展历程及国内外光纤端面加工技术的发展情况,本文针对国内外光纤的发展的需求、历程,进行简单归纳。着重对光纤研磨抛光、光纤熔融拉锥、光纤光栅刻写、光纤化学腐蚀以及光纤微磨削加工等光纤端面加工技术进行分析与总结,并进一步阐述光纤端面加工技术的发展趋势。

关键词：光纤端面加工研磨抛光微磨削