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硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究

湖南大学学报（自然科学版） 2023年第6期50卷 1-8页

作者：黄向明曾清李希扬周辉李鸿宇王熔何洪湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082 中航动力株洲航空零部件制造有限公司湖南株洲412007

针对硬质合金钻削刀具曲面加工效率低的问题,提出了用剪切增稠抛光(Shear Thickening Polishing,STP)方法实现硬质合金钻削刀具的复杂双螺旋曲面的低成本、高效率整体高质量抛光加工.配制具备剪切增稠特性的非牛顿抛光流体,使用MCR302... 详细信息

针对硬质合金钻削刀具曲面加工效率低的问题,提出了用剪切增稠抛光(Shear Thickening Polishing,STP)方法实现硬质合金钻削刀具的复杂双螺旋曲面的低成本、高效率整体高质量抛光加工.配制具备剪切增稠特性的非牛顿抛光流体,使用MCR302旋转流变仪测试其流变特性.基于剪切增稠抛光液的流变特性,对硬质合金麻花钻的刃背、刃带和螺旋槽曲面进行整体抛光.采用控制变量法分析抛光槽转速和工件转速对硬质合金麻花钻表面粗糙度与材料去除率的影响规律.试验结果表明,加工后的麻花钻整体表面粗糙度随抛光槽转速的增大先减小再增大,在抛光槽转速为90 r/min时,加工效果最好.随着工件转速的增加,其整体表面粗糙度先减小后基本不变或略有增加,在工件转速为3500 r/min时,加工效果最好.麻花钻材料去除率与抛光槽转速及工件转速呈正相关.在较优加工参数抛光槽转速90 r/min、工件转速3500 r/min下,麻花钻经STP 60 min后,其刃背、刃带和螺旋槽表面粗糙度分别从原始的310 nm、450 nm、270 nm降低至10 nm、243 nm、15 nm,刃背和螺旋槽磨削痕迹几乎消失,螺旋槽刃口处缺陷明显减少.

关键词：剪切增稠抛光麻花钻硬质合金螺旋曲面表面粗糙度

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磨粒类型对K9玻璃剪切增稠抛光的影响

表面技术 2022年第11期51卷 337-346,384页

作者：段世祥吕冰海邓乾发浙江工业大学机械工程学院杭州310023

目的采用剪切增稠抛光方法对K9玻璃进行抛光,以工件表面粗糙度Sa为评价指标,研究不同磨粒抛光液对K9玻璃的抛光效果。方法采用金刚石、CeO_(2)、Al_(2)O_(3)和SiO_(2)等4种单一磨粒,以及金刚石+SiO_(2)混合磨粒,制备了不同的剪切增稠抛... 详细信息

目的采用剪切增稠抛光方法对K9玻璃进行抛光,以工件表面粗糙度Sa为评价指标,研究不同磨粒抛光液对K9玻璃的抛光效果。方法采用金刚石、CeO_(2)、Al_(2)O_(3)和SiO_(2)等4种单一磨粒,以及金刚石+SiO_(2)混合磨粒,制备了不同的剪切增稠抛光液,并测试其流变特性。以φ20 mm K9玻璃圆片为工件,首先在相同磨粒浓度下,进行4种单一磨粒抛光液的抛光实验,观测在抛光时间不同时工件表面粗糙度Sa的变化情况,比较4种抛光液的抛光效果。然后,对比CeO_(2)抛光液与金刚石+SiO_(2)混合磨粒抛光液的抛光效果,并分析讨论混合磨粒抛光液的材料去除过程。结果使用CeO_(2)抛光液抛光35 min后,将工件的表面粗糙度Sa从(233.1±15.2)nm降至(1.6±0.2)nm;金刚石抛光液次之,在抛光55 min后工件的表面粗糙度Sa达到(1.86±0.2)nm;Al_(2)O_(3)抛光液的效果相对最差。采用SiO_(2)(质量分数10%)+金刚石(质量分数5%)抛光液,在抛光5 min后工件的表面粗糙度Sa比CeO_(2)抛光液的低53.3%;在抛光35 min后,工件的表面粗糙度Sa从(230.7±10.5)nm降至(1.43±0.9)nm。在金刚石(质量分数5%)抛光液中添加不同浓度SiO_(2)磨粒的抛光实验中发现,在抛光初始阶段,抛光效率随着SiO_(2)磨粒浓度的增加而增大。结论CeO_(2)抛光液和SiO_(2)(质量分数10%)+金刚石(质量分数5%)抛光液的抛光效果相对最优,后者在低表面质量时的抛光效率更高。

关键词：剪切增稠抛光 K9玻璃 SiO_(2) CeO_(2) 表面粗糙度

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球面滚子剪切增稠抛光优化实验

表面技术 2023年第1期52卷 232-241,265页

作者：傅琳邵蓝樱杨居儒吕冰海邓乾发王旭浙江工业大学机械工程学院杭州310014

目的研究球面滚子在剪切增稠抛光过程中,不同抛光参数对表面粗糙度的影响,获得滚子光滑滚动面,并优化抛光工艺参数。方法基于田口实验设计,以表面粗糙度Sa为评价指标,分析磨粒种类、磨粒浓度、抛光转速、抛光间距等4个抛光工艺参数对球... 详细信息

目的研究球面滚子在剪切增稠抛光过程中,不同抛光参数对表面粗糙度的影响,获得滚子光滑滚动面,并优化抛光工艺参数。方法基于田口实验设计,以表面粗糙度Sa为评价指标,分析磨粒种类、磨粒浓度、抛光转速、抛光间距等4个抛光工艺参数对球面滚子剪切增稠抛光后表面粗糙度的影响。通过实验分析表面粗糙度Sa的信噪比结果,得出最优的参数组合,并通过摩擦磨损实验评价抛光表面的摩擦磨损性能。结果得到了优化的工艺参数,Al_(2)O_(3)与SiO_(2)混合磨粒的质量比为1∶1,磨粒的质量分数为10%,抛光转速为70 r/min,抛光间距为4 mm,抛光时间为30 min。在此优化的工艺参数下,球面滚子表面粗糙度Sa从(40±10)nm降至(8.51±2)nm。结论剪切增稠抛光可以有效地去除球面滚子的表面缺陷,且在抛光过程不会改变滚子的圆度,抛光后滚子表面的摩擦因数减小,表面不易发生氧化物堆积。采用剪切增稠抛光可以有效提高GCr15球面滚子的表面质量。

关键词：球面滚子剪切增稠抛光表面粗糙度摩擦因数

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剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

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华南理工大学学报（自然科学版） 2015年第9期43卷 113-120页

作者：李敏袁巨龙吕冰海姚蔚峰戴伟涛湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心湖南长沙410082 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室浙江杭州310014

基于剪切增稠抛光（STP）的加工原理分析 Si3 N4陶瓷超精密加工的控制策略，考察所制备的含有立方氮化硼（CBN）磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为，分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态，研究其抛光特性．结果表明：抛光液具有... 详细信息

基于剪切增稠抛光（STP）的加工原理分析 Si3 N4陶瓷超精密加工的控制策略，考察所制备的含有立方氮化硼（CBN）磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为，分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态，研究其抛光特性．结果表明：抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应，可达到 STP 加工工艺用抛光液的要求；改变磨粒粒径，可以控制 Si3 N4加工效率与表面质量，且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化；STP 加工Si3 N4为持续微切削的“柔性抛光”，初期为脆性剪切、粘着磨损去除，后期为塑性去除；当磨粒粒径达到纳米级时，表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力，说明 STP 不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小；随着抛光时间的延长，去除量先快速增大而后趋缓；抛光90 min 后，去除率由初期的5．00～2．40μm ／h 降至3．24～2．04μm ／h，表面粗糙度 Ra由108．9～111．1 nm 降至22．0～10．7 nm；抛光150min 后，Ra可降至9．6～7．2 nm，实现了 Si3 N4陶瓷粗抛后的精密抛光．

关键词：剪切增稠抛光氮化硅流变行为应力状态材料去除精密抛光

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硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光工艺试验研究

硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光工艺试验研究

作者：曾清湖南大学

学位级别：硕士

磨削加工后的麻花钻常出现锯齿、毛刺等微观缺陷以及表面粗糙度高,一般通过抛光工艺来改善。然而对于麻花钻的复杂曲面几何形貌,现有抛光技术局限性较大。剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP)作为一种新型流体抛光技术能够高... 详细信息

磨削加工后的麻花钻常出现锯齿、毛刺等微观缺陷以及表面粗糙度高,一般通过抛光工艺来改善。然而对于麻花钻的复杂曲面几何形貌,现有抛光技术局限性较大。剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP)作为一种新型流体抛光技术能够高质高效抛光硬脆难加工材料。本文以硬质合金麻花钻为对象,利用剪切增稠抛光技术开展抛光工艺仿真及试验研究,实现麻花钻刃背、刃带、螺旋槽的整体抛光。本文主要研究内容如下:(1)分析了麻花钻STP抛光原理,介绍了STP抛光试验方案。制定抛光液配制流程并确定抛光液主要成分及比例,测试其流变特性。结果表明,配制的STP抛光液黏度随剪切速率的变化分为三个区间:剪切变稀-剪切增稠-剪切变稀区间,磨粒质量分数的增加会使STP抛光液整体黏度提高而流变特性不变。同时采用高斯多峰法拟合STP抛光液黏度特性曲线。(2)对麻花钻的STP抛光过程进行流体仿真,得到了流体速度、动压力、黏度、壁面剪切应力分布云图;分析了抛光槽转速、工件转速对STP抛光液黏度、工件壁面剪切应力和材料去除的影响规律。结果表明,随着抛光槽转速、工件转速的增加,麻花钻附近STP抛光液增稠区域不断扩大,工件壁面剪切应力和材料去除率随之增加。(3)采用单因素实验法分析抛光槽转速、工件转速、抛光时间和工件倾角四个工艺参数对硬质合金麻花钻刃背、刃带、螺旋槽表面粗糙度和材料去除率的影响规律。采用正交实验法对磨粒质量分数、磨粒粒度、抛光槽转速和工件转速四个抛光工艺参数进行优化。结果表明,在最优参数组合下对硬质合金麻花钻STP抛光30min后,麻花钻刃背、刃带、螺旋槽表面粗糙度下降至10nm左右,材料去除率为3.497μm/h,磨削痕迹消失,表面缺陷基本去除。研究证明STP抛光可有效改善硬质合金麻花钻整体的表面质量,实现精密加工。

关键词：硬质合金麻花钻剪切增稠抛光螺旋曲面流体仿真表面粗糙度

基于田口法的石英玻璃剪切增稠抛光工艺参数优化

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表面技术 2021年第12期50卷 85-93页

作者：邵琦邵蓝樱吕冰海赵萍王金虎袁巨龙浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310014

目的研究石英玻璃剪切增稠抛光(STP)过程中,不同抛光参数对材料去除率及表面粗糙度的影响,提高石英玻璃表面质量,并优化工艺参数。方法基于田口法设计实验,以材料去除率、表面粗糙度为评价指标,分析抛光速度、磨粒浓度和抛光液p H值三... 详细信息

目的研究石英玻璃剪切增稠抛光(STP)过程中,不同抛光参数对材料去除率及表面粗糙度的影响,提高石英玻璃表面质量,并优化工艺参数。方法基于田口法设计实验,以材料去除率、表面粗糙度为评价指标,分析抛光速度、磨粒浓度和抛光液p H值三个关键参数对石英玻璃STP抛光效果的影响。通过信噪比评估实验结果,采用方差分析(ANOVA)法计算各因素的权重,并得出最优工艺参数组合。结果抛光液p H值对Sa的影响最大(41.85%),其次是磨粒浓度(39.06%)和抛光速度(19.09%)。磨粒浓度对材料去除率(MRR)的影响最显著(63.78%),其次是抛光速度(28.81%)和抛光液p H值(7.41%)。在优选的抛光参数组合(抛光速度100 r/min,磨粒质量分数12%,抛光液p H=8)下,石英玻璃在抛光8 min后,表面粗糙度Sa从(110±10) nm降低到(1.2±0.3) nm,MRR达到165.2nm/min。结论在优化工艺参数下进行剪切增稠抛光,可有效去除石英玻璃表面划痕,提高石英玻璃表面质量。剪切增稠抛光可应用于石英玻璃平面及曲面抛光。

关键词：石英玻璃剪切增稠抛光材料去除率表面粗糙度田口法

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Si_3N_4陶瓷的剪切增稠抛光

机械工程学报 2017年第9期53卷 193-200页

作者：李敏袁巨龙吕冰海赵萍钟美鹏湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湘潭411201 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心长沙410082 浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310014

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率... 详细信息

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率、表面质量及圆度误差精度。结果表明:含有金刚石磨粒的抛光液具有非牛顿幂律流体的剪切增稠性质,当剪切速率(g(5))不断提高时,储能模量(G′)、耗能模量(G″)均呈现出一定的增长趋势,耗散因子(n′)不断降低;Si_3N_4陶瓷的STP加工为持续微切屑"柔性抛光"过程;抛光液中的金刚石磨粒粒径为0.2μm时,工件抛光的材料去除率相对较大,且MRR理论值与试验值的平均误差约为11.7%,表明在抛光区域内STP材料去除模型具有一定的有效性;工件经60 min的STP后,材料去除率由初期4.20μm/h下降到4.00μm/h,表面粗糙度R_a由107.2 nm降至26.5 nm;抛光120 min后,材料去除率会减小至3.85μm/h,表面粗糙度可降至R_a 6.5 nm;由初始圆度误差RONt 1.418mm下降至RONt 0.360mm,实现了Si_3N_4圆柱高效超精密抛光。

关键词：抛光剪切增稠抛光氮化硅陶瓷金刚石磨粒流变行为表面粗糙度圆度误差高效加工

圆柱曲面剪切增稠抛光材料去除函数仿真与实验研究

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表面技术 2019年第10期48卷 355-362页

作者：陈士豪吕冰海贺乾坤杨易彬邵琦宋志龙袁巨龙浙江工业大学超精密加工研究中心

目的通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光(STP)的材料去除函数。方法运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对... 详细信息

目的通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光(STP)的材料去除函数。方法运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对比工件所受作用力的仿真值与实验测量值,求得流体流变特性修正系数Kv,再根据仿真得到的圆柱曲面表面压强场和抛光液速度场,基于Preston方程建立圆柱曲面STP的材料去除函数。以不锈钢316圆柱曲面为抛光实验对象,通过去除率测量结果拟合得到材料去除函数系数。结果计算得出流体流变特性修正系数Kv=40.1,修正后,仿真模型的压力输出值与实验测量值的误差为4.7%。计算得到Preston方程去除函数的方程系数Kc=28.85。材料去除函数在整个圆柱曲面呈现近似正弦函数的分布规律,与抛光速度呈指数函数关系。抛光仿真和实验结果有着较好的吻合,误差在5%以内,表明了仿真模型的有效性。结论通过CFX仿真,可以很好地揭示剪切增稠抛光过程中圆柱曲面表面压强场和速度场的分布规律,并基于Preston方程建立材料去除函数,这种剪切增稠抛光去除函数的建立方法,不仅仅适用于规则的圆柱体,也适合其他形状工件剪切增稠抛光去除函数的建立。

关键词：圆柱曲面剪切增稠抛光有限元仿真去除函数 316L不锈钢

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剪切增稠抛光工艺特性与应用研究

剪切增稠抛光工艺特性与应用研究

作者：张凯楠大连理工大学

学位级别：硕士

剪切增稠抛光技术是一种利用抛光介质的非牛顿特性进行抛光的精密加工方法,具有抛光效率高、抛光质量好等优点,近年来引起较多研究学者的关注。在给定的剪切速率区间内,抛光介质的黏度会显著增加,这种动态的剪切增稠效应为具有复杂结构... 详细信息

剪切增稠抛光技术是一种利用抛光介质的非牛顿特性进行抛光的精密加工方法,具有抛光效率高、抛光质量好等优点,近年来引起较多研究学者的关注。在给定的剪切速率区间内,抛光介质的黏度会显著增加,这种动态的剪切增稠效应为具有复杂结构的工件的抛光效率和抛光表面质量的提升提供了有效途径。本文利用剪切增稠性质,制备了剪切增稠抛光介质,通过添加触变剂、优化各组分配比等措施,提高了抛光介质的稳定性;通过对抛光介质流变性能测试,为仿真和实验中工艺参数选取范围提供了参考;通过对抛光介质的流场进行仿真,研究了不同工艺参数对工件表面压力的影响;通过短棒和高速钢丝锥进行实验验证,为基于抛光介质剪切增稠效应的钝化抛光工艺参数优选打下了基础。主要研究内容包括:(1)剪切增稠抛光介质的制备工艺、介质稳定性及流变性能研究。通过搅拌抛光介质、添加触变剂等方式提高了抛光介质的稳定性;通过优化抛光介质各组分配比,获得了具有显著剪切增稠效应的抛光介质;通过对抛光介质进行流变测试,其结果为仿真工作中本构方程的建立提供了数据支持,为实验中主轴转速和进给速度的选择提供了参考。(2)剪切增稠抛光仿真研究。基于Ansys的Polyflow模块,建立了抛光介质的二维模型,研究了不同流道宽度、主轴转速及进给速度对工件的表面局部的抛光介质所受到的压力的影响规律,结果表明,随着流道宽度减小,主轴转速升高、进给速度增大,工件表面局部的抛光介质受到的压力逐渐增大。仿真结果为抛光实验中工艺参数的优选提供了参考。(3)剪切增稠抛光实验验证。通过短棒抛光实验,研究了不同壁面约束类型、主轴转速、进给速度对短棒表面质量的改善情况,结果表明,在双壁约束下,随着主轴转速和进给速度增加,单位时间内粗糙度Ra降低量逐渐增大。抛光20min后,工件表面粗糙度Ra可由90nm左右下降至16.7nm;通过刀具钝化实验,验证了应用剪切增稠流体钝化刀具的可行性,结果表明,随着钝化时间延长,刀具钝圆半径r逐渐增大,钝化300s后,丝锥钝圆半径可由4.28μm钝化至14.42μm左右。

关键词：剪切增稠抛光剪切增稠钝化表面粗糙度钝圆半径