2020年“中国机械工程学会会员日”活动 —— 【浙江工业大学超精密加工研究中心】专访
来源:本站原创 浏览次数: 发表日期:2020-06-02
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本期嘉宾

袁巨龙,1962年生,浙江工业大学资深教授,享受国务院政府特殊津贴专家,浙江省有突出贡献中青年专家,浙江省“151人才工程”第一层次重点资助人员。1979年至1989年哈尔滨工业大学机械工程系获学士、硕士和博士学位。1989年至1991年浙江大学博士后、日本琦玉大学博士后。曾任湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心主任,现任浙江工业大学超精密加工研究中心主任。主要学术兼职包括:中国磨粒技术委员会副主任,中国精密加工与纳米技术委员会副主任,中国切削先进技术研究会副理事长,中国机械工程学会生产工程分会常务理事,国际磨粒技术委员会委员,日本精密工学会正会员。第16届国际制造会议(IMCC)组委会副主席,第7~15届中日超精密加工学术会议(CJUMP)共同主席,第16届国际磨粒技术会议(ISAAT)组委会主席。丝路先进制造学术会议(SAM)发起人及主席。“西湖论剑”精密制造国际会议发起人及主席,目前已经成功举办了十一届,形成了相对固定的会员群体以及独特的沙龙文化,搭建了一个“产学研”紧密合作的平台。

袁巨龙教授多年来一直从事精密与超精密加工技术与装备的研发和教学工作。围绕基础几何形状表面的精密与超精密磨削、研磨抛光加工技术与装备,开展一系列原创性的超精密加工方法、关键技术、加工与光学非接触检测装备研究,形成一系列具有国际先进水平的加工技术及理论。主持完成国家科技支撑计划重点项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目等国家和省部级重点项目30余项,培养博士后、博士、硕士80余人,出版著作5部,发表高水平论文300余篇,获授权国家发明专利60余件,软件著作权6件,获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖6项。


团队成员


实验室现有在编研究人员、博士后、博士研究生、硕士研究生70余人。研究人员中包括各类人才、专家。

团队简介


团队定位与代表成果

浙江工业大学超精密加工研究中心创建于1998年,2005年发展成为浙江省重点实验室和教育部重点实验室,2013年由国家科技部批准为国家超精密加工装备国际联合研究中心。中心以“精工极致、琢磨完美”为研究理念,提出原创的技术和理论,实现精密制造和检测技术及装备的产业应用。通过与国内外广泛的交流与合作,致力于打造成为国内一流、国际知名的智能精密制造研发基地,为我国精密制造技术的发展做出贡献。团队紧密围绕关键基础件制造、复杂曲面抛光、加工过程智能控制、光学非接触检测方面的国家重大需求,长期从事相关基础理论、新工艺、新装备的研发工作。团队原创性的提出了力流变抛光原理与方法、介电泳抛光原理与方法,以及基础几何形状表面均匀全包络加工理论,相关成果成功在高端滚动轴承制造、晶片加工领域实现了产业化,推动了我国基础件制造能力的提升。

目标与研究方向

中心围绕基础几何形状表面(如平面、球面、圆柱面等)的精密与超精密磨削、研磨抛光加工技术与装备,开展一系列原创性的超精密加工方法、关键技术、加工与光学非接触检测装备研究。主要研究方向:1)精密与超精密加工新原理新方法;2)精密与超精密加工装备;3)精密与超精密加工过程智能控制系统;4)超精密光学非接触检测仪器。形成一系列具有国际先进水平的加工技术及理论,推动精密与超精密加工理论的发展及技术进步。

团队最新科技进展


力流变抛光技术是在项目组原创的剪切增稠抛光方法基础上发展而来的,其原理如图1所示。力流变抛光过程中,工件与抛光液之间存在相对运动,当工件对非牛顿流体抛光液施加的剪切速率超过一定值时,抛光液将会产生流变现象,接触区域的抛光液粘度会极具上升(可以达到3个数量级),由液体状态转变为“类固体”状态,抛光液对磨粒的把持作用力急剧增加,在接触区域形成的“柔性固着磨具”对工件表面进行微切削,实现高效、柔性的抛光。同时,抛光液本身所具有的流动特性使该方法适用各种复杂形状表面的抛光。该方法具有以下优点:1)属于柔性加工方式,加工表面质量好,材料变质层小;2)加工适用范围广,可加工复杂曲面、孔壁等各种类型的表面;3)加工效率高;4)力流变抛光液制备简单,成本较低;5)力流变抛光液基液中胶态粒子对磨粒具有很好的分散和托举作用,磨粒在抛光液中的分散性好;6)对加工设备要求较低。

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图1 力流变抛光原理图

团队成员对不同配比的抛光液流变性能进行了研究,得出了抛光液的粘度-剪切速率曲线如图2所示。采用力流变抛光对黑色碳酸锂基片进行抛光4分钟后,表面粗糙度Ra/Rz从200.5/1374.6 nm快速减小到4.2/22.1 nm,抛光前后表面宏观图如图3所示,该研究实现了对“软脆材料”的高效,高质量表面抛光。研究成果论文Shear Thickening Polishing of Black Lithium Tantalite Substrate发表于International Journal of Precision Engineering and Manufacturing期刊。

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图2 力流变抛光液流变曲线: (a) 不同磨料抛光液的流变曲线;(b) 不同粒度氧化铝磨粒的流变曲线

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图3 抛光前后碳酸锂表面宏观形貌

团队成员通过单因素抛光加工实验分析了抛光速度、磨粒浓度和磨粒粒径对抛光效率与抛光质量的影响规律。通过正交实验分析,得出对抛光材料去除率及表面粗糙度影响的主次因素,抛光速度>磨料浓度>磨粒粒径。采用正交实验得出的优化工艺参数,对轴承钢滚子表面进行抛光,抛光后表面粗糙度从Ra 125nm下降到Ra 4.2nm,表面宏观图如图4所示。该项研究成果论文Experimental study on shear thickening polishing method for curved surface已发表于Nanomanufacturing期刊。

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图4 工件表面的图片:(a) 加工前;(b) 加工后

团队成员对力流变抛光液本构方程及剪切边界层进行理论分析,得到剪切增稠抛光的材料去除模型,揭示材料去除机理,主要是以塑性剪切形式去除(如图5所示),凸起的高点优先去除。分析采用力流变抛光方法对GCr15轴承钢圆柱工件进行抛光实验,90 min后工件表面粗糙度由Ra 105.95 nm降至Ra 5.99 nm。研究成果已形成论文Shear-thickening polishing method发表于International Journal of Machine Tools & Manufacture 期刊。

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图5 力流变抛光材料去除微观模型示意图:(a) 未发生剪切增稠;(b) 剪切增稠初始阶段;
(c) 剪切增稠增强;(d) 剪切增稠减弱

团队成员采用力流变抛光方法对螺纹梳刀刀具进行了抛光试验研究,抛光15分钟后刀具表面粗糙度从121.8 nm减小到7.1nm,抛光后刀具表面无缺陷产生,刀具齿形完好,未出现崩刃现象(如图6所示)。研究成果形成论文Experimental study on shear thickening polishing of cemented carbide insert with complex shape发表于The International Journal of Advanced Manufacturing Technology期刊。
 

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图6 刀具抛光后与抛光前的图片对比


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