高能束流增材制造超粗糙表面“高剪低压”磨削新方法与加工机理基础研究

According to the requirements of surface quality post high-energy-beam additive manufacturing (HEB AM) in the field of aerospace, automotive, biomedical and cultural creative industries, aiming at the issues of conventional grinding technology for difficult-to-grind materials built with HEB AM, including low machining efficiency, poor surface integrity, high-frequency wheel loading and burning, this project puts forward an innovative high-shear and low-pressure grinding method, that is machining with high tangential grinding force and low normal grinding force using novel abrasive tools based on body amor principle of clustering effect. The contents of the project mainly deal with research of the key technologies including design and fabrication, dressing methods of the novel body-amor-like abrasive tools, mechanics behaviors, mechanical friction actions in grinding process. Through the theoretical model, simulation and experimentation, the project systematically investigates the relationship of the processing parameters and grinding force, thermal, energy consumption and surface integrity, mechanism of surface material removal and surface generation, as well as the optimum processing parameters for the innovative high-shear and low-pressure grinding method. The project will provide advanced machining theory and technology with China’s own intellectual property for the excellent surface finishing quality post additive manufacturing.

本项目根据航空、汽车、生物医疗、文化创意等领域对高能束流快速增材制造材料表面质量的要求，围绕当前增材制造难加工材料工件磨削所面临的材料磨除率低、表面完整性差、砂轮易于堵塞、磨削烧伤频繁等共性难题，提出采用“类防弹衣”式特制柔性复合材料磨具，通过微纳磨粒在接触工件表面微凸峰反向阻力作用下迅速产生“集群效应”，以高切向磨削力与低法向磨削力的“高剪低压”方式去除工件表面材料的磨削新方法，重点突破 “类防弹衣”原理新型构造磨具组织结构设计与开发、自锐性能和磨损规律、工具添加物的释放机制等关键技术研究。通过理论建模和工艺试验，分析工艺参数与磨削力、磨削热、磨削能耗、磨削表面完整性的映射关系以及影响规律，研究新型“高剪低压”（高磨擦系数）磨削材料去除机理，提出高效率高表面完整性的 “高剪低压”磨削工艺参数。为我国增材制造材料高质量表面提供具有自主知识产权的先进光整加工理论和技术。

项目以航空、汽车、生物医疗、文化创意等领域的高能束流快速增材制造材料表面质量需求为背景，以国际热点的高能束流快速增材制造难加工材料为研究对象，针对传统磨削中存在的工件表面完整性差、磨具易于堵塞、磨削烧伤频繁等共性难题，提出了高剪低压磨削新方法。研发了系列化“类防弹衣”式特制柔性复合材料磨具，研究了磨料体系在磨料层纤维织物中的存在形态和分布状况，探究了新型磨具磨削性能，优化设计了磨具组织成分和制备工艺，提出了高性能、低成本、工艺简单的防弹衣式柔性复合材料磨具制备技术。为实现高剪低压磨削过程的动态监测，探究防弹衣式柔性复合材料磨具磨削机理，开发了磨削过程智能监控及专家决策系统；创建了磨削数据库，建立了磨削功率/力与磨削质量之间的映射关系，研发了专家决策系统，实现了磨削参数实时调控。建立了磨具与工件接触模型、微纳磨粒与工件粗糙表面微凸峰接触模型，利用有限元仿真，探究了高剪低压磨削材料去除过程；利用流体动力学、材料力学、运动几何学、弹性接触理论等揭示了高剪低压发生机制以及材料去除机理。集成六自由度机器人、三维精密运动平台、六维力传感器及研制磨具，开发了复杂曲面精准智能高剪低压磨削系统。探究了磨具组织成分和磨削参数对加工质量的影响规律，获得了高效精密高剪低压磨削工艺参数。研究成果发表和录用高水平学术论文29篇，其中中科院SCI一区TOP期刊5篇、二区6篇，中国科技期刊卓越行动计划–领军期刊1篇；出版学术专著1部；授权国家发明专利23件，专利转化3件；获中国机械工业科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖等科技奖励4项。项目负责人培养博士后7人、博士和硕士研究生11人，入选国际先进材料协会会士、山东省泰山学者青年专家、山东省青年“互联网+”新锐人物。研究成果助推了绿色低碳智能制造，驱动了高端装备产业快速发展。研发的磨削智能监控与分析决策技术已成功推广应用，取得了显著的经济与社会效益。