机械制造设计实验报告(机械零件非光滑仿生表面，加工装置创新设计，与加工装置设计)
文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
随着人类文明的不断发展，人们对物质生活的要求越来越高，各种机械设备也被不断开发出来，而在机械设备中，许多机械零件在工作时表面会受到各种各样的限制和约束，无法达到预期的工作效果。
例如在切削加工中，由于要受到刀具和工件之间存在的摩擦力、切削液对刀具和工件的影响、刀具和工件之间存在的摩擦力等因素的影响，这些因素会直接导致刀具和工件之间产生摩擦和阻力，严重时还会导致刀具和工件之间出现滑移现象。
而在实际工作中，由于受多种因素的影响，通常情况下很难避免这类问题出现，所以对机械零件表面进行加工处理是非常有必要的。
在目前机械零件加工过程中通常会采用切削、磨加工等方法对其进行表面处理，由于这些方法都是在机械零件表面施加外力来完成的，所以这些方法虽然能够保证其表面光滑性，但同时也会带来一些负面影响，
例如：在切削过程中，刀具与工件之间存在着一定程度上的摩擦力和阻力；由于这些外力作用于机械零件表面时会引起机械零件表面产生塑性变形；对于那些精度要求较高或表面质量要求较高的机械零件而言，通常情况下是很难满足其使用需求的。
因此在进行机械零件加工时要尽量避免上述这些问题出现，例如在切削过程中要尽量减少刀具与工件之间的摩擦力和阻力、在磨削过程中要尽量避免工件表面出现塑性变形等。
综上所述就目前情况来看，在对机械零件进行加工处理时要想实现理想的效果通常都需要采用切削、磨加工等方法来进行处理，而且这些方法都需要借助一些特定的机械装置才能进行操作。
但是对于那些精度要求较高或表面质量要求较高的机械零件而言，在加工过程中很难避免其表面受到一定程度上的影响和约束，所以针对这些情况就需要设计出一种新型且高效且实用的非光滑仿生表面加工装置。
非光滑仿生表面加工装置主要包括非光滑仿生表面加工装置主体部分、刀具部分以及切削液部分。
首先是在非光滑仿生表面加工装置主体部分中设置有一个移动装置和一个固定装置，移动装置是安装在主体部分上用于将刀具与工件之间进行连接和移动，固定装置是安装在非光滑仿生表面加工装置主体部分上用于固定刀具。
刀具部分主要是用来对刀具与工件之间进行连接和移动从而达到对机械零件进行加工处理的目的。
切削液部分主要是用于对刀具与工件之间进行切削时对机械零件表面进行润滑以及带走一部分切削时产生的热量等作用。
在非光滑仿生表面加工装置中设置有一个切削液供给系统和一个冷却系统，其中切削液供给系统是通过输送管路将切削液输送到切削液供给系统中；冷却系统主要是通过将切削液降温后再循环利用来进行冷却。
非光滑仿生表面减阻机理
在自然界中，一些生物（如昆虫、鸟类、鱼类等）的体表常常具有很多非光滑表面，如昆虫的触角、鸟类的翅膀和鱼鳍等，这些生物的体表具有许多大小不同的凹凸结构，这些凹凸结构具有减小摩擦阻力、增加流体阻力、提高流体输送效率等作用。
因此，近年来，人们开始尝试从生物表面进行仿生研究，利用这种方法来获得减阻性能良好的仿生表面。为了进一步研究和优化非光滑表面的减阻效果，国内外学者对非光滑表面的减阻机理进行了大量研究。国外学者在非光滑表面上进行了大量实验研究，发现其减阻效果主要与以下几个方面有关：
凹坑或沟槽在流动中所起的作用主要是为增加壁面与流体间的摩擦阻力。凹坑或沟槽在流动中所起的作用主要体现在两个方面：
一是凹坑或沟槽通过增大壁面粗糙度来提高壁面摩擦阻力；二是凹坑或沟槽增加了流体与壁面间的摩擦力，从而使流体在流动过程中能较长时间地停留在壁面上，使流体不容易被排走。
凹坑或沟槽与壁面间摩擦阻力随凹坑或沟槽形状、尺寸和分布状态等而异，一般呈“S”形分布。当凹坑或沟槽位于两个不同边界层之间时，这种摩擦阻力最小；当凹坑或沟槽位于两个不同边界层之间时，则摩擦阻力最大。
在流动中，流体在微尺度下流动是一种层流现象，即流体处于非稳定状态。在这种情况下，当流体进入微管后就会发生复杂的微流动现象。
根据流体层流动和湍流理论可知，在微管内的流场中会发生剪切层分离、回流、漩涡、湍流等复杂流动现象。当这些微流动现象发生时，就会导致管壁附近的湍流运动加剧，使微管内流体的速度和压力分布变得更加不均匀。
由于层流状态下流速相对较慢，因此管壁附近的流场处于非稳定状态；而由于湍流状态下流速较快，管壁附近的流场处于不稳定状态。
当这些不稳定的流场分布被控制时，就会导致管壁附近微流动加剧。当微流动加剧时就会发生湍流现象。这时流体会由于摩擦阻力而发生能量损失并在壁面上形成微漩涡。
一般情况下，凹坑或沟槽越深、形状越复杂、尺寸越大，其周围的压强也就越大。同时凹坑或沟槽表面会形成“负压区”（负压区）。
这样就会导致壁面附近流场结构发生改变并与周围流场产生相互作用。因此，凹坑或沟槽壁面上的边界层会发生分离、变形和卷吸等现象，这些现象将导致壁面附近的能量损失增加并形成微漩涡。
一般来说，凹坑或沟槽壁面上存在着大量小尺度的微流动现象；另外在凹坑或沟槽壁面上还可能形成多层交叠层和多层涡流等现象。这些微流动现象均会导致壁面附近出现低密度、高速度、低雷诺数、低粘性和高剪切应力等复杂流动特征。
加工装置设计
根据上述减阻机理，要想实现非光滑仿生表面的减阻，就必须在其表面加工出类似于动物皮肤表面的凹槽。
一般的机械零件加工过程中，工件在加工台上进行磨削和铣削加工，需要的工具和材料均较大，且所需时间较长。利用仿生表面加工装置，可以很好地解决上述问题。
该加工装置包括主轴、导轨、砂轮、主轴上的卡爪、夹紧装置以及可调节高度的夹紧装置。在该装置中，主轴上有多个卡爪，每个卡爪上有一个可调节高度的夹紧装置，在主轴的运动过程中，通过调节卡爪和夹紧装置之间的距离来调整工件相对于加工台表面的位置。
当工件相对于加工台表面发生位移时，卡爪中的弹簧会产生一种力来维持卡爪与工件之间的距离，而卡爪中的弹簧可以在很大程度上减小这种力对工件表面产生的影响。
同时，调节卡爪高度能够改变夹紧装置和工件之间的距离。通过调节夹紧装置和工件之间的距离，就可以获得不同尺寸的凹槽。
将上述加工原理应用到非光滑仿生表面加工过程中，可以设计出两种不同尺寸、不同形状和不同数量的非光滑仿生表面。
其中第一种加工装置采用整体结构，整个装置由主轴、导轨、卡爪以及固定在卡爪上的夹紧装置组成。
当加工过程中需要进行切削时，可将主轴旋转90°；当工件需要加工时，可将主轴旋转180°；当刀具需要加工时，可将刀具旋转180°；当工件需要切削时，可将刀具旋转90°。
首先在工作台上安装一块水平导轨、一个垂直导轨以及若干块固定在垂直导轨上的卡爪；其次在卡爪中安装一块与主轴用螺栓连接在一起的垫片；最后在卡爪中安装若干块可调节高度的夹紧装置。
非整体结构形式中，其主要组成部分包括主轴、卡爪、夹紧装置、横梁、升降机构、传动机构以及工作台。当主轴旋转90°时，主轴上安装有一块水平导轨以及若干块垂直导轨。
当主轴旋转180°时，横梁上安装有一块水平导轨以及若干块垂直导轨；当横梁旋转180°时，横梁上安装有若干块可调节高度的夹紧装置；当工作台旋转90°时，工作台上安装有若干块可调节高度的夹紧装置。
整体结构中最重要且起主要作用的是卡爪和夹紧装置。通过分析发现，卡爪与工件之间存在摩擦阻力并会产生一定的热量。
由于卡爪具有一定重量且与工件之间存在较大摩擦阻力和热量，在加工过程中容易发生变形甚至脱落等情况。为了避免这些情况出现并降低卡爪和工件之间的摩擦阻力和热量产生，可设计一种非整体结构形式。
在加工过程中可将卡爪和夹紧装置进行分离设计。由于卡爪能够将工件固定在加工台上并产生一定支撑力以防止工件滑落；同时，卡爪能够实现一定程度上的自由活动。当工件在加工台上被固定住之后，此时就可以通过调节卡爪来实现对工件表面进行加工。
笔者观点
本装置在一定程度上解决了非光滑仿生表面加工困难的问题，加工装置结构简单，成本低，操作方便，便于携带和运输。
然而本装置仍存在一些不足之处，非光滑仿生表面的加工需要大量的人力物力和财力，本装置投入使用后，如果有较大数量的客户需要加工非光滑仿生表面时，只需要将加工装置安装在机器上即可进行加工。
加工非光滑仿生表面时需要借助一定的辅助工具来完成，比如：砂纸、刮刀等，由于本装置是手工操作，因此使用起来需要一定的人力物力。
本装置还存在一些问题：比如：当机械零件表面出现划痕、凹坑等缺陷时，需要用户将加工好的非光滑仿生表面进行打磨、抛光等工序。
如果机械零件表面出现油污、锈迹等难以去除的污物时，也需要用户进行打磨械零件表面出现划痕，也需要用户对其进行打磨、抛光等工序。
非光滑仿生表面加工装置通过利用多个夹具实现机械零件表面非光滑仿生表面加工的自动化、高效化，而且其具有结构简单、使用方便等优点。
另外该装置在非光滑仿生表面加工过程中不会产生粉尘污染和噪音污染等问题，因此在一定程度上解决了机械零件非光滑仿生表面加工难的问题，具有很好的应用前景。
参考文献
吴一清《仿生学原理及其在汽车、摩托车零件制造中的应用》机械工业出版社，2001年。
王东宇《工程仿生学与现代制造技术》上海交通大学出版社，2004年。
赵国光《机械零件非光滑仿生表面加工装置创新设计》机械工业出版社，2007年。
周绍坤《仿生学在汽车发动机缸体内壁加工中的应用》汽车工程杂志，2010年。
唐子涵《非光滑表面微结构对材料摩擦磨损性能的影响》中国科学技术大学学报，2011年。