（机械制造及其自动化专业论文）硬脆材料曲面的磨料水射流抛光技术研究.pdf

摘要 硬脆材料曲面的磨料水射流抛光技术研究 摘要 磨料水射流抛光、研磨技术是最近发展起来的一种磨料水射流应用 技术，对其研究还处于起步阶段。本文研究了磨料水射流倾斜冲蚀时冲 蚀区域的形貌，对磨料水射流冲击工件表面的冲蚀界面压力场进行了仿 真，对硬脆材料曲面的磨料水射流冲蚀抛光机理进行了研究，并建立了 抛光表面粗糙度模型。 研究了射流倾斜冲击平面和曲面时，工件冲蚀区域形貌与各影响因 素之间的关系。研究了小角度冲击工件平面时冲击区域的形貌。结果表 明，其形貌包括射流压力垂直工件表面的垂直分量对工件表面的作用 区、射流压力平行于工件表面的剪切分量对工件表面的作用区和射流侧 流作用区。通过实验发现，工件表面冲蚀区域的冲蚀面积随着压力的增 加而减小；随着磨料目数的减小而减小，随着射流束冲蚀角度的增加而 减小。当射流压力增大、磨料目数减小和冲蚀角度增加时，工件表面冲 蚀区的材料由塑性去除过渡到脆性去除。当射流以一定角度对工件曲面 冲击时，冲蚀深度随着压力的增大而增加，随着磨料目数的减小而加深， 随着射流束冲蚀角度的增加而增加；随着冲击深度的增加，冲蚀区域形 貌里不对称结构。当射流对工件凸面冲击时，射流压力分解为沿冲蚀点 凸面曲率半径方向的径向分量和与冲击点相切的剪切分量，射流压力的 剪切分量对工件表面不产生冲蚀作用，射流压力的径向分量产生射流侧 流作用区。凸面上冲蚀区域的冲蚀深度随着压力的增加而增加，随磨料 目数的减小而增加，随射流束冲蚀角度的增加而增大。当压力增加，磨 料目数减小，冲蚀角度增加时，材料去除由塑性去除过渡到脆性去除。 采用f l u e n t 仿真软件，对射流冲击平面和曲面时射流在被冲击界 面的压力场进行了仿真。建立了了多相流仿真模型，对压力分别为8 0 m p a 、1 0 0m p a 、1 2 0 脚口和1 4 0 脚口时射流情况进行了仿真，得出了 混合管出口处的水速度、磨料速度。对喷嘴外的自由射流束速度场进行 了仿真。结果表明，初始段的速度与混合管出口处的速度相等，动能大， 本研究得到了国家自然科学基金( 5 1 0 7 5 2 3 8 ，5 1 1 7 5 3 0 7 ) 和山东省优秀中青年科学家科 研奖励基金( b s 2 0 0 9 z z 0 1 5 ) 资助 v i i i 山东大学博士学位论文 适用于去除量大的加工方式；主体段内的射流开始发散，射流动能降低， 适用于去除量小的光整加工。在射流消散段，射流动能很低，基本不具 备加工能力。对射流冲击平面时的冲击界面压力场进行了仿真。结果表 明，射流冲击平面时，当冲蚀角度小于9 0 0 时，冲击区域主要包括高压 力冲击区、射流侧流作用区和剪切作用区。射流冲击区的面积随着冲蚀 角度的增加而减小，而冲击区域内的冲击压力值随着冲蚀角度的增加而 增大。当冲蚀角度为9 0 0 时，射流冲击作用区包括高压作用区和射流侧 流作用区，冲击区域的形状是对称的。对射流冲击曲面时的冲击界面压 力场进行了仿真。结果表明，仅有射流压力的径向分量产生冲蚀作用， 冲击区域包括高压力作用区和射流侧流作用区，冲击区域的形状是对称 的。 研究了磨料水射流倾斜冲蚀硬脆材料时材料的去除方式，分析了磨 料水射流的速度场和磨料粒子的冲蚀作用力，研究了倾斜冲蚀时工件表 面形成机理，并通过实验进行了分析验证。运用压痕断裂力学模型，盼 析了高速磨料粒子冲蚀硬脆材料时脆性断裂和近似切削两种材料去除 方式。工件材料脆性断裂去除的主要原因是横向裂纹扩展、径向裂纹造 成材料亚表面损伤。工件材料在剪切作用下产生塑性流动去除。建立了 磨料水射流速度计算模型。在此基础上，研究了磨料水射流对工件表面 冲蚀过程，建立了磨料粒子法向和切向冲蚀作用力计算模型。分析了磨 料水射流倾斜冲蚀时工件时的表面形成机理。磨料水射流倾斜冲蚀对互 件表面的作用主要分弹性滑擦挤压、耕犁压入、切削、耕犁回弹和滑擦 回弹五个阶段。分析了磨料水射流对凸型、凹型曲面冲蚀的表面形成机 理。结果表明，曲面的凸凹型面特点对冲蚀的法向冲击和挤压作用影响 不显著，但对冲蚀的剪切作用产生较大影响，凸型曲面会减弱冲蚀过程 中的剪切作用，凹型曲面会强化剪切作用。对氧化铝和石英晶体两种硬 脆材料进行了磨料水射流抛光实验研究。 建立了磨料水射流抛光平面和曲面时的表面粗糙度模型，并进行了 实验验证。磨料水射流冲蚀表面时，冲蚀区域的深度随着射流压力、磨 料粒径和冲蚀角度的增加而增大，而冲蚀区域的面积则随着射流压力、 磨料粒径和冲蚀角度的增加而减小。冲蚀区域的不对称性随着冲蚀深度 的减小而减小。建立了磨料水射流抛光理想平面和实际平面时的表面粗 糙度模型。研究结果表明，磨料水射流抛光平面时的表面粗糙度随着射 流压力、喷嘴横移速度和冲蚀角度的增加而增大，随着磨料目数和横向 i x 摘要 x 进给量的增加而减小。建立了磨料水射流抛光理想曲面和实际曲面时的 表面粗糙度模型。研究结果表明，抛光曲面时的表面粗糙度随着喷嘴横 移速度与工件转速的比值的增加而先减小尔后增大，呈近似“微笑曲线” 的变化趋势。 关键词：磨料水射流加工；硬脆材料；冲蚀机理；射流仿真；曲面抛光 a b s t r a c t s t u d yo nt h ea b r a s i v ew a t e rj e tp o l i s h i nt e c h n o l o g yf o r c u r v es u r f a g eo fh a r d b r i t t l em a t e r i a l * a b s t r a c t a b r a s i v ew a t e r je t ( a w j ) p o l i s h i n ga n d l a p p i n g i san e w l y d e v e l o p e d t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sa n dt h er e s e a r c hi ss t i l la tt h ep r e l i m i n a r ys t a g e i n t h i sd i s s e r a t i o n ，t h ee r o s i o nm o r p h o l o g yo fa no b l i q u ea w ji ss t u d i e da n dt h e p r e s s u r ef i e l do fa w ji nt h ee r o s i o ni n t e r f a c ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e c u r v es u r f a c ep o l i s h i n gm e c h a n i s m so fh a r d b r i t t l em a t e r i a l se r o d e db ya w j i s a n a l y z e d m o r e o v e r , t h ep o l i s h e ds u r f a c er o u g h n e s sm o d e li se s t a b l i s h e d i nt h ec a s eo fp l a n ea n dc u r v es u r f a c ee r o d e db yo b l i q u ea w j ，t h ee f f e c to f v a r i o u sf a c t o r so nt h ee r o s i o nz o n em o r p h o l o g yi si n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h e e r o s i o ne x p e r i m e n to ft h ep l a n es u r f a c ea ts h a l l o wj e ti n c i d e n c ea n g l e ，i th a s b e e nf o u n dt h a tt h ee r o s i o nz o n ew a sc o n s i s t e do ft h r e ep a r t ss u c ha s h i g h p r e s s u r ei m p a c t i n gz o n ef o r m e db yt h en o r m a lc o m p o n e n to f j e tp r e s s u r ew h i c h i sv e r t i c a lt ot h e w o r k p i e c es u r f a c e ，s h e a rz o n ef o r m e db yt h et a n g e n t i a l c o m p o n e n t o fj e tp r e s s u r ew h i c hi sp a r a l l e lt ot h et a n g e n to ft h ew o r k p i e c e s u r f a c e ，a n dl a t e r a lf l o wz o n e i tc a nb es e e nf r o mt h ee x p e r i m e n t st h a tt h ea r e a o fe r o s i o nz o n ed e c r e a s e sa st h ep r e s s u r ea n dje ti n c i d e n c e a n g l ei n c r e a s e s ， w h i l ed e c r e a s e sw i t had e c r e a s ei nt h ea b r a s i v es i z e a st h e i n c r e a s i n go f p r e s s u r ea n dt h ej e ti n c i d e n c ea n g l e ，r e d u c i n go fa b r a s i v es i z e ，t h et r a n s i t i o n f r o md u c t i l et ob r i t t l em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi so c c u r r e d f o rt h ep l a n e s u r f a c ee r o d e db yt h ea w jw i t hac e r t a i no b l i q u ea n g l e ，t h ee r o s i o nd e p t h i n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ep r e s s u r ea n dt h ej e ti n c i d e n c ea n g l e ，a n d i n c e a s e sw i t had e c r e a s ei nt h ea b r a s i v es i z e t h ea s y m m e t r ys t r u c t u r eo f e r o s i o nz o n ee x h i b i t sg r a d u a l l ya st h ee r o s i o nd e p t hi n c r e a s e s f r o mt h er i mo f t h ee r o s i o nz o n et ot h ei n c i d e n tl i n eo ft h ej e t 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t a i no b l i q u ea n g l e ，a n dh e n c et h es h e a ra c t i o no nt h ew o r k p i c e c es u r f a c ei s r e d u c e d i nt h ee x p e r i m e n to nt h ec o n v e xc u r v es u r f a c e ，t h ee r o s i o nd e p t h i n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ep r e s s u r ea n dt h eje ti n c i d e n c ea n g l e ，w h i l e i n c e a s e sw i t had e c r e a s ei nt h ea b r a s i v es i z e s i m i l a rt ot h ec a s eo fp l a n es u r f a c e ， a st h ei n c r e a s i n go fp r e s s u r ea n dt h ej e ti n c i d e n c ea n g l e ，r e d u c i n go fa b r a s i v e s i z e ，t h et r a n s i t i o nf r o md u c t i l et ob r i t t l em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi sa l s o o c c u r r e d u s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，t h et w o - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t f o rj e tf l o wf i e l di n s i d ea n do u t s i d et h en o z z l e ，a sw e l la st h ep r e s s u r ef i e l do f a w ji nt h ee r o s i o ni n t e 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s u l t s t h es u r f a c er o u g h n e s sm o d e lo fp l a n ea n dc u r v es u r f a c ef o ra w jp o l i s h i n g a r ed e v e l o p e da n dv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y f o ra w j s u r f a c ee r o s i o n ，t h ee r o s i o n d e p t hi n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ep r e s s u r e ，a b r a s i v es i z ea n dj e ti n c i d e n c e a n g l e o nt h ec o n t r a r y ，t h e e r o s i o na r e ad e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h e p r e s s u r e ，a b r a s i v es i z ea n dj e ti n c i d e n c ea n g l e u n d e rh i g h e rn o r m a lc o m p o n e n t o ft h ej e te n e r g y , t h ee r o s i o nd e p t hi n c r e a s e sa n dt h em a t e r i a li sm o r ei n c l i n e dt o r e m o v eb yt h eb r i t t l em o d e ，a sw e l la st h ec r o s ss e c t i o no ft h ee r o s i o nz o n ei s a s y m m e t r y i nt h ea w jp o l i s h i n g ，t h em a t e r i a li sr e m o v a li nd u c t i l em o d ea n d t h em a t e r i a lr e m o v a li 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