硬脆材料曲面的磨料水射流拋光技術(shù)研究.pdf

1、磨料水射流拋光、研磨技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種磨料水射流應(yīng)用技術(shù)，對(duì)其研究還處于起步階段。本文研究了磨料水射流傾斜沖蝕時(shí)沖蝕區(qū)域的形貌，對(duì)磨料水射流沖擊工件表面的沖蝕界面壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真，對(duì)硬脆材料曲面的磨料水射流沖蝕拋光機(jī)理進(jìn)行了研究，并建立了拋光表面粗糙度模型。
　　 研究了射流傾斜沖擊平面和曲面時(shí)，工件沖蝕區(qū)域形貌與各影響因素之間的關(guān)系。研究了小角度沖擊工件平面時(shí)沖擊區(qū)域的形貌。結(jié)果表明，其形貌包括射流壓力垂直工件表面的垂直

2、分量對(duì)工件表面的作用區(qū)、射流壓力平行于工件表面的剪切分量對(duì)工件表面的作用區(qū)和射流側(cè)流作用區(qū)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工件表面沖蝕區(qū)域的沖蝕面積隨著壓力的增加而減小；隨著磨料目數(shù)的減小而減小，隨著射流束沖蝕角度的增加而減小。當(dāng)射流壓力增大、磨料目數(shù)減小和沖蝕角度增加時(shí)，工件表面沖蝕區(qū)的材料由塑性去除過(guò)渡到脆性去除。當(dāng)射流以一定角度對(duì)工件曲面沖擊時(shí)，沖蝕深度隨著壓力的增大而增加，隨著磨料目數(shù)的減小而加深，隨著射流束沖蝕角度的增加而增加；隨著沖擊深度的

3、增加，沖蝕區(qū)域形貌呈不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)射流對(duì)工件凸面沖擊時(shí)，射流壓力分解為沿沖蝕點(diǎn)凸面曲率半徑方向的徑向分量和與沖擊點(diǎn)相切的剪切分量，射流壓力的剪切分量對(duì)工件表面不產(chǎn)生沖蝕作用，射流壓力的徑向分量產(chǎn)生射流側(cè)流作用區(qū)。凸面上沖蝕區(qū)域的沖蝕深度隨著壓力的增加而增加，隨磨料目數(shù)的減小而增加，隨射流束沖蝕角度的增加而增大。當(dāng)壓力增加，磨料目數(shù)減小，沖蝕角度增加時(shí)，材料去除由塑性去除過(guò)渡到脆性去除。
　　 采用FLUENT仿真軟件，對(duì)射流沖擊

4、平面和曲面時(shí)射流在被沖擊界面的壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真。建立了了多相流仿真模型，對(duì)壓力分別為80MPa、100 MPa、120 MPa和140 MPa時(shí)射流情況進(jìn)行了仿真，得出了混合管出口處的水速度、磨料速度。對(duì)噴嘴外的自由射流束速度場(chǎng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，初始段的速度與混合管出口處的速度相等，動(dòng)能大，適用于去除量大的加工方式；主體段內(nèi)的射流開始發(fā)散，射流動(dòng)能降低，適用于去除量小的光整加工。在射流消散段，射流動(dòng)能很低，基本不具備加工能力。對(duì)射流

5、沖擊平面時(shí)的沖擊界面壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，射流沖擊平面時(shí)，當(dāng)沖蝕角度小于90°時(shí)，沖擊區(qū)域主要包括高壓力沖擊區(qū)、射流側(cè)流作用區(qū)和剪切作用區(qū)。射流沖擊區(qū)的面積隨著沖蝕角度的增加而減小，而沖擊區(qū)域內(nèi)的沖擊壓力值隨著沖蝕角度的增加而增大。當(dāng)沖蝕角度為90°時(shí)，射流沖擊作用區(qū)包括高壓作用區(qū)和射流側(cè)流作用區(qū)，沖擊區(qū)域的形狀是對(duì)稱的。對(duì)射流沖擊曲面時(shí)的沖擊界面壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，僅有射流壓力的徑向分量產(chǎn)生沖蝕作用，沖擊區(qū)域包括高壓力作

6、用區(qū)和射流側(cè)流作用區(qū)，沖擊區(qū)域的形狀是對(duì)稱的。
　　 研究了磨料水射流傾斜沖蝕硬脆材料時(shí)材料的去除方式，分析了磨料水射流的速度場(chǎng)和磨料粒子的沖蝕作用力，研究了傾斜沖蝕時(shí)工件表面形成機(jī)理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。運(yùn)用壓痕斷裂力學(xué)模型，分析了高速磨料粒子沖蝕硬脆材料時(shí)脆性斷裂和近似切削兩種材料去除方式。工件材料脆性斷裂去除的主要原因是橫向裂紋擴(kuò)展、徑向裂紋造成材料亞表面損傷。工件材料在剪切作用下產(chǎn)生塑性流動(dòng)去除。建立了磨料水射流速

7、度計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，研究了磨料水射流對(duì)工件表面沖蝕過(guò)程，建立了磨料粒子法向和切向沖蝕作用力計(jì)算模型。分析了磨料水射流傾斜沖蝕時(shí)工件時(shí)的表面形成機(jī)理。磨料水射流傾斜沖蝕對(duì)工件表面的作用主要分彈性滑擦擠壓、耕犁壓入、切削、耕犁回彈和滑擦回彈五個(gè)階段。分析了磨料水射流對(duì)凸型、凹型曲面沖蝕的表面形成機(jī)理。結(jié)果表明，曲面的凸凹型面特點(diǎn)對(duì)沖蝕的法向沖擊和擠壓作用影響不顯著，但對(duì)沖蝕的剪切作用產(chǎn)生較大影響，凸型曲面會(huì)減弱沖蝕過(guò)程中的剪切作用，凹型

8、曲面會(huì)強(qiáng)化剪切作用。對(duì)氧化鋁和石英晶體兩種硬脆材料進(jìn)行了磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)研究。
　　 建立了磨料水射流拋光平面和曲面時(shí)的表面粗糙度模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。磨料水射流沖蝕表面時(shí)，沖蝕區(qū)域的深度隨著射流壓力、磨料粒徑和沖蝕角度的增加而增大，而沖蝕區(qū)域的面積則隨著射流壓力、磨料粒徑和沖蝕角度的增加而減小。沖蝕區(qū)域的不對(duì)稱性隨著沖蝕深度的減小而減小。建立了磨料水射流拋光理想平面和實(shí)際平面時(shí)的表面粗糙度模型。研究結(jié)果表明，磨料水射流拋光