精密磨料水射流加工硬脆材料沖蝕機(jī)理及拋光技術(shù)研究.pdf

1、磨料水射流加工技術(shù)具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)，切削力小，沒(méi)有熱影響，加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)其加工硬脆材料時(shí)的沖蝕機(jī)理和精密拋光技術(shù)的研究較少，因此本文研究了精密磨料水射流加工硬脆材料時(shí)的沖蝕機(jī)理和脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理，建立了單磨料粒子脆性斷裂沖蝕和塑性剪切沖蝕時(shí)材料去除體積模型，研制成功了精密微細(xì)磨料水射流加工系統(tǒng)。 研究了純水射流沖蝕、磨料水射流垂直沖蝕和磨料水射流小角度沖蝕時(shí)的沖擊作用和剪切作用。結(jié)果表明，純水射流對(duì)材料的沖蝕能力較低，水射

2、流對(duì)材料的沖蝕作用可以分為水射流的沖擊作用和水射流側(cè)向繞流所形成的剪切作用，水射流沖蝕角度越小，水射流的剪切作用越明顯。磨料流的加入大大提高了射流的沖蝕能力，射流壓力越大，材料的沖蝕率越高，Al<,2>O<,3>陶瓷和硅酸鹽玻璃材料的去除主要是由于平行于材料表面的亞表面晶間裂紋與垂直材料表面的晶間裂紋的交接而實(shí)現(xiàn)。小角度沖蝕時(shí)，磨料粒子對(duì)材料表面沖蝕的主要特點(diǎn)是沖擊作用減弱，材料沖蝕表面的脆性斷裂減少，剪切變形和微切削作用增強(qiáng)，改善了表

3、面加工質(zhì)量。磨料水射流的沖擊作用可增加材料的去除量，但降低材料沖蝕表面的完整性；水射流的剪切作用在材料去除過(guò)程中只起輔助作用，對(duì)提高材料沖蝕表面質(zhì)量有利。 利用準(zhǔn)靜態(tài)壓痕斷裂力學(xué)的理論對(duì)單顆粒磨料粒子沖蝕過(guò)程進(jìn)行了力學(xué)分析。建立了工件材料產(chǎn)生徑向/中位裂紋和側(cè)向裂紋的沖蝕動(dòng)能臨界條件模型，提出了硬脆材料的脆性斷裂沖蝕阻R<,cE>和脆性沖蝕加工數(shù)M的概念。研究了磨料水射流加工硬脆材料時(shí)的脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理，建立了考慮水射流速度分布、工

4、件材料與磨料粒子相對(duì)硬度和沖蝕角度影響的工件材料脆性斷裂單磨料粒子有效脆性斷裂沖蝕動(dòng)能和工件材料剪切變形單磨料粒子有效塑性剪切沖蝕動(dòng)能模型，提出了加工硬脆材料時(shí)脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理的沖蝕動(dòng)能臨界條件，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在沖蝕過(guò)程中，硬脆材料主要形成塑性壓痕區(qū)、徑向/中位裂紋和側(cè)向裂紋系統(tǒng)，塑性壓痕區(qū)中產(chǎn)生材料的顯微塑性流動(dòng)，徑向/中位裂紋引起材料的裂紋損傷，側(cè)向裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致材料的脆性斷裂。對(duì)于以脆性斷裂為沖蝕機(jī)理的加工條件下，斷裂沖

5、蝕阻R<,cE>越小，沖蝕加工數(shù)M越大，材料的脆性斷裂沖蝕越明顯，材料去除率越高；反之，材料的去除率較低，實(shí)驗(yàn)證明，材料斷裂沖蝕阻R<,cE>和沖蝕加工數(shù)M兩個(gè)參數(shù)能夠直觀地評(píng)價(jià)材料抵抗脆性沖蝕的能力和脆性沖蝕可加工性。加工硬脆材料時(shí)的沖蝕機(jī)理可分為脆性斷裂沖蝕機(jī)理、塑性剪切沖蝕機(jī)理和無(wú)裂紋沖蝕機(jī)理三類(lèi)，其對(duì)應(yīng)的沖蝕區(qū)分為脆性斷裂沖蝕區(qū)、塑性剪切沖蝕區(qū)和無(wú)裂紋沖蝕區(qū)。在磨料水射流沖蝕工件材料時(shí)確實(shí)存在脆塑轉(zhuǎn)變機(jī)理，脆塑轉(zhuǎn)變時(shí)的單顆粒磨料

6、粒子有效沖蝕動(dòng)能實(shí)驗(yàn)值與理論值具有相同的數(shù)量級(jí)。在沖蝕動(dòng)能較高時(shí)，工件材料發(fā)生脆性斷裂沖蝕，沖蝕率較高而沖蝕能耗較低；在沖蝕動(dòng)能較低時(shí)，工件材料發(fā)生塑性剪切沖蝕，沖蝕率較低而沖蝕能耗較高。在工件材料脆塑轉(zhuǎn)變的過(guò)渡能量區(qū)中，脆性斷裂沖蝕機(jī)理和塑性剪切沖蝕機(jī)理同時(shí)存在，形成半塑性沖蝕機(jī)理。 運(yùn)用壓痕斷裂力學(xué)和彈性力學(xué)對(duì)單磨料粒子沖蝕過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析，以磨料粒子有效沖蝕動(dòng)能為基礎(chǔ)，建立單磨料粒子脆性斷裂沖蝕和塑性剪切沖蝕時(shí)材料去除體積

7、模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，材料去除體積的理論值與實(shí)驗(yàn)值具有良好的一致性，塑性剪切沖蝕時(shí)材料去除量非常小，有利于改善材料加工表面質(zhì)量。建立了磨料粒子沖蝕時(shí)工件材料彈性應(yīng)力場(chǎng)模型，對(duì)塑性區(qū)內(nèi)工件材料的塑性剪切變形和裂紋成核擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，沖蝕角度對(duì)磨料粒子的剪切作用影響最大。當(dāng)沖蝕角度等于90°時(shí)，磨料粒子不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生剪切作用，塑性變形區(qū)的材料僅會(huì)在沖蝕壓痕周?chē)逊e形成隆脊；當(dāng)沖蝕角度小于90°時(shí)，磨料粒子所形成的主應(yīng)力隨沖蝕角度

8、的減小而增大，在主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力的作用下材料傾向于在磨料粒子沖蝕區(qū)的前部形成較大的剪切變形，導(dǎo)致材料堆積和去除。研制成功了精密微細(xì)磨料水射流加工系統(tǒng)和蓄能式脈沖供料系統(tǒng)。該系統(tǒng)由供壓系統(tǒng)模塊、噴射系統(tǒng)模塊、供料系統(tǒng)模塊、運(yùn)動(dòng)及控制模塊和輔助功能5個(gè)子系統(tǒng)模塊構(gòu)成，可提供2-15MPa的壓力，蓄能式脈沖供料系統(tǒng)可對(duì)10.38μm的磨料實(shí)現(xiàn)0.4-0.2mg/脈沖的穩(wěn)定供料。利用該加工系統(tǒng)分別對(duì)硅酸鹽玻璃、氧化鋁陶瓷和氮化硅陶瓷表面進(jìn)行

9、了拋光，并利用原子力顯微鏡對(duì)拋光面的形貌和表面粗糙度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，拋光后的表面粗糙度降低，在所掃描的范圍內(nèi)，硅酸鹽玻璃拋光表面的粗糙度為Ra93.195nm，在兩條對(duì)角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra40-46nm；氧化鋁陶瓷拋光表面的粗糙度為Ra131.22nm，在兩條對(duì)角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra40-50nm；氮化硅陶瓷拋光表面的粗糙度為Ra38.616nm，在兩條對(duì)角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra26