微磨料漿體射流的流體特性及其拋光模具鋼研究.pdf

1、微磨料漿體射流拋光技術(shù)是在磨料水射流加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的集流體力學(xué)、表面技術(shù)于一體的一種新型精密加工技術(shù)。其具有切削力低、無(wú)熱變形、無(wú)污染、材料利用率高、幾乎能拋光所有的材料和幾何形狀等優(yōu)點(diǎn)，特別是在微小復(fù)雜曲面零件的精密拋光等方面，具有其它傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)可比擬的靈活性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微磨料漿體射流拋光技術(shù)只進(jìn)行了一些探索性實(shí)驗(yàn)研究，還沒(méi)有形成系統(tǒng)的理論體系。本文研究的微磨料漿體射流拋光技術(shù)結(jié)合了射流拋光技術(shù)和非牛頓流體技術(shù)的特點(diǎn)，利用添

2、加高聚物聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)射流束產(chǎn)生集束穩(wěn)定作用，提出利用非牛頓流體的低壓微磨料漿體射流對(duì)復(fù)雜精密金屬模具局部實(shí)現(xiàn)可控切除量的精密拋光加工基礎(chǔ)理論問(wèn)題和加工工藝。采用理論、實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的研究方法，以高速攝影、沖擊力測(cè)量、掃描電鏡為手段研究了在普通微磨料水射流中加入高分子長(zhǎng)鏈聚合物包覆微磨料和用流態(tài)化理論來(lái)混合漿體與微磨料來(lái)改善漿體的射流特性；采用計(jì)算流體力學(xué)和理論推導(dǎo)研究了微磨料漿體射流形成過(guò)程中漿體和磨粒的動(dòng)力學(xué)特性、噴

3、嘴的效率及系統(tǒng)能量傳輸效率；采用有限元分析研究微磨粒沖蝕工件的材料去除機(jī)理和工件材料的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律及工件材料的等效塑性應(yīng)變的影響因素；實(shí)現(xiàn)用微磨料漿體射流拋光40CrMnMo7模具鋼。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)流化混合時(shí)，流化床混合罐內(nèi)微磨粒在流化床中心位置上升，而在流化床沿壁的環(huán)形區(qū)下降，這個(gè)上升和下降的反向零點(diǎn)速度發(fā)生在無(wú)因次半徑的0.6-0.7的位置范圍內(nèi)。反向零點(diǎn)的無(wú)因次半徑位置的值隨著漿體粘度和磨料粒徑

4、的增加而增加。流化床內(nèi)沿著高度徑向方向的漿體速度和濃度斷面呈現(xiàn)拋物線形狀。
　　 (2)在射流壓力分別為0.6MPa，1.2MPa和1.8MPa的壓力下，用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真噴嘴出口的漿體最大速度分別為34.2m/s，48.4m/s和59.3m/s。CFD模型預(yù)測(cè)射流速度無(wú)論在趨勢(shì)上還是數(shù)值上都能很好地符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論公式得出的數(shù)據(jù)。噴嘴出口到大氣的一段時(shí)間內(nèi)，動(dòng)壓、漿體速度繼續(xù)增大，當(dāng)在一定距離處達(dá)到最大的動(dòng)壓和速度

5、后，動(dòng)壓和速度開(kāi)始線性遞減，然會(huì)非線性遞減。磨料漿體射流的加工應(yīng)用區(qū)域是速度常數(shù)和線性遞減的區(qū)域。在微磨料漿體射流過(guò)程中，磨粒首先被加速直到接近漿體相的速度，當(dāng)漿體和磨粒在集中管同時(shí)推進(jìn)時(shí)，漿體保持一個(gè)比磨料高的加速度，從出口到大氣，漿體相開(kāi)始減速，由于磨粒和漿體存在相對(duì)速度，磨粒繼續(xù)以較低的加速度加速，直到與漿體相速度達(dá)到一致。磨粒和漿體的滑移速度隨著離出口越遠(yuǎn)而減少，直到滑移速度收斂到零。
　　 (3)純水射流、磨料漿體射流

6、和加入高聚物的磨料漿體射流對(duì)Cr40MnMo7工件材料的沖擊力信號(hào)的密集程度、峰值大小依次為添高聚物磨料漿體、磨料漿體、純水射流。微磨料漿體射流與純水射流的沖擊力約相差20％。隨著射流壓力增大，噴嘴效率會(huì)降低，射流沖擊力與水力能量之比也會(huì)降低，可通過(guò)射流沖擊力與水力能量之比來(lái)評(píng)估噴嘴效率和優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)。
　　 (4)磨粒撞擊工件的最大殘余應(yīng)力、最大應(yīng)力與撞擊速度呈線性關(guān)系，沖蝕率與撞擊角度呈類似拋物線關(guān)系。在75°撞擊角度出現(xiàn)

7、一個(gè)沖蝕應(yīng)力的峰值，在55°左右出現(xiàn)應(yīng)變的峰值。經(jīng)過(guò)3個(gè)粒子沖擊后體積去除率保持穩(wěn)定。帶尖角的磨粒形狀對(duì)沖擊工件點(diǎn)沖擊導(dǎo)致較大的應(yīng)力和材料去除率。當(dāng)沖擊角小于15°時(shí)的小角度沖擊工件時(shí)，淺的耕犁和粒子的卷邊是主要的沖蝕方式，當(dāng)沖擊角大于15°小于75°時(shí)，材料的沖蝕方式主要是微切削和深犁耕，當(dāng)以沖擊角大于75°小于90°時(shí)，則主要是以凹坑和隆起對(duì)材料去除起作用。入射角度在30°～60°之間時(shí)，材料去除量隨著入射角度的增大而增大，當(dāng)入射角

8、在60°到75°范圍內(nèi)時(shí)，材料去除量達(dá)到最大，然后在75°～90°范圍內(nèi)，材料去除量又隨著入射角度的增大而逐漸減少。
　　 (5)微磨料漿體射流拋光40CrMnMo7模具鋼表面較微磨料水射流拋光時(shí)，磨粒對(duì)工件的嵌入少，定點(diǎn)較大材料的去除拋光較噴嘴有一定移動(dòng)速度的較少材料的去除拋光嵌入工件表面的磨粒相對(duì)較多。長(zhǎng)鏈高聚物聚丙烯酰胺(PAM)的加入，磨料漿體射流拋光特性在過(guò)渡面陡峭切痕較深，在較小噴射距離的范圍內(nèi)，添加高聚物的磨料射流