化學(xué)輔助軟磨粒流拋光技術(shù)研究.pdf

1、模具是零件成型過程的重要工藝裝備，模具應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。隨著市場(chǎng)競爭的白熱化，人們對(duì)模具提出了越來越高的要求。模具正朝著大型、復(fù)雜、精密化方向發(fā)展。復(fù)雜的模具中往往存在大量的溝、槽、孔等結(jié)構(gòu)化表面，受尺寸、形狀限制而無法使用工具進(jìn)行接觸式加工，這一點(diǎn)成為模具制造業(yè)急需解決的技術(shù)難題。為了解決這一現(xiàn)實(shí)問題，本文提出了針對(duì)模具結(jié)構(gòu)化表面的化學(xué)輔助軟磨粒流拋光方法。
　　化學(xué)輔助軟磨粒流拋光分為化學(xué)拋光、軟磨粒流拋光兩個(gè)階段?；瘜W(xué)拋光工

2、藝簡單，操作方便，不受零件形狀尺寸的限制，同時(shí)化學(xué)拋光可除去零件表面的機(jī)械損傷層和應(yīng)力層;化學(xué)拋光后的零件表面因?yàn)榘l(fā)生了化學(xué)反應(yīng)降低了表面原子的鍵合能力，提高了軟磨粒流拋光的效率。同時(shí)，軟磨粒流拋光也是化學(xué)拋光的一種補(bǔ)充，協(xié)助除去表面未溶解的金屬氧化物，同時(shí)清洗殘留的化學(xué)液。為了使兩個(gè)階段能夠起到很好的協(xié)調(diào)組合作用，需要研究這兩個(gè)階段的工藝過程、加工機(jī)理等，各章節(jié)都僅僅圍繞以上需要解決的問題進(jìn)行展開。本文的主要工作如下:
　　(1

3、)應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)軟磨粒拋光中流體的湍流特性進(jìn)行了研究。為了得到詳實(shí)的湍流信息，采用大渦數(shù)值模擬和雷諾平均模擬兩種湍流數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。從理論上，分析了大渦數(shù)值模擬和屬于雷諾平均模擬的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型的特點(diǎn)，建立“M”形的彎形流道為數(shù)值模擬的幾何模型，在初始條件、邊界條件、計(jì)算方法都相同的情況下，分別采用大渦模擬和可實(shí)現(xiàn)k-ε模型兩種不同的湍流模擬方法分別對(duì)流道內(nèi)的物理參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，大渦模擬能獲得比可實(shí)現(xiàn)k-ε模型

4、更精確地結(jié)果，同時(shí)大渦數(shù)值模擬的計(jì)算工作量較大。
　　根據(jù)上述結(jié)論，構(gòu)建了約束流道的實(shí)體物理模型，并采用PIV方法對(duì)流道內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，驗(yàn)證了大渦數(shù)值模擬方法的有效性。
　　(2)軟磨粒流的切削機(jī)理分析以及固液兩相流數(shù)值模擬。首先借助于沖蝕理論，分析了影響磨粒加工的主要因素，討論了軟磨粒流加工的機(jī)理。接著采用大渦模擬與隨機(jī)軌道模型相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)法，模擬了在多種條件下固液兩相流中顆粒的不同運(yùn)動(dòng)特性

5、，特別是近壁區(qū)的顆粒與壁面的相互作用關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果表明，流體的速度是流體脈動(dòng)的主要影響因素，速度越大流體脈動(dòng)越明顯。流體脈動(dòng)也影響到顆粒的脈動(dòng)，顆粒脈動(dòng)還受顆粒直徑的影響，顆粒的直徑越大其慣性力也越大，受流體脈動(dòng)的影響相對(duì)較小;顆粒的體積含量越多，顆粒之間碰撞的機(jī)會(huì)也越多，因此顆粒不確定運(yùn)動(dòng)的幾率也越大。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性以及彌補(bǔ)數(shù)值模擬的不足之處，流道仍加工成“M”的彎形流道，利用PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)情

6、況。實(shí)驗(yàn)表明，由于受到湍流的混摻作用，導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)偏離主流運(yùn)動(dòng)的方向，呈現(xiàn)出與壁面與其它顆粒的碰撞，從而實(shí)現(xiàn)顆粒對(duì)壁面的有效切除。
　　(3)化學(xué)拋光液的配置與化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)。采用不同配比的雙氧水、草酸、硫酸、尿素等化學(xué)成分配置了幾種環(huán)保型化學(xué)拋光液。針對(duì)1Cr18Ni9、3Cr2Mo、45＃、Q235鋼的試件進(jìn)行了化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)，并利用分析天平測(cè)量質(zhì)量，計(jì)算失重率。實(shí)驗(yàn)證明不同的材料在相同化學(xué)拋光液中腐蝕程度不同。常溫下，拋光5分鐘

7、左右，工件表面質(zhì)量有明顯改善。
　　(4)軟磨粒拋光實(shí)驗(yàn)。利用軟磨粒流精密光整加工試驗(yàn)臺(tái)，以“M”形流道的45＃鋼試件為例，進(jìn)行了軟磨粒流拋光實(shí)驗(yàn)。研究了流體的速度，磨粒的濃度以及粒徑，拋光時(shí)間等對(duì)材料去除量和表面粗糙度的影響規(guī)律。改變所要研究的軟磨粒流拋光的某一參數(shù)，而使其余的參數(shù)保持不變，利用分析太平測(cè)量試件的質(zhì)量，計(jì)算去除量;采用TR200手持式粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，采用KEYENCE VW-6000動(dòng)態(tài)分析三維顯示系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量