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)展起來的一種磨料水射流應(yīng)用技術(shù)，對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沖蝕區(qū)域的形貌，對磨料水射流沖擊工件表面的沖蝕界面壓力場進行了仿真，對硬脆材料曲面的磨料水射流沖蝕拋光機理進行了研究，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，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工件表面的作用區(qū)和射流側(cè)流作用區(qū)。通過實驗發(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?。浑S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。當射流壓力增大、磨料目數(shù)減小和沖蝕角度增加時，工件表面沖蝕區(qū)的材料由塑性去除過渡到脆性去除。當射流以一定角度對工件曲面沖擊時，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)域形貌呈不對稱結(jié)構(gòu)。當射流對工件凸面沖擊時，射流壓力分解為沿沖蝕點凸面曲率半徑方向的徑向分量和與沖擊點相切的剪切分量，射流壓力的剪切分量對工件表面不產(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。當壓力增加，磨料目數(shù)減小，沖蝕角度增加時，材料去除由塑性去除過渡到脆性去除。
　　 采用FLUENT仿真軟件，對射流沖擊

4、平面和曲面時射流在被沖擊界面的壓力場進行了仿真。建立了了多相流仿真模型，對壓力分別為80MPa、100 MPa、120 MPa和140 MPa時射流情況進行了仿真，得出了混合管出口處的水速度、磨料速度。對噴嘴外的自由射流束速度場進行了仿真。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，射流動能降低，適用于去除量小的光整加工。在射流消散段，射流動能很低，基本不具備加工能力。對射流

5、沖擊平面時的沖擊界面壓力場進行了仿真。結(jié)果表明，射流沖擊平面時，當沖蝕角度小于90°時，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。當沖蝕角度為90°時，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)域的形狀是對稱的。對射流沖擊曲面時的沖擊界面壓力場進行了仿真。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)域的形狀是對稱的。
　　 研究了磨料水射流傾斜沖蝕硬脆材料時材料的去除方式，分析了磨料水射流的速度場和磨料粒子的沖蝕作用力，研究了傾斜沖蝕時工件表面形成機理，并通過實驗進行了分析驗證。運用壓痕斷裂力學(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)生塑性流動去除。建立了磨料水射流速

7、度計算模型。在此基礎(chǔ)上，研究了磨料水射流對工件表面沖蝕過程，建立了磨料粒子法向和切向沖蝕作用力計算模型。分析了磨料水射流傾斜沖蝕時工件時的表面形成機理。磨料水射流傾斜沖蝕對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階段。分析了磨料水射流對凸型、凹型曲面沖蝕的表面形成機理。結(jié)果表明，曲面的凸凹型面特點對沖蝕的法向沖擊和擠壓作用影響不顯著，但對沖蝕的剪切作用產(chǎn)生較大影響，凸型曲面會減弱沖蝕過程中的剪切作用，凹型

8、曲面會強化剪切作用。對氧化鋁和石英晶體兩種硬脆材料進行了磨料水射流拋光實驗研究。
　　 建立了磨料水射流拋光平面和曲面時的表面粗糙度模型，并進行了實驗驗證。磨料水射流沖蝕表面時，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際平面時的表面粗糙度模型。研究結(jié)果表明，磨料水射流拋光