磨料水射流銑削陶瓷材料加工技術(shù)研究.pdf

1、本文通過(guò)磨料水射流銑削加工典型脆性難加工陶瓷材料，研究了磨料水射流銑削陶瓷材料的加工機(jī)理，分析了磨料水射流銑削加工表面的質(zhì)量，建立了磨料水射流銑削加工陶瓷材料的銑削深度和表面粗糙度模型。本文的研究結(jié)果對(duì)于拓寬磨料水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，解決陶瓷等脆性難加工材料的加工問(wèn)題，具有十分重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 實(shí)驗(yàn)研究了磨料水射流銑削陶瓷材料時(shí)的性能，研究了銑削加工參數(shù)對(duì)銑削體積去除率和銑削深度的影響，建立了磨料水射流銑削體積

2、去除率和銑削深度與水射流壓力、靶距、噴嘴橫移速度和橫向進(jìn)給量的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，該模型可預(yù)測(cè)和控制材料去除率和銑削深度。結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，銑削氧化鋁時(shí)的銑削體積去除率為0.405～4.463mm<'3>/s，銑削氮化硅時(shí)的體積去除率為0.095～0.177mm<'3>/s，并且隨著水射流壓力、靶距和磨料流量的增加，材料的體積去除率增加；隨噴嘴橫移速度、橫向進(jìn)給量和材料硬度的增加，材料去除率減小，因此要得到高的材料去除率，可采用較高的

3、水射流壓力、較大的靶距和磨料流量、較小的橫向進(jìn)給量和較低的噴嘴橫移速度。銑削氧化鋁時(shí)的銑削深度為0.2～2mm，銑削氮化硅時(shí)的深度小于0.1mm，并且隨著水射流壓力、靶距和磨料流量的增加，銑削深度增加；隨著噴嘴橫移速度和橫向進(jìn)給量的增加，銑削深度減小，因此要得到較大的銑削深度，可采用較高的水射流壓力、大的磨料流量、較大的靶距、小的橫向進(jìn)給量和低的噴嘴橫移速度。 研究了磨料水射流銑削表面和銑屑的微觀結(jié)構(gòu)形貌，分析了磨料水射流銑削陶

4、瓷材料的去除機(jī)理。結(jié)果表明，在磨料水射流沖擊初期，材料因塑性變形產(chǎn)生垂直于沖擊面的徑向裂紋，在沖擊后期，產(chǎn)生近似平行于材料表面的橫向裂紋，橫向裂紋和徑向裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的去除。在氧化鋁材料的銑削表面上存在許多深淺不同的由于材料斷裂去除而留下的凹坑，在凹坑周圍有塑性流動(dòng)和融化的痕跡；氮化硅材料的銑削表面比較平整光滑，存在塑性流動(dòng)的痕跡。塊狀和片狀結(jié)構(gòu)銑屑表明，由脆性斷裂與塑性變形引起的塊狀去除和片狀剝落是磨料水射流銑削陶瓷材料的主要去除

5、機(jī)理。銑削前的石榴石磨料大小均勻，形狀近似于圓形，表面比較光滑，大部分表面沒(méi)有鋒利的銳角；銑削后的磨料表面出現(xiàn)了鋒利的銳角和明顯的解理斷裂面。研究了磨料水射流單次、兩次銑削凹槽的結(jié)構(gòu)形狀和平面銑削加工時(shí)銑削表面的質(zhì)量。結(jié)果表明，隨著水射流壓力的增加，凹槽銑削深度增加；隨著噴嘴橫移速度的增加，銑削橫截面凹槽寬度變化不大，但銑削深度逐漸減?。浑S著靶距和橫向進(jìn)給量的增加，橫截面凹槽的寬度增加，而銑削深度減小。銑削氧化鋁平面時(shí)，要獲得較好的表面

6、結(jié)構(gòu)形狀，可選擇較小的水射流壓力、較高的噴嘴橫移速度和較小粒徑的磨料；在較小的靶距下，要選擇較小的橫向進(jìn)給量，而在較大的靶距下，應(yīng)選擇較大的橫向進(jìn)給量。銑削氮化硅平面時(shí)，銑削表面非常光滑，測(cè)得的表面粗糙度(Ra)為0.6～1.0μm之間，并且大部分銑削條件下y方向(噴嘴移動(dòng))的表面粗糙度值大于x方向(橫向進(jìn)給)的表面粗糙度值；應(yīng)選取較小的射流壓力、較大的噴嘴橫移速度、中等靶距、大的橫向進(jìn)給量和較小直徑的磨料，降低表面粗糙度。 研

7、究了磨料水射流銑削表面的殘余應(yīng)力和硬度變化。結(jié)果表明，磨料水射流銑削氮化硅表面存在殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力最大值為-203MPa，最小值為-19.6MPa。水射流壓力和靶距對(duì)殘余應(yīng)力的影響較大，而噴嘴橫移速度和橫向進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響較??；而且銑削表面的殘余壓應(yīng)力隨著水射流壓力的增加而先減小后增大，隨著靶距的增加而增大，隨噴嘴橫移速度和橫向進(jìn)給量的增加而先減小后增大。磨料水射流銑削提高了材料表面的硬度；并且隨著水射流壓力和噴嘴橫移速度的

8、增加，銑削表面的硬度增加；而隨著靶距和橫向進(jìn)給量的增大，銑削表面的硬度減小。磨料水射流銑削橫截面的結(jié)構(gòu)形貌表明，銑削表面存在-很薄的變質(zhì)層，變質(zhì)層內(nèi)沒(méi)有明顯的裂紋，由于銑削表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，硬度提高，因此變質(zhì)層的出現(xiàn)有利于表面質(zhì)量的提高。 建立了磨料水射流單次銑削時(shí)的最大深度模型、磨料水射流銑削平面的銑削深度模型和銑削表面粗糙度模型。假設(shè)磨料水射流單次銑削時(shí)的工件橫截面形狀為余弦曲線，建立了磨料水射流單次銑削的最大深度模型，分

9、析了水射流壓力、磨料流量、靶距、噴嘴橫移速度、橫向進(jìn)給量和噴嘴直徑及材料性能參數(shù)對(duì)單次銑削最大深度的影響規(guī)律。在單次銑削最大深度模型的基礎(chǔ)上，建立了磨料水射流銑削深度的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，隨著水射流壓力和靶距的增加，銑削深度增加；隨著橫向進(jìn)給量和噴嘴橫移速度的增加，銑削深度減小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的銑削深度與根據(jù)模型預(yù)測(cè)的銑削深度非常接近。以單次銑削最大深度模型為基礎(chǔ)，建立了磨料水射流銑削表面粗糙度模型，分析了水射流壓力、靶距、