超高速磨料水射流沖蝕固體壁面的研究.pdf

1、磨料水射流技術(shù)是一種新型的水射流技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。國內(nèi)外學(xué)者對磨料射流進(jìn)行了諸多研究，由于磨料射流工作壓力高、射流速度高以及噴嘴與流束尺度小等難點(diǎn)，對磨料射流加工機(jī)理的研究不夠完善，數(shù)值計算及實(shí)驗(yàn)研究不充分。
　　 本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空化射流過程中空泡尺度對空蝕機(jī)理的影響(50806031)”，“介觀超高壓射流的界面流動及失穩(wěn)機(jī)理研究(51176065)”以及江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2009001)子項(xiàng)的資助

2、下，對不同磨料射流噴嘴在相同工況下進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，選出最優(yōu)噴嘴，分析該噴嘴在純水射流條件下的軸截面速度分布以及沖擊后加工試樣的殘余應(yīng)力;對多磨料加工的瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值計算，分析模型試樣的等效應(yīng)力和應(yīng)變情況;對一種典型的鈦合金TC4進(jìn)行變工況切割實(shí)驗(yàn)，利用電鏡和輪廓掃描儀對試樣斷面進(jìn)行顯示，從微觀角度入手，分析切割質(zhì)量與切割參數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)一步完善磨料射流加工機(jī)理。
　　 本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 1、對18個超

3、高壓純水射流條件下切割性能較好的噴嘴在磨料射流條件下進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明純水射流條件下切割性能最好的噴嘴在磨料射流切割實(shí)驗(yàn)中，其切割效率不是最高的;孔徑為0.33mm的普通噴嘴的切割效率最高;在磨料射流加工薄金屬板材的過程中，切割斷面上下兩側(cè)切縫的寬度之差可以作為定性地判斷切割斷面質(zhì)量的依據(jù)，差值越小，質(zhì)量越高。對射流軸截面速度分布的測量表明，高速射流中存在射流核心區(qū)，該區(qū)速度量值較大，但其分布存在一定的不規(guī)則性，且在該區(qū)外圍存在明顯

4、的速度梯度;射流核心區(qū)提供了破壞固體壁面的主要能量。對磨料噴嘴和純水噴嘴產(chǎn)生的射流沖擊材料所引起的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量表明，兩種射流沖擊材料后所產(chǎn)生的最大殘余應(yīng)力值接近，磨料噴嘴在一定時段內(nèi)沖擊材料可減小材料內(nèi)部由于生產(chǎn)工藝而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
　　 2、利用商用軟件ANSYS/LS-DYNA中的Johnson-Cook模型對射流束外緣處磨料、射流束中心處磨料及平均速度下的多磨料沖擊不同厚度鋼板的瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值計算。結(jié)果表明，磨料射

5、流切割材料時，工作壓力越小，磨料受到的緩沖作用就越明顯，磨料的動能轉(zhuǎn)化為材料的彈性勢能未被充分利用，因而切割效率降低;研究得到磨料水射流對鋼板的破壞與磨料位置之間的關(guān)系:1）邊緣處磨料速度較小，對鋼板的沖擊產(chǎn)生較小的形變，鋼板表面出現(xiàn)微小的破壞，由于鋼板的彈性勢能較大，磨料被反彈;2）磨料速度在平均速度附近時，對鋼板的沖擊使鋼板出現(xiàn)較大的形變，且表面的破壞較明顯，此時磨料嵌入到鋼板內(nèi);3）在射流中心處由于磨料的速度較大，直接將鋼板穿透，

6、鋼板的形變量小于邊緣磨料作用時的形變量。
　　 3、對鈦合金TC4進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，利用掃描電鏡分析表明，磨料射流對塑性材料的破壞是由磨料拐角的劃、棱的鏟、面的推、以及多磨料間的協(xié)同作用所產(chǎn)生的塑性破壞和脆性破壞共同作用的結(jié)果;切割斷面的質(zhì)量主要是由射流束外緣處的磨料運(yùn)動狀況所決定。利用輪廓儀對切割試樣進(jìn)行形貌分析表明，在傾斜角度分別為5°、10°、15°、20°和25°的條件下，切割角度為15°時切割效率最高，10°時加工精度最好