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)展起來的集流體力學、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、無熱變形、無污染、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，特別是在微小復雜曲面零件的精密拋光等方面，具有其它傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的靈活性。目前國內(nèi)外對微磨料漿體射流拋光技術(shù)只進行了一些探索性實驗研究，還沒有形成系統(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，利用添

2、加高聚物聚丙烯酰胺(PAM)對射流束產(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復雜精密金屬模具局部實現(xiàn)可控切除量的精密拋光加工基礎(chǔ)理論問題和加工工藝。采用理論、實驗與計算機仿真相結(jié)合的研究方法，以高速攝影、沖擊力測量、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鏈聚合物包覆微磨料和用流態(tài)化理論來混合漿體與微磨料來改善漿體的射流特性；采用計算流體力學和理論推導研究了微磨料漿體射流形成過程中漿體和磨粒的動力學特性、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；實現(xiàn)用微磨料漿體射流拋光40CrMnMo7模具鋼。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)流化混合時，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，這個上升和下降的反向零點速度發(fā)生在無因次半徑的0.6-0.7的位置范圍內(nèi)。反向零點的無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，用計算流體力學(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模型預測射流速度無論在趨勢上還是數(shù)值上都能很好地符合實驗數(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間內(nèi)，動壓、漿體速度繼續(xù)增大，當在一定距離處達到最大的動壓和速度

5、后，動壓和速度開始線性遞減，然會非線性遞減。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程中，磨粒首先被加速直到接近漿體相的速度，當漿體和磨粒在集中管同時推進時，漿體保持一個比磨料高的加速度，從出口到大氣，漿體相開始減速，由于磨粒和漿體存在相對速度，磨粒繼續(xù)以較低的加速度加速，直到與漿體相速度達到一致。磨粒和漿體的滑移速度隨著離出口越遠而減少，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Cr40MnMo7工件材料的沖擊力信號的密集程度、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，噴嘴效率會降低，射流沖擊力與水力能量之比也會降低，可通過射流沖擊力與水力能量之比來評估噴嘴效率和優(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、一個沖蝕應(yīng)力的峰值，在55°左右出現(xiàn)應(yīng)變的峰值。經(jīng)過3個粒子沖擊后體積去除率保持穩(wěn)定。帶尖角的磨粒形狀對沖擊工件點沖擊導致較大的應(yīng)力和材料去除率。當沖擊角小于15°時的小角度沖擊工件時，淺的耕犁和粒子的卷邊是主要的沖蝕方式，當沖擊角大于15°小于75°時，材料的沖蝕方式主要是微切削和深犁耕，當以沖擊角大于75°小于90°時，則主要是以凹坑和隆起對材料去除起作用。入射角度在30°～60°之間時，材料去除量隨著入射角度的增大而增大，當入射角

8、在60°到75°范圍內(nèi)時，材料去除量達到最大，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，磨粒對工件的嵌入少，定點較大材料的去除拋光較噴嘴有一定移動速度的較少材料的去除拋光嵌入工件表面的磨粒相對較多。長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