（机械电子工程专业论文）基于有限元法的陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损研究及耐磨结构设计.pdf

摘要本文从喷砂工作原理出发，利用气固两相流动力学原理和射流理论，结合喷枪的具体结构特点，建立了自由射流模型。采用有限元分析软件c f x 对喷砂嘴进行了瘫场分析，并结合脆性材料的冲蚀理论研究了喷砂嘴的神蚀过程和结构参数对冲蚀磨损的影响。开发了两种陶瓷喷砂嘴的耐磨结构。以喷枪和喷砂嘴具体结构参数为研究对象，对其内流场分布情况进行了一维理论性分析，从喷砂动力学角度分析了各种因素对喷砂嘴冲蚀磨损的影响。得到的结论与喷砂嘴的冲蚀试验结果基本吻合，从而验证了自由射流模型的正确性。运用有限元分析方珐模拟了冲蚀前后喷砂嘴各处的流场分布和磨料的二维冲蚀速度变化。借助仿真得到的具体数据，结合脆性材料的冲蚀磨损理论，详细描述了喷砂嘴的冲蚀磨损过程。结果发现，喷砂嘴的冲蚀磨损是一个冲蚀速度不断变化的过程。通过改变喷砂嘴的结构参数：内壁粗糙度、长度、直径和形状，获得了结构参数变化和冲蚀磨损之间的关系。结果表明，改变喷砂嘴的结构参数可以实现减磨作用的目的。设计出两种耐磨结构，并分别对这两种结构进行了评价。本文的创新之处在于：从流场角度研究了喷砂嘴的冲蚀磨损过程；借助结构参数变化和流场变化之间的关系，通过改变喷砂嘴的结构的方法提高喷砂嘴抗磨性。关键词陶瓷喷砂嘴，自由射流，冲蚀磨损，有限元分析，耐磨结构a b s t r a c tb a s e do ns a n d b l a s t i n gw o r kp n n c l p l ea n ds p e c i a ls t r u c t u r eo fb l a s t g u n , f r e ej e tm o d e lw a sf o u n d e da c c o r d i n gt og a s - s o l i dt w o - p h a s eh n e t a cp r m c l p l ea n dj e tt h e o r yt h ef e as o f t w a r ec f xw a su s e dt oa n a l y s e sf l o wf i e l dmt h en o z z l ee r o s i o np l o c e s so ft h en o z z l ea n di n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ee r o s i o no ft h en o z z l ew e r er e s e a r c h e dn s m ge r o s i o nt h e o r yo fb r i t t l em a t e r i a l sa n dt w oa n t i e r o s l o ns t r u c t u r e so f t h en o z z l ew e r ed e v e l o p e db l a s t g u na n dn o z z l ew l t hs p e c i a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r eu s e dt oc a r r yo u tao n e - d i m e n s i o nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tt h ef l o wf i e l dd l s m b u t l o nmt h e mv a n o n sf a c t o r si n f l u e n c eo nt h ee r o s i o no ft h en o z z l ew a sr e s e a r c h e df r o mt h ep e r s p e c u v eo fs a n db l a s t i n gd y n a m i c st h ec o r r e c t n e s so ff r e ej e tm o d e lw a sp r o v e db yt h ef a c tt h a tt h ee o n c l n s l o ns u b s t a n t i a l l ym a t c h e sw l t ht h er e s u l t so fe r o s i o ne x p e n m a n t so f t h en o z z l et h ec h a n g e so ff l o wf i e l dc h s t n b u t l o na n dt h et w od l m e n s l o n a lv e l o c a yo ft h ea b r a s i v emt h en o z z l e b e f o r e & a f t e re r o s i o n , w e r es i m u l a t e dw i t hf e am e t h o db yn s m gt h er e s u l t i n gd a t ao fs u n u l a t l o n ，t h ee r o s i o np r o c e s so ft h en o z z l ew a sd e s c n b e dmd e t m lw i t he r o s i o nt h e o r yo fb n t t l em a t e r i a l st h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee r o s i o no fn o z z l ei ss u c hap r o c e s st h a tt h ev e l o c l t yo fa b r a s i v ei sc h a n g i n gc o n t i n u a l l yt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a n g eo fn o z z l e ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n di t se r o s i o nw e a rw a so b t a i n e db yc h a n g i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h en o z z l e ，s u c ha si n n e rw a l lc o a r s e n e s s ，l e n g t h ，i n n e rd i a m e t e ra n ds h a p et h er e s u l t se a r n e do u tt h ep u r p o s et h a te r o s i o nc a nb ed e c r e a s e db yc h a n g m gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h en o z z l et w oa n t i - e r o s i o ns t r u e t u r e sw e r ed e s i g n e d ，a n de v a l u a u o nw a sg w e nt oe i t h e rs t r u c t u r et h e r ea r et w on m o v a t l v ep o i n t smt l u sp a p e rt h ee r o s i o np r o c e s so ft h en o z z l ew a ss t u d i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff l o wf i e l dt h eo t h e ri s ，u s i n gt h er e l a u o no fc h a n g e sb e t w e e nt h en o z z l e ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h ef l o wf i e l dmt h en o z z l e ，t h ea n t ie r o s i o na b i l i t yo ft h en o z z l ew a su n p r o v e db yc h a n g i n gi t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sk e y w o r d s ：c e r a m i cn o z z l e ，f r e ej e t ，e r o s i o n , f e a ，a n t i - e r o s i o ns t r u c t u r e学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学木论文或成果时，署名单位仍然为山东轻工业学院。论文作者签名j 删日期五皿占年乙月盈日导师签名日期上芝垒z 年厶月厶e 日山丐轻丁业学院硕i 学位论文第一章绪论1 1 前言1 1 1 喷砂处理及其作用喷砂工艺追其历史是从喷丸硬化演化而来的。初期的喷丸硬化丰要是强化零件，后来人们对其作用机理进行了研究，并经过演变发展而成现在的喷砂工艺。目前，喷砂工艺已经包含了相当丰富多内容。从工艺方式可分为湿式喷砂和干式喷砂两种。由于干式喷砂对工件表面不造成腐蚀和行染，因而具有广压的应用，也是本课题的研究重卢。干式喷砂处理是以压缩空气为动力，通过喷枪将磨料高速喷射到零件表面以达到清理和光饰的目的。目前，喷砂处理广 乏应用于机械、石油、化工、船舶、航空航天、冶金、玻璃、煤炭、医药、食品和服装纺织等行业。喷砂处珲的作用包括表面处理、表面改性和表面强化、表面镎覆前的预处理、表面光饰及喷射切割等【”j 。1 1 2 喷砂用磨料喷砂处理所用的磨料来源广压。有天然、人造和工业副产品之分，例如石英砂、碳化硅砂、金刚砂、钢丸、玻璃珠、玻璃砂、塑料砂、炉渣、河砂等。喷砂用磨料的选择要综合考虑各种因素。其中磨料硬度和粒度是重要指标。一般清理大型零件表面时选用粒度较大的磨料【4 】。1 1 - 3 常用喷砂嘴材料随着材料科学的不断发展，制造喷砂嘴的材料也发生了很大变化。一般有塑料、铸铁、铸钢、4 5 # 钢、工具钢、硬质合金和陶瓷等。不同材料的喷砂嘴使用寿命是不同的，同样其制备工艺的复杂度和制造成本也不同。营体来说，冲蚀寿命越长的喷砂嘴制备工艺越复杂，制造成本也越高。表11 为相同条件下，不同材料喷砂嘴的寿命比较。从表中可以看出，陶瓷喷砂嘴的冲蚀寿命是最长的。喷砂嘴的主要失效形式为冲蚀磨损，它是指喷嘴内表面同高速气流所携带的磨料之间相互作用时，其表面材料所发牛的损耗【6 】。冲蚀磨损主要是由磨料粒子以一定的速度和角度对喷嘴壁面多次反复冲击造成的1 11 2 】。喷砂时喷砂嘴受力和执冲击的作用不大，主要承受低冲蚀角条件下的冲蚀磨损( 口1 5 0 ) ，喷砂嘴材料需要有很高的硬度和耐磨性。陶瓷材料正好具有这方面的优势，其强度和抗执冲击性能不高，但具有很高的硬度和耐磨性。陶瓷材料属于脆性材料，最小冲蚀磨损率出现在低冲蚀角( 口2 0 。3 0 。) 处【4 ”】。因此，目前国内外研究的热点主要集中在陶瓷喷砂嘴上。表i1 不同材料的喷砂嘴在同种条件下的寿命比较1 91 0 】喷砂嘴材料寿命( h )4 5 # 钢02 1轴承钢1 4向口铸铁8 1 2低铬耐磨铸铁1 6 3 6硬质合金4 0 舯a 1 2 0 3 基陶瓷5 0 0 8 0 0s i c 陶瓷6 0 0 1 0 0 0b 4 c 陶瓷8 0 0 2 0 0 01 2 陶瓷喷砂嘴的研究范围及现状营体来讲，对陶瓷喷砂嘴的研究主要包括以下几个方面内容( 1 ) 影响陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损的因素。( 2 ) 陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理研究；( 3 ) 喷砂动力学及磨料颗粒运动特性的研究，( 4 ) 陶瓷喷砂嘴仲蚀过程的应力分析，( 5 ) 耐磨陶瓷喷砂嘴的研制。1 2 i 影响陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损行为的因素的研究喷砂嘴的冲蚀磨损行为受冲蚀条件( 冲蚀角、冲蚀速度、冲蚀时间和温度等) ，磨料性能( 磨料硬度、粒度和形状等) ，喷砂嘴材料的性能( 硬度、断裂韧性、组织结构和晶粒大小等) ，喷砂嘴形状结构及内壁粗糙度等诸多因素的影响【“1 9 】。因而冲蚀规律相当复杂，关于神蚀磨损机理的研究一直发有统一的观占【6 1 。( 1 ) 冲蚀条件的影响防明于羊【1 4 悃三种磨料进行仲蚀磨损实验，磨料为碳化硅、刚玉和石英砂，粒度分别为1 i o u m 和7 0 u m ，靶材( 被冲蚀对象) 是烧结务件不同的三种碳化硅( 物理性能见表12 ) ，得出的结论是仲蚀角对冲蚀率的影响可用下式表示b s l n “口( 1 1 )式中对应三种靶材的n 值分别为l5 6 ，l0 3 和12 6 。并且发现了这种关系与靶材性能有关，即靶材韧性的提高缩小了高角冲蚀率与低角冲蚀率之间的差2l 才轻工业学院硕十学位论文别，体现出一些塑性冲蚀特征。在低冲蚀角时( 口2 0 。- 3 0 。) 材料神蚀方式除了裂纹扩展和脆性断裂，还有一定的傲切削，使碳化硅在低冲蚀角时的冲蚀率增加。但在高冲蚀角时，冲蚀方式仍以裂纹扩展和脆性断裂为主，使冲蚀率并无大的变化。表l2 实验用碳化硅的物理性能种类制备工艺密度纤维硬度抗弯强度断裂韧性( g m m 3 )( k g m m 3 )( m p a )( m n m 3 s ms l c反府烧结3l o2 8 3 02 4 528 7x h s l c常压烧结30 23 0 8 33 1 231 7h ns 1 c常厅烧结31 53 1 5 04 5 038 8o k a y i 等人【”】考虑冲蚀角对材料冲蚀磨损率的影响给出了如下三角函数式：易= k ( a s m 口) 1 ( 曰一c s m 口) ( 12 )式中：e p ( m m 3 k 9 1 ) 为体积冲蚀磨损率，口为冲蚀角，砥4 、执c 、和也是由冲蚀条件决定的参数。不难看出，上式是由两部分组成的，一部分是与冲击能量的垂直分量和塑性变形有关的参数，另一部分是与水平傲切削机制有关的参数。d o n gfw a n g 和z l uym a o 2 0 通过用碳化硅和石英砂磨料对执压氮化硅陶瓷进行冲蚀实验得出神蚀角对冲蚀磨损率的影响是一条类似“n ”的曲线，两个拐点分别位于4 5 。和6 0 。并依据b e l l 和r o g e r s 等人的观点解释为氮化硅陶瓷在一定条件下能够表现出塑性和脆性两种特性。a ng r e a r s o n 认为：在低神蚀角的情况下( 口 2 0 0 ) ，b 4 c 陶瓷与硬金属和氮化硅陶瓷等相比，具有很高的耐磨性能。随着冲蚀角的增大磨损率提高并伴随“脆性响应”机制，且在9 0 。冲蚀角时磨损率达到最大值【2 ”。冲蚀速度对材料冲蚀磨损率的影响是研究冲蚀机理的重要内容，从材料受不同种类磨料、不同冲蚀角下的冲蚀实验可总结出下面的关系式【1 32 4 1 岛= 叼( 13 )式中：玎、k 均为常数。大多数研究冲蚀磨损的报告对该式是认同的，区别在于n 的取值范围。不同的被冲蚀材料和磨料性能，, 值的大小不一样。f l r l r u e 2 2 埠期实验结果认为，2 ，孙大干等人【2 3 1 指出，值出现的最大范围为23 - - 2 4 。另外许多学者针对不同材料给出了，值，范围在2 27 之间，这说明磨料动能是造成冲蚀磨损的主要原因，但随着材料由塑性扩展到脆性，n值从21 变到65 。并随着冲蚀角的增大，n 值也有所上升。因此，冲蚀磨损并不完全是由磨料的动能决定的【2 5 1 。其原因是磨料与壁面碰撞时，速度恢复系数丰要受粒子入射速度和角度的双重影响，关系极为复杂。另外，影响颗粒碰撞特性的因素辽很多。不同的入射角条件下，速度恢复系数与入射速度之间的关系并不确定。碰撞所损失的能量不定，直接影响冲蚀率的变化。冲蚀时间对冲蚀磨损的影响不同于粘着磨损和磨粒磨损等其它磨损形式，具有较长的潜伏期。首批磨料仲击靶材表面时主要造成加工硬化和表面粗糙化。一方面。造成冲蚀磨损机理变化另一方面，不一定立刻出现材料的流失，经过一定的累护损伤后才能逐渐过渡到稳定冲蚀阶段嘞1 。( 2 ) 磨料性能的影响磨料硬度是影响冲蚀磨损行为的一个重要因索，但对其影响并发有一致的认识。t l l l y 2 7 j 认为e ，h ：3( 14 )式中日为磨料硬度，可见冲蚀磨损率与磨料硬度成指数关系。l e v y 2 s 指出材料的冲蚀磨损率随磨料硬度的提高而增大，但当磨料硬度增大到一定程度后，在冲蚀过程中磨料不再破碎，这时材料冲蚀磨损率将保持不变。硬磨料的冲蚀磨损机制是切削，而软磨料的神蚀磨损机制是表面及亚表面产生疲劳裂纹，这两种机制的过渡阶段发生在磨料硬度与材料硬度之比为l2 处。牟军 2 9 1 在研究用s 1 c 、s 0 2 和a 1 2 0 3 三种磨料冲击a t z 陶瓷( e = 2 03 3 g p a ) 时指出磨料硬度h p 的增大可以较明显地提高冲蚀率，这主要是由于高硬度粒子对靶材的切削和透入能力较强所致，并且磨料硬度对冲蚀的影响是通过其与靶材硬度的组合方式( 硬度比日，e ) 起作用的，它们对冲蚀率的影响以指数关系文化e r = k ( h p 只) ”r 1 吼、一，式中k 为常数，为影响指数。不同被冲蚀材料和不同的冲蚀条件，指数，的取值有很大差别。各种喷砂嘴的冲蚀磨损率皆随日，只的增大而增大【43 0 1 。当。日， 1 时，喷砂嘴的仲蚀卒比较大。为适应喷砂工艺的具体情况，减小喷砂嘴的冲蚀磨损，要尽量在保证日。只 1 的前提下，硬磨料选用硬度相应高的喷砂嘴对软磨料，选用硬度低的喷砂嘴即可。粒度对冲蚀的影响存在一种“粒度效应” 3 h 。粒度越大，动能越大，对4山辛轻t 业学院硕 学位论文材料表面冲蚀越厉害。太小的颗粒，由于本身具有的动能太小，不足以使材料形成裂纹或促使裂纹扩展，磨料粒度增大到一定程度后，材料的仲蚀磨损率就不再增加了。如图11 所示，随着磨料粒度的增大，冲击点上颗粒与材料表面的接触面积增大，故冲击过程中单位接触面上的应力变化不大另外，当磨料颗粒冲击高硬度陶瓷材料时，粒度大的颗粒更容易破碎从而消耗冲击能，使得仲蚀磨损率不再提高或者有所下降1 4 】。厂。、大l一一j图1 l 不同尺寸的颗粒与材料表面的接触简图冲蚀磨损率与磨料粒度之间存在如下关系式为p 2 】i - r ，、3 ，2 2易= e 。l1 一ij ! li( 16 )【l j式中0 为磨料颗粒平均牛径，k 为磨料颗粒的临界半径，为与对应的冲蚀磨损率，品为到达k 前的冲蚀磨损率。当磨料颗粒平均丰径。大于临界半径r 。后，磨料粒度对冲蚀磨损率的影响基本消失。磨料颗粒的临界半径r 。的大小受许多因素的影响，不同的磨料种类和被冲蚀材料，不同的神蚀速度和冲蚀角，。值有很大差异。多角形磨料比球形磨料产生更为严重的冲蚀磨损，这已为实验所证实。对于尖角颗粒，在一定的冲击速度下，当尖角接触材料表面对，粒子的所有能量均集中在尖角上，材料表面所受到的应力比圆钝形颗粒大得多，材料更容易出现裂纹3 3 1 。此外，颗粒形状对冲蚀磨损的影响还与颗粒硬度、冲蚀速度和仲蚀角等有关，在有些情况下，硬度较低的尖角颗粒甚至会造成比硬度较高的圆角颗粒更为严重的冲蚀磨损。( 3 ) 喷砂嘴材料性能对冲蚀磨损的影响关于陶瓷硬度对冲蚀磨损的影响，ss n m v 雒a 等人【3 4 1 发现对烧结a 1 2 0 3陶瓷而言，采用a 1 2 0 3 作为冲蚀磨料，材料的断裂韧性k t c 的改变( 从27m p am m 到43m p am m ) 并发有引起冲蚀磨损率的显著变化( 从25 6m g g 变为26 5r a g g ) 。而对于相同k l c 值的两种烧结a 1 2 0 3 陶瓷材料( 其硬度分别为1 20g p a 和1 05g p a ) 。冲蚀磨损率的显著变化( 分别为07 3 5m g g ，11 7m g g )同硬度吻合非常之好。采用碳化硅磨料，也有类似的效果。说明被冲蚀材料的硬度是影响材料冲蚀磨损率的重要因素。e v a n s 等人口副提出冲蚀磨损与材料的断裂韧性k z c 4 i 3 成正比的理论模型。佃是近年来有研究表明在某些场合横向裂纹并不发生，冲蚀磨损率与k z c 4 i 3 无关。s n n l v a s o n 3 4 1 等人研究用s i c 磨料冲蚀a 1 2 0 3 陶瓷的冲蚀现象，发现尽管存在了横向裂纹，t 日冲蚀磨损率与k t c 无关。牟军【2 9 l 认为，靶材断裂韧性对a t z 陶瓷有着非常重要的作用。凡韧性高的的靶材，往往具有较好的塑性变形协调能力及较好的耗能机制，使塑变区中大裂纹难以形成。即使形成傲裂纹，由于傲裂纹的形成消耗了部分主裂纹的扩展功，使主裂纹难以扩展。因而有利于提高靶材抗塑性流变冲蚀的能力。冲蚀磨损往往发源于材料的最薄弱环节，即材料内部的缺吲3 0 】。一般来说，陶瓷的强度随着所含气孔率的增加而下降，这一方面是由于材料固相截面减小，导致实际应力增大，更主要的是气孔引起应力集中。一旦受到外加应力，就会使裂纹扩展加剧而断裂。陶瓷晶体内部往往存在大量的缺陷，晶界、晶相、气孔和裂纹等都会造成结构上的傲观不均匀，强度随气孔的增大而降低。应力集中导致裂纹的形成与发展，造成材料颗粒的脱落。粗晶粒晶界是结构缺陷和裂纹形成核的来源，因为气孔存在于粗大晶粒的晶界上，降低了晶粒界面强度，使裂纹容易沿晶粒扩展。细晶粒的晶界则阻止裂纹船晶界扩展，而且晶界面积很大，晶界上气孔较少，裂纹不易船晶界扩展，而是转向晶内造成穿晶断裂【l 引。( 4 ) 其它影响因素s b a p w a y 等人【1 9 】在研究气流磨料喷射加工用喷砂嘴的磨损时指出喷砂嘴的几何形状和内壁粗糙度皆可影响喷砂嘴的冲蚀磨损率。另外，喷嘴的几何尺寸( 内径、长度等) 也对冲蚀磨损有较大影响。1 2 2 陶瓷喷砂嘴的冲蚀磨损机理研究陶瓷喷砂嘴属于脆性材料，关于脆性材料的冲蚀磨损，人们提出了提出多种冲蚀模型，用以描述冲蚀率与靶材特性( 断裂韧性、硬度、缺陷度等) 和磨料粒子特性( 速度、密度、粒度、形状等) 之间的比例关系。r u f f 和w i e d e r h o m 3 6 1 提出脆性材料的冲蚀模型一种是基于宄全的裂纹扩展和碎片形成的假设【3 - q 。另一种认为，塑性变形导致裂纹的形成和碎片的产牛【3 8 】。冲蚀率是由靶材特性( 断裂韧性、硬度、缺陷度等) 和磨料粒子特性( 速度、密度、粒度、形状等) 共同决定的。该模型假设磨料颗粒对靶材进彳亍垂直冲击，6l i i 车轻t 业学院硕十学位论文而且，冲蚀是由单个粒子冲击的非相互作用的累积造成的。s h e l d o n 与f l n n l e 3 7 1 提出一种冲蚀模型，认为冲蚀是由冲击过程中产生的赫兹接触应力造成的。该应力使靶材表面上先前存在缺陷的地方产生裂纹，造成裂纹繁殖的载荷与表面缺陷的分布( w e l b u l l 分布) 情况有关。裂纹的近似面积a 用于计算磨粒的穿透深度h ，而且，每次碰撞所移除的靶材体积于a h成正比。在最终方程里，冲蚀率由磨粒当量球半径，速度v 0 以及w e l b u l l常数研和来表示矽= 毛r 4 谨式中，指数口，b 由下式表示口= 3 ( m 一06 7 ) ( m 一2 1球形粒子口- - 36 ( m - 06 7 ) ( m - 2 1尖角粒子b = 24 ( m - 0 6 7 ) ( m - 2 1对两种粒子都适用由于磨粒硬度要比靶材硬度高的多，所以常数最表示为毛= e o “”+ 1 托”一2 p ：2 ”_ o6 7 托脯2 o 0 2 吖埘_ 2 式中e 为靶材的弹性模量p 。为磨粒的密度。s h e l d o n 和f r a m e 3 7 1 研究发现，对一些脆性材料( 如玻璃、m g o 、a 1 2 0 3 、石墨) 指数口，b 的理论值与实验值比较一致。s h e l d o n l 3 9 】研究发现，参数毛的理论值和实验值比较一致但指数口，6 的理论值与实验值不太一致。r u f f和w e l d e r h o m 认为横向裂纹的形成是冲蚀过程中造成靶材材料移除的主要原因他们认为，尽管s h e l d o n 和f r a m e 提出的冲蚀模型能够合理的描述脆性材料的冲蚀磨损，但对其模型的理论基础赫兹裂纹的形成，存在疑问。由于陶瓷材料结构本身的复杂性，关于其冲蚀机理的研究，观卢一直发有统一。在喷砂神蚀( 低角神蚀) 条件下，陶瓷喷砂嘴的磨损机制除应力疲劳断裂和脆性断裂冲蚀外，还存在着由于硬磨料颗粒对喷砂嘴的切入造成的傲切削作用。硬度较高的陶瓷材料，抗颗粒切入及其傲切削作用的能力较强，冲蚀磨损机制主要表现为应力疲劳断裂和脆性断裂；硬度低而韧性高的陶瓷材料，抗脆性断裂的能力较强，而抗微切削作用的能力较弱，冲蚀磨损机制主要表现为微切削。( 1 ) 应力疲劳断裂冲蚀磨损模型假设1 ) 应力疲劳冲蚀的损伤过程是一个不可逆的耗散过程。2 ) 留略低速冲蚀条件下的塑性变形及循环残余应力的影响3 ) 留略磨料颗粒自身的断裂能。4 ) 一般陶瓷材料熔卢高，硬度和断裂韧性对温度敏感性不强，且喷砂嘴在低温条件下工作，执损失能可以智略。因此，可以认为颗粒冲击前后损失的能量全部用于材料的去除。应力疲劳断裂冲蚀磨损率邑。：丝霉掣( 7 )式( 17 ) 可以简写为e v a 。堡攀些型( 1 8 )】f式中巨为材料的弹性模量，p ，为磨粒密度，0 为磨粒等效球半径，为磨粒速度，f ( o ) 表示伸蚀角对冲蚀速度变化的影响，只为材料硬度。由式( 18 ) 可知，陶瓷喷砂嘴的应力疲劳冲蚀磨损率与材料的弹性模量和硬度、磨料颗粒的密度和粒度以及冲蚀速度和冲蚀角有关。陶瓷喷砂嘴硬度的提高，可以显著地降低冲蚀磨损率f 4 】。( 2 ) 脆性断裂冲蚀磨损模型e v a n s 等 4 0 】依据实验得到的单个磨粒冲击事件中的裂纹彳亍为提出的冲蚀珲论考虑了冲蚀过程中的横向裂纹。该冲蚀模型假设冲蚀率与每次冲击事件中材料被移睁的数量成比例。每次冲蚀所造成的体积损失v 由粒子穿透屎度h 和在冲击过程中形成的横向裂纹的最大尺寸来计算。由于裂纹尺寸与裂纹半径c r 成比例，所以，矿可以表示为：v 万z 多数冲蚀模型建立在m a r s h a l l 等 3 司提出的“凹痕由多角粒子造成”理论基础上。该弹论集中研究了磨料粒子冲击与靶材凹痕行为之间的相似性。模型均假设磨料颗粒对靶材进行垂直冲击，而且冲蚀是由单个粒子冲击的非相互作用的累积造成的。图12 为冲蚀过程中凹痕处的傲裂纹形成示意图【3 们。图12 冲蚀凹痕处裂纹形成示意图蚓8当磨料冲击靶材时，尖角粒子对靶材产生较大的压应力，导致靶材形成塑性变形。当冲击载荷进一步增大时，拉应力使靶材表面产生两种不同形式的裂纹横向裂纹( 平行于靶材表面) 和径廿j 裂纹( 垂直于靶材表面) 。横向裂纹促使靶材碎片增多，并导致靶材表面的材料移除。虽然径向裂纹对冲蚀过程的作用不明显， 日它却造成靶材强度的破坏。裂纹长度厶和深度吃分别遵守以下关系式厶* 氇笋( 19 )吃。c ( 每 兄矿男c - 。，式中：a v 为凹痕体积如为靶材的断裂韧度，e ，i - i , 分别为靶材的弹性模量和硬度。这里，我们假设磨料的所有动能都在冲击过程中被靶材的塑性变形所消耗。并假设靶材硬度h 在整个凹痕深度艿范围内保持不变。则有，l - - m v 2 = r 尸( 万炒= h , a v( 11 1 )式中p 为凹痕力。一般认为，单个颗粒造成的冲蚀体积与由横向裂纹半径和深度形成的圆柱形体积成正比。我们定义冲蚀率既为冲蚀造成的靶材损失质量与粒子质量之比。则有如下关系成立：。c 弼吃* 毒篆形垆哆( 11 2 )式中：x 。为被冲蚀材料的断裂韧性，只为被冲蚀材料硬度，量为材料的弹性模量，n ，砟分别为靶材和粒子的密度，为粒子平均当量球半径；v ，为粒子速度( 垂直壁面) 。从公式( 11 2 ) 中可以看出冲蚀率是由两组参数构成：前半部分与靶材性能有关，后半部分与冲蚀过程有关。在靶材材料，磨料密度以及粒度一定的情况下，只有磨料的垂直壁面速度对仲蚀磨损构成影响。陶瓷喷砂嘴的脆性断裂冲蚀磨损率与材料的断裂韧性和硬度、磨料颗粒的密度和粒度以及冲蚀速度有关，喷砂嘴材料硬度和断裂韧性的提高，都有助于提高抗脆性断裂冲蚀能力。( 3 ) 傲切削冲蚀磨损模型对于傲切削磨损，磨料颗粒的法向速度分量使得颗粒首先要透入被冲蚀材料的表面，然后在切h j 速度的作用下颗粒沿材料表面的切i 口j 运动一段距离，从而剔除部分材料造成切削磨损，切| 口j 磨损量即正比于这部分体积1 3 8 1 。则单颗粒造成的陶瓷喷砂嘴微切削冲蚀磨损辜既为 4 1 l既。盟竽( 11 3 )n 正式中各参数的意义与式( 19 ) 相同。由式( 1l o ) 可知，喷砂嘴的傲切削磨损率与材料的断裂韧性和硬度、磨料颗粒的密度和粒度以及冲蚀速度有关，喷砂嘴材料的k , 3 4 叫2 越大，傲切削冲蚀磨损率越小。( 4 ) 多种冲蚀机珲并存同一材料在相同磨料的冲蚀下，如果冲蚀速度太小，磨料颗粒冲击喷砂嘴材料表面时所携带的能量就小，太低的能量不足以引起材料的塑性变形或者产牛裂纹，则磨料颗粒不会对喷砂嘴造成任何磨损。将此时的冲蚀速度定义为冲蚀磨损的临界速度，冲蚀速度超过k 后，喷砂嘴将产牛磨损a 临界速度可表示为m 1= 蒜n ，：( 警+ 半 24 ，式中盯为喷砂嘴材料的最大弹性载荷极限，取盯近似为盯“( 15 9 32 ) o b( 11 5 )式中盯。为材料的抗弯强度。冲蚀速度越大，磨料颗粒的动能越大，当磨料颗粒和破冲蚀材料表面接触时，破冲蚀材料所受的冲击力也越大，相应的冲蚀磨损车增大。对于陶瓷材料，冲蚀速度增大到某一极限值时，冲蚀磨损率的增大会发牛突变，这与仲蚀磨损机制的转换有关【4 5 1 。相同的冲蚀速度，不同的磨料和陶瓷喷砂嘴材料，冲蚀机理同样有所区别。由于喷砂嘴仲蚀磨损的独特性，在某种冲蚀应力状态条件下，不同的冲蚀机珲可能同时存在于同一喷砂嘴材料中 4 6 1 。当陶瓷喷砂嘴所受的应力接近或超过畛砂嘴强度时，磨料颗粒对哕砂嘴一次或少敛几次冲击就可造成材料的去除，仲蚀机制以脆性断裂冲蚀为丰当陶瓷喷砂嘴所受的应力低于喷砂嘴强度时，磨料颗粒对吩砂嘴多次冲击的椤累，才可能造成材料的去除，冲蚀机制以应力疲劳断裂为主对于喷砂嘴内壁而言，由于属于低角冲蚀，磨料颗粒在水平方| 口j 的速度分量较大，硬颗粒将对吩砂嘴材料产牛切削作用从弓轻t 业学院碜上学位论文而造成材料流失，仲蚀机制以傲切削冲蚀为主。喷砂嘴的磨损属于多冲蚀机制并存复合冲蚀。1 2 3 喷砂动力学及磨料颗粒运动特性的研究磨料在喷砂嘴内的廷动属于气固两相流动。研究磨料在喷砂嘴中的运动规律是喷砂嘴冲蚀磨损机理研究的基础。随着计算流体力学和计算机技木的不断发展，气固两相流动的数值模拟计算得到了迅速发展。基于守恒定律建立的连续性方程、动量守匿方程、能量守匾方程、湍流动能方程等组成气固两相流动的不同数学模型，如单流体模型、颗粒轨道模型、颗粒随机轨道模型、多流体模型等，己广压地应用于气固两相流的数值模拟计算。工程模拟计算中主要采用两类不同的颗粒相模型，一类是颗粒作为连续相处理的多连续介质模型，另一类则是将颗粒作为分散相处珲的各种颗粒轨道模型和随机轨道模型。先进的实验手段，如p i v ( 粒子成像测速仪) 测试技木，图像处理技术等为获得颗粒瞬时运动特性参数提供了强大支持。( n 流场性质的研究目前，国内外专门研究喷砂领域流场性质的文献较少。佃根据“相似性原理”可知，喷砂嘴内部流场为气固两相管流，在近壁面处形成边界层流场【4 7 】。壁面粗糙度对边界层流场性质影响很大。一般来说，粗糙壁面有利于边界层流场由层流i 廿j 湍流转变，当其它条件都相同时，在粗糙壁上发生转交的r e y n o l d s 数要比光臂壁的要低。粗糙度的增加使转化占位置不断向上游移动，直到它达到粗糙元本身所在的位置【4 81 9 1 。不同几何结构的粗糙度可以产生相同的湍虎效应( 相同的平均速度描述特性) ，但湍动能和湍流扩散却相差很多。说明了粗糙度对流场的影响并不仪仅局限于边界层内部。这与经典的湍流理论相矛盾【删。喷砂嘴出口处形成气固两相自由圆形射流【5 ”，张东东等吲研究发现气固两相射魔中，固体粒子的分散度要小于气体，两相之间存在明显的屑移速度，在射虎轴线附近固体粒子的轴向速度小于气相，而且速度的变化发有气相剧列。固体粒子浓度分布受射流内涡结构的影响很大。通常气固两相射流的计算是从射流出口处开始计算的，而阵越南等 5 3 1 认为，一般喷嘴尺寸很短，两相之间还未来得及充分混合平衡，计算从管内开始，一直推进到筲外是有意义的。并通过数值计算发现大粒子在射流中，其轴线速度的衰减比粒子小，佃扩散要比小粒子快，密度大的粒子比密度小的粒子具有较陧的轴1 日j 衰减速度，但对粒子的扩散，则密度的影响不大。这一结果与经典湍流跟随理论关于小颗粒营是扩散更快的预示相矛盾。这说明，两相流理论，特别是气固两相湍流射流理论尚不成熟。( 2 ) 颗粒间及颗粒壁面碰撞的研究一般认为喷嘴内的两相流属于稀疏气固两相流动，颗粒间的相互碰撞可以忽略不计。但目前对于应当考虑颗粒同相互碰撞的最小颗粒体积分数尚无统一的标准。一般认为，对于气固两相流动，当颗粒体积分数小于55 时，可以智略颗粒间的相互碰撞。h w a n gc h a n g t 5 4 l 贝0 提出应以颗粒体积分数为0 4 作为区分稀疏和稠密两相流动的标准。t 锄a l ( a 【5 5 】等的研究表明，颗粒碰撞对颗粒扩散的影响甚至在体积分数为l 矿量级时也很明显。刘敏等m 】研究发现，即使在初始颗粒体积分数比较低时( 0 2 4 ) ，颗粒问的相互碰撞仍然对颗粒的分布状况有着明显的影响，导致颗粒的聚集现象。磨料颗粒与喷嘴壁面的碰撞是造成冲蚀磨损的直接原因。因此，充分研究颗粒一壁面碰撞的运动特性并建立合理的数学模型，对喷砂嘴的冲蚀磨损研究将提供更多的途径。张夏瞪刀等提出了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒一壁面碰撞模型，将轨道模型中颗粒碰壁模型考虑壁面粗糙度和双流体模型中用概率密度函数积分法处理颗粒与光滑壁面碰撞模型的优卢结合起来，引入壁面粗糙度对碰壁颗粒湍流影响的机理。数值模拟结果与实验符合较好。葛满初等娜l 利用p l v 技术在对二维直通道内气固两相流动研究发现颗粒碰撞后的速度低于碰撞前的速度，因为碰撞时有能量消耗。颗粒碰撞的入射角大于反射角，是由于气相的影响造成的。并得到了颗粒与壁面相互作用的模型，其数学表达式为j ，= ( o9 0 9 6 00 0 3 8 8 5 0 ) + ( 6 x 1 0 。4 - 76 5 1 05 e ) x( 11 3 )y 。= ( o8 9 9 2 00 0 1 2 5 4 0 ) + ( 22 4 8 7 x 1 03 + 5 0 4 5 x 1 05 0 ) x( 11 4 )式中) | ，为粒子反弹速率与入射速率之比，y 。为粒子反弹角度与入射角度之比，0 为粒子入射角，x 为气体流速。饶压等f 5 9 1 在做类似实验研究中发现速度恢复系数主要受粒子入射速度和角度的双重影响，关系较为复杂。固体颗粒入射角较小时( 如1 6 0 左右) ，恢复系数随粒子入射速度增大而下降，即速度越大，粒子碰撞后的速度下降越大，而入射角度增大到2 5 * 以上时则相反粒子反射角小于入射角，其定量关系为反射角尾= l1 屈一9 ，( 声是入射角) 。并定量阐述了颗粒与壁面碰撞的规律，提出了恢复系数为入射角度与速度函数的模型口= a v , + 6( 11 5 )式中：a = 00 1 2 x 2 + 00 1 6 x 一00 0 3 ，b = 07 8 x 2 09 6 x 4 - 08 5 ，工= ( 一1 6 ) 2 4 ，是入射角，矿为入射速度。因此，目前关于颗粒碰撞问题的研究辽未形成统一认识。厚因是影响颗粒碰撞特性的因素很多，如颗粒特性，壁面特性，主流速度等都会影响粒子的反弹特性。各研究成果的使用范围都受到一定的限制。( 3 ) 气固两相相互作用的研究喷砂过程中，磨料粒子为高速气流所携带。因此，研究颗粒相的加入对气相的影响，以及气相流场特征对颗粒相运动的控制具有重要意义。一般认为，颗粒相的加入并不能改变气相流场的性质。通过求解含有颗粒相修正项的s u m m e r f e l d 方程，说明当流体脉动速度值大于颗粒相脉动速度值时，颗粒相的存在使流场的l 临界r e y n o l d s 数更大，将抑制边界层失稳。而一般情况下，由于气相和颗粒相喷性的差异，流体的脉动速度要大于颗粒相的脉动速度，所以颗粒相的存在一般要抑制边界层失稳。而且，颗粒相浓度越高、密度和尺寸越小，抑制作用越强唧】。喷砂嘴的神蚀磨损，是由磨料对壁面的冲击以及磨料在喷嘴壁面滑动或滚动造成的。磨料在碰到壁面之前要穿过的边界层流场性质对磨损有很大影响【6 1 1 。对磨料颗粒通过层流和湍流边界层时的速度、轨迹以及碰壁时的速度和夹角进行计算和对比，说明当磨料以相同条件进入边界层时，若为层流边界层，磨料颗粒更容易碰到壁面，而且在碰壁时的速度比湍流边界层情况更大 6 2 1 。而湍流边界层一般是由层魔边界层失稳造成的，湍流边界层的厚度要大于层瘴边界层。可见，磨料颗粒穿越层流边界层时更容易对壁面造成磨损。1 2 4 陶瓷喷砂嘴冲蚀过程的应力分析磨料颗粒在喷砂嘴内孔中运动时，部分颗粒将与内壁发生碰撞，这是导致喷砂嘴磨损的直接原因。磨料和喷砂嘴壁面的碰撞结果将使颗粒的运动发生变化，这种变化表现为两个方面首先是颗粒动量发生变化，颗粒和壁面碰撞前后的速度大小和方向都改文了，同时由于和壁面在碰撞过程中的摩擦作用，使颗粒的能量也发生了转移，其次是颗粒在和壁面碰撞后其旋转速度也有较大的增加。研究喷砂嘴的冲蚀磨损，首要问题是分析喷砂嘴的受力情况，有限元应力分析是材料应力分析的最佳数学工具，t 日计算复杂，运算量大。随着，计算机科学的发展，商业有限元分析软件不断开发为我们进行应力分析提供了方便，同时也提高了计算精度，有利于对冲蚀机珲的进一步研究。1 2 5 耐磨陶瓷喷砂嘴的研制从喷砂工艺的出现，人们就开始了对喷砂嘴的耐磨性进行了研究。影响喷砂嘴耐磨性的因素很多，大致可分为两类一是喷砂嘴材料本身的内在因素二是外部因素，包括喷砂环境因素及其他随机因素等诸多因素。与此相对应的喷砂嘴防磨措施也可以分为两类一是被动防磨，二是丰动防磨。( 1 ) 被动防磨的研究被动防磨就是从影响喷嘴材料抗冲蚀能力的角度出发，提高喷嘴材料的力学性能。目前关于耐磨喷砂嘴研究的文献都集中在该问题的研究上。被动防磨措施主要包括以下几个方面1 开发研制新材料。2 改善材料性能，提高其韧性。3 合理选择磨料与喷嘴材料，尽量在保证工艺要求的情况下使磨料硬度与喷嘴材料硬度之比小于1 1 4 。( 2 ) 丰动防磨的研究主动防磨也称气动防磨，主要以气固两相流理论为基础，研究磨料的运动方式，冲击速度，冲蚀角等。并结合材料磨损性能和冲蚀机理等方面的研究，实现对磨损量进行预删并控制【6 3 1 。另外，实现气动防磨还要进行喷嘴结构优化设计，以及对流动参数进行控制与优化配置。因此，从理论上来讲，气动防磨是解决冲蚀磨损的根本之道。但目前气动防磨的研究还很有限畔】，特别是关于喷砂领域，未见国内外有相关研究的报道。随着气固两相流流动机理的不断深入研究，气动防磨方法将成为未来研究的主导方向。1 3 本课题研究的目的、意义及主要内容喷砂处理是以压缩空气为动力，磨料通过喷枪和喷嘴高速喷射到工件表面。可用于材料的表面处理，喷射切割，以及高精度、复杂零件的最后光饰加工。喷嘴是上述喷砂机械设备上的关键部件之一，也是主要耐磨易损部件。冲蚀磨损是喷砂嘴的主要失效形式。为有效地控制和减少冲蚀磨损造成的损耗，提高喷砂嘴的使用寿命，近年来国内外学者对喷砂嘴的冲蚀磨损和耐磨性进行了多方面的研究，也取得了许多成果。但以往对冲蚀磨损的研究，主要以材料冲蚀磨损研究为重卢，智略了流场性质和实验条件的影响，使许多研究结论存在不同程度的分歧和矛盾。另外，由于冲蚀磨损的复杂性，至今仍有许多问题发有搞清楚。在提高喷嘴寿命和防磨设计方面的研究，目前仍停留在破动防磨的层次上。以提高材料的抗磨损能力为代价换得较长的唢嘴寿命，这并不能够在真正意义上实现消睁和减少冲蚀磨损的要求。而且提高材料的陛能使生产工艺复杂化，致使喷嘴生产成本提高。本文从喷砂处理工艺的具体生产实际出发，分析喷嘴流场性质及其变化与冲蚀磨损之问的相互影响。以充分认识喷砂嘴冲蚀磨损的实质，并结合分析结果设计喷砂嘴的耐磨结构，实现气动防磨在喷砂嘴设计中的应用。耐磨喷砂嘴结构的开发将在节省能源，降低喷嘴的生产成本，提高喷砂嘴的冲蚀寿命等方面具有重要意义。本文从喷砂处理实际条件出发，在综合分析现有喷砂嘴材料、结构和冲蚀磨损研究的基础上，运用气固两相流理论，并结合现代计算机技木进干亍喷砂动力学研究和仿真，探讨磨料颗粒在喷砂嘴内的运动情况和变化规律以及气相流场与颗粒相之间的相互影响，并进行耐磨结构设计，为进一步进行气动防磨设计奠定理论基础。主要研究内容如下1 针对喷砂实际参数要求，结合一种或几种陶瓷喷砂嘴及常用结构参数，分析喷砂嘴内气固两相流场从入口到出口各个部分流场性质和文化，以及流场变化对颗粒运动和冲蚀磨损的影响，并与冲蚀实验结果进行比较，验证理论分析的正确性。2 研究实现减轻冲蚀磨损作用的湍流边界层流场所需要的条件，并结合喷砂工艺要求及实际设备和材料性能找出一种或几种满足条件的方案。3 进行防磨结构设计，借助计算机仿真技术对结构参数进行筛选和评定，并制定最佳设计方案。第二章喷砂动力学研究2 1 喷砂设备及工作原理图2l 为喷砂嘴冲蚀磨损试验装置的工作原理图。由于喷砂枧本身带有给料与集料装置，所以整个试验装置的结构比较简单，由压缩空气供气系统和喷砂机两部分组成。432图21 喷砂嘴冲蚀磨损试验装置工作原理图l 气源2 控制阀3 滤气器4 干燥器5 调压阀6 酚尘器7 喷枪8 磨料仓9 喷砂嘴压缩空气供气系统包括空气压缩机、控制阀、空气德气器、干燥器、调压阀及纤维加强的胶皮输气软管。压缩机配有制动阀，