（机械制造及其自动化专业论文）微磨料浆体射流的流体特性及其抛光模具钢研究.pdf

摘要 摘要 微磨料浆体射流抛光技术是在磨料水射流加工技术基础上发展起来的集流体 力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。其具有切削力低、无热变形、无 污染、材料利用率高、几乎能抛光所有的材料和几何形状等优点，特别是在微小复 杂曲面零件的精密抛光等方面，具有其它传统技术无可比拟的灵活性。目前国内外 对微磨料浆体射流抛光技术只进行了一些探索性实验研究，还没有形成系统的理论 体系。本文研究的微磨料浆体射流抛光技术结合了射流抛光技术和非牛顿流体技术 的特点，利用添加高聚物聚丙烯酰胺( p a m ) 对射流束产生集束稳定作用，提出利 用非牛顿流体的低压微磨料浆体射流对复杂精密金属模具局部实现可控切除量的精 密抛光加工基础理论问题和加工工艺。采用理论、实验与计算机仿真相结合的研究 方法，以高速摄影、冲击力测量、扫描电镜为手段研究了在普通微磨料水射流中加 入高分子长链聚合物包覆微磨料和用流态化理论来混合浆体与微磨料来改善浆体的 射流特性；采用计算流体力学和理论推导研究了微磨料浆体射流形成过程中浆体和 磨粒的动力学特性、喷嘴的效率及系统能量传输效率；采用有限元分析研究微磨粒 冲蚀工件的材料去除机理和工件材料的应力、应变分布规律及工件材料的等效塑性 应变的影响因素；实现用微磨料浆体射流抛光4 0 c r m n m 0 7 模具钢。本文主要研究 内容如下： ( 1 ) 流化混合时，流化床混合罐内微磨粒在流化床中心位置上升，而在流化 床沿壁的环形区下降，这个上升和下降的反向零点速度发生在无因次半径的0 6 q ) 7 的位置范围内。反向零点的无因次半径位置的值随着浆体粘度和磨料粒径的增加而 增加。流化床内沿着高度径向方向的浆体速度和浓度断面呈现抛物线形状。 ( 2 ) 在射流压力分别为o 6 m p a ，1 2 m p a 和1 8 m p a 的压力下，用计算流体力 学( c f d ) 仿真喷嘴出口的浆体最大速度分别为3 4 2 m s ，4 8 4 m s 和5 9 3 m s 。c f d 模型预测射流速度无论在趋势上还是数值上都能很好地符合实验数据和理论公式得 出的数据。喷嘴出口到大气的一段时间内，动压、浆体速度继续增大，当在一定距 离处达到最大的动压和速度后，动压和速度开始线性递减，然会非线性递减。磨料 浆体射流的加工应用区域是速度常数和线性递减的区域。在微磨料浆体射流过程中， 磨粒首先被加速直到接近浆体相的速度，当浆体和磨粒在集中管同时推进时，浆体 广东工业大学博士学位论文 保持一个比磨料高的加速度，从出口到大气，浆体相开始减速，由于磨粒和浆体存 在相对速度，磨粒继续以较低的加速度加速，直到与浆体相速度达到一致。磨粒和 浆体的滑移速度随着离出口越远而减少，直到滑移速度收敛到零。 ( 3 ) 纯水射流、磨料浆体射流和加入高聚物的磨料浆体射流对c r 4 0 m n m 0 7 工 件材料的冲击力信号的密集程度、峰值大小依次为添高聚物磨料浆体、磨料浆体、 纯水射流。微磨料浆体射流与纯水射流的冲击力约相差2 0 。随着射流压力增大， 喷嘴效率会降低，射流冲击力与水力能量之比也会降低，可通过射流冲击力与水力 能量之比来评估喷嘴效率和优化喷嘴的结构。 ( 4 ) 磨粒撞击工件的最大残余应力、最大应力与撞击速度呈线性关系，冲蚀 率与撞击角度呈类似抛物线关系。在7 5 。撞击角度出现一个冲蚀应力的峰值，在5 5 。 左右出现应变的峰值。经过3 个粒子冲击后体积去除率保持稳定。带尖角的磨粒形 状对冲击工件点冲击导致较大的应力和材料去除率。当冲击角小于1 5 0 时的小角度 冲击工件时，浅的耕犁和粒子的卷边是主要的冲蚀方式，当冲击角大于1 5 0 d , 于7 5 0 时，材料的冲蚀方式主要是微切削和深犁耕，当以冲击角大于7 5 0 小于9 0 0 时，则主 要是以凹坑和隆起对材料去除起作用。入射角度在3 0 0 6 0 0 之间时，材料去除量随着 入射角度的增大而增大，当入射角在6 0 0 到7 5 0 范围内时，材料去除量达到最大，然 后在7 5 0 9 0 0 范围内，材料去除量又随着入射角度的增大而逐渐减少。 ( 5 ) 微磨料浆体射流抛光4 0 c r m n m 0 7 模具钢表面较微磨料水射流抛光时，磨 粒对工件的嵌入少，定点较大材料的去除抛光较喷嘴有一定移动速度的较少材料的 去除抛光嵌入工件表面的磨粒相对较多。长链高聚物聚丙烯酰胺( p a m ) 的加入， 磨料浆体射流抛光特性在过渡面陡峭切痕较深，在较小喷射距离的范围内，添加高 聚物的磨料射流对材料的切除深度是普通磨料水射流的1 5 2 倍，但在较大的喷射 距离范围内f 通常大于4 0 m m ) ，去除深度存在明显的差异；添加高聚物# 2 0 0 0 s i c 磨 料颗粒对工件抛光4 5 m i n ，工件表面粗糙度能够达到r a = 0 0 4 9 i t m 。微磨料浆体射流 抛光，微磨粒适宜的使用周期是连续循环使用一次。 关键词：微磨料浆体；射流；抛光；冲蚀机制；流体计算力学；流化床；表面粗 糙度；材料去除率 i i a b s l r i 认c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , m i c r o - a b r a s i v e s l u r r yj e tp o l i s h i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d i ti s an e wt y p eo fp r e c i s i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g yw h i c hi s c o m b i n e dt h es e to ff l u i dm e c h a n i c sw i t hs u r f a c et e c h n o l o g y m i c r o - a b r a s i v es l u r r yj e tp o l i s h i n gt e c h n o l o g yi sh i g hf l e x i b i l ec o m p a r e dw i t ho t h e r t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n i q u e sd u et oi t sc h a r a c t e r i z a t i o no fl o wc u t t i n gf o r c e ，n oh e a t d i s t o r t i o n ，n o n - p o l l u t i n g ，h i g hm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i oa n dp o l i s h i n gw o r k p i e c e sw i t h a l m o s ta l lo ft h em a t e r i a l sa n dg e o m e t r ys h a p e s ，e s p e c i a l l yt h es m a l lc o m p l e xs u r f a c e p a r t s c u r r e n t l y , i ti so n l yc a r r i e d o u ts o m ee x p l o r a t o r ye x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h e m i c r o a b r a s i v es l u r r yje tp o l i s h i n gt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，a n dt h e r ei sn o t h e o r e t i c a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , i ti sp r o p o s e dt h a tc o m p l e xp r e c i s i o nm e t a lm o l d si s p o l i s h e d e dp a r t i a l l ya n dc u t t i n ga m o u n ti s c o n t r o l l a b l eb yp o l i s h i n gb a s i ct h e o r ya n d m a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fm i c r o - a b r a s i v es l u r r yj e t ，w h i c hi s c o m b i n e dj e tp o l i s h i n g t e c h n o l o g ya n dl o wp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n n e w t o n i a nf l u i d a tt h es a m et i m e ， p o l y a c r y l a m i d e ( p a m ) p o l y m e ra d d e di n t os l u r r yc a ns t a b i l i z et h ej e tb e a ma n dh a v e e f f e c to fc l u s t e r l o n g c h a i np o l y m e r sa r ea d d e di n t om i c r o - a b r a s i v ew a t e rj e ta n dm i x e d w i t hw a t e ri nt h ef l u i d i z e db e dt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so ft h es l u r r yje ti ti sa l s o ， s t u d i e dt h ed y n a m i c so fs l u r r ya n da b r a s i v ep a r t i c l e sm o t i o n ，n o z z l ee f f i c i e n c ya n d s y s t e me n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c y , m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mo fm i c r o a b r a s i v e p a r t i c l e se r o s i o ni n t ot h ew o r k p i e c e ，e f f e c tf a c t o r sa n a l y s i so fs t r e s sa n ds t r a i na n d e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i nd u r i n gt h ep r o c e s so fp o l i s h i n gm o l ds t e e l4 0 c r m n m 0 7w i t h m i c r o - a b r a s i v es l u r r yj e t t h ep a p e ru s e st h er e s e a r c hm e t h o d sc o m b i n e dt h e o r yw i t h e x p e r i m e n ta n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h er e s u l t sa r ec h a r a c t e r i z e db yh i g h s p e e d p h o t o g r a p h y , i m p a c tm e a s u r e m e n t ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dt h r e e d i m e n s i o n a l s u r f a c em o r p h o l o g y m a i nr e s e a r c h e sa n dc o n c l u s i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： w h e nm i c r o - a b r a s i v ep a r t i c l e sa r em i x e dw i t hw a t e ra n dt h es l u r r yi sf l u i d e di nt h e m i x i n gt a n ka st h ef l u i d i z e db e d ，t h e ya r er a i s e di nc e n t e rp o s i t i o no ft h ef l u i d i z e db e d a n dd e c r e a s e di nt h ea n n u l a rr e g i o nn e a rt h ew a l l t h er i s ea n df a l lp o s i t i o n so ft h e r e v e r s ez e r op o i n tv e l o c i t ya r ei nt h er a n g eo f0 6 - 4 ) 7t i m e so fn o n - d i m e n s i o n a lr a d i u s ， i i l 广东工业大学博士学位论文 w h i c hi si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs l u r r yv i s c o s i t ya n da b r a s i v ep a r t i c l es i z e t h e s l u r r yv e l o c i t ya n dc r o s s - s e c t i o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni sp a r a b o l i ca l o n gt h er a d i a l d i r e c t i o no ft h ef l u i d i z e db e d e s t a b l i s h e dam i c r o - a b r a s i v es l u r r yj e tc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) m o d e l ， t h em a x i m u ms l u r r yv e l o c i t yi nt h en o z z l ee x i ti ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l ya s3 4 2 ，4 8 4 ， 5 9 3 m su n d e rt h ec o n d i t i o no fj e tp r e s s u r e0 6 ，1 2a n d1 8 m p ab a s e do nf l u e n t a n a l y s i ss o f t w a r e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s a r ei ng o o da g r e e m e n t w i t ht h ei n c r e a s i n go fje td i s t a n c ef r o mn o z z l ee x i tt ot h e a t m o s p h e r e ，t h ed y n a m i cp r e s s u r ea n ds l u r r yv e l o c i t yi n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y ，u pt ot h e m a x i m u m ，t h e nl i n e a r l yd e c r e a s e s ，t h e ni sn o n - l i n e a rd e c l i n e t h em a c h i n i n ga p p l i c a t i o n r e g i o no fm i c r o - a b r a s i v es l u r r yje ti st h er e g i o nw h e r et h ev e l o c i t yk e e p sc o n s t a n ta n d l i n e a r l yd e c r e a s e s i nt h ep r o c e s so fm i c r o a b r a s i v es l u r r yj e t ，a b r a s i v ep a r t i c l e si sf i r s t l y a c c e l e r a t e du n t i li t sv e l o c i t yi sc l o s et ot h es l u r r yv e l o c i t y , t h e nt h es l u r r ym a i n t a i n sa h i g h e ra c c e l e r a t i o nt h a na b r a s i v ep a r t i c l e sw h e nt h e ya r ea d v a n c ds i m u l t a n e o u s l yi nt h e c o n c e n t r a t i o nt u b e ，f i n a l l yt h es l u r r yb e g i n st os l o wa n da b r a s i v ep a r t i c l e sc o n t i n u e s l o w e ra c c e l e r a t i o nu n t i lt h eb o t hv e l o c i t yr e a c h e st h es a m ew h e nt h e ya r ea d v a n c e df r o m n o z z l ee x i tt ot h ea t m o s p h e r e t h es l i pv e l o c i t yo fs l u r r ya n da b r a s i v e p a r t i c l e si s d e c r e a s i n gw i t hf a r t h e ra w a yf r o mt h ee x i t ，u n t i lt h e yc o n v e r g et oz e r o b ym e a s u r i n gi m p a c to nt h ew o r k p i e c eo fc r 4 0 m n m 0 7m a t e r i a l sa n dn o z z l e e f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tj e tp a r a m e t e r s ，t h em a x i u ms i g n a li n t e n s i t ya n dp e a ks i z e o f i m p a c tf o r c ei sa b r a s i v es l u r r yj e ta d d e dp o l y m e r , n e x ta b r a s i v es l u r r yj e t ，t h e np u r e w a t e rje t ，a n dt h ed i f f e r e n c eo fi m p a c tf o r c eb e t w e e nm i c r o a b r a s i v es l u r r yje ta n dp u r e w a t e rj e ti sa b o u t2 0 s i m i l a r l y ，o n ec a nc o n c l u d et h a tw i t hj e tp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h e n o z z l ee f f i c i e n c yw i l lr e d u c e ，t h er a t i oo fje ti m p a c tf o r c ea n dh y d r a u l i ce n e r g yw i l l r e d u c e ，t o o t h ei m p a c tf o r c ec a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l yi s2 0p e r c e n tl a r g e rt h a nt h a t m e a s u r e da c t u a l l y t h e r e f o r e ，t h en o z z l ee f f i c i e n c yi se v a l u a t e db yt h er a t i oo f j e ti m p a c t f o r c ea n dh y d r a u l i ce n e r g y , a n dt h en o z z l es t r u c t u r ei sa l s oo p t i m i z e db yi t a sf o rt h er e s e a r c ho fm a t e r i a l se r o s i o np r o c e s s e sa n de r o s i o nm e c h a n i s m s ，w e r e s e a r c h e dt h ee f f e c tf a c t o r sl i k ei m p a c tv e l o c i t y , i m p a c ta n g l e ，s h a p ea n dn u m b e ro f a b r a s i v ep a t i c l e s ，e t e a f t e rt h ew o r k p i e c ei si m p a c t e dw i t ha b r a s i v ep a r t i c l e s ，t h e i v a b s n 认c t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mr e s i d u a ls t r e s sa n dm a x i m u ms t r e s sa n di m p a c tv e l o c i t y i sl i n e a r , t h ee r o s i o nr a t ea n di m p a c ta n g l ei ss i m i l a rp a r a b o l i cr e l a t i o n s h i p ，e r o s i o n s t r e s sp e a k si na7 5 0i m p a c ta n g l e ，s t r a i np e a k sa t5 5 0 ，t h ev o l u m er e m o v a lr a t er e m a i n s s t a b l ew i t ht h r e ep a r t i c l e s ，t h es t r e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei sg r e a t e rw i t ha b r a s i v e p a r t i c l e sw i t hs h a r pc o r n e rs h a p e w h e nt h ei m p a c ta n g l ei s l e s st h a n15 0 ，e r o s i o n m e c h a n i s mo ft h ew o r k p i e c ei ss h a l l o wp l o w i n ga n dp a r t i c l ec u r l i n g ，i ti s m a i n l y m i c r o - c u t t i n ga n dd e e pp l o w i n gw h e nt h ei m p a c ta n g l ei sg r e a t e rt h a n15 0a n dl e s st h a n 7 5 0 ，t h e r ea r em a t e r i a lp i t sa n du p l i f t sr e m o v a lw o r kw h e nt h ei m p a c ta n g l ei sg r e a t e r t h a n7 5 0a n dl e s st h a n9 0 0 t h em a t e r i a lr e m o v a la m o u n ti si n c r e a s i n gw h e nt h ei n c i d e n t a n g l ei n c r e a s ef r o m3 0 0t o6 0 0 ，u n t i lr e a c h e st h em a x i m u ma t6 0 0 - 7 5 0 ，t h e ni sr e d u c i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ei n c i d e n ta n g l ef r o m7 5o 9 0 0 c o m p a r e dm i c r o - a b r a s i v es l u r r yj e tp o l i s h i n g4 0 c r m n m 0 7m o l ds t e e ls u r f a c ew i t h m i c r o a b r a s i v ew a t e rje tp o l i s h i n g ，t h ef o r m e ri se m b e d d e dl e s sa b r a s i v ep a r t i c l e si n t o t h ew o r k p i e c e i ti se m b e d d e dm o r ea b r a s i v ep a r t i c l e si n t ot h ew o r k p i e c ew i t ht h el a r g e r m a t e r i a lr e m o v a lp o l i s h i n gw i t hf i x e dp o i n tt h a nt h a to fr e l a t i v e l yl e s sm a t e r i a l s 、析t ha s l i pv e l o c i t yo fn o z z l e t h ea b r a s i v es l u r r yj e tp o l i s h i n ga d d e dl o n g c h a i np o l y m e rp a m i sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cw i t hd i f f e r e n tj e td i s t a n c e t h es t e e pc u t t i n gd e p t hi sd e e p e ri n t h et r a n s i t i o nr e g i o n t h ed e p t ho fm a t e r i a lr e m o v a li s1 5 2t i m e st h a no r d i n a r y a b r a s i v ew a t e rj e ti nt h er a n g eo fs m a l l e rj e td i s t a n c e ，b u ti ti so b v i o u sd i f f e r e n ti nt h e r a n g eo fl a r g e rj e td i s t a n c e ( t y p i c a l l yg r e a t e rt h a n4 0 r a m ) t h es u r f a c er o u g h n e s sr ao f t h e w o r k p i e c e r e a c h e s0 0 4 9 p ma f t e ri th a s b e e n p o l i s h e d 4 5m i n u t e r sw i t h # 2 0 0 0 4 0 c r m n m 0 7a b r a s i v ej e ta d d e dp o l y m e r i nm i c r o a b r a s i v es l u r r yj e tp o l i s h i n g ， m i c r o a b r a s i v ep a r t i c l e sc a nb er e u s e d ，t h es u i t a b l er e c y c l i n gi sac o n t i n u o u sl o o pc y c l e k e y w o r d s ： m i c r o a b r a s i v es l u r r y ；j e t ；p o l i s h i n g ；e r o s i o nm e c h a n i s m ；c o m p u t e rf l u i d d y n a m i c ，f l u i d i z e db e d ；s u r f a c er o u g h n e s s ；m a t e r i a lr e m o v a lr a t e v 广东i q k 大学博士学位论文 符号表 i 广东工业大学博士学位论文 符号表( 续表) i i 广东工、| k 大学博士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i n o m e n c l a t u r v i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i x c o n t e n t s ( e n g l i s h ) x i v c h a p t e r le x o r d i u m 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h 1 1 2m i c r o - 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a b r a s i v es l u r r yj e t m a c h i n i n gp r o c e s s 13 1 4 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l u i d i z a t i o np r o c e s s 17 1 4 3s i m u l a t i o no fa b r a s i v ej e tf o r m a t i o np r o c e s s 19 1 4 4s i m u l a t i o no fe r o s i o nw o r k p i e c ew i t hm i c r o a b r a s i v ep a r t i c l e 1 9 1 5s o u r c eo fs u b j e c t 2 1 1 6r e s e a r c hs u b j e c tp r o p o s e da n di t sm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 2 1 1 6 ip r o b l e m sp r e s e n t e da n dr e s e a r c hs u b j e c tp r o p o s e d 21 v c o n l r i ! n 1 f s 1 6 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ：! ：! c h a p t e r 2f l u i d i z a t i o n o ft h em i c r o - a b r a s i v es l u r r y i nt h e p r e - m i x e dt a n k a n di t s c h a r a c t e r i z a t i o n 2 5 2 1t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no fm i c r o - a b r a s i v es l u r r yf l o w 2 5 2 1 1t h em i n i m u ms p e e d s u s p e n d e ds t a b l yo fa b r a s i v ep a r t i c l e s 2 5 2 1 2e n e r g yt r a n s p o r te q u a t i o no ft u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dd i s s i p a t i o n e n e r g yo f m i c r o - a b r a s i v es l u r r y 2 6 2 1 3t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no fe u l e rm o d e l 2 7 2 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em i c r o - a b r a s i v es l u r r yi nt h ep r e m i x e dt a n k 2 8 2 2 1m e s h sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 9 2 2 2s o l v i n gm e t h o d sa n dc o n v e r g e n c ec r i t e r i a 2 9 2 3d e t e r m i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o np a r a m e t e r so ft h em i c r o a b r a s i v es l u r r y i nt h ep r e - m i x e dt a n k i3 0 ：。一一：。 2 3 1 c o m p a r i s o no ft h r e e d i m