（机械电子工程专业论文）磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究.pdf

f 、一_ 2 、 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：专彭一 日期：加i d 、6 、ia 指导教师张惭历 日期跏f d 6 ，乙 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：专览w 日期：跏l0 6 1 文 指导教师签名： f 瓴荔 日期函7d 6 fz 西华大学硕士学位论文 摘要 磨料水射流表面抛光技术是在磨料水射流加工技术的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密集加工技术。磨料水射流表面抛光技术作为一种新型 的精密抛光技术，其具有的独特优势使其可以在各种难以抛光材料的抛光中发挥作用。 论文以磨料水射流理论为基础，对磨料水射流表面抛光技术进行了详细研究。论文 建立了磨料水射流表面抛光模型。理论研究表明，磨料水射流去除材料的四种作用模式 分别为变形、压力波传播、横向喷射、水压的穿透作用。磨料水射流冲蚀工件表面时， 磨料粒子与工件表面的塑性剪切冲蚀过程可分为弹性滑擦、耕犁和微切削三个阶段。磨 料水射流对工件表面的抛光主要受射流压力、靶距、喷射角度、磨料粒度、磨料浓度及 分布等工艺参数的影响。磨料水射流的基本段用于工件抛光比较有利。 由于被抛光工件材料众多，对抛光工艺的影响参数较复杂，因此，论文采用正交试 验法对影响抛光质量的工艺参数进行了实验研究。研究表明：喷射角度和喷射压力水平 改变对工件表面粗糙度有高度显著的影响；靶距的水平改变对工件表面粗糙度有一定的 影响：磨料浓度的水平改变对工件表面粗糙度没有显著的影响。较优的水平组合是磨粒 浓度( 1 ：2 ) 、喷射角度( 3 0 0 ) 、射流压力( 4 m p a ) 、靶距( 1 0 m m ) 。 论文对微磨料水射流抛光模具钢4 c r 5 m o s i v l 工件表面进行了实验研究。研究表明， 微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用，并能在抛光的同时提高工件表面硬度、 表面的疲劳强度，且硬度低的工件表面效果较为明显。研究还表明，应用微磨料水射流 进行工件表面抛光时，磨料液、抛光时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度 等对抛光效果有重要影响。为了提高抛光精度和效率，对于硬度较高的工件表面，宜采 用具有较大磨粒直径和较高浓度添加剂的磨料液；对于硬度较低的工件表面，宣采用磨 粒直径较小和添加剂浓度较低的磨料液。对于较低硬度的工件表面，采用蜡敷磨粒的磨 料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度。 微磨料水射流抛光技术的研究和应用具有重大理论意义和实用价值，具有广泛市场 前景。 一 关键词：磨料水射流；抛光；正交试验；微磨料水射流 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 a b s t r a c t s u r f a c ep o l i s h i n gu s i n ga b r a s i v ew a t e rj e tt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e a b r a s i v ew a t e rje tm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i ti n v o l v e sf l u i dm e c h a n i c s ，s u r f a c et r e a t m e n t t e c h n o l o g ya n di s an e wi n t e n s i v ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a san e wt y p eo fp r e c i s i o n p o l i s h i n gt e c h n o l o g y ，s u r f a c ep o l i s h i n gu s i n ga b r a s i v ew a t e rj e th a su n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c h a sp o l i s h i n g h a r d - p o l i s h i n gm a t e r i a l se t c b a s e do nt h et h e o r yo fa b r a s i v ew a t e rj e t ，s u r f a c ep o l i s h i n gu s i n ga b r a s i v ew a t e rj e t t e c h n i q u e sw a ss t u d i e di nd e t a i l am o d e lo fs u r f a c ep o l i s h i n gu s i n ga b r a s i v ew a t e rj e tw a s e s t a b l i s h e d t h e o r e t i c a ls t u d ys h o w st h a tt h e r ea r ef o u rm o d e lf o ra b r a s i v ew a t e rj e tt or e m o v e m a t e r i a l ，i e d i r e c td e f o r m a t i o n ，s t r e s sw a v e p r o p a g a t i o n ，l a t e r a lj e t t i n g ，h y d r a u l i c s t a t i c p e n e t r a t i o nr e s p e c t i v e l y w h e na b r a s i v ew a t e rj e te r o s i o ns u r f a c e ，f l e x i b l ep l a s t i c s h e a r e r o s i o np r o c e s sb e t w e e nt h ea b r a s i v ep a r t i c l e sa n dw o r k p i e c es u r f a c e ，i es l i d i n gf r i c t i o n ， p l o w i n ga n dm i c r om a c h i n i n g a n a l y s i ss h o w st h a to nt h ew o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s si s m a i n l y a f f e c t e d b yj e tp r e s s u r e ，t a r g e t d i s t a n c e ，s p r a ya n g l e ，a b r a s i v es i z e ，a b r a s i v e c o n c e n t r a t i o na n dd i s t r i b u t i o na sw e l la sp r o c e s sp a r a m e t e r s t h eb a s i cs e c t i o no fa b r a s i v e w a t e rj e ti sm o r ef a v o r a b l ef o rt h ew o r k p i e c ep o l i s h i n g b e c a u s et h ew o r k p i e c em a t e r i a l st ob ep o l i s h e di st o om u c h ，t h ep a r a m e t e r so fp o l i s h i n g p r o c e s si sc o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n ti sa d o p t e dt os t u d yt h ei m p a c to f p o l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eq u a l i t yo fp o l i s h i n g t h es t u d ys h o w s t h a ts p r a ya n g l ea n d i n j e c t i o np r e s s u r eh a sh i g l l l ys i g n i f i c a n te f f e c to nt h ew o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s s ；t a r g e t d i s t a n c ef r o mt h ew o r k p i e c eh a se f f e c to ns u r f a c er o u g h n e s st oac e r t a i ne x t e n t ；a b r a s i v e c o n c e n t r a t i o nh a sn os i g n i f i c a n te f f e c to ns u r f a c er o u g h n e s so ft h ew o r k p i e c e t h eo p t i m u m c o m b i n a t i o ni sa b r a s i v e c o n c e n t r a t i o n ( 1 ：2 ) ，s p r a ya n g l e 9 ( 3 0 0 ) j e tp r e s s u r e ( 4 m p a ) ，t a r g e t d i s t a n c e ( 10 m m ) t h em o l ds t e e l4 c r 5 m o s i v ls u r f a c ep o l i s h i n gu s i n gm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e tw a s e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta b r a s i v ew a t e rj e tp o l i s h i n gs u r f a c eh a sag o o d e f f e c ta n dc a l li m p r o v et h es u r f a c eh a r d n e s s ，s u r f a c ef a t i g u es t r e n g t h t h el o w e rt h e s u r f a c e h a r d n e s s ，m o r eo b v i o u st h ee f f e c t t h es t u d ya l s os h o w e dt h a tw h e na p p l i c a t i o no fm i c r o a b r a s i v ew a t e rj e tp o l i s h i n gs u r f a c e ，t h ea b r a s i v ef l u i d ，p o l i s h i n gt i m e ，a n dt h ew o r k p i e c e m a t e r i a la sw e l la st h eo r i g i n a ls u r f a c er o u g h n e s sh a v ea m a j o ri m p a c t o nt h ep o l i s h i n ge f f e c t i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fp o l i s h i n g ，h i g h e rc o n c e n t r a t i o no fa b r a s i v e l a r g e rp a r t i c l ed i a m e t e ra n dl i q u i da b r a s i v ea d d i t i v e ss h o u l db ea d o p tf o rt h eh i g h e rs u r f a c e h a r d n e s s ；f o rt h e l o w e rs u r f a c eh a r d n e s s ，l e s sa b r a s i v ei nd i a m e t e ra n dt h ea d d i t i v e c o n c e n t r a t i o n ，l o w e ra b r a s i v el i q u i ds h o u l db eu s e d f o rt h el o w e rh a r d n e s so ft h es u r f a c e ，u s e i i ， 西华大学硕士学位论文 s l u r r ya b r a s i v ew i t hw a x - c o a t e dp a r t i c l e sc a nr e d u c et h ep o l i s h i n gt i m ea n di m p r o v et h ea c c u r a c y o ft h es u r f a c ep o l i s h i n g s t u d yo ns u r f a c ep o l i s h i n gt e c h n o l o g yu s i n gm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e th a sg r e a ta c a d e m i c m e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u e i th a sw i d ea p p l i c a t i o nm a r k e t k e y w o r d s ：a b r a s i v ew a t e rj e t ；p o l i s h i n g ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；m i c r oa b r a s i v ew a t e r j 改 m 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1引言1 1 2 常见抛光方法1 1 2 1 手工抛光1 1 2 2 机械抛光2 1 2 3 离子束抛光2 1 2 4 磁流变抛光：2 1 2 5 电化学抛光2 1 2 6 化学抛光2 1 3 磨料水射流抛光技术及发展趋势3 1 4 本课题的研究目的、意义及主要研究内容4 1 4 1问题的提出4 1 4 2 研究目的、研究意义4 1 4 3 研究内容4 2 磨料水射流技术及理论5 2 1 水射流技术5 2 1 1 水力参数5 2 1 2 切割参数5 2 2 流体的基本性质6 2 2 1 流体的三相状态6 2 2 2 流体的可压缩性6 2 2 3 流体的粘性7 2 2 4 流体力学的基本方程8 2 3 磨料水射流技术9 2 3 1 磨料水射流概述9 2 3 2 磨料水射流系统1 1 2 4 磨料水射流的加工机理1 2 西华大学硕士学位论文 2 4 1 磨料水射流加工的工作原理1 2 2 4 2 磨料水射流加工的机理分析- 1 3 2 5 本章小结18 3 磨料水射流表面抛光技术的理论研究1 9 3 1 表面抛光技术。1 9 3 1 1 表面抛光技术的概念1 9 3 1 2 表面抛光技术的特点2 0 3 2 磨料水射流表面抛光技术2 0 3 2 1 水射流结构2 0 3 2 2 磨料水射流结构2 1 3 2 3 水射流对工件表面的力学影响2 2 3 2 4 磨料水射流表面抛光机理。2 3 3 2 5 磨料水射流抛光对材料表面的强化作用。2 4 3 3 磨料水射流抛光模型的研究：2 5 3 4 磨料水射流工艺参数对抛光的影响分析2 6 3 4 1 水射流冲击压力对抛光的影响2 6 3 4 2 射流靶距对抛光的影响2 7 3 4 3 喷射角度对抛光的影响3 0 3 4 4 磨料粒子类型、颗粒直径对抛光的影响3 1 3 4 5 磨料浓度及分布对抛光的影响3 2 3 4 6 工件表面形状对抛光的影响3 4 3 5 本章小结3 6 4 磨料水射流抛光工艺参数对抛光表面质量实验研究3 7 4 1实验方案3 7 4 2 实验设备和测试仪器3 8 4 3 正交试验设计3 9 4 3 1正交试验因素及水平选定3 9 4 3 2 正交试验表的建立。4 0 4 4 磨料水射流抛光正交试验的直观分析4 1 4 4 1 极差计算4 l 4 4 2 极差分析4 3 4 5 正交试验设计的方差分析4 4 v 彦料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 4 5 1 方差计算4 5 4 5 2 方差分析f 4 7 4 6 本章小结- 4 7 5 磨料水射流抛光模具钢工件表面的实验研究4 8 5 1实验方案4 8 5 2 实验测试仪器。5 0 5 3 实验结果及分析5 1 5 3 1微磨料水射流对工件表面抛光作用。5 1 5 3 2 抛光时间及磨粒尺寸对抛光性能的影响。5 2 5 3 3 添加液( t x 腊) 浓度对抛光性能的影响：5 5 5 3 4 蜡敷磨粒的抛光性能5 7 5 3 5 抛光对工件表面硬度的影响：5 8 5 4 本章小结：5 9 结论：6 0 参考文献6 l 攻读硕士学位期间学术论文及科研科研情况6 4 致 射：- 。6 5 v i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 抛光作为表面处理的一种方法，主要是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其它 抛光介质对工件表面进行的修饰加工。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状 精度，而是以得到光滑或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽( 消光) 。随着科 学技术的进步，现代机械产品在致力于提高加工精度的同时，更注重提高零件表层质量 和表面完整性，以能提高产品性能的稳定性和可靠性。 零件的表面质量对零件的使用性能、寿命和可靠性等都有很大的影响。随着现代高 速、高精度设备的发展，对零件的表面质量也提出了越来越高的要求。各种新材料、新 结构的复杂精密零部件大量涌现，其结构和形状也越来越复杂，精度要求越来越高，表 面完整性越来越严格。抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、 耐磨性及获得特殊性能。在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领 域应用广泛。传统的抛光技术在抛光工具头无法触及的异形曲面、细长管件或者特殊材 料的工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无法加工。因此，选择合适的抛光方法和 抛光工艺是提高产品表面质量的重要手段，许多非传统抛光技术应运而生，磨料水射流 抛光技术就是其中之一。 1 2 常见抛光方法 目前抛光加工一般采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光，主要分为传统机械 抛光加工( 磨削、研磨、抛光和超精加工) 、现代抛光加工( 离子柬抛光、激光束抛光、 化学抛光、电化学抛光、磁粒光整加工、磁流体研磨，磨料流抛光、超声波研磨抛光， 电泳研磨) 、复合非传统抛光加工( 化学机械抛光、电化学超声波研磨抛光、电火花超声 波研磨抛光、电化学机械抛光、电火花电化学抛光、磁场电化学抛光以及其他复合抛光) 等。下面是几种有代表性的抛光方法。 1 2 1 手工抛光 手工抛光主要靠人工以抛光膏或抛光液作润滑，利用砂纸或油石在工件表面作往复 运动，利用摩擦原理去除工件表面凸起不平处，从而得到平滑表面，提高工件精度和降 低表面粗糙度。手工抛光适用于金属材料和高分子材料的工件表面的抛光，是我国模具 行业抛光模具复杂型腔的主要方法，但加工周期较长，效率低下，工人劳动强度较大。 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 1 2 2 机械抛光 机械抛光是靠切削工件表面的凸起部分而得到平滑表面的抛光方法，通常用转动的 圆盘，在圆盘的表面用胶粘一层软的皮革、毡毛或绒布等物质，在这些物质上面可撤上 一层磨料抛光粉或抛光膏，欲抛光的工件表面紧贴圆盘上的皮革、毡毛或绒布，马 达带动圆盘转动时，工件表面就被整平抛光，直到出现所需光泽表面。机械抛光的机理， 除了摩擦整平作用以外，抛光轮高速转动产生高温、高压条件，在工件表面发生金属氧 化过程及氧化物溶解在硬脂酸和油酸过程，还发生金属表面的塑性变形过程，使金属表 面得到微观整平。 1 2 3 离子束抛光 离子束抛光首先是将惰性气体冲入低真空的离子源中，然后用高频放电或者直流放 电使它们等离子化，接着用加速电极将离子拉出并使之加速，最后用静电透镜将离子聚 成细束，使它向工件表面冲击，从工件表面打出原子或者分子来。离子束抛光能得到很 高精度的表面，缺点是成本较高。 1 2 4 磁流变抛光 磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。在高强度的梯度磁场 中，磁流变抛光液变硬，形成近于高斯曲面的毫米级的突起，成为具有黏塑性的b i n g h a m 介质的连绵不断的抛光工具，当这种介质流经工件与运动盘之间形成的很小空隙时，借 助于工件与磁流变体之间的剪切变形力实现对工件表面的材料去除。 1 2 5 电化学抛光 以被处理的金属零件为阳极，铝或其他电极作阴极，含有氧化剂或含氧酸及其盐类 的溶液为电解质溶液，作金属阳极化处理，使金属表面由于部分溶解而得到微观平整， 产生表面光泽的过程称为电化学抛光，也称电抛光。 电抛光时，工件接阳极。通电时工件表面会产生电阻率高的稠性黏膜，其厚度在工 件表面不均匀。表面微观凸出部分较薄，电流密度较大，金属溶解较快：表面微观下凹 处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微 观凸出部分尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使工件表面粗糙度降低，从而达 到抛光目的。 1 2 6 化学抛光 一定溶液中，不用外接电源，依靠化学浸蚀作用完成抛光过程的工艺称为化学抛光。 与电抛光比较，化学抛光不用直流电源和导电挂具，可抛光形状复杂及各种尺寸的工件， 2 西华大学硕士学位论文 生产效率高。但使用寿命短，而且，化学抛光往往产生一些有害气体，抛光质量比电抛 光差。 化学抛光的核心问题是抛光液的配制。化学抛光液的基本组成包括腐蚀剂、缓蚀剂 和水。腐蚀剂起溶解作用；缓蚀剂起抑制腐蚀过程，使产生光泽；水起稀释作用，便于 反应产物的扩散，并控制抛光过程。 1 3 磨料水射流抛光技术及发展趋势 磨料水射流是自1 9 世纪8 0 年代迅速发展起来的一种新技术，和传统m i 技术相比， 它具有；b n - r 时无工具磨损，无热影响，反作用力小，；b n - r 柔性高等优点，目前己被广泛 应用到多种行业，主要用于陶瓷、石英、复合材料等加工。磨料水射流抛光技术是在磨 料水射流加工技术的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密集加 工技术。目前，国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究， 尚未形成系统广泛的研究成果。 h a s h i s h 对液体磨料射流抛光金刚石薄膜的可行性进行了探索性实验【1 1 。通过实验发 现，利用6 0 0 目( 勺s i c 磨料可以将金刚石薄膜从3 1 a m 抛光到1 3 1 a m 。f a h u l e 、o h v e rw 等 人利用液体磨料射流抛光平板玻璃时，玻璃表面粗糙度从初始的4 7 5 1 u n 降低到5 哪【2 , 3 1 。 b o o i j 、s i l v i am 等人在磨料液体射流抛光玻璃过程中，通过调整主要工艺参数( 如加 工时间、磨料浓度、磨料尺寸和靶距等) ，发现材料去除速度有可能控制在l n m m i n 以 内p j 。b o o i j ，s i l v i am 和f a h u l e 、o l i v e rw 等人通过实验发现，在磨料液体射流抛光 过程中，通过调整喷嘴的运动轨迹，可以得到形面精度为n 1 0 的平面【6 1 。m e s s e l i n k w i l h e l m u sa c m 利用实验验证了磨料液体射流可以对球面进行预抛光和抛光加工【7 1 。 其研究结果表明：在抛光过程中，材料去除速度取决于磨料的锋利程度及其动能的大小。 杨乾华和刘继光等人通过实验研究认为，磨液射流对铁合金异型曲表面的磨削抛光是可 行的，并得出了较为合理的抛光方案【8 1 。 目前，随着科技的发展，在磨料水射流抛光技术基础上，通过与传统的抛光技术相 结合，产生了各种新的抛光技术和方法，如与金属电解抛光技术结合产生的电解磨料喷 射复合抛光新工艺。越来越多的新型材料的出现，也对材料的加工精度要求也越来越高。 磨料水射流抛光技术作为一种新型的精密抛光技术，其具有的独特优势使其可以在各种 难以抛光材料的抛光中发挥作用，尤其是微磨料水射流技术的发展，对磨料水射流抛光 技术的研究和工艺的成熟将起到推动作用。 3 点、不同加工部位的加工要求，选择合适的喷嘴，针对不同的加工材料，选择相应的磨 料，因此使用十分方便，特别适合加工一些用其它加工方法不能加工的工件。 磨料水射流中磨料的分布规律及速度分布规律都有待于理论研究和实验验证：针 对不同材料和加工条件的优化加工模型有待于完善。总之，磨料水射流抛光加工还处于 发展和完善阶段，随着对加工机理认识和试验研究的深入，磨料水射流抛光在工业生产 中，特别是在工件异形型面的光整加工中将会发挥更大的作用。本课题研究将具有重要 的社会经济意义，其成果有广阔的应用前景。 1 4 2 研究目的、研究意义 根据水射流加工技术的发展趋势和要求，瞄准该项技术研究的前沿，利用现有的 水射流机床设备、数控平台，通过理论和实验研究，分析磨料水射流抛光加工时诸多因 素对加工质量的影响，从而为提高抛光表面精度提供有利的理论支持。 1 4 3 研究内容 磨料水射流抛光加二 技术的研究还处于初级阶段，理想的磨料水射流抛光加工结果 是材料去除量小，表面质量高。但是利用磨料水射流抛光加工时，加工质量受到诸多因 素的影响，例如：射流压力，射流喷嘴直径，靶距，倾角，砂喷管的直径，形状和长度， 作用时间，磨料的流量，磨粒大小、形状和硬度以及被加工材料的性质等。 本论文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 对磨料水射流技术进行理论研究，对以后的实际工作起理论指导作用； ( 2 )以磨料水射流技术为基础，对磨料水射流表面抛光做理论分析： ( 3 ) 通过对抛光数学模型的理论研究，分析各工艺参数对表面质量的影响规律； ( 4 ) 采用正交实验法，对不同工艺参数进行磨料水射流抛光实验，并对实验结果 做极差和方差分析，试图找出较优的工艺参数水平组合以及对抛光质量影响较显著的工 艺参数； ( 5 ) 利用模具钢4 c r 5 m o s i v l 工件表面做抛光实验，对抛光后的工件表面进行相 关物理、化学性质以及组织的测试研究，并对影响抛光质量的因素进行分析，从而为微 磨料水射流抛光技术的应用提供理论和实验基础。 4 西华大学硕士学位论文 2 磨料水射流技术及理论 2 1 水射流技术 水射流【9 1 是以水为介质，通过高压发生设备( 增压泵) 使它获得巨大能量后，用一 种特定的流体运动方式，以很高速度从一定形状的喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的 一股水束。喷射出的高速水射流由于速度很高，介质本身又有一定质量，因此它具有很 高的动能，像一连串弹丸一样发射出去，可以完成很多种工艺任务。由于高压水射流具 有液体介质并类似于一连串弹丸的特性，因此它具有良好的穿透、冲蚀、楔劈和剥离的 能力，已成为清洗、切割、表面处理和破碎工艺所需要的新技术。 7 2 1 1水力参数 水力参数主要有射流驱动压力、流量( 或喷嘴直径) 及功率等。合理选择一个驱动 压力对一个水射流系统来说是一个关键性问题。压力确定以后，可以按水力学公式估算、： 事 速度与其它水力参数的关系【1 0 】： 二， 二 “= 4 4 4 p 。m s ( 2 1 ) q = 4 7 u d 2 l r a i n ( 2 2 ) d = 0 4 6 、q u c m 、，( 2 3 ) w = p q 6 0 k w 蟹 ( 2 4 ) 唧 举 式中：p 一驱动压力，m p a ； d 一喷嘴出口直径，c n l ； q 一喷嘴流量，1 m i n ； 形一射流功率，k w ： “一射流的理论初始速度，m s 。 射流的反喷力可按下式估算： f = 2 p a x l 0 2n ( 2 5 ) 式中： 4 一喷嘴出口截面积，即： 水射流酊主要切割参数如下【1 0 】： ( 1 ) 靶距或射程：指的是喷嘴出口截面与工件表面之间的垂直距离。 5 吼 2 d 万一4 l i 4 数参j i v害切 o 、j i2 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 给速度：指喷嘴与工件之间的相对速度。两者之间的相对运动有可能是平 动、或是复合运动。 。 碎体积：即切割宽度、侵深与进给速度之积。 矿= b h u ( 2 6 ) 矿m - l - 件破碎体积或切割量，c m 3 s ； b 一切宽宽度，c n l ； 日侵深，c n l ； u 进给速度，c m s 。 ( 4 )比能：切割或破碎单位体积工件材料所消耗的能量，即： e = n r j c m 3( 2 7 ) 比能是水射流系统的综合质量指标，它反映系统的合理性及技术水平。 ( 5 ) 切深( 或切宽) ：指射流一次切割工件得出的侵深( 或切割宽度) 。 2 2 流体的基本性质 2 2 1 流体的三相状态 通常所说的流体包括液体和气体两大类【1 1 1 。 对于同一种流体，在压力和温度变化时可以由气 相转变成为液相，也可由液相转变为固相。其变 化均可用压力、温度的p t 图来表示如图2 1 所 示。图中l 点为三相点，1 2 线为气化曲线，是 液气两相的分界线。1 3 为固化曲线，是固相和 液相的分界线。1 3 和1 2 两线之间的区域为液相 区。1 3 线以左为固相区，1 2 线以右为气相区。 根据压力和温度的变化，固相、液相和气相三者 可以相互转化。 2 2 2 流体的可压缩性 图2 1 流体三相p t 图 f i g 2 1 p tp h a s ed i a g r a mo ff l m d 流体在温度不变的条件下，压力增加其体积 变小，而压力减小其体积增加，流体的这种性质称为可压缩性【1 1 1 。 流体的可压缩性用体积压缩系数岛表示： 6 西华大学硕士学位论文 d v 以= 音 ( 2 8 ) 式中： 。一体积压缩系数，1 3 1 2 n ； 坐v 一体积的相对变化； 勿一压力的变化，p a 。 在通常情况下液体的压缩系数很小，可以忽略不计，这种流体称为不可压缩的流体。 对于气体，其压缩性较为明显，气体流动速度较大时，在流动过程中密度变化较大， 可压缩性是气体的重要特性之一。对于理想气体在流场中任意一点的压力、密度和温度 的关系用状态方程表示为： p = p r t ( 2 9 ) 式中：p 一压力，p a ； 户一密度，k g m 3 ； r 一绝对温度，足； 尺气体常数，- 厂姆足。 对于不同的气体，其气体常数也不同，定压热容c 。和定容热容q 也各不相同，其关 系为r = c p q 。定压热容与定容热容之比称为热容比或绝热指数，用k 表示： k = 竺 ( 2 1 0 ) q 2 2 3 流体的粘性 粘性是实际物体所具有的特性之一，但是只有在流动时层与层之间存在速度梯度 才显露出来。通常用动力粘性系数表示，或用运动粘性系数y 表示，两者的关系为： v ：兰 ( 2 1 1 ) p 动力粘性系数与温度有关，液体的粘性系数随温度的增加而减小，而气体的粘性系 数随温度的增加而增大。根据气体分子运动理论可知，气体的动力粘性系数与温度的关 系为： = 风磊) 1 5 错 ( 2 1 2 ) 式中： 风一r = 2 7 3 k 时的粘度； ， 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 c 一常数。 对空气而言风= 1 7 1 l x l 0 5 s ，c = 1 2 2 k 。 2 2 4 流体力学的基本方程 描述流体运动的基本方程有连续性方程和运动方程 1 2 , 1 3 。不可压缩流体的连续性方 程在空间直角坐标系中的表达式为： 盟+ 盟+ 0 v ：o ( 2 1 3 ) 舐 咖 瑟 在工程应用中，许多流体问题可近似看成一元流动。所谓一元流动是指流体参数仅 在一个方向上有显著的变化，而在其它两个方向上的变化非常微小，可忽略不计。流体 方程可简写成： 0 , 4 = 0 2 4 ( 2 1 4 ) 式中：4 、4 一流体流过1 、2 n 个有效截面的面积； “、一流体流过1 、2 两个有效截面时的平均流速。 描述理想流体( 无粘性流体) 的运动方程式是欧拉方程。伯努利对欧拉方程沿某一流 线积分得到了理想流体的伯努利方程。在实际工程中，遇到的常是粘性流体，粘性作用 有时并不可忽略。而描述粘性流体运动的运动方程式是纳维一斯托克斯方程，简称一s 方程。对不可压缩粘性流体的一s 方程，其在空间直角坐标系中的表达式为： x 7 l 瓦a p + 叫等+ 鲁o y + 粤o z 】- 生d tp 缸 。i 缸2 2 2 j y - - 1 万0 p + 文+ 等+ _ 等 亿 z 一吉老+ 叩( 等+ 等+ 等 - i d u , 由连续性方程( 2 1 3 ) 式和( 2 1 5 ) 式，原则上就可以得出不可压缩粘性流体流场在某些 特殊情况下的简化方程，以此求出近似解。 与伯努利沿流线对欧拉方程积分类似，对n s 方程积分，将积分时式中遇到的粘 性阻力项用h ：表示，考虑重力场中的恒定流动，最后可得到粘性不可压缩流体运动的伯 努利方程，即： 8 西华大学硕士学位论文 譬+ _ o l + g z l = 譬+ 善+ g z 2 + 衫(216)2 2 oo 。 将上述沿流线的伯努利方程推广到沿总流上去，则可得到： 旦+ 华+ g z l ：p _ l + 掣+ g z 2 + 办， ( 2 1 7 ) p二p 二 上式中的每一项的量纲是 r t 2 ，实质上是m l 一寺i ，也就是每项的单位为，k g 或m k g ，即单位质量的能量。所以，形表示单位质量的压强势能，嘭表示单位 质量的动能，g z 表示单位质量的位置势能，助；表示运动中由摩擦引起的单位质量的机 械能变成热能而散逸的能量。式中系数a 表示总流流过断面的实际动能与以平均速度计 算的动能的比值，称为动能修正系数。它的值总是大于1 ，并与断面上的流速分布有关。 流速分布越不均匀，a 值越大；流速分布较均匀时，则a 近似等于1 。式中各项角标1 、2 分别代表流体流过的两个截面。 在实际应用中，许多流动问题可简化为一元流动，这样即可直接利用( 2 1 7 ) 式来求 解。必须指出的是，在使用伯努利方程时，必须把计算截面选取在缓变流动上，而两截 面间的流动并不一定是缓变流动。 一 。j 2 3 磨料水射流技术 2 3 1 磨料水射流概述 磨料水射流是- - 1 3 新兴的液压综合性技术。磨料水射流( a w j ) 是磨料粒子与高速水 束互相混合而成的两相高能束流。由于磨料水射流是一种冷态的单点动能能源，对材料 具有极强的冲蚀作用，并在冲蚀过程中不改变材料的力学、物理和化学性能，因此适应 于热敏、压敏、脆性、塑性和复合型等各种性质的材料，而且具有独特的冲蚀效果和显 著的技术经济效益。目前，磨料水射流主要以切割行业应用最为广泛【1 4 】。 磨料水射流( a w j ) 切割是近几十年发展起来的一种新型的加工方法。它具有无热变 形及热变质、作用力小、加工柔性高、无尘、适应性广等优势，特别适合切割热敏、压 敏、脆性、超硬等难加工材料的优点。a w j 切割被认为是本世纪优先发展的主流切割技 术，其技术和应用发展非常迅速，国产的a w j 切割机在金属、石材、玻璃、陶瓷等材料 的切割应用日益广泛【1 5 , 1 6 】。 根据水与磨料的混合方式不同，可分为前混合磨料水射流和后混合磨料水射流两种 【l 们。 9 磨料水射流表面抛光技术的理论及实验研究 式磨料水射流系统原理如图2 2 所示。在驱动压力作用下，水介质通过第一个 喷嘴) 而形成高速射流，并在第二个喷嘴( 即磨料喷嘴) 的混合腔内产生一 。由于磨料箱与混合腔之间形成一定的压力差，使磨料在其自重和压力差的 通过气力运输而进入混合腔，并与水射流发生剧烈的紊动扩散与掺混。再通 图2 2 后混合磨料水射流工作原理图 f i g 2 2p r i n c i p l eo f p o s t - m i x i n ga b r a s i v ew a t e r j e t 卜水喷嘴；2 一混合腔；3 一磨料喷嘴；4 一磨料箱；5 一高压水管 过第二个喷嘴而形成磨料水射流。 前混合式磨料水射流系统原理如图2 3 所示。磨料箱设置在高压泵( 增压器、或离心 泵) 与喷嘴的中间管段。磨料箱处于泵压作用下，因此它必须是一个能承受一定压力的 容器( 罐或细长管) 。磨料在泵的压力被切断后才能装入磨料箱内。此后接通高压水， 使磨料与水混合，并通过输送管及喷嘴而形成磨料水射流。在这种系统内，磨料与水在 磨料箱内初步混合，使磨料处于似流