（机械制造及其自动化专业论文）高压磨料水射流光整加工技术的理论分析与数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 高压磨料水射流光整加工技术的理论分析与数值模拟研究 摘要 高压磨料水射流光整加工技术是特种加工工艺中的一种新技术，其自 身的许多优点使它具有重要的研究价值和相当广阔的发展前景。基于理论 分析，高压磨料水射流流场特性直接影响着光整加工的质量和加工效率。 为了避免试验研究的盲目性和提高实际应用的可预见性，本文以数值模拟 为主来研究喷嘴内外高压磨料水射流流场特性，对优化喷嘴的结构、射流 形式及力n - r _ 参数的选择，有一定的工程应用价值。 本文主要内容包括：研究了喷嘴内外高压磨料水射流的湍流模型、多 相流模型及数值计算方法：分析了高压磨料水射流的基本理论；阐述了高 压磨料水射流光整加工的基本理论；用c f d ( f l u e n t 和g a m b i t ) 软件对 喷嘴内高压磨料水射流流场、喷嘴外非淹没、淹没高压磨料水自由射流、 冲击射流的流场进行了系统的数值模拟研究。 通过理论分析，明确了高压磨料水射流加工中有哪些参数影响加工质 量；通过数值模拟，对可视化的图形图像进行了分析研究，全面考察了喷 嘴内外的流场特性，重点分析了喷嘴结构参数对流场特性的影响、喷嘴出 口速度、靶距对射流轴线速度的影响以及喷嘴出口速度、靶距、入射角度 对射流冲击壁面压力的影响，比较分析了淹没与非淹没射流流场特性的区 别。 此次数值模拟的结论将为以后研究此项课题奠定良好的基础，也能为 实验装备的设计提供一定的依据。 太淼理王大学硕士研变釜学撼论文 关键词：磨料水射流，流场，喷嘴，光整加工，数值模拟，c f d 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fh i g h p r e s s u r ea b r a s i v e w a t e rj e tf i n i s h i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t t h eh i g h p r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf m i s h i n gi san e wt e c h n o l o g yo f n o n - t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n i c s a san e wt e c h n o l o g yo fn o n t r a d i t i o n a l m a c h i n i n gt e c h n i c s ，t h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf i n i s h i n gh a saq u i t e w i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do w i n gt om a n yo fi t ss t r o n gp o i n t s 。b yt h e o r e t i c a n a l y s i s ，f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tw i l l d i r e c t l y a f f e c tf i n i s h i n g 驴碰移a n de f f i c i e n c y f o r a v o i d i n gb l i n d n e s so f e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n di m p r o v i n gf o r e s i g h to fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h e t h e s i ss t u d i e so nt h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c si n a n do u tt h en o z z l eb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n ds oi th a sa nai m p o r t a n t a p p l i c a t i o nv a l u ei no p t i m i z i n gn o z z l ec o n f i g u r a t i o n ，c h o o s i n gj e tm e t h o da n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h et h e s i sc o n c e n t r a t e st ot h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：s t u d yt h et u r b u l e n tm o d e l ， m u l t i p h a s ef l o wm o d e la n dt h em e t h o do fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nf o rt h eh i g h p r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e ti na n do u tt h en o z z l e ；a n a l y z et h eb a s i ck n o w l e d g e o ft h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e t ；e x p a t i a t et h eb a s i ck n o w l e a g eo ft h e h i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf i n i s h i n g ；d os y s t e m i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r 太爨理工大学硕士霹变生学僚论文 t h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf l o wf i e l di nt h en o z z l e ，t h en o n s u b m e r g e d h i g hp r e s s u r e a b r a s i v ew a t e rf r e e j e t f l o wf i e l do u tt h e n o z z l e ，t h e n o n s u b m e r g e dh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e ri m p i n g i n gj e tf l o wf i e l do u tt h e n o z z l e ，t h es u b m e r g e dh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rf r e ej e tf l o wf i e l do u tt h e n o z z l ea n dt h es u b m e r g e dh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e ri m p i n g i n gj e 毫f l o wf i e l d o u tt h en o z z l ev i ac 魏 t h r o u g ht h et h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ee f f e c to fh i g h p r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tf i n i s h i n gc a l lb eo b t a i n e d 。t h r o u g ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ev i s u a l i z i n gp i c t u r e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n d r e s e a r c h e d ，t h ej e tc h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l di na n do u tt h en o z z l ew e r e i n s p e c t e d ，t h ei n f l u e n c eo ft h en o z z l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r st ot h ef l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ，a n d 攮撼o ft h en o z z l eo u t l e t - v e l o c i 殴蛔举i 甥迦gh e i g h tt oj e t a x i a lv e l o c i t y ，a n dt h a to fn o z z l eo u t l e t - v e l o c i t y , i m p i n g i n gh e i g h t ，i m p i n g i n g a n g l et oi m p i n g i n gp r e s s u r eo fw a l l w e r ea n a l y z e d ，t h ej e tc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r i s o n sb e t w e e ns u b m e r s i o na n d n o n s u b m e r s i o nw e r ep e r f o r m e d t h er e s u l t so ft h i ss i m u l a t i o nw i l la c c u m u l a t es o m eh e l p f u lm a t e r i a l sf o r l a t e re x p e r i m e n ta n de q u i p m e n td e s i g n e d k e yw o r d s ：a b r a s i v ew a t e rj e t ，f l o wf i e l d ，n o z z l e , f i n i s h i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c f d 兰兰 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果口除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名l 盘量盔 日期：全型：! 么：! z ： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：二 盘墨垄 嚣期：2 竺孟：丛：丝： ， 导师签名盘咝丝 日期：一五鲎竺么。垒呈 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 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。使精密高效、低成本、 高表露完整性加工成为制造技术的发展方囱之一。 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，这就对光整加工技术提出了越来越高的要求，研究和开发适用面 广、精密度高、加工过程简单经济的新型光整加工新技术、新工艺、新装备是现代工业 生产的必然要求。 1 。2 光整加工技术的概述 在金属和非金属零件的制造过程中，无论是何种机械加工都会在零件表面留下微观 凸凹不平的表面和各种不同程度的缺陷，如毛刺、飞边、刀痕波纹、凸棱及微观裂纹、 表面撕裂等，结果使得产品的使用性麓受到不同程度的影豌，某些情况下还缩短了产品 的使用寿命，严重的时候还可导致事故发生。为了解决这些问题，有必要对零件的表面 特性进行研究并分析零件表面对其耐磨性、配合质量、抗疲劳强度、抗腐蚀性能等的作 用，因此综合提高零件表露质量是机械加工中的一个重要研究课题。 1 2 1 表面质量的概述 零件的表面质量是麓来评价零件质量的一个重要指标，它对零件的使雳性能，尤其 是对高速、高温、高压条件下工作零件的可靠性有很大影响。任何机械加工所获得的零 件表面层状况，不可能是完全理想的表面，总是存在着一定的微观几何形状偏差，其表 面层材料在切粪l 力和切惫l 热的影响下，也会使有的物理力学性能发生变化。为此，在机 械加工中用“表面质量 来评价由一种或几种加工、处理方法获得的零件表面层几何的、 太朦理工大学硕士研究生学位论文 物理的、化学的或其它工程性能的状况与零件技术要求的符合程度。所表达的内容主要 分为以下两个方面u ： ( 1 ) i j n - r 表面的几何特征如粗糙度、加工表面缺陷。缺陷的种类很多，在切肖, j j j n 工中产生最多的缺陷是毛蒯。毛刺是指在切削加工时，由于塑性变形和表面撕裂等原因， 在加工表面的棱边处派生出多余的微小尖棱突起物。 ( 2 ) 加工表面层材料的性能如反映表面层的塑性交形与加工硬化、表面层的残 余应力及表面层的金相组织变化等方面的物理力学性；反映表面锈蚀、光学性能等方面 要求的其它特殊性能。 表面质量对零件耐磨性、配合质量、抗疲劳强度、抗腐蚀性能等使用性能都会产生 影响。 1 2 2 光整加工技术的概念 光整加工技术是指从工件上不切除或只切除极薄材料层，以降低工件表面粗糙度 值、去毛刺、去划痕、提高表面力学机械性能或光饰其表面为目的一类加工方法。 光整加工主要用来改善零件的表面质量，一般不以修正加工表面的尺寸、形状和位 置精度为主要目的，加工过程中一般不要求对磨具与工件之间的相对位置进行精确定 位，通常也不需要加王设备实现很精确的成形运动，零件的精度一般是通过先行的工序 来保证的。光整加工技术是提高和改善零件表露质量的一项技术，是精密加工技术、超 精密加工技术的重要组成部分，是先进制造技术的重要环节，它一般作为零件加工的最 终工序来使用。 随着机械产品对零件表面质量要求的日益提高，人们对如何评价和控制零件的表面 质量进行了深入的研究。美国金属切削研究协会的m f i l e d 和j k a h l e s 于1 9 6 4 年一次技 术座谈会上提出了“表面完整性 的概念，并将其定义为：由于受控制的加工方法的影 响，导致成品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结果。拜表谣完整性 已被工业发达国家应用于生产中，用于评价和控制关键零部件在制造过程中表瑟状态和 性能的变化，全面分析表面质量对产品性能的影响。 为了改善零件表面的外观质量，提高零件表面的耐磨性，充分发挥每个零件的功能， 保证产品的整机性能，零件在获得精确的尺寸精度、几何精度之后，如尚未达到表面质 量的要求，还要根据需要进行去除毛刺、飞边、刀痕，细化表面粗糙度，改善表面应力 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 状态，消除零件表面上残余的各种缺陷等工作。因此可以这样说，在机械加工中旨在提 高零件表露质量为基的的各种加工方法、加工技术，称作表面光整加工技术，简称光整 技术。 通常对零件毛坯表面和零件机械加工表面应根据需要进行相应的表面光整加工。对 于毛坯零件表面的光整加工，是指零馋在经过铸锻、冲压、焊接之后，虽然获得了规定 的毛坯尺寸、几何形状，但就其毛坯表面质量而言，还存在许多缺陷，如表面氧化层、 皱曲、粘砂、残留焊渣等。这样的零件在进入下道工序之前，必须进行清砂处理或者镀 蔫处理等。这类的表面光整加工，是以保证毛坯零件表面质量为霹的，称之为鼍坯表面 光整加工技术。 零件经切削加工后，进行棱边倒圆、去除毛刺、消除微观裂纹、细化表面粗糙度、 改善表面物理力学性能，称为零件最终表面光整加工技术，也称为精密表面光整加工技 术【1 】o 。2 。3 表蟊光整加工技术的特点 表面光箍加工的目的主要是提高零件的表面质量。不论是传统的光整加工方法还是 r 近年来出现的新型工艺技术，都具有以下主要特点。： 1 光整加工的加工余量小，原则上只是前道工序公差带宽度的几分之一。一般情 况下，要求只改善表面质量( 降低零件表面粗糙度，消除划痕、裂纹和毛刺等) ，而不 影嚷加工糕度。如果余量太大，不仅生产效率低，有时还可能导致工件的原有精度下降。 2 光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工件之间的相对运 动应尽量复杂。因为光整加工是用细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、划擦 的过程，只要保证磨具与工徉加工表面能具有较大麴随枫性接触，就麓使表瑟误差逐步 均化直到最终消除，从而获得较高的表面质量。 3 自e i j 磨具光整加工时，磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置，一般不能 修正加工表瑟的形状和误差，其精度要靠先行工穿来保证。 1 2 4 光整加工技术的分类 墨前光整加工技术的工艺方法已经有几十种之多，菊了便于研究，人们对这些光整 加工方法进行了分类，其中比较普遍的分类方法主要有两种，它们分别是按照光整加工 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 的功能和光整加工能量的提供方式进行划分的。 1 按光整加工的主要功能来分 ( 1 ) 以降低零件表面粗糙度精度为主要目的的光整加工法，如光整磨削、研磨、 珩磨和抛光等。 ( 2 ) 以改善零件表面物理力学性能为主要鬻的的光整加工法，如滚压、喷丸强化、 金剐石压光和挤孔等。 ( 3 ) 以去除毛刺、棱边倒圆为主要目的的光整：j 疆- r 法，如喷砂、高温爆炸、滚磨、 动力刷加工等。 2 按加工时能量的提供方法来分 若按加工时能量的提供方法来分，可分为机械法、化学和电化学法、热能作用等几 大类，如图卜l 所示。 表面光整加工 规攘法 瘗裁 超精研 抛光 非自由磨具 嘉謇剃艇工 无羼光整加工 金剐石匿光 f 滚压 i 挤孔 研磨 滚磨 自由磨具i 磁性研磨 液体磁性磨具光整加工 喷丸强化 f 电纯学抛光 电化学法 i 电解研磨 | 激光加工 热能法 热电阻丝加工 j 高温去毛刺 图1 - 1 表面光整；b 讨5 - - 法 f i gl ls u r f a c ef i n i s h i n g 耙c h n o l o g y 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 5 光整技术的发展现状及存在的问题 光整加工技术发展到今天，在很多方面都获得了重大的进展，形成了比较完整的光 整加工技术体系。自1 9 9 0 年代后，零件表面光整加工技术在工业发展中的地位显得更 加重要，我国专门成立了中国机械工程学会生产分会光整加工技术专业委员会，并且先 后在日本、中国、韩国、德国、澳大利亚和美国等召开了多届专门国际学术会议，目前 我国已经形成每两年举办一次国际光整加工技术及表面工程学术会议的机制，很多新观 点和新方法不断涌现，整个光整加工技术的研究和应用呈现了加速发展的良好态势。 目前以固结磨料和游离磨料光整加工为主的传统光整加工技术在制造业中已经得 到了广泛的应用，特别是研磨、珩磨、挤压珩磨( 磨料流加工) 、滚磨、抛光等已经成 为许多现代制造业中的标准工序，大大提高了零部件的表面质量。但是，传统光整加工 技术在加工异型零件、自由曲面类零件及型腔内部表面时有一定的困难，甚至无法加工。 虽然手工方法研磨、抛光，能够实现平面、回转体、自由曲面及模具型腔等的光整加工， 但这种方法劳动强度高，同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响，质量不稳定， 效率低，难以大规模推广。 为了解决传统光整加工在应用中的局限性，各国研究者在致力于研究进一步提高传 统光整加工表面质量、加工精度和生产率的同时，也开始研究非传统光整加工技术和复 合光整加工技术，这些技术利用电能、磁能、声能、光能、化学能、核能或者采用多种 加工方法的复合作用，进行优势互补来实现对材料的光整加工和处理。目前研究人员和 企业对这些技术高度重视，取得了很多研究成果，并且已经在一些领域得到了应用；其 中化学抛光、电化学抛光、电化学机械复合光整加工、磁性研磨、超声波光整加工等已 经在实践得到了应用，取得了较好的效果。 总之，光整加工技术在我国已经得到了较大范围的应用，但是由于光整加工技术发 展的时间还不是很长，在应用上认识还存在一些误区，很多企业还仅仅将光整视同抛光 加工，没有在生产过程中引入光整工序，造成零部件及产品表面质量不高，在一定程度 上降低了产品的使用性能、寿命和可靠性。同时，由于对光整加工机理缺乏系统深入的 研究，阻碍了光整加工技术的进一步发展，特别是基于新原理的加工方法研究不足，新 工艺的开发不足，在很多领域，特别是复杂型面( 如模具) 、硬脆性材料等的精密光整 加工技术离实际要求还有很大差距，很多还需要靠手工进行抛光和光整，因此研究和开 发能够实现对复杂型面、硬脆性材料等进行高效光整加工的新技术、新工艺具有十分重 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 要的意义1 。 l 。2 6 目翦国内外光整绷正技术的发展趋势 随着机械制造向更高层次的发展，对光整加工技术也提出了新酌要求，其需求主要 傣瑷在三个方瑟：是要求解凌光整加工中一壹未能很好鳃决戆对复杂型面、滤部型腔 及细小管内壁等的高效光整加工；二是要求解决难加工材料、脆性材料( 如陶瓷材料等) 高效光整加工难题：三是要求光整技术向更精密光整加工发展，实现从微米、皿微米光 整向纳米级光整加工的发展，并使竞整加工后的工件表面形貌更加合理，物理力学性能 更加优良，加工过程更加经济方便。 由于各种光整翔工方法都有各自的最佳应用范默，也或多或少存在羞不足或一定麴 蜀蔽牲。如何充分发挥备自筋貔势，扬长避短，既可以大幄度降低表面程糙度值，实现 缀高瓣加工质量，又能提高加工效率，实现复杂型西及难加工材料的光整加工，已经成 为各国研究者努力探求的嚣标。各国研究者在继续致力于研究进一步提高传统光整加工 表面质量、加工精度和生产率的同时，也在积极试图探求薪型的光整技术，并将注意力 更多投向非传统光整加工技术和复合光整加工技术的研究，提出了许多新的加工技术与 加工工艺。近些年来，弹性发射加工( 又称软质粒子抛光) 、液中研抛、液体动力抛光、 磁流体抛光、挤压研抛、瓣料流加工、磁性研磨、滚动研磨、喷射加工等受到了相关研 究机构和研究人员的高度荚注，不断有新的理论、新的工艺提出。特别是磁流体抛光瘸 子买有研磨耩度较高，可以获褥的表磊糖糙度僮较低，霹被船工表磊不造戚瓿槭损伤， 并且在复杂型露光整、醺脆材料光整加工等方面具宥一定的优越性，因此近年来在硅、 锗半导体材料和玻璃材料光学镜片等光整加工方面取得了很大的进展。 舞了克服备种光整教王方法熬局限性，近足年来人绱叉开始将爵毙投良复合毙整加 工技术与工艺的研究。复含加工是采用多种加工方法的复合作用，进行优势互补，相辅 相成，充分发挥各种工艺方法的优势，扬长避短，取得了一定的成绩。如在电化学抛光 中直接善l 入磁场麓磁场电纯学毙整魏工技术；在磁控研磨光整翔工中辱 天毫诧学光整静 电化学磁粒光整加工；在磁性研蘑竞整嬲工中弓l 入越声波辅助的超声磁性研磨技术等。 这些复合光整加工技术出现和应用充分发挥各种工艺方法的优势，也证明了复合光整加 工技术是条可零亍之道给涮。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 。3 高压磨料水射流加工技术的概述 “水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，高压水射流技术 就是利用这种原理，以达到去除材料的目的。水射流技术的应用起源于采矿业，2 0 世 纪3 0 年代蠢开始用水射流采煤，n - + 世纪5 0 年代，高匿水射流切割的可能性才源于 苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1 9 6 8 年由美国密苏里大学林学教授诺 曼弗兰兹博士发明的高压水射流切割实验装置，该装置的压力可以达到3 4 4 7 m p a m l 。 1 9 7 1 年美豳制造出了世界上第一台裔嗣超高压力纯水射流切割机，并在家具制造业得 到广泛应用，由于纯水射流技术的切割能力较差，它仅适用于切割布匹、塑料、橡胶、 木材等软质材料。要用它来切割金属等坚硬的材料时，则需要极高的压力，约力 7 0 0 - 1 0 0 0 m p a ，要获得如此高的压力是毙较困难的。为了能够切割金属和岩石等坚硬的 材料，人们又去研究开发切割能力更强的水射流加工技术，磨料水射流切割机就是在这 耪情况下产生并迅速发展起来的，由予磨料射流系统简单、成本低廉，切割效率比相同 条件下的高压水射流高8 1 0 倍，因此，在此后很短的时间内，瘩料射流在清洗、除锈、 切割和破碎岩石业中得到了广泛的应用。 。3 。 高压瘗料水射流技术的定义及分类 1 高压水射流的定义及分类 高压水射流是指通过高压水发生装置将水加压至数十个或上千个大气压以上，在通 过具有细小孔径的喷射装置转化为微细的高速“水射流”，这种“水射流抒的速度一般 在1 倍马赫数以上，具有巨大的打击能量。这种具有高能量、高速度的水流正向或切向 冲击物体表两时产生强烈的作用，从两完成切割、清洗、破碎、光整加工等操作。将这 种高速聚能的水射流爱来完成各种光整加工作业的技术称为“高压水射流光整加工技 术”。 水射流在工程应用中的水压通常在数莼帕到数酉兆帕之闻，通常的压力等级如下表 1 - 1 所示： ? 太原瑾工大学硕士研究生学位论文 表卜1 水射流压力等级划分 t a b l e l 一1t h er a n kc l a s s i f i c a t i o no f w a t e rj e tp r e s s u r e 压力等级压力范围m p a压力发生装置类型 低压 o 5 - 3 5 多极离心泵、柱塞泵 高压3 5 一1 4 0 柱塞泵、增压器 超高压 1 4 0 卜一4 2 0 增压器 高压水射流应用到光整加工时，工作压力等级按国际上普遍采用的等级划分，通常 为：o 5 2 0 m p a 为低压；2 0 - 2 0 0 m p a 为高压；2 0 0 m p a 以上为超高压。 根据发生方法、环境介质、形态等条件的不同，水射流分为多种。一般在光整加王 操作中使用的射流一般主要为以下几种： ( 1 ) 连续射流。从射流的形态来看，射流分为连续射流和非连续射流。连续射流 除在开始时存在一个冲击峰值外，基本上保持着对被作用体稳定的压力。 ( 2 ) 冲击射流。这种射流的特点是产生一个持续时间极短的压力峰值，高速水滴 和脉冲射流属于此类。脉冲射流是一种射流参数随时间变化，对物体的作用也随时间变 化的不稳定射流。 ( 3 ) 混合射流。这种射流的特点是冲击压力和稳定压力的相结合，施加载荷的过 程为：一个冲击压力加上一段稳定压力。稳定压力的持续时间与水滴的大小和速度有关。 2 。高压磨料水射流的定义及分类 高压水射流技术按照所采用的介质不同可以分为纯水射流和磨料射流两种基本类 型。纯水射流切割形式因介质仅为洁净水，其加工能力低。 磨料水射流是以水为介质，通过高压发生装置获得巨大能量，通过供料和混合装置 将磨料加入高压水束中，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高压水束的高速冲击和冲 捌，实现去除工件表兹毒季料和修饰性加工的一种方法。它是综合了磨料射流和水射流的 优点，使加工范围扩大。 磨料射流分为两种类型，磨料浆体射流和磨料水射流，磨料浆体射流是预先将磨料、 各种添加剂和水调配成浆体，利用高压泵增压，通过喷嘴形成磨料浆体射流，这种射流 属于非牛顿流体，具有比牛顿流体射流更好的动力特性，但磨料对高压泵等机械设备的 磨损非常严重，目前这一问题还没找到比较好的解决方案。 磨料水射流是磨科与高速流动的水互相混合而形成的液固两相介质射流，这种两相 介质射流属于牛顿流体。它根据磨料和求的混合方式分为前混合蘑料水射流和后混合磨 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 料水射流。前混合磨料水射流磨料先和水在高压管路中均匀混合成磨料浆水，然后经磨 料喷嘴喷射形成的射流称菇前混合磨料射流，这种混合效票好，所需麓压力低，僵装置 复杂，且喷嘴磨损严重；在水射流形成后加入磨料的称为后混合磨料水射流，混合效果 稍差，所需的压力高，但喷嘴磨损小一些，后混合磨料水射流的压力目前普遍可达到 4 m p a 。本课题所栗震的设备是孟混合磨料永射流装置。 根据射流加工时的环境条件，可分为淹没式磨料水射流和非淹没式磨料水射流。淹 没式水射流是指射流从出口到工件是在水或其它液体中，具有射流扩散快、速度和动压 分布均匀等特点。非淹没式永射流指射流欲出疆到工件是在空气囊然状态下，与淹没式 相比，其射程大，核心段长度长，但是速度分布不均匀。 。3 2 高压縻料水射流加工技术的优缺点 与传统加工方法相比，具有许多优点d 争例： ( i ) 可加工材料的范围广泛，可加工钢材、镍合金、铜合金、铝合金、玻璃、陶 瓷、石英晶体、石材、复合材料、易燃毒季料、涂层钢板等； ( 2 ) 冷态加工，不会造成材料结构变化或热变形等不利影响，这对许多高性能、 热敏材料和磁性材料的加工尤为重要； ( 3 ) 可控性好，加工可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行。可以加工常 规工艺难以加工的零件，特别适于加工复杂形状的工件； ( 4 ) 爨有很强的切割力； ( 5 ) 具有环境友好性，无粉尘、油污、烟雾、火花、气睬等污染，属于清洁安全 加工； ( 6 ) 工艺准备时间短，生产率高。 近年来，由于水射流加工的独特优点愈来愈明显，超高压系统也日趋完善，承射流 技术己迈入高科技行列，世界上工业先进国家都在竟相开发，许多学者对磨料水射流加 工技术进行大量的研究，其应用日益广泛。 缺点：成本高；喷嘴蘑损严重。 1 3 3 高压縻料水射流技术的应用领域 高压磨料水射流技术的作用十分广泛，几乎适用于所有的材料，除钢铁、锅、铜等 金属材料以外，还可以加工特别硬脆、很薄、很软或切屑飞扬的非金属材料，如塑料、 9 太蒙理工大举颧士研究生学靛论文 皮革、纸张、布匹、木材、石棉、大理石、玻璃、陶瓷、橡胶和复合材料等。 器前高压磨料永射流技术主要应用于戳下领域轻纠皲： ( 1 ) 在汽车工业中，已用来切割非金属材料及复合材料构件，如石棉刹车片、橡 胶基地毯、复合材料扳、玻璃纤维增强塑料等，还用来加工底盘、车箱、仪表盘、晕盖、 车门等零部谗。 ( 2 ) 在舷空工业中，恩广泛用于纤维增强复合树料和钛合金的切割以及用来去除 发动机涡轮盘、枫匣、缸体、火焰篱中孔缘、沟耩、螺纹、交叉孔和盲孑己上的毛刺，焉 不会弓| 起其表面组织的变化。 ( 3 ) 在航天工业中，用来切割高级复合材料、蜂窝状夹层板、钛合金元件和印刷 瞧路板等，可提高疲劳寿禽。 ( 4 ) 在机械热工中，可用于各种金属( 如钛、锱、铝、锅、铁、铬镍舍金等) 和各 种复合材料、工犍陶瓷等材料的切割、打孔帮切槽等加工。 ( 5 在兵器工监中，蹋来讶割各种战车翳装甲板、履带、防弹玻璃、车体、炮塔、 枪械等。 ( 6 ) 在铸造工业中，用于去除工件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等， 可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。 ( 7 ) 在电子及电脑工业中，可进行印刷电路板及薄膜形状的成形切割。 ( 8 ) 在建筑业中，可阁来对花岗石板、大理石板、玻璃进行舜形切割，对石材进 行雕刻，熊获得独特效果。 ( 9 ) 还可用在造纸监嗣木毒耋加工她巾。 1 。4 课题的提出及论文阶段的主要工作内容 1 。4 课题的提出 鼷翦，在穰多领域，特别是复杂型面翔摸巽) 、硬脆憔材料等豹精密光整翻工技 术离实际要求还有很大差距，很多还需要靠手工进行抛光和光整，著且耀常规的表面光 整加工方法对此类表面进行光整加工是很困难的。黧此研究和开发熊够实现对复杂型 露、硬脆链材料等进行高效光整麴工静新技术、薪工艺具有十分羹要酌意义。高愿磨糕 水射流对工件的作用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 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 蚀过程中不改变材料的基本力学、物理和化学性能，对工件不会造成加工残余应力，因 此适合于加工热敏、压敏、脆性、塑瞧和复合型等各种性质豹材料，焉且具有独特的翻 工效果和显著的经济效益，对零件有特殊要求的，如不能有局部受热的变化，材料表面 不能有加工的刀纹等均可用高压磨料水射流进行加工。因此，高压磨料水射流对零件表 露的光整加工具有独特的优势。 1 4 2 论文阶段的主要工作内容 1 针对光整热工中高压磨料承射流体的基本特性，介绍了适合于高压磨料水射流的 几种湍流模型和多相流模型，研究了高压磨料水射流采用的基本计算模型的网格划分， 边界条件和数值计算方法等。 2 对高压磨料水射流进行了篱单的理论分析，特别是高压塞糕水射流基本参数计算 公式的推导及对工件打击压力的推导，可以清楚地看到高压磨料水射流在对材料表面作 用时的参数变化，尤其是射流压力p 、速度u 、喷嘴对平板的倾斜角妒、横移速度“、 喷嘴到物料的距离嚣、射流流量q 对加互的影响是至关重要的；在高压磨料水射流基本 特性及速度衰减理论分析的基础上得到高压磨料水射流速度衰减的简化模型。 3 高压磨料水射流光整加工的机理分析。高压磨料水射流冲击工件后，材料上局部 应力场应力高速集中，并抉速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至誊劣料失效磊被切除，墓 此高压磨料水射流对工件的加工作用主要是磨料微粒对工件的冲蚀、磨削作用；高压磨 料水射流作用于工件表面的过程不仅与射流及作用条件有关，同时与作用材料的性质密 切相关。 4 用c f d 软件对单射流磨料侧进式喷嘴内高联磨料水射流流场进行了系统的数值 模拟研究，全面考察了喷嘴内的流场分布及喷嘴结构参数对流场特性的影响。 5 。用c f d 软件分别对单射流瘗料侧进式喷嘴外毒淹没、淹没高压磨料水罄由射流、 冲击射流的流场进行了系统的数值模拟研究，全面考察了喷嘴外非淹没、淹没高压磨料 水自由射流、冲击射流的流场分布特性，以及喷嘴出口速度、靶距、入射角度对高压磨 料永冲击射流轴线速度及壁面压力的影响。 太原瑗工大学硕士研究垒学位论文 第二章高压磨料水射流流场数值模拟理论 2 。 数值模拟鞍件的篙介 2 1 。1 计算机仿真的意义 从1 6 8 7 年牛顿定律公奄至上世纪年代初，研究流体运动规律的主要方法有两群： 一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流动模型假设， 给出某些问题的解析解。前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有 赣无能为力。2 0 世纪7 0 年代以来，飞速发展起来的计算流体力学为实验研究和理论研 究起到了促进律耀，也为简化流体模型提供了更多的依据，使很多分析得到发展和完善。 实验研究、理论分辑方法和数釜模拟琶成为当前研究流体运动篾律靛三种蓦本方法。 撩彝流体运动的辫律都是熬渍量守恒定律、动量守僵定律和能量守恒定律为基础 的。这些基本定律可以由数学方程组来描述，如欧拉方程、n s 方程。采用数值计算方 法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的 学科就是计算流体力学。通过计算机仿真不仅可以了解流体的运动规律，而且在一定程 度上兔去了实验研究和耗费钱财。 2 。1 2g 删b i - r 介绍 g a m b i t 软件是馘向c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 的简称) 的专业前处理器 软件，它包含全面的几何建模能力，既可以在g a m b i t 内真接建立点、线、面、体几 何，也可以从主流的c a d i c a e 系统，如p r o e 、u g i i 、i d e a s 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、 a n s y s 、p a t r a n 导入凡何和网格，g a m b i t 强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模 型提供了极大静方便。 g a m b i t 具有灵活方便嚣a 俺修正功熊，当扶接鼯中导入几何时会自动戆合并重 含的点、线、蘸；g a m b i t 在保证原始几何精度的基础上遴过虚拟几何蛊动的缝合小 缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。 g a m b i t 功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等c f d 特殊要求的高 质量的网格。g a m b i t 中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 接划分出高质量的六面体网格。g a m b i t 中的t g r i d 方法可以在极其复杂的几何区域 中可以划分出与耀邻区域网格连续的完全菲结构化的躁格，除此之外，g a m b i t 网格 划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后，g a m b i t 会自动选择最 合适的网格划分算法，使网格划分变的极为容易。g a m b i t 可以生成f l u e n t 5 、 p o l y f l o w 、n e k t o n 、a n s y s 等求解器所需要的网格。 g 纵b i t 软件将功能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起。 使用g a m b i t 软件，将大大减小c f d 应用过程中建立几何模型和流场还有划分网格所 需要的时闻猫。 2 1 3f l u e n t 介绍 f l u e n t 软件是一个优秀的商业c f i ：) 软件，软件设计基于“c f d 计算桃软件群的 概念”伽1 ，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，并使其在 计算速度，稳定性和精度等各方恧达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 软件群。从丽高效率地解决各个领域复杂流动的计算问题。这些不同模块可以计算流场， 传热和化学反应。在各软件之间可以方便地进行数值交换。各种软件采用统一的前后端 处理工具，为f l u e n t 软件的通用化建立了基础。 f l u e n t 软件的结构由前处理、求解器及后处理三大模块组成铷。f l u e n t 软件 采用g a m b i t 作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形状。对二维流动可以生成 三焦形和矩形嬲格；对予三维流体流动，可以生成露瑟体、六面体和金字塔等瓣格；结 合具体计算要求，还可以生成混合网格，其自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或 生成不连续网格、可变网格和滑动网格。软件的核心部分为求解模块，该模块的数学模 型是以n a v i e r - - s t o k e s 方稷组与各种湍流模型为主体，加上多相流模型、燃烧与纯学反 映流模型、自由面模型以及非牛顿流体模型等，可以对各种领域内的问题进行求解。 f l u e n t 软件包具体包含的各功能模块为： f l u e n t 求解器( 弧es o l v e r ) p r e p d f p d f 燃烧计算建模前处理模块( t h ep r e p r o c e s s o rf o rm o d e l i n g n o n p r e m i x e dc o m b u s t i o ni nf l u e n t ) 洲懿疆一建立凡何模型和霹格划分前处理模块( t h ep r e p r o c e s s o rf o rg e o m e t r y m o l d i n ga n dm e s hg e n e r a t i o n ) l3 太豫理工大学硕士研究生学位论文 t g r i d 一体网格生成前处理模块( a na d d i t i o n a lp r e p r o c e s s o rt h a tc a ng e n e r a t ev o l u m e m e s h e s f r o me x i s t i n gb o u n d a r ym e s h e s ) f l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) 氍l 瑙旧与其他建模和瓣格生成软件的接叠( i m p o r t o fs u r f a c e a n dv o l u m em e s h e sf r o mc 叁囝| c 琏p a c k a g e ss u c ha sa n s y s ，c g n s ，i - d e a s 。 n a s t r a n ，p a t r a n ，a n do t h e r s ) 备模块间的相互关系如图2 。l 所示： 嚼2 - 1f l u e n t 各模决关系图 魂。2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb a s i cp r o g r a mf r a m e 2 4 用f l u e n t 程序求解闷题的步骤 1 定几何形状，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入其他指定程序生成的网 格) ； 2 择2 d 或3 d 来模拟计算； 3 。输入网格： 4 检查网格； 5 选择解法器： 6 选择求解的方程：层流或湍流，化学组分或化学反应，传热模型等； 7 确定流体的物理性质； 8 指定边界条件； 9 调节计算控制系数； 】4 太原瑾工大学硕研究生学位论文 1 0 初始化流场； 1 1 计算解； 1 2