磨料浆体射流切割钛合金应力及效率的理论与数值模拟研究

摘要

钛合金是一种工业上广泛使用的重要金属，其在工业上的地位决定了其具有重要的研究价值。传统机械对钛合金的加工越来越难以保证现阶段工业加工所需求的高精度与高性能指标，磨料浆体射流具有优越的加工精度以及无热影响区等优势，将其用于加工钛合金，具有较大的前景。 磨料浆体射流加工金属理论研究领域的不成熟为其加工钛合金的选择参数带来了困难，磨料浆体射流冲击钛合金的微观过程是研究其切割机理中重要的突破口，切割表面应力分布及切割效率是影响加工质量的重要参数。本文基于非弹性碰撞理论、赫兹定理，结合理论分析、数值模拟，建立了磨料浆体射流冲击钛合金过程的数学模型，给出了表面应力分布的计算公式以及特性，讨论了影响切割效率的重要因素以及参数选择的侧重点。同时建立了相应的数值模型，进行了数值模拟，对数值模拟的结果与理论模型的离散分析进行了对比与讨论。 通过本文的研究发现，磨料颗粒冲击钛合金表面的轴向应力为导致钛合金屈服破坏的关键应力，颗粒冲击表面应力分布为呈压痕中心为圆心向四周扩展的分布特性。在本文的研究参数下，射流出口压力从10MPa提升到16MPa，最大轴向应力增加了107MPa；从40MPa提升到46MPa，最大轴向应力增加量减少到了46MPa。磨料质量分数增加5%，最大应力的大小减小约11MPa。高聚物质量分数增加2%，最大应力的大小减小约1.2MPa。平均每增加5MPa的射流出口压力，切割速度增加0.075mm/s。射流出口压力从10MPa增加到16MPa时，能量利用率从137MJ/mm3降低到102MJ/mm3，减少了35MJ/mm3；当射流出口压力从40MPa增加到46MPa时，能量利用率从56.1MJ/mm3降低到51.2MJ/mm3，减少了4.9MJ/mm3。磨料质量分数处于5%-12%时，切割速度从0.1504mm/s增加到了0.2024mm/s，在磨料质量分数为12%时切割速度达到最高值；当磨料质量分数从12%增加到25%时，切割速度从0.2024mm/s减小到0.1308mm/s。磨料质量分数处于5%-10%时，能量利用率从35.13MJ/mm3增加到了43.93MJ/mm3，在磨料质量分数为10%时能量利用率达到最高值；当磨料质量分数从10%增加到25%时，能量利用率从43.93MJ/mm3减小到23.73MJ/mm3。射流出口压力为20MPa，磨料质量分数为15%的情况下，改变磨料粒径（200目-60目），切割速度并没有发生变化，其值稳定在0.326mm/s。 本文结合理论分析、数值模拟，建立了磨料浆体射流冲击钛合金过程的数学模型，充实了磨料浆体射流切割金属的机理理论研究，同时也为磨料浆体射流在工程领域的应用提供了技术支持，具有较强的理论与现实意义。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题来源

1.2研究的背景及意义

1.3.1 磨料射流技术研究现状

1.3.2 金属断裂理论研究现状

1.3.3 磨料射流切割金属研究现状

1.3.4 存在的问题与不足

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

1.5 本章小结

2 磨料浆体射流流场特性实验

2.1 实验系统

2.2 实验结果与流场特性分析

2.3 本章小结

3 射流冲击钛合金应力分布研究

3.1 单颗磨料粒子冲击钛合金的应力分布数学模型

3.1.1 冲击应力数学模型假设

3.1.2 冲击集中压力计算

3.1.3 集中压力作用下钛合金表面的应力分布

3.1.4应力分布的数值解

3.2 多颗磨料粒子冲击钛合金的应力分析

3.3 纯浆体射流冲击钛合金的应力分析

3.4 磨料浆体射流冲击钛合金的应力分析

3.5 本章小结

4 射流对钛合金的切割效率研究

4.1 磨料浆体射流切割钛合金的速度

4.1.1 单颗磨料颗粒冲击钛合金的过程耗时

4.1.2射流对钛合金的磨蚀过程分析

4.2 磨料浆体射流切割钛合金的能量利用率

4.3 本章小结

5 应力特性与切割速度的数值模拟

5.1计算方法及其原理

（1）有限元法

（2）光滑粒子流模型

5.2 单颗磨料颗粒冲击钛合金的应力特性数值模拟

5.2.1 数值模型

5.2.2 应力分布特性数值模拟结果

5.3磨料浆体射流冲击钛合金的数值模拟

5.3.1 数值模型

5.3.2 不同射流速度下钛合金表面最大轴向应力模拟结果

5.3.3 不同射流速度下切割速度模拟结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1主要结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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