化学辅助软磨粒流抛光技术研究

摘要

模具是零件成型过程的重要工艺装备，模具应用领域不断扩大。随着市场竞争的白热化，人们对模具提出了越来越高的要求。模具正朝着大型、复杂、精密化方向发展。复杂的模具中往往存在大量的沟、槽、孔等结构化表面，受尺寸、形状限制而无法使用工具进行接触式加工，这一点成为模具制造业急需解决的技术难题。为了解决这一现实问题，本文提出了针对模具结构化表面的化学辅助软磨粒流抛光方法。
　　化学辅助软磨粒流抛光分为化学抛光、软磨粒流抛光两个阶段。化学抛光工艺简单，操作方便，不受零件形状尺寸的限制，同时化学抛光可除去零件表面的机械损伤层和应力层;化学抛光后的零件表面因为发生了化学反应降低了表面原子的键合能力，提高了软磨粒流抛光的效率。同时，软磨粒流抛光也是化学抛光的一种补充，协助除去表面未溶解的金属氧化物，同时清洗残留的化学液。为了使两个阶段能够起到很好的协调组合作用，需要研究这两个阶段的工艺过程、加工机理等，各章节都仅仅围绕以上需要解决的问题进行展开。本文的主要工作如下:
　　(1)应用数值模拟技术对软磨粒抛光中流体的湍流特性进行了研究。为了得到详实的湍流信息，采用大涡数值模拟和雷诺平均模拟两种湍流数值模拟方法进行研究。从理论上，分析了大涡数值模拟和属于雷诺平均模拟的可实现k-ε模型的特点，建立“M”形的弯形流道为数值模拟的几何模型，在初始条件、边界条件、计算方法都相同的情况下，分别采用大涡模拟和可实现k-ε模型两种不同的湍流模拟方法分别对流道内的物理参数进行了数值计算。结果表明，大涡模拟能获得比可实现k-ε模型更精确地结果，同时大涡数值模拟的计算工作量较大。
　　根据上述结论，构建了约束流道的实体物理模型，并采用PIV方法对流道内的流场特性进行实时观测，验证了大涡数值模拟方法的有效性。
　　(2)软磨粒流的切削机理分析以及固液两相流数值模拟。首先借助于冲蚀理论，分析了影响磨粒加工的主要因素，讨论了软磨粒流加工的机理。接着采用大涡模拟与随机轨道模型相结合的数值计算方法，结合正交实验法，模拟了在多种条件下固液两相流中颗粒的不同运动特性，特别是近壁区的颗粒与壁面的相互作用关系。数值模拟结果表明，流体的速度是流体脉动的主要影响因素，速度越大流体脉动越明显。流体脉动也影响到颗粒的脉动，颗粒脉动还受颗粒直径的影响，颗粒的直径越大其惯性力也越大，受流体脉动的影响相对较小;颗粒的体积含量越多，颗粒之间碰撞的机会也越多，因此颗粒不确定运动的几率也越大。为了进一步验证数值模拟的可行性以及弥补数值模拟的不足之处，流道仍加工成“M”的弯形流道，利用PIV实验系统检测颗粒在流体中的运动情况。实验表明，由于受到湍流的混掺作用，导致颗粒运动偏离主流运动的方向，呈现出与壁面与其它颗粒的碰撞，从而实现颗粒对壁面的有效切除。
　　(3)化学抛光液的配置与化学抛光实验。采用不同配比的双氧水、草酸、硫酸、尿素等化学成分配置了几种环保型化学抛光液。针对1Cr18Ni9、3Cr2Mo、45＃、Q235钢的试件进行了化学抛光实验，并利用分析天平测量质量，计算失重率。实验证明不同的材料在相同化学抛光液中腐蚀程度不同。常温下，抛光5分钟左右，工件表面质量有明显改善。
　　(4)软磨粒抛光实验。利用软磨粒流精密光整加工试验台，以“M”形流道的45＃钢试件为例，进行了软磨粒流抛光实验。研究了流体的速度，磨粒的浓度以及粒径，抛光时间等对材料去除量和表面粗糙度的影响规律。改变所要研究的软磨粒流抛光的某一参数，而使其余的参数保持不变，利用分析太平测量试件的质量，计算去除量;采用TR200手持式粗糙度仪进行测量，采用KEYENCE VW-6000动态分析三维显示系统进行测量工件表面形貌，实验结果证明了软性磨粒流加工方法应用在模具结构化表面光整加工上的可行性和有效性。
　　(5)通过对软磨粒流抛光作用机理分析，以及参考多相流输运机械中冲蚀破坏模型，结合软磨粒流抛光实验，建立了材料去除率数学模型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景

1．3 塑料模具抛光技术研究现状

1．3．1 传统抛光技术

1．3．2 非传统磨料流抛光

1．3．3 软性磨料流抛光

1．4 本课题相关理论的研究及研究现状

1．4．1 湍流数值模拟方法及研究现状

1．4．2 固液两相流数值模拟

1．4．3 化学抛光机理及研究现状

1．5 论文的主要研究内容

第2章 湍流模型选择与数值模拟结果比较

2．1 大涡模拟理论基础

2．1．1 大涡模拟的基本思想

2．1．2 滤波函数

2．1．3 湍流大涡模拟控制方程

2．1．4 亚格子尺度应力模型

2．1．5 壁面条件(函数)

2．2 雷诺平均法湍流模型

2．2．1 时均化的N-S方程

2．2．2 Realizable k-ε湍流模型理论基础数学模型

2．3 流场CFD分析

2．3．1 几何模型与网格划分

2．3．2 控制方程的离散

2．3．3 壁面函数法

2．3．4 数值计算方法

2．3．5 边界条件和初始条件

2．3．4 数值计算方法

2．3．5 边界条件和初始条件

2．3．6 计算结果分析

2．4 本章小结

第3章 固液两相流的抛光机理与CFD分析

3．1 固液两相流模型介绍

3．2 颗粒随机轨道数学模型

3．3 离散相对璧面的抛光影响因素

3．4 离散相对壁面的抛光作用机理

3．4．1 微切削理论

3．4．2 变形磨损理论

3．4．3 锻压挤压磨损理论

3．4．4 绝热剪切与变形局部化磨损理论

3．5 固液两相流CFD分析

3．5．1 几何模型和物理模型

3．5．2 数值模拟的方案设计与理论依据

3．5．3 数值模拟结果讨论

3．5．4 结果分析

3．6 本章小结

第4章 化学抛光实验与机理研究

4．1 多种金属材料性能

4．1．1 塑料模具钢

4．1．2 不锈钢

4．1．3 低、中碳钢

4．2 化学抛光液的组成

4．2．1 化学液主要成分及其作用

4．2．2 环保型化学液的配置

4．3 化学抛光实验

4．3．1 化学抛光实验准备

4．3．2 不同材料的试件化学抛光实验

4．3．3 化学抛光过程分析

4．3．4 化学抛光抛光液组分影响抛光效果因素分析

4．3．5 抛光工艺影响因素分析

4．4 化学抛光作用机理分析

4．5 本章小结

第5章 PIV与软磨粒流抛光实验

5．1 软磨粒流的湍流场测量实验

5．1．1 PIV系统简介

5．1．2 PIV实验准备

5．1．3 PIV实验及后处理结果分析

5．2 软磨粒流抛光工艺实验

5．2．1 工艺参数对去除量的研究

5．2．2 材料去除率数学模型

5．2．3 工艺参数对表面粗糙度的研究

5．3 最优试验方案下的化学辅助软磨粒流抛光

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果