超声振动辅助磨料水射流抛光冲蚀机理和工艺技术研究

摘要

本研究采用工件切向振动的方式将超声振动引入微磨料水射流抛光硬脆材料，提高材料的去除率和表面质量。超声振动可以增强材料的塑性剪切去除能力，降低抛光表面粗糙度，改善由于磨粒冲蚀而产生的纹理。本文研制了超声振动工作台和超声振动辅助流化磨料供给装置，模拟研究了超声振动辅助磨料水射流抛光加工中振动工件表面的射流冲击流场，对超声振动辅助磨料粒子冲蚀行为进行了运动学分析，研究了材料去除机理，建立了单颗磨料粒子材料去除体积模型，采用显式动力学有限元方法模拟研究了冲蚀过程，建立了抛光表面粗糙度预测模型并进行了实验验证，实验研究了工件超声振动对抛光效率和表面粗糙度的影响。
　　研制了超声振动工作台和超声振动辅助流化磨料供给装置，并对超声振动工作台进行了模态分析和谐响应分析。结果表明，该工作台的振动特性满足研究要求，超声振动辅助流化磨料供给装置能对400＃-2500＃的磨料实现流量为200mg/s的稳定控制。
　　模拟研究了超声振动辅助磨料水射流抛光加工中振动工件表面的射流冲击流场，分析了工件振动对壁面射流止滞区和侧流区压力、速度场的影响，实验测量了振动工件表面的射流冲击压力，研究了射流冲击振动工件表面时的流固耦合作用。结果表明，在边界剪切作用下，流场的止滞效应减弱;振动时的射流速度高于未振动时的射流速度，工件表面的流场速度分布不对称;在施加振动后，冲击压力波动幅度明显增加;工件表面射流压力略低于振动前，压力测量结果与模拟结果基本吻合;射流的冲击作用使变幅杆发生耦合振动和变形。与振动边界流场模拟结果相比，耦合分析得到的冲击区域压力值略低;速度场的峰值较高，分布形态更加不规则。
　　建立了超声振动辅助磨料粒子冲蚀工件材料去除机理模型和单颗磨料粒子冲蚀工件材料去除体积模型。建立了超声振动辅助磨料水射流抛光时的磨料-工件接触力学行为有限元模型，研究了超声振动对于磨料-工件接触状态、冲蚀率和工件材料中冲击应力场的影响。结果表明，工件超声振动时的冲蚀率均高于不施加振动的情况。工件超声振动时的磨料-工件接触力较大，接触时问较长，磨料粒子速度降低显著。模拟研究了多颗磨料粒子冲击点完全重叠和部分重叠情况下超声振动对冲蚀率的影响。结果表明，工件超声振动时的冲蚀率均高于未施加振动的情况。当多颗磨料粒子冲击点部分重叠时，冲蚀区域的残余应力主要是压应力。建立了超声振动辅助磨料水射流光滑粒子流体力学模型。结果表明，工件超声振动时的冲蚀率较高。实验研究了超声振动辅助单颗磨料粒子的冲蚀情况。结果表明，在冲击角度相同的条件下，超声振动辅助磨料粒子冲蚀划痕深度较大。
　　建立了超声振动辅助磨料水射流抛光表面粗糙度预测模型和基于二次响应曲面法的超声振动辅助磨料水射流抛光加工工艺参数优化模型。结果表明，表面粗糙度预测模型能较好地预测抛光表面粗糙度;抛光表面由大量冲蚀磨料粒子形成的微沟痕创成，工件材料的去除方式均为塑性剪切，工件原始表面上的微缺陷基本被完全去除;施加超声振动可提高冲蚀材料去除率和抛光效率，磨料粒子形成的沟痕深度略大于未施加超声振动的情况，表面粗糙度略高于未施加超声振动的情况;未施加超声振动时磨料粒子形成的沟痕是具有明显方向性的冲蚀纹理;施加超声振动的情况下，由于工件与磨料粒子的相对运动，冲蚀抛光沟痕排列随机，未呈现出明显的方向性。冲击角度，磨料粒径，水射流压力，射流压力和冲击角度、磨料粒径和冲击角度、冲击角度和超声振动功率的交互作用对抛光表面粗糙度的影响显著。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 磨料水射流抛光技术的研究现状

1．1．1 磨料水射流加工技术概述

1．1．2 磨料水射流加工材料去除机理

1．1．3 抛光技术概述

1．1．4 抛光技术的研究现状

1．1．5 磨料水射流抛光技术的研究现状

1．2 超声辅助抛光加工技术的研究现状

1．2．1 超声辅助加工技术的研究现状

1．2．2 超声辅助抛光加工技术的研究现状

1．3 超声振动辅助磨料水射流抛光技术研究中存在的问题

1．4 本文的研究目的、意义及主要研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 主要研究内容

第2章 切向超声振动工作台和超声振动辅助流化磨料供给装置的研制

2．1 概述

2．2 切向超声振动工作台的设计

2．3 变幅杆的设计

2．3．1 变幅杆的尺寸设计

2．3．2 变幅杆的模态分析

2．3．3 变幅杆的谐响应分析

2．3．4 切向超声振动工作台的检测

2．4 超声振动辅助流化磨料供给装置的研制

2．5 本章小结

第3章 射流冲击振动的工件表面流场模拟和流固耦合作用研究

3．1 概述

3．2 振动边界流场分析

3．2．1 变幅杆载物面振幅分布

3．2．2 流场模拟建模和结果分析

3．2．3 射流流场特性的实验验证

3．3 射流流场压力作用下的变幅杆振动特性分析

3．4 射流冲击振动的工件表面流固耦合作用分析

3．4．1 流同耦合分析概述

3．3．2 流固耦合模拟和结果分析

3．5 本章小结

第4章 超声振动辅助磨料粒子冲蚀机理模拟研究

4．1 概述

4．3 超声振动辅助磨料粒子冲蚀机理有限元模拟

4．3．1 动力学方程

4．3．2 材料的应力应变本构关系模型

4．3．3 有限元建模和边界条件

4．3．4 模拟结果分析

4．4 超声振动辅助磨料粒子冲蚀光滑粒子流体力学模拟

4．4．1 光滑粒子流体力学方法概述

4．4．2 光滑粒子流体力学建模和边界条件

4．4．3 模拟结果分析

4．5 超声振动辅助磨料粒子冲蚀实验验证

4．6 本章小结

第5章 超声振动辅助磨料水射流抛光加工实验研究

5．1 概述

5．2 抛光加工表面粗糙度模型的建立

5．2．1 单颗磨料粒子微切削深度模型的建立

5．2．2 抛光加工表面粗糙度模型的建立

5．3 超声振动辅助磨料水射流抛光加工的实验研究

5．3．1 实验条件

5．3．2 超声振动辅助磨料水射流抛光加工实验结果分析

5．4 超声振动辅助磨料水射流抛光加工工艺优化实验

5．4．1 响应曲面法概述

5．4．2 实验条件

5．4．3 实验结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

论文创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文、申请的专利和获得的奖励

致谢