本文關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光沖蝕機(jī)理和工藝技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 磨料水射流加工 超聲振動(dòng) 拋光技術(shù) 沖擊流場 振動(dòng)輔助沖蝕

【摘要】：本研究采用工件切向振動(dòng)的方式將超聲振動(dòng)引入微磨料水射流拋光硬脆材料,提高材料的去除率和表面質(zhì)量。超聲振動(dòng)可以增強(qiáng)材料的塑性剪切去除能力,降低拋光表面粗糙度,改善由于磨粒沖蝕而產(chǎn)生的紋理。本文研制了超聲振動(dòng)工作臺(tái)和超聲振動(dòng)輔助流化磨料供給裝置,模擬研究了超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工中振動(dòng)工件表面的射流沖擊流場,對(duì)超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕行為進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,研究了材料去除機(jī)理,建立了單顆磨料粒子材料去除體積模型,采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元方法模擬研究了沖蝕過程,建立了拋光表面粗糙度預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)研究了工件超聲振動(dòng)對(duì)拋光效率和表面粗糙度的影響。研制了超聲振動(dòng)工作臺(tái)和超聲振動(dòng)輔助流化磨料供給裝置,并對(duì)超聲振動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。結(jié)果表明,該工作臺(tái)的振動(dòng)特性滿足研究要求,超聲振動(dòng)輔助流化磨料供給裝置能對(duì)400#-2500#的磨料實(shí)現(xiàn)流量為200mg/s的穩(wěn)定控制。模擬研究了超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工中振動(dòng)工件表面的射流沖擊流場,分析了工件振動(dòng)對(duì)壁面射流止滯區(qū)和側(cè)流區(qū)壓力、速度場的影響,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了振動(dòng)工件表面的射流沖擊壓力,研究了射流沖擊振動(dòng)工件表面時(shí)的流固耦合作用。結(jié)果表明,在邊界剪切作用下,流場的止滯效應(yīng)減弱：振動(dòng)時(shí)的射流速度高于未振動(dòng)時(shí)的射流速度,工件表面的流場速度分布不對(duì)稱；在施加振動(dòng)后,沖擊壓力波動(dòng)幅度明顯增加；工件表面射流壓力略低于振動(dòng)前,壓力測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合；射流的沖擊作用使變幅桿發(fā)生耦合振動(dòng)和變形。與振動(dòng)邊界流場模擬結(jié)果相比,耦合分析得到的沖擊區(qū)域壓力值略低；速度場的峰值較高,分布形態(tài)更加不規(guī)則。建立了超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕工件材料去除機(jī)理模型和單顆磨料粒子沖蝕工件材料去除體積模型。建立了超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光時(shí)的磨料-工件接觸力學(xué)行為有限元模型,研究了超聲振動(dòng)對(duì)于磨料-工件接觸狀態(tài)、沖蝕率和工件材料中沖擊應(yīng)力場的影響。結(jié)果表明,工件超聲振動(dòng)時(shí)的沖蝕率均高于不施加振動(dòng)的情況。工件超聲振動(dòng)時(shí)的磨料-工件接觸力較大,接觸時(shí)間較長,磨料粒子速度降低顯著。模擬研究了多顆磨料粒子沖擊點(diǎn)完全重疊和部分重疊情況下超聲振動(dòng)對(duì)沖蝕率的影響。結(jié)果表明,工件超聲振動(dòng)時(shí)的沖蝕率均高于未施加振動(dòng)的情況。當(dāng)多顆磨料粒子沖擊點(diǎn)部分重疊時(shí),沖蝕區(qū)域的殘余應(yīng)力主要是壓應(yīng)力。建立了超聲振動(dòng)輔助磨料水射流光滑粒子流體力學(xué)模型。結(jié)果表明,工件超聲振動(dòng)時(shí)的沖蝕率較高。實(shí)驗(yàn)研究了超聲振動(dòng)輔助單顆磨料粒子的沖蝕情況。結(jié)果表明,在沖擊角度相同的條件下,超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕劃痕深度較大。建立了超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光表面粗糙度預(yù)測(cè)模型和基于二次響應(yīng)曲面法的超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工工藝參數(shù)優(yōu)化模型。結(jié)果表明,表面粗糙度預(yù)測(cè)模型能較好地預(yù)測(cè)拋光表面粗糙度；拋光表面由大量沖蝕磨料粒子形成的微溝痕創(chuàng)成,工件材料的去除方式均為塑性剪切,工件原始表面上的微缺陷基本被完全去除；施加超聲振動(dòng)可提高沖蝕材料去除率和拋光效率,磨料粒子形成的溝痕深度略大于未施加超聲振動(dòng)的情況,表面粗糙度略高于未施加超聲振動(dòng)的情況；未施加超聲振動(dòng)時(shí)磨料粒子形成的溝痕是具有明顯方向性的沖蝕紋理；施加超聲振動(dòng)的情況下,由于工件與磨料粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng),沖蝕拋光溝痕排列隨機(jī),未呈現(xiàn)出明顯的方向性。沖擊角度,磨料粒徑,水射流壓力,射流壓力和沖擊角度、磨料粒徑和沖擊角度、沖擊角度和超聲振動(dòng)功率的交互作用對(duì)拋光表面粗糙度的影響顯著。
【關(guān)鍵詞】：磨料水射流加工 超聲振動(dòng) 拋光技術(shù) 沖擊流場 振動(dòng)輔助沖蝕
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG66
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-16
• 第1章 緒論16-31
• 1.1 磨料水射流拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-23
• 1.1.1 磨料水射流加工技術(shù)概述16-17
• 1.1.2 磨料水射流加工材料去除機(jī)理17-18
• 1.1.3 拋光技術(shù)概述18
• 1.1.4 拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.1.5 磨料水射流拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2 超聲輔助拋光加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀23-29
• 1.2.1 超聲輔助加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀23-27
• 1.2.2 超聲輔助拋光加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光技術(shù)研究中存在的問題29
• 1.4 本文的研究目的、意義及主要研究內(nèi)容29-31
• 1.4.1 研究目的和意義29-30
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容30-31
• 第2章 切向超聲振動(dòng)工作臺(tái)和超聲振動(dòng)輔助流化磨料供給裝置的研制31-49
• 2.1 概述31
• 2.2 切向超聲振動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)31-33
• 2.3 變幅桿的設(shè)計(jì)33-45
• 2.3.1 變幅桿的尺寸設(shè)計(jì)33-35
• 2.3.2 變幅桿的模態(tài)分析35-38
• 2.3.3 變幅桿的諧響應(yīng)分析38-42
• 2.3.4 切向超聲振動(dòng)工作臺(tái)的檢測(cè)42-45
• 2.4 超聲振動(dòng)輔助流化磨料供給裝置的研制45-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 射流沖擊振動(dòng)的工件表面流場模擬和流固耦合作用研究49-72
• 3.1 概述49
• 3.2 振動(dòng)邊界流場分析49-64
• 3.2.1 變幅桿載物面振幅分布49-50
• 3.2.2 流場模擬建模和結(jié)果分析50-61
• 3.2.3 射流流場特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證61-64
• 3.3 射流流場壓力作用下的變幅桿振動(dòng)特性分析64-66
• 3.4 射流沖擊振動(dòng)的工件表面流固耦合作用分析66-71
• 3.4.1 流固耦合分析概述66-68
• 3.4.2 流固耦合模擬和結(jié)果分析68-71
• 3.5 本章小結(jié)71-72
• 第4章 超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕機(jī)理模擬研究72-97
• 4.1 概述72
• 4.2 超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕機(jī)理分析72-74
• 4.3 超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕機(jī)理有限元模擬74-88
• 4.3.1 動(dòng)力學(xué)方程74-75
• 4.3.2 材料的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型75-77
• 4.3.3 有限元建模和邊界條件77-78
• 4.3.4 模擬結(jié)果分析78-88
• 4.4 超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕光滑粒子流體力學(xué)模擬88-92
• 4.4.1 光滑粒子流體力學(xué)方法概述88-89
• 4.4.2 光滑粒子流體力學(xué)建模和邊界條件89-90
• 4.4.3 模擬結(jié)果分析90-92
• 4.5 超聲振動(dòng)輔助磨料粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證92-95
• 4.6 本章小結(jié)95-97
• 第5章 超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工實(shí)驗(yàn)研究97-121
• 5.1 概述97
• 5.2 拋光加工表面粗糙度模型的建立97-101
• 5.2.1 單顆磨料粒子微切削深度模型的建立97-99
• 5.2.2 拋光加工表面粗糙度模型的建立99-101
• 5.3 超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工的實(shí)驗(yàn)研究101-111
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)條件101-104
• 5.3.2 超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析104-111
• 5.4 超聲振動(dòng)輔助磨料水射流拋光加工工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)111-119
• 5.4.1 響應(yīng)曲面法概述111-112
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)條件112-113
• 5.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析113-119
• 5.5 本章小結(jié)119-121
• 結(jié)論與展望121-124
• 論文創(chuàng)新點(diǎn)摘要124-125
• 參考文獻(xiàn)125-143
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文、申請(qǐng)的專利和獲得的獎(jiǎng)勵(lì)143-145
• 致謝145-146
• 附件146-164
• 附表164

【參考文獻(xiàn)】

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