本文關鍵詞：超聲振動輔助磨料水射流拋光沖蝕機理和工藝技術研究

  更多相關文章： 磨料水射流加工 超聲振動 拋光技術 沖擊流場 振動輔助沖蝕

【摘要】：本研究采用工件切向振動的方式將超聲振動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量。超聲振動可以增強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工作臺和超聲振動輔助流化磨料供給裝置,模擬研究了超聲振動輔助磨料水射流拋光加工中振動工件表面的射流沖擊流場,對超聲振動輔助磨料粒子沖蝕行為進行了運動學分析,研究了材料去除機理,建立了單顆磨料粒子材料去除體積模型,采用顯式動力學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測模型并進行了實驗驗證,實驗研究了工件超聲振動對拋光效率和表面粗糙度的影響。研制了超聲振動工作臺和超聲振動輔助流化磨料供給裝置,并對超聲振動工作臺進行了模態(tài)分析和諧響應分析。結果表明,該工作臺的振動特性滿足研究要求,超聲振動輔助流化磨料供給裝置能對400#-2500#的磨料實現(xiàn)流量為200mg/s的穩(wěn)定控制。模擬研究了超聲振動輔助磨料水射流拋光加工中振動工件表面的射流沖擊流場,分析了工件振動對壁面射流止滯區(qū)和側流區(qū)壓力、速度場的影響,實驗測量了振動工件表面的射流沖擊壓力,研究了射流沖擊振動工件表面時的流固耦合作用。結果表明,在邊界剪切作用下,流場的止滯效應減弱：振動時的射流速度高于未振動時的射流速度,工件表面的流場速度分布不對稱；在施加振動后,沖擊壓力波動幅度明顯增加；工件表面射流壓力略低于振動前,壓力測量結果與模擬結果基本吻合；射流的沖擊作用使變幅桿發(fā)生耦合振動和變形。與振動邊界流場模擬結果相比,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。建立了超聲振動輔助磨料粒子沖蝕工件材料去除機理模型和單顆磨料粒子沖蝕工件材料去除體積模型。建立了超聲振動輔助磨料水射流拋光時的磨料-工件接觸力學行為有限元模型,研究了超聲振動對于磨料-工件接觸狀態(tài)、沖蝕率和工件材料中沖擊應力場的影響。結果表明,工件超聲振動時的沖蝕率均高于不施加振動的情況。工件超聲振動時的磨料-工件接觸力較大,接觸時間較長,磨料粒子速度降低顯著。模擬研究了多顆磨料粒子沖擊點完全重疊和部分重疊情況下超聲振動對沖蝕率的影響。結果表明,工件超聲振動時的沖蝕率均高于未施加振動的情況。當多顆磨料粒子沖擊點部分重疊時,沖蝕區(qū)域的殘余應力主要是壓應力。建立了超聲振動輔助磨料水射流光滑粒子流體力學模型。結果表明,工件超聲振動時的沖蝕率較高。實驗研究了超聲振動輔助單顆磨料粒子的沖蝕情況。結果表明,在沖擊角度相同的條件下,超聲振動輔助磨料粒子沖蝕劃痕深度較大。建立了超聲振動輔助磨料水射流拋光表面粗糙度預測模型和基于二次響應曲面法的超聲振動輔助磨料水射流拋光加工工藝參數(shù)優(yōu)化模型。結果表明,表面粗糙度預測模型能較好地預測拋光表面粗糙度；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的情況,表面粗糙度略高于未施加超聲振動的情況；未施加超聲振動時磨料粒子形成的溝痕是具有明顯方向性的沖蝕紋理；施加超聲振動的情況下,由于工件與磨料粒子的相對運動,沖蝕拋光溝痕排列隨機,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功率的交互作用對拋光表面粗糙度的影響顯著。
【關鍵詞】：磨料水射流加工 超聲振動 拋光技術 沖擊流場 振動輔助沖蝕
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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的研究現(xiàn)狀16-23
• 1.1.1 磨料水射流加工技術概述16-17
• 1.1.2 磨料水射流加工材料去除機理17-18
• 1.1.3 拋光技術概述18
• 1.1.4 拋光技術的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.1.5 磨料水射流拋光技術的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2 超聲輔助拋光加工技術的研究現(xiàn)狀23-29
• 1.2.1 超聲輔助加工技術的研究現(xiàn)狀23-27
• 1.2.2 超聲輔助拋光加工技術的研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 超聲振動輔助磨料水射流拋光技術研究中存在的問題29
• 1.4 本文的研究目的、意義及主要研究內容29-31
• 1.4.1 研究目的和意義29-30
• 1.4.2 主要研究內容30-31
• 第2章 切向超聲振動工作臺和超聲振動輔助流化磨料供給裝置的研制31-49
• 2.1 概述31
• 2.2 切向超聲振動工作臺的設計31-33
• 2.3 變幅桿的設計33-45
• 2.3.1 變幅桿的尺寸設計33-35
• 2.3.2 變幅桿的模態(tài)分析35-38
• 2.3.3 變幅桿的諧響應分析38-42
• 2.3.4 切向超聲振動工作臺的檢測42-45
• 2.4 超聲振動輔助流化磨料供給裝置的研制45-48
• 2.5 本章小結48-49
• 第3章 射流沖擊振動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 流場模擬建模和結果分析50-61
• 3.2.3 射流流場特性的實驗驗證61-64
• 3.3 射流流場壓力作用下的變幅桿振動特性分析64-66
• 3.4 射流沖擊振動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 流固耦合模擬和結果分析68-71
• 3.5 本章小結71-72
• 第4章 超聲振動輔助磨料粒子沖蝕機理模擬研究72-97
• 4.1 概述72
• 4.2 超聲振動輔助磨料粒子沖蝕機理分析72-74
• 4.3 超聲振動輔助磨料粒子沖蝕機理有限元模擬74-88
• 4.3.1 動力學方程74-75
• 4.3.2 材料的應力應變本構關系模型75-77
• 4.3.3 有限元建模和邊界條件77-78
• 4.3.4 模擬結果分析78-88
• 4.4 超聲振動輔助磨料粒子沖蝕光滑粒子流體力學模擬88-92
• 4.4.1 光滑粒子流體力學方法概述88-89
• 4.4.2 光滑粒子流體力學建模和邊界條件89-90
• 4.4.3 模擬結果分析90-92
• 4.5 超聲振動輔助磨料粒子沖蝕實驗驗證92-95
• 4.6 本章小結95-97
• 第5章 超聲振動輔助磨料水射流拋光加工實驗研究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 超聲振動輔助磨料水射流拋光加工的實驗研究101-111
• 5.3.1 實驗條件101-104
• 5.3.2 超聲振動輔助磨料水射流拋光加工實驗結果分析104-111
• 5.4 超聲振動輔助磨料水射流拋光加工工藝優(yōu)化實驗111-119
• 5.4.1 響應曲面法概述111-112
• 5.4.2 實驗條件112-113
• 5.4.3 實驗結果分析113-119
• 5.5 本章小結119-121
• 結論與展望121-124
• 論文創(chuàng)新點摘要124-125
• 參考文獻125-143
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文、申請的專利和獲得的獎勵143-145
• 致謝145-146
• 附件146-164
• 附表164

【參考文獻】

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本文編號：553778