精密磨料水射流加工硬脆材料沖蝕機理及拋光技術研究.pdf

1、磨料水射流加工技術具有工藝適應性強，切削力小，沒有熱影響，加工成本低等優(yōu)點，但是對其加工硬脆材料時的沖蝕機理和精密拋光技術的研究較少，因此本文研究了精密磨料水射流加工硬脆材料時的沖蝕機理和脆塑轉變機理，建立了單磨料粒子脆性斷裂沖蝕和塑性剪切沖蝕時材料去除體積模型，研制成功了精密微細磨料水射流加工系統。 研究了純水射流沖蝕、磨料水射流垂直沖蝕和磨料水射流小角度沖蝕時的沖擊作用和剪切作用。結果表明，純水射流對材料的沖蝕能力較低，水射

2、流對材料的沖蝕作用可以分為水射流的沖擊作用和水射流側向繞流所形成的剪切作用，水射流沖蝕角度越小，水射流的剪切作用越明顯。磨料流的加入大大提高了射流的沖蝕能力，射流壓力越大，材料的沖蝕率越高，Al<,2>O<,3>陶瓷和硅酸鹽玻璃材料的去除主要是由于平行于材料表面的亞表面晶間裂紋與垂直材料表面的晶間裂紋的交接而實現。小角度沖蝕時，磨料粒子對材料表面沖蝕的主要特點是沖擊作用減弱，材料沖蝕表面的脆性斷裂減少，剪切變形和微切削作用增強，改善了表

3、面加工質量。磨料水射流的沖擊作用可增加材料的去除量，但降低材料沖蝕表面的完整性；水射流的剪切作用在材料去除過程中只起輔助作用，對提高材料沖蝕表面質量有利。 利用準靜態(tài)壓痕斷裂力學的理論對單顆粒磨料粒子沖蝕過程進行了力學分析。建立了工件材料產生徑向/中位裂紋和側向裂紋的沖蝕動能臨界條件模型，提出了硬脆材料的脆性斷裂沖蝕阻R<,cE>和脆性沖蝕加工數M的概念。研究了磨料水射流加工硬脆材料時的脆塑轉變機理，建立了考慮水射流速度分布、工

4、件材料與磨料粒子相對硬度和沖蝕角度影響的工件材料脆性斷裂單磨料粒子有效脆性斷裂沖蝕動能和工件材料剪切變形單磨料粒子有效塑性剪切沖蝕動能模型，提出了加工硬脆材料時脆塑轉變機理的沖蝕動能臨界條件，并進行了實驗驗證。結果表明，在沖蝕過程中，硬脆材料主要形成塑性壓痕區(qū)、徑向/中位裂紋和側向裂紋系統，塑性壓痕區(qū)中產生材料的顯微塑性流動，徑向/中位裂紋引起材料的裂紋損傷，側向裂紋的擴展導致材料的脆性斷裂。對于以脆性斷裂為沖蝕機理的加工條件下，斷裂沖

5、蝕阻R<,cE>越小，沖蝕加工數M越大，材料的脆性斷裂沖蝕越明顯，材料去除率越高；反之，材料的去除率較低，實驗證明，材料斷裂沖蝕阻R<,cE>和沖蝕加工數M兩個參數能夠直觀地評價材料抵抗脆性沖蝕的能力和脆性沖蝕可加工性。加工硬脆材料時的沖蝕機理可分為脆性斷裂沖蝕機理、塑性剪切沖蝕機理和無裂紋沖蝕機理三類，其對應的沖蝕區(qū)分為脆性斷裂沖蝕區(qū)、塑性剪切沖蝕區(qū)和無裂紋沖蝕區(qū)。在磨料水射流沖蝕工件材料時確實存在脆塑轉變機理，脆塑轉變時的單顆粒磨料

6、粒子有效沖蝕動能實驗值與理論值具有相同的數量級。在沖蝕動能較高時，工件材料發(fā)生脆性斷裂沖蝕，沖蝕率較高而沖蝕能耗較低；在沖蝕動能較低時，工件材料發(fā)生塑性剪切沖蝕，沖蝕率較低而沖蝕能耗較高。在工件材料脆塑轉變的過渡能量區(qū)中，脆性斷裂沖蝕機理和塑性剪切沖蝕機理同時存在，形成半塑性沖蝕機理。 運用壓痕斷裂力學和彈性力學對單磨料粒子沖蝕過程進行力學分析，以磨料粒子有效沖蝕動能為基礎，建立單磨料粒子脆性斷裂沖蝕和塑性剪切沖蝕時材料去除體積

7、模型，實驗驗證表明，材料去除體積的理論值與實驗值具有良好的一致性，塑性剪切沖蝕時材料去除量非常小，有利于改善材料加工表面質量。建立了磨料粒子沖蝕時工件材料彈性應力場模型，對塑性區(qū)內工件材料的塑性剪切變形和裂紋成核擴展過程進行了分析，結果表明，沖蝕角度對磨料粒子的剪切作用影響最大。當沖蝕角度等于90°時，磨料粒子不會對材料產生剪切作用，塑性變形區(qū)的材料僅會在沖蝕壓痕周圍堆積形成隆脊；當沖蝕角度小于90°時，磨料粒子所形成的主應力隨沖蝕角度

8、的減小而增大，在主應力和最大剪切應力的作用下材料傾向于在磨料粒子沖蝕區(qū)的前部形成較大的剪切變形，導致材料堆積和去除。研制成功了精密微細磨料水射流加工系統和蓄能式脈沖供料系統。該系統由供壓系統模塊、噴射系統模塊、供料系統模塊、運動及控制模塊和輔助功能5個子系統模塊構成，可提供2-15MPa的壓力，蓄能式脈沖供料系統可對10.38μm的磨料實現0.4-0.2mg/脈沖的穩(wěn)定供料。利用該加工系統分別對硅酸鹽玻璃、氧化鋁陶瓷和氮化硅陶瓷表面進行

9、了拋光，并利用原子力顯微鏡對拋光面的形貌和表面粗糙度進行了檢測。結果表明，拋光后的表面粗糙度降低，在所掃描的范圍內，硅酸鹽玻璃拋光表面的粗糙度為Ra93.195nm，在兩條對角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra40-46nm；氧化鋁陶瓷拋光表面的粗糙度為Ra131.22nm，在兩條對角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra40-50nm；氮化硅陶瓷拋光表面的粗糙度為Ra38.616nm，在兩條對角線上掃描的拋光面的粗糙度平均值為Ra26