微磨料水射流加工脆性玻璃的冲蚀机理研究

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磨料水射流抛光技术及其发展

邵飞等　磨料水射流抛光技术及其发展磨料水射流抛光技术及其发展邵飞,刘洪军,马颖(兰州理工大学有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州730050) [摘　要]　磨料水射流抛光技术是应用于表面抛光加工的新技术。

利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而微去除材料,以达到抛光目的。

论述了磨料水射流抛光技术的基本原理和特点,以及影响抛光效果的主要工艺参数,并对其发展趋势进行了展望。

[关键词]　磨料水射流;表面抛光;磨料;工艺参数[中图分类号]TG175;TP69 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2007)03-0064-03Polish i n g Techn i ques and D evelop m en t of Abra si ve W a ter JetSHAO F ei,L I U H ong 2jun,M A Ying(Key lab .of Advanced Non 2ferr ousMaterials,Lanzhou University of Science and Technol ogy,Lanzhou 730050,China )[Abstract]　Polishing technique of abrasive water jet (AWJ )is an advance p r ocess which can be app lied t o sur 2face polishing .It makes use of high p ressure liquid which has tiny abrasive t o for m an effect of i m pact and er osi on on work 2p iece for polishing pur pose .The postulate and s pecialty of AWJ were summarized .The mostly technique para meters were illum inated .The tenydency of AWJ was vie wed .[Key words]　Abrasive water jet;Surface polishing;Abrasive;Pr ogress para meter0　引　言[收稿日期]2006-11-31[作者简介]邵飞(1976-),男,江苏宜兴人,在读硕士,主要从事S LA 原型表面处理的相关技术研究。

磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析

收稿日期：２０２０－１０－１３作者简介：李福来（１９８７—），山东青岛人，助理工程师，主要从事焊接、磨料水射流加工等研究。

磨料水射流加工材料去除机制及影响因素分析李福来１，２，荆正军１，２，马少华１，２，杜明超２（１．石油工业训练中心，山东青岛２６６５８０；２．中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛　２６６５８０）摘要：对磨料水射流加工过程材料的去除机制及相关影响因素进行了分析，结果表明：工件表面材料的去除主要取决于磨料粒子的切削、铲削以及压痕成坑等侵蚀行为的综合作用，介质水起到加速粒子以及冷却工件作用，保证加工过程材料无热变形现象发生。

影响工件切割效果的因素有很多，包括射流压力Ｐ、进砂比、进给速率Ｖ以及喷嘴高度ｈ等，其中射流压力Ｐ和进砂比影响工件切割深度和切割效率，进给速率Ｖ影响切面质量及切缝角的大小，喷嘴高度ｈ影响切缝形态及切割深度，ｈ过大时射流束失去聚合性，出现发散现象，无法完成预设切割深度。

关键词：磨料水射流；材料去除机制；射流压力；进给速率；喷嘴高度中图分类号：ＴＨ１７．１；ＴＨ６９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）０２－０１２９－０４ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌＲｅｍｏｖａｌＭｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｉｎＡｂｒａｓｉｖｅＷａｔｅｒＪｅｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＬｉＦｕｌａｉ１，２，ＪｉｎｇＺｈｅｎｇｊｕｎ１，２，ＭａＳｈａｏｈｕａ１，２，ＤｕＭｉｎｇｃｈａｏ２（１．ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｅｃｈａｎｉｃａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（ＥａｓｔＣｈｉｎａ），Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｒｅｌａｔｅｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｉｎａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｏｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｍａｉｎｌｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｂｒａｓｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｃｕｔｔｉｎｇ，ｓｌｏｔｔｉｎｇａｎｄｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｐｉｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅｍｅｄｉｕｍｗａｔｅｒｃａｎａｃｃｅｌｅｒａｔｅｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｃｏｏｌｄｏｗｎｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｎｏｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅｒｍａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅＰ，ｓａｎｄｆｅｅｄｒａｔｉｏ，ｆｅｅｄｒａｔｅＶａｎｄｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔｈ．ＴｈｅｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅＰａｎｄｓａｎｄｆｅｅｄｒａｔｉｏａｆｆｅｃｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅｆｅｅｄｒａｔｅＶａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｋｅｒｆａｎｇｌｅ，ａｎｄｔｈｅｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔｈａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｓｌｉｔｓｈａｐｅａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈ．Ｗｈｅｎｈｉｓｔｏｏｈｉｇｈ，ｔｈｅｊｅｔｂｅａｍｗｉｌｌｌｏｓｅｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｅｔｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｃａｎｎｏｔｂｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ；Ｍａｔｅｒｉａｌｒｅｍｏｖａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｊｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｆｅｅｄｒａｔｅ；Ｎｏｚｚｌｅｈｅｉｇｈｔ磨料水射流作为一种冷态加工工艺技术，在制造业中有广泛的应用，如管材切割［１］，工件结构物表面除锈［２］等。

磨料水射流抛光技术

ｏｉｏｋｌＰｏ伴ｓｅｈｂａｃｌｈｐｌｉｔｓ气ｔｙｕｃｗｉｈｏｐｓＰ・ｓｇ困ｒｂｅｏａｆｉｓｃｖｏｅａｍｘｅｓ
硕士学位论文
Ｋｙ。：５ｒｔ；ｒｌｗａｒｃＰｌｈｇＰ５．沪功加：ｕｃｅ，川５１ｏｙＡａｖｔｊｏｉｉ；ｒ１．ｅｔｓ司ｅ人ｐｔｐｂｓｅｅｔｏｅ：ｓｎ眠吕抽
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ｖｉｎＴｅｌｐ面ｎｅｎｕａｔｓａｂｎａｎｙｇｅ．ｂ加ｔｒｉｇｔｂｉｐａｅｒｈｅｅｇｉｂｕ吨Ｏｂｇｎｅｓｒｏｏａｔｌ
拍ｕｎｓ沙ｃ
兰州理工大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
原型的过程１１３。快速成型制造思想的初始思路如图１１．所示，将三维实体截成一系列连续薄切片的
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作者签名：导师签名：

磨料水射流切割机理及质量提升方法研究

磨料水射流切割机理及质量提升方法研究摘要：磨料水射流具备极强的切割技术能力，可基本实现对大多数难切削原料的分割，但射流切割后的元件通常出现拖尾、切口锥度等品质缺憾，限制了该技术应用范围的进一步扩大和蓬勃发展。

本文内容专门研究了切割的形成机理及主要特质，明确提出了多种不同可明显改善切割品质的切割方式。

期望能为相关从业者提供一些参考。

关键词：水射流切割机理;磨料水射流;加工质量引言通过几十年的不断发展，水射流技术已经发展到不同的应用领域，逐步形成了独具特色的技术体系。

根据射流压力，水射流可分为低压水射流、高压水射流和超高压水射流三种类型：低压水射流一般指压力小于10MPa的水射流，一般用于家庭清洁、煤矿开采等，并主要由低压往复泵或离心泵产生；高压水射流一般指压力在10MPa至100MPa之间的水射流，它通常用于工业清洗、采矿、破碎和切割软材料，主要由往复式高压泵产生；超高压水射流一般指压力大于100MPa 的水射流，一般用于工业切削或其他机械加工，主要由增压器或超高压往复泵产生。

水射流的应用从低压开始，逐渐扩展到超高压，当然这也取决于科学技术的发展水平。

1.磨料水射流切割机理近年来，由于对设备的需求相对较低，设备较为友好，加工能力较高，磨料混合后水射流在工业加工制造领域得到了广泛应用。

一般来说，磨料混合后水射流处理系统主要由增压装置、供砂装置、喷射装置、传动装置和冷却器等模块组成。

增压装置是磨料水射流处理系统的“核心”，为磨料射流提供初始能量。

通过增压装置将水增压至高压甚至超高压，其增压能力的大小直接影响磨料水的性能和加工效率。

增压装置的主要部分由一个增压比为10:1至20:1的增压器组成，可将水压增加至400MPa，甚至高达700MPa。

传动机构是磨料射流加工系统的“脚”，为加工各种形状零件的磨料射流提供传动支持。

传动装置按照系统设计方案进行具体的后处理工作.传动精度、定位精度和分辨率尺寸是影响射流研磨水加工质量的重要因素之一，是实现加工精度的关键。

磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究

第２６卷第１期２０１９年２月工程设计学报C h i n e s e J o u r n a l o fE n g i n e e r i n gD e s i gn V o l ．２６N o ．１F e b ．２０１９收稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ２３本刊网址在线期刊:h t t p ://w w w．z j u j o u r n a l s ．c o m /g c s jx b 基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１５７５２３７);装备预研教育部联合基金资助项目(６２５０１０３６０３５)作者简介:王志敏(１９９２ ),男,安徽宿州人,硕士生,从事射流加工技术研究,E Ｇm a i l :w a n g z m ７９０６＠１６３．c o m ,h t t ps ://o r c i d ．o r g//００００Ｇ０００１Ｇ６３０８Ｇ７７０３通信联系人:武美萍(１９７０ ),女,山西太原人,教授,博士,从事复杂装备智能化设计与制造研究,E Ｇm a i l :８０４８５０４８＠q q．c o m d o i :１０．３７８５/j．i s s n ．１００６Ｇ７５４X．２０１９．０１．０１１磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究王志敏１,武美萍１,２,魏晶晶１(１．江南大学机械工程学院,江苏无锡２１４１２２;２．江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏无锡２１４１２２)摘㊀要:磨料水射流技术作为一种特种加工技术,具有无刀具接触㊁无热影响区和加工范围广等优势,在众多领域得到应用.为了探究磨料水射流对脆性材料的冲蚀效果,构建和设计了磨料水射流外流场冲蚀仿真模型与磨料水射流冲蚀实验.以３０mmˑ５０mm 的喷嘴外流场域为计算域,建立磨料水射流冲蚀仿真模型,并分析射流冲蚀过程中压力分布㊁水与磨料的速度分布及它们在射流中心线上的衰减规律.通过对氧化铝陶瓷材料的冲蚀实验,分析工艺参数对冲蚀孔径的影响,并结合仿真结果对比分析了射流束宽度与冲蚀孔径的关系.结果表明:水的速度随着喷嘴距离的增大而减小且分布范围变宽,射流宽度呈线性增大,磨料速度随喷嘴距离的增大而减小且分布范围基本不变;射流中心线上水的速度与磨料速度呈三段式衰减,水的第１段速度衰减段长度比磨料的长,但水的第２段速度衰减段长度比磨料的短;射流束能量的有效利用部分逐渐减小,但在１５~２５mm 的靶距范围内其有效利用部分较稳定,为４０％;冲蚀孔径随喷嘴距离增大呈线性增大.研究结果为磨料水射流切割㊁铣削及抛光加工的参数选择提供实验依据,同时为磨料水射流加工过程仿真提供参考.关键词:磨料水射流;冲蚀性能;速度分布;衰减;冲蚀孔径中图分类号:T H１６㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６Ｇ７５４X (２０１９)０１Ｇ００７９Ｇ０８S t u d y o n e r o s i o no f a b r a s i v ew a t e r je t o nb r i t t l em a t e r i a l s WA N GZ h i Ｇm i n １,WU M e i Ｇp i n g １,２,W E I J i n g Ｇj i n g１(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,J i a n g n a nU n i v e r s i t y,W u x i ２１４１２２,C h i n a ;２．J i a n g s uK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dF o o d M a n u f a c t u r i n g E q u i p m e n t&T e c h n o l o g y,W u x i ２１４１２２,C h i n a )A b s t r a c t :A b r a s i v ew a t e r j e t t e c h n i q u e i s a s p e c i a l p r o c e s s p o p u l a r i z e d a n d a p p l i e d i nm a n y fi e l d s d u e t o i t s a d v a n t a g e s l i k en o t o o l c o n t a c t ,n oh e a t Ｇa f f e c t e dz o n ea n dh i g h m a c h i n i n g v e r s a t i l i t y,e t c ．I no r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e r o s i o n e f f e c t o nb r i t t l em a t e r i a l s ,t h e e r o s i o n s i m u l a t i o nm o d e l o f a b r a s i v ew a t e r j e ta to u t e r f l o wf i e l da n da b r a s i v ew a t e r j e te r o s i o ne x p e r i m e n tw e r ed e s i gn e d ．T h e a b r a s i v ew a t e r j e t e r o s i o ns i m u l a t i o n m o d e lw a s s e tu p ba s e do nt h e３０mmˑ５０mm o u t e r f l o wf i e l do f t h en o z z l e ．T h e d i s t r ib u t i o no f p r e s s u r e ,v e l oc i t y o fw a t e r a nd a b r a s i ve a n d t h e i r a t Ｇt e n u a t i o n l a wo n t h e c e n t e r l i n e of j e t i n t h e e r o s i o n p r o c e s sw e r e f u l l y a n a l y z e d ．T h r o u gh t h e e r o Ｇs i o n t e s t o f a l u m i n a c e r a m i cm a t e r i a l ,t h e i n f l u e n c e o f p r o c e s s p a r a m e t e r s o n t h e e r o s i o nh o l e d i Ｇa m e t e rw a s a n a l y z e d a sw e l l ．C o m b i n i n g w i t h t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s ,t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n j e t b e a m w i d t ha n d e r o s i o nh o l e d i a m e t e rw a s c o m p a r e d a n d a n a l yz e d ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e w a t e r v e l o c i t y d e c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s e o f n o z z l e d i s t a n c e a n d t h e d i s t r i b u t i o n r a n ge b e c a m ew i Ｇd e r ,a n d t h ew i d t hof j e t i n c r e a s e d l i n e a r l y ．T h e a b r a s i v ev e l o c i t y d e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f n o z z l e d i s t a n c ew h i l e t h e d i s t r i b u t i o nw i d t hw a s a l m o s t u n c h a ng e d ．Th e v e l o ci t y ofw a t e r a n d a b Ｇr a s i v e o n t h e c e n t e r Ｇl i n e o f j e t s h o w e d t h r e e Ｇs t a g e a t t e n u a t i o n ．D u r i n g t h e f i r s t s t a g e ,t h e l e n gt h o f t h e v e l o c i t y a t t e n u a t i o n s e c t i o no fw a t e rw a s l o n g e r t h a n t h a t o f a b r a s i v e ,b u t d u r i n g th e s e c Ｇo n do n e ,t h e l e n g t ho f t h e v e l o c i t y at t e n u a t i o n s e c t i o no fw a t e rw a s s h o r t e r t h a n t h a t o f a b r a s i v e ．I na d d i t i o n ,t h ee f f e c t i v eu t i l i z a t i o no f j e te n e r g y d e c r e a s e d g r a d u a l l y ．H o w e v e r ,i nt h et a r g e t r a n g e o f １５~２５mm ,t h e e f f e c t i v eu t i l i z a t i o n p a r tw a sm o r e s t a b l e a t a r o u n d４０％,a n d t h e e r o Ｇs i o nh o l e d i a m e t e r i n c r e a s e d l i n e a r l y w i t h t h e n o z z l e d i s t a n c e i n c r e a s i n g．T h e r e s e a r c h r e s u l t s c a n p r o v i d e e x p e r i m e n t a l b a s i s f o r t h e p a r a m e t e r s e l e c t i o no f a b r a s i v ew a t e r j e t c u t t i n g ,m i l l i n g a n d p o l i s h i n g ,a n d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e s i m u l a t i o no f a b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n i n g．K e y w o r d s :a b r a s i v ew a t e r j e t ;e r o s i o n p e r f o r m a n c e ;v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ;a t t e n u a t i o n ;e r o s i o n h o l e d i a m e t e r㊀㊀影响磨料水射流(a b r a s i v ew a t e r je t ,AW J )加工质量㊁加工效率及其经济性的因素很多,总的来说可以分为５类,分别为磨料参数㊁切削参数㊁流体参数㊁混合与加速参数以及工件参数[１Ｇ２],具体如图１所示.但是在实际加工过程中,受到设备㊁工件和磨料等确定参数的限制,不会涉及这５类参数中所有因素的改变.因此,磨料水射流的加工质量取决于泵压㊁移动速度㊁靶距和磨料流量等主要参数影响下的射流冲蚀性能.图１㊀磨料水射流加工性能的影响因素F i g ．１㊀I n f l u e n c i n g f a c t o r so f a b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n i n gpe r Ｇf o r m a n c e国内外许多学者在磨料水射流流场仿真方面进行了研究,如:J u n k a r ㊁K u m a r 和A h m e d 等[３Ｇ５]分别利用有限元法分析了磨料水射流加工中单颗粒与多颗粒冲蚀过程及颗粒的冲蚀特性;W a n g ㊁F e n g等[６Ｇ７]运用S P H (s m o o t h e d p a r t i c l e h y d r o d y n a m i c s ,光滑粒子流体动力学)法数值模拟了磨料水射流冲蚀过程与颗粒的加速过程;N i e 等[８]对前混合喷嘴流场进行了数值模拟;孙艳斌等[９]利用神经网络建立了硬质合金的切割深度模型;刘力红等[１０]数值模拟了前混合磨料水射流的运动情况;D e a m 等[１１]建立了磨料水射流的切割模型并进行了实验,将材料加工过程可视化,模拟结果与实验结果的吻合性较好.也有学者对磨料水射流抛光喷嘴的流场进行了仿真分析,并对比了不同结构喷嘴的射流特性,如:龙新平等[１２]分析了喷嘴内部流场与颗粒运动情况;左伟芹等[１３]利用迭代算法对喷嘴内磨料颗粒的加速情况作了探讨;D e e pa k 等[１４]数值模拟了不同形状喷嘴对射流参数的影响.在磨料水射流加工中,磨料与水的混合及两者之间的碰撞磨损使喷嘴内磨料的加速机制及磨料与水的混合过程变得复杂,通过实验对单颗粒与多颗粒冲蚀过程进行定性或定量分析难度大,因此应该关注喷出后射流束的冲蚀性能,即不同喷嘴距离下射流束的冲蚀性能及其中心线上的压力与速度的衰减规律.本文基于F l u e n t 对磨料水射流外流场的冲蚀过程进行仿真,分析射流的压力分布㊁速度分布及射流束中心线上压力与速度的衰减规律,并结合冲蚀实验分析工艺参数对冲蚀孔径的影响规律,最后联合仿真与实验结果综合分析磨料水射流的冲蚀性能及其衰减规律,以期为磨料水射流切割㊁铣削及抛光加工的参数选择提供实验依据,同时为磨料水射流加工过程的仿真提供参考.１㊀磨料水射流冲蚀性能仿真分析１．１㊀水和磨料的控制方程磨料水射流冲蚀过程中水与磨料的速度均为超音速,考虑到颗粒之间存在相互碰撞作用,因此选择E u l e r 模型,连续性方程与动量方程为其控制方程[１５].冲蚀过程的数值模拟涉及水和磨料颗粒两相,因此第i 相的连续方程为[１６]:∂(αi ρi )∂t ＋Ñ (αi ρi v i )＝ð２j ＝１m j i ㊀(i ＝１,２)(１)式中:αi 为第i 相的体积分数;ρi 为第i 相的密度;v i 为第i 相的速度;m j i 为水和磨料颗粒两相间的质量传递,满足m j i ＝－m i j 和ð２j ＝１m j j ＝０.第i 相的动量方程为:∂∂t (αi ρi v i )＋Ñ (αi ρi v i )＝－αi Ñp ＋Ñ τi ＋F ＋０８工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷αi ρi (F i ＋F l i f t ,i ＋F V m ,i )(２)式中:τi 为第i 相的压力应变张量,τi ＝αi v i (Ñv i ＋v Ti )＋v i (λi －２/３μi )Ñ v i I ;μi ㊁λi 为第i 相的剪切黏度㊁体积黏度;p 为两相共享的压强;F 为水和磨料两相间的作用力,F i 为第i 相的受力,F l i f t ,i 为第i 相的升力,F V m ,i 为第i 相的虚拟质量力.为了使动量方程封闭,水和磨料颗粒两相间的作用力F 为:F ＝ð２i ＝１F i j ＋ð２i ＝１m i j v i j ()(３)ð２i ＝１F ij ＝ð２i ＝１K i j (v i －v j )(４)式中:K i j ＝K ji ,为相间动量交换系数,F j i 为第j 相对第i 相的作用力,F i j ＝－F j i ,F i i ＝０;v i j 是相间速度,且有:当ð２i ＝１m i j ＞０时,v i j ＝v i ;当ð２i ＝１m i j ＜０时,v i j ＝v j 和v i j ＝v ji .可实现的k Ｇε模型的湍流动能及其耗散率方程[１７]为:ρd k d t ＝∂∂x j μ＋μt σk æèçöø÷∂k ∂x j éëêêùûúú＋G k ＋G b －ρε－Y M (５)ρd εd t ＝∂∂x jμ＋μt σεæèçöø÷∂ε∂x j éëêêùûúú＋ρC １S ε－ρC ２ε２k ＋v ε＋C １εkC ３G b (６)式中:C １＝m a x ０．４３,ηη＋５éëêêùûúú,η＝S k ε;G k 为平均速度梯度导致的湍动能;μ为流体的黏度;μt 为湍动流黏度;ρ为流体的密度;v 为流体的速度;k 为湍动能;ε为湍动能耗散率;S 为源相;G b 为浮力导致的湍动能;Y M 为可压缩湍流脉动扩张对总耗散率的影响;C ２㊁C ３为常数;σk ㊁σε分别为湍流动能和湍流普朗特数(耗散率).在F l u e n t 中,取推荐值:C ３＝１．４４,C ２＝１．９,σk ＝１．０,σε＝１．２.对于混合相,其连续方程为:∂∂t ρm ＋Ñ(ρmv m )＝ð２i ＝１m (７)式中:ρm 为混合相密度;ð２i ＝１m 为单位长度相间质量交换率;v m 为混合相速度,v m ＝ð２i ＝１αiρi v i ρm,ρm ＝ð２i ＝１αi ρi.综合水相和颗粒相的动量方程可以得到混合相的动量方程:∂(ρmv m )∂t＋Ñ (ρmv m )＝－Ñp m ＋Ñμm (Ñv m ＋Ñv Tm)[]＋ρm g ＋T ＋Ñð２i ＝１αi ρi v d r ,i ()(８)式中:T 为体积力;μm 为混合相黏度;p m 为混合相压强;v d r ,i 为第i 相的飘逸速度.１．２㊀磨料水射流冲蚀模型与参数设置以射流出口处为基准,计算流体域是３０mmˑ５０mm 的喷嘴外流场域,磨料水射流冲蚀计算域模型如图２所示,沿射流方向设置了距射流出口分别为１０,１５,２０,２５和３０m m 的横截面,以探究射流束在不同喷嘴距离下的冲蚀性能.划分网格并检查网格质量,网格质量柱形图如图３所示,以单元网格纵横比为０．９５~１的高质量网格为主,因此,模型的网格质量能够满足仿真计算要求.图２㊀磨料水射流冲蚀计算域模型F i g ．２㊀M o d e l o f a b r a s i v ew a t e r j e t e r o s i o nc o m pu Ｇt a t i o nd o ma i n图３㊀冲蚀模型网格质量柱形图F i g ．３㊀M e s h q u a l i t y h i s t o gr a mo f e r o s i o nm o d e l 仿真时,F l u e n t 求解器选择基于压力求解器,计算模型选择E u l e r 多相流模型,选择液相为水㊁固相为磨料颗粒的二相流,设置水为主相㊁磨料颗粒为次相.系统压力为２００M P a 时喷嘴出口处水的速度为４４４．６１９５m /s ,磨料速度为４０３．３８５９m /s,水的密度为９９８k g/m ３;喷嘴直径即为冲蚀模型的入１８㊀第１期㊀㊀㊀㊀王志敏,等:磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究口直径,为０．７mm ;磨料为８０目的石榴石,磨料体积比为０．１,密度为２８８０k g/m ３,粒径为０．１８mm ;左右两边与上边的边界设置为外流场域出口,底边设置为壁面,入口处的左右两边为喷嘴的边界,设置为入口壁面,选择标准壁面函数进行计算;入口类型设置为速度入口,出口类型设置为压力出口.其他参数选择系统默认值.１．３㊀冲蚀模拟结果与分析磨料水射流冲蚀过程中射流沿程上的压力分布和不同喷嘴距离横截面上的压力分布如图４所示.由图４(a )可知,在射流沿程上,其压力呈现出不同程度的衰减.由图４(b )可知,中心线上的最大压力衰减较快,压力分布范围逐渐变宽;在喷嘴距离为３０mm 的横截面上出现了压力反向变化的趋势,其射流压力均明显高于２５mm 处,这是因为３０mm 处横截面靠近工件表面,射流冲击到工件表面后反射形成的对流使该处的压力升高.图４㊀磨料水射流冲蚀过程中的压力分布F i g．４㊀P r e s s u r e d i s t r i b u t i o n i n t h e e r o s i o n p r o c e s s o f a b Ｇr a s i v ew a t e r je t 磨料水射流冲蚀过程中水与磨料的速度分布如图５所示.在磨料水射流冲蚀过程中,水与磨料的速度变化及其分布形态不尽相同.水的速度衰减明显,形态呈三角形,射流起始段呈倒三角形且长度较短,射流基本段呈 V 形,射流基本段长度比起始段稍长.磨料颗粒速度保持性较好,以较高的速度对工件材料表面进行冲蚀,然后磨料颗粒向四周扩散与反射,磨料的速度分布形态呈玻璃温度计形.图５㊀磨料水射流冲蚀过程中水与磨料的速度分布F i g ．５㊀V e l o c i t y di s t r i b u t i o n o fw a t e r a n d a b r a s i v e i n t h e e Ｇr o s i o n p r o c e s s o f a b r a s i v ew a t e r je t 磨料水射流冲蚀过程中不同喷嘴距离横截面上水和磨料的速度分布如图６所示.在不同喷嘴距离横截面上,水与磨料的速度衰减各异.水的速度衰减是随着喷嘴距离的增大而减缓,但分布范围增大,这致使射流中水的能量分散,削弱了水的冲蚀能力;磨料速度衰减是随着喷嘴距离的增大而减缓,速度分布范围基本不变,可见磨料对工件材料有较强的冲蚀能力.至磨料水射流稳定后,射流压力在中心轴线上呈线性衰减,且衰减速度较快,在距射流出口１０m m 处衰减至常压,如图７所示.对于混合相中的水,其速度衰减过程大致分为３个阶段:快速衰减段㊁缓慢衰减段和急剧衰减段,快速衰减段长度约为１３mm ㊁２８工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷图６㊀磨料水射流冲蚀过程中不同喷嘴距离横截面上水和磨料的速度分布F i g ．６㊀V e l o c i t y di s t r i b u t i o n o fw a t e r a n d a b r a s i v e o n c r o s s s e c t i o n w i t h d i f f e r e n t n o z z l e d i s t a n c e s i n t h e e r o s i o n p r o c e s s o f a b r a s i v ew a t e r je t 速度衰减约一半,缓慢衰减段长度约为２５mm ,急剧衰减段长度约为７mm ㊁速度衰减至０m /s .对于混合相中的磨料,其速度衰减过程大致可以分为３个阶段:初始衰减段㊁快速衰减段和急剧衰减段,在初始衰减段上磨料速度保持着射出时的高速,初始阶段长度约为３m m ,第２段为快速衰减段,呈直线式衰减,长度约为３６m m ,第３段为急剧衰减段,长度约为６m m ,在壁面位置处磨料速度衰减至０m /s.射流中心线上水和磨料的速度分布如图８所示.图７㊀磨料水射流在射流中心线上的压力分布F i g．７㊀P r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fa b r a s i v ew a t e r j e to nt h e c e n t e r l i n e o f jet 图８㊀射流中心线上水和磨料的速度分布F i g ．８㊀V e l o c i t y di s t r i b u t i o no fw a t e ra n da b r a s i v eo nt h e c e n t e r l i n e o f je t ㊀㊀分析仿真结果可知,在射流压力为２００M P a 的冲蚀条件下,射流束在不同喷嘴距离处的宽度呈线性变化,如图９所示,回归方程为y ＝０．８１４０＋０．３９１９x (x 为喷嘴距离,y 为射流束宽度),拟合度为０．９９９６,当喷嘴距离为０mm 时,射流宽度为０．８１４０mm ,实验使用的喷嘴直径为０．７mm ,表明模型分析结果具有参考意义.图９㊀射流压力为２００M P a 时射流束宽度变化曲线F i g ．９㊀C h a n g e c u r v e o f je t b e a m w i d t hw i t h j e t p r e s Ｇs u r e of ２００M P a２㊀磨料水射流冲蚀性能实验研究２．１㊀实验设备采用型号为DW J ３０２０ＧB B ＧX ５的五轴数控水射３８㊀第１期㊀㊀㊀㊀王志敏,等:磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究流加工机床进行冲蚀实验,如图１０所示,其中:高压系统为从美国KMT 公司全套原装进口的S T R E ＧAM L I N E T M S L ＧV５０P L U S 超高压系统,工作压力为５~４２０M P a ;供砂系统由美国KMT 公司设计制造,可自动控制砂的供应,保障磨料水射流加工过程的稳定性.图１０㊀D W J ３０２０ＧB B ＧX ５五轴数控水射流加工机床F i g ．１０㊀F i v e Ｇa x i sn u m e r i c a lc o n t r o lw a t e r j e t m a c h i n i n gm a c h i n e o fDW J ３０２０ＧB B ＧX ５２．２㊀实验材料与工艺参数设置磨料颗粒对磨料水射流的加工质量和加工效率等都有非常大的影响,因此,用于水射流加工的磨料需要有非常优良的特性.石榴石磨料具有硬度大㊁熔点高㊁耐酸碱㊁不吸水㊁环保无害以及性价比较高等特点,在国内外被广泛使用[１８].因此,本文实验选择８０目石榴石为磨料,氧化铝陶瓷材料(板状)为冲蚀目标工件,其主要性能参数如表１至表３所示.表１㊀石榴石磨料主要参数T a b l e １㊀M a i n p a r a m e t e r s o f g a r n e t a b r a s i v e 参数密度/(g /c m ３)莫氏硬度弹性模量/G P a 泊松比数值３．９６~４．１０７．４９~９．００２４８０．２７表２㊀氧化铝陶瓷材料成分及其质量分数T a b l e２㊀C o m po s i t i o n a n dm a s s f r a c t i o n o f a l u m i n a c e r a m i cm a Ｇt e r i a l 成分A l ２O ３F e ２O ３S i O ２N a ２OK ２O其他质量分数/％９９．７０．０２８０．０３０．０３５０．００２０．２０５实验中冲蚀倾角为０ʎ,即工件水平放置时,射流束与工件平面法向量平行;考虑到氧化铝陶瓷板的硬度较高,冲蚀实验的工艺参数设置如表４所示.对于各项的单因素冲蚀实验,选取各因素的中间工艺参数水平值为基准,即射流压力为２００M P a ㊁靶距为２０mm 和磨料流量为１２０g /m i n 为实验基准.表３㊀氧化铝陶瓷材料机械性能参数T a b l e３㊀M e c h a n i c a l p r o p e r t y pa r a m e t e r s o f a l u m i n a c e r a m i cm a Ｇt e r i a l 参数密度/(g/c m ３)维氏硬度/G P a 弹性模量/G P a 泊松比弯曲强度/M P a 抗压强度/M P a 数值３．８５１２３５００．２２４００２５００表４㊀磨料水射流冲蚀工艺参数设置T a b l e ４㊀A b r a s i v ew a t e r je t e r o s i o n p r o c e s s p a r a m e t e r s s e t Ｇt i n g 工艺参数参数水平冲蚀倾角θ/(ʎ)０射流压力p /M P a １００,１５０,２００,２５０,３００靶距S /mm１０,１５,２０,２５,３０磨料流量M /(g/m i n )４０,８０,１２０,１６０,２００２．３㊀实验结果与分析图１１为不同冲蚀工艺参数下磨料水射流的冲蚀孔径变化曲线.由图可知,冲蚀孔径随着靶距的增大呈现先近似线性增大后稳定的趋势,以靶距S ＝２５mm 为分界点,小于２５mm 时冲蚀孔径呈线性增大,大于２５mm 后呈稳定趋势,即磨料水射流束冲蚀工件时,其能量半径随着靶距的增大而增大,当靶距达到分界点时,射流束的能量半径趋于稳定.射流压力的变化对冲蚀孔径影响不大,不同射流压力下冲蚀孔径基本保持在３．２５mm ,这表明此时磨料水射流束的能量比较集中,在较大范围内能够保持冲蚀能力.磨料流量的变化对磨料水射流冲蚀孔径的影响也不显著,不同磨料流量下冲蚀孔径也基本保持在３．２５mm .３㊀磨料水射流冲蚀性能分析图１２为射流压力p ＝２００M P a㊁磨料流量M ＝１２０g /m i n 时磨料水射流冲蚀孔径与射流束宽度的比值随喷嘴距离的变化曲线.由图１１(a )可知:该冲蚀条件下,冲蚀孔径先增大后趋于稳定,这是因为喷出后的射流呈锥形,喷嘴距离越远,射流能量保持性越差,能量衰减越多,导致射流束的冲蚀能力越弱.但由图１２的冲蚀孔径与射流束宽度的比值的变化规律发现,该比值在喷嘴距离为１０mm 时较大,说明此处射流束能量的有效利用部分较高,为５０％;在喷嘴距离为３０mm 时较小,说明此处射流束能量的有效利用部分较低,为３０％;在喷嘴距离为１５~２５mm 时,其比值基本保持不变,说明该范围内射流束能量的有效利用部分较稳定,为４０％. ４８工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷图１１㊀不同工艺参数下磨料水射流的冲蚀性能F i g．１１㊀E r o s i o n p e r f o r m a n c e o f a b r a s i v ew a t e r j e t u n d e rd i f fe r e n t p r o c e s s p a r a m e t e r s研究结果为磨料水射流的切割㊁铣削及抛光等加工提供了参考.４㊀结㊀论为了探究磨料水射流对脆性材料的冲蚀效果,以氧化铝陶瓷材料为目标工件,进行了磨料水射流外流场冲蚀仿真与磨料水射流冲蚀氧化铝陶瓷实验,得到的结论如下:１)由冲蚀过程仿真结果可知射流束中水与磨料的速度分布规律不同,水的速度随着喷嘴距离的增大而减小且分布范围变宽,射流宽度呈线性增大,磨料速度随喷嘴距离的增大而减小且分布范围基本图１２㊀磨料水射流冲蚀孔径与射流束宽度的比值(p＝２００M P a,M＝１２０g/m i n)F i g．１２㊀R a t i o o f a b r a s i v ew a t e r j e t e r o s i o nd i a m e t e r t o j e tb e a m w i d t h(p＝２００M P a,M＝１２０g/m i n)不变.２)射流中心线上,射流压力在距喷嘴１０mm处衰减至常压,水和磨料的速度均呈三段式衰减,水的第１段速度衰减段长度比磨料的长,水的第２段速度衰减段长度比磨料的短.３)冲蚀孔径随喷嘴距离的增大呈线性增大;射流束能量的有效利用部分随着喷嘴距离的增大而逐渐减小,在喷嘴距离为１５~２５mm范围内其有效利用部分较稳定,为４０％.参考文献:[１]P A R I K HP J,L A MSS．P a r a m e t e r e s t i m a t i o n f o r a b r a s i v e w a t e r j e tm a c h i n i n gp r o c e s su s i n g n e u r a l n e t w o r k s[J]．T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,２００９,４０(５):４９７Ｇ５０２．[２]K E C HA G I A S J,P E T R O P O U L O SG,V A X E V A N I D I S N．A p p l i c a t i o no fT a g u c h i 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n c u t t i n g s u r f a c e d u r i n g t h e a b r a s i v ew aＧt e r j e tm a c h i n i n g:n u m e r i c a l s t u d y[J]．J o u r n a l o fM a t eＧr i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,２０１６,２３２(１):１１６Ｇ１３０．[６]WA N GJ,N A G,G O N G W．A b r a s i v ew a t e r j e tm a c h iＧn i n g s i m u l a t i o n b y S P H m e t h o d[J]．I n t e r n a t i o n a l５８㊀第１期㊀㊀㊀㊀王志敏,等:磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究J o u r n a l o fA d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,２０１０,５０(１/４):２２７Ｇ２３４．[７]F E N G Y,WA N GJ,L I U F．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s i n g l e p a r t i c l e a c c e l e r a t i o n p r o c e s s b y S P Hc o u p l e dF E M f o r a b r a s i v ew a t e r j e t c u t t i n g[J]．J o u r n a l o f S h a n d o n g UＧn i v e r s i t y,２０１２,５９(１/４):１９３Ｇ２００．[８]N I EB,M E N GJ,J IZ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no nf l o w f i e l do f p r eＧm i x e da b r a s i v ew a t e r j e tn o z z l e[C]//２００８A s i aS i m u l a t i o nC o n f e r e n c eＧ７t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n S y s t e m S i m u l a t i o n a n d S c i e n t i f i c C o m p u t i n g, B e i j i n g,O c t．１０Ｇ１２,２００８．[９]孙艳斌,关砚聪,宋金来,等．磨料水射流切割YW１硬质合金深度预测模型[J]．硬质合金,２０１６,３３(４):２２３Ｇ２２９．S U N Y a nＧb i n,G U A N Y a nＧc o n g,S O N GJ i nＧl a i,e t a l．R eＧs e a r c ho nd e p t h p r e d i c t i o nm o d e l o fA W Jc u t t i n g h a r d a l l o y Y W１[J]．C e m e n t e dC a r b i d e,２０１６,３３(４):２２３Ｇ２２９．[１０]刘力红,曹寒冰．基于F l u e n t的前混合磨料水射流高压管道流场的数值模拟[J]．长春理工大学学报(自然科学版),２０１４,３７(５):７７Ｇ８０．L I U L iＧh o n g,C A O H a nＧb i n g．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f h i g h p r e s s u r e p i p e l i n e f l o wf i e l d i n p r eＧm i x e da b r a s i v ew a t e r j e tw i t h f l u e n t[J]．J o u r n a l o f C h a n g c h u nU n i v e rＧs i t y o fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d iＧt i o n),２０１４,３７(５):７７Ｇ８０．[１１]D E AM RT,L E MMAE,A HM E DD H．M o d e l l i n g o f t h e a b r a s i v ew a t e r j e t c u t t i n gp r o c e s s[J]．W e a r,２００４,２５７(９):８７７Ｇ８９１．[１２]龙新平,刘琦,阮晓峰,等．后混式磨料射流喷嘴内部流场模拟及分析[J]．排灌机械工程学报,２０１６,３４(８):６８６Ｇ６９２．L O N G X i nＧp i n g,L I U Q i,R U A N X i a oＧf e n g,e ta l．N u m e r i c a l a n a l y s i so f t h e i n t e r n a l f l o wo f a b r a s i v ee nＧt r a i n e dw a t e r j e t n o z z l e[J]．J o u r n a l o f D r a i n a g e a n d I r r iＧg a t i o n M a c h i n e r y E n g i n e e r i n g,２０１６,３４(８):６８６Ｇ６９２．[１３]左伟芹,王晓川,郝富昌,等．基于迭代算法的磨料颗粒加速机制研究[J]．中国石油大学学报(自然科学版),２０１６,４０(４):１０４Ｇ１０９．Z U O W e iＧq i n,WA N G X i a oＧc h u a n,HA O F uＧc h a n g, e t a l．R e s e a r c h o n a c c e l e r a t i o nm e c h a n i s mo f a b r a s i v e i n p r eＧm i x e d a b r a s i v e w a t e rＧj e t b a s e d o n i t e r a t i v e a l g o r i t h m[J]．J o u r n a l o f C h i n aU n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m(E d i t i o no fN a t u r a l S c i e n c e),２０１６,４０(４):１０４Ｇ１０９．[１４]D E E P A K D,C O R N E L I OJA Q,A B R A HAM M M, e t a l．N u m e r i c a l a n a l y s i s o f t h e e f f e c t o f n o z z l e g e o m e t r y o n f l o w p a r a m e t e r s i na b r a s i v ew a t e r j e tm aＧc h i n e s[J]．P e r t a n i k a J o u r n a l o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,２０１７,２５(２):４９７Ｇ５０６．[１５]王志阳,王凯．基于F L U E N T的磨料水射流抛光喷嘴的流场仿真[J]．中国设备工程,２０１７(９):１０１Ｇ１０３．WA N GZ h iＧy a n g,WA N GK a i．A b r a s i v ew a t e r j e t f l o w f i e l ds i m u l a t i o n o f p o l i s h i n g n o z z l e s b a s e d o nF L U E N T[J]．C h i n aP l a n tE n g i n e e r i n g,２０１７(９):１０１Ｇ１０３．[１６]王福军．计算流体动力学[M]．北京:清华大学出版社,２００４:５４Ｇ５７．WA N G F uＧj u n．C o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s[M]．B e i j i n g:T s i n g h u aU n i v e r s i t y P r e s s,２００４:５４Ｇ５７．[１７]唐家鹏．F L U E N T１４．０超级学习手册[M]．北京:人民邮电出版社,２０１３:３０Ｇ３９．T A N G J i aＧp e n g．F L U E N T１４．０s u p e rs t u d y m a n u a l [M]．B e i j i n g:P e o p l eP o s tP r e s s,２０１３:３０Ｇ３９．[１８]P R I S C O U,D O N O F R I O M C．T h r e eＧd i m e n s i o n a lC F Ds i m u l a t i o no f t w oＧp h a s e f l o wi n s i d e t h ea b r a s i v ew a t e r j e tc u t t i n g h e a d[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lf o rC o m p u t a t i o n a l M e t h o d si n E n g i n e e r i n g S c i e n c e a n dM e c h a n i c s,２００８,９(５):３００Ｇ３１９．６８工㊀程㊀设㊀计㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀第２６卷。

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究近年来，许多行业都在使用水射流抛光技术来提高工件表面质量。

由于水射流抛光过程所涉及的颗粒粒径较小，因此具有一定的抛光效果。

此外，水射流抛光可以节省劳动力，节约能源，提高工件表面质量，保证表面精度和表面光洁度，从而为行业生产带来若干好处。

因此，本研究将从微磨料水射流抛光技术的基本原理、装备及表面处理研究出发，探讨其在工件表面抛光中的应用。

一、微磨料水射流抛光技术的基本原理微磨料水射流抛光技术是利用现代技术所开发出的一种新型技术，它将砂轮、砂纸和其他磨料用水射流进行加工，通过把磨料的磨擦力转换成水力，在工件表面形成微细的拉裂、剥落、波浪状划痕，在磨料和工件之间形成微小的摩擦力，以达到良好的表面效果。

微磨料水射流抛光技术的基本原理是：首先，将适当浓度的磨料溶液和足够的水压力混合在一起，经过压力调节后放入水射流抛光装置，控制水流量，使水射流中携带的磨料能够得到充分表现，最后将磨料溶液通过喷嘴喷出，磨料溶液中的磨料粒子以溅射的形式作用于工件的表面，从而形成一种抛光效果。

二、微磨料水射流抛光装备及表面处理1、微磨料水射流抛光装备：微磨料水射流抛光装备的关键部件有水泵、控制阀、涡轮增压器、罐内搅拌器和扩散器。

主要完成工作包括：将磨料溶液混合于水中，控制混合流量，把水力压力转换成抛光粒子出口速度，控制喷枪坐标移动，控制磨料和水的比例，以及控制磨料的粒径和浓度。

2、微磨料水射流表面处理：完成微磨料水射流抛光需要综合运用几种技术来实现。

具体表面处理技术可以分为打磨、抛光、橡皮擦和上蜡等。

打磨，即利用磨料溶液与工件表面摩擦，去掉前期表面处理遗留的粗糙表面；抛光，即采用水射流抛光装置将微粒粒磨料溶液射向工件表面，使工件表面形成微细的拉裂、剥落、波浪状划痕，从而获得细腻光滑的表面；橡皮擦，即利用一定硬度的软橡胶材料，用轻轻的摩擦力对工件表面表面细节进行清洁；上蜡，即利用蜡材料与工件表面摩擦，让蜡材料溶质与工件表面形成紧密结合，从而达到护理表面、减少锈蚀及清洁等目的。

前混合磨料水射流切割脆性材料研究

ｒｓｅｗｔｒｊｔａｒｐｓｄｔｓｅｃｔｆｒｔｔｒｌｓｃｓｃｎｒｔ．ｈｃａｉｍｏｕｔｇｂｔｅｍａｅａｉａｅｓｐｏｏｅｏｕｅｉｔｕｉｌｍａｅｉｓｕｈａｏｃｅｅＴｅｍｅｈｎｓｆｔｎｒｔｔ— ｖｅｗｎｈｏｂｔｅａｓｃｉｉｌ
中图分类号：Ｕ１文献标识码：Ａ文章编号：２４— ｌ０（０１３— ９４４５０５０５２１）０７—
ＲｅｅｒｈｏｔｉｇＢｒｔｌａｅｉｌｂｒ－ｉｅｒｓｖａｅｅｓａｃｎＣｕｔｉｅＭｔｒａＳｙＰｅｍｘｄＡｂａｉｅＷｔｒＪｔｎｔ
区；随切深的增加，材料在磨料粒子大角度冲击下形成斜条纹状的变形磨削区。前混合磨料水射流对混凝土等建筑脆性
材料具有良好的切割效果，在易燃易爆等应急场合进行切割作业具有独特优势。关键词：前混合；磨料水射流；脆性材料；切割
ｉｌｓｓｕｉｄ，ｈｍｐｃｄｌｗａｓａｌｓｅｎｈｔｅｓｏｍｐｃｉｇａｅｓａａｚｄＥｘｅｒａｓｗａｔｄｅｔｅｉａｔｍｏｅｓｅｔｂｉｈｄａｄｔｅｓｒｓｆｉａｔｎｒａｗａｎｙｅ．ｐｒｍｅｔｆｃｔｎｌｉｎｓｏｕｔｇｉｃｎｒｔｌｃｒｏｄｃｅｎｈｅｓｎｆｒｄｆｅｅｔｆｒｓｏｉｅｅｔｃｔｎｅｔｓａａｙｅ．ｈｅｕｔｓｏｏｃｅｅｂｏｋｗｅｅｃｎｕｔｄａｄｔｅｒａｏｏｉｆｒｎｍｎｄｆｒｎｕｔｇｄｐｈｗａｎｌｚｄＴｅｒｓｌｈｗｏｆｉｓｔａｎｔｅｉｉｉｌｓａｅ，ｈｏｍａｉｎｏｍｏｔｕｔｇｇｉｄｎｏｅｉｕｏｔｅｉａｔａｄｍａｅａｓｇｉｄｎｙｔｅｈｔｉｈｎｔａｔｇｔｅｆｒｔｏｆａｓｏｈｃｔｎｒｎｉｇｚｎｓｄｅｔｈｍｐｃｎｔｒｌｒｎｉｇｂｈｉｉ

磨料水射流加工技术课件.

1.简介
1.简介
磨料：一般分为矿物系、金属系和人造系三类。
选用原则：（1）切割效果好；（2）价格低廉，货源头:
由水射流喷嘴、混合室和磨料射流喷嘴组成。
分类：
（1）按水射流的股数：单股射流喷头、多股射流喷头（2）按磨料输入方式：磨料侧进式射流喷头、磨料中进式射流喷头、磨料切向进给式射流喷头
磨料水射流加工技术
目录
1. 简介
2.磨料水射流的切割机理及切割规律
3. 磨料水射流加工技术研究现状
4.磨料水射流加工技术的特点、应用领域和发展
1.简介
水射流技术是近20多年发展起来的新技术，其应用日益广泛。目前已在煤炭、机械、石油、冶金、航空、建筑、水利及轻工业等部门应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。尤其近年来随着高科技的迅速发展，激光束、电子束、等离子体和水射流，业已成为新型的切割工具。其中激光束、电子束和等离子体属于热切割加工，而水射流是唯一一种冷加工手段。在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，水射流有其独特的优越性。
1.简介
水射流发展的四个阶段
第四阶段
第三阶段第二阶段第一阶段
迅速发展阶段
工业应用阶段
设备研制阶段
试验探索阶段
1.简介
磨料水射流的概念：
磨料水射流是以水为介质，通过高压发生装置获得巨大能量，然后通过供料和混合装置把磨料加入到高压水束中，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高压水束的高速冲击和冲刷，实现材料去除的一种特种加工方法。
1.简介
磨料水射流的加工原理：
磨料水射流加工是运用液压增压原理，通过增压器或高压泵将水
增压至超高压，将电动机的机械性能转换成压力能，具有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能，从而形成高速水射流并在混合室内产生一定的真空度，磨料在自重和压力差的作用下被吸入混合室，与水射流产生剧烈紊动扩散和混合，形成了高速磨料水射流，并以极高的速度经磨料喷嘴冲击工件。磨料水射流冲击工件后，材料上局部应力场高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至材料失效而被切除。在磨料水射流加工过程中，起加工作用的主要是磨料粒子，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以磨料水射流与纯水射流比较，其射流动能更大，加工效果更强。

磨料水射流铣削加工表面质量的研究

收稿日期：2018-01-05基金项目：国家自然科学基金项目（51275210）作者简介：赵漫漫（1982 -），女，陕西延安人，讲师，硕士，主要从事机电一体化科研和教学工作。

磨料水射流铣削加工表面质量的研究Research on surface quality of abrasive water jet milling赵漫漫1,3，黄涛涛2,3，何雪明2,3ZHAO Man-man 1,3, HUANG Tao-tao 2,3, HE Xue-ming 2,3（1.无锡机电高等职业技术学校，无锡 214028；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡 214122；3.江南大学机械工程学院，无锡 214122)摘要：以磨料水射流铣削加工质量为核心，通过对45#材料进行铣削加工实验，采用单因素分析法，分析磨料水射流铣削加工时主要加工参数靶距S、喷嘴移动速度v、射流压力p、横向进给量L、铣削次数n对铣削加工质量的影响，得到了加工参数对表面质量的影响规律，为磨料水射流铣削加工其他材料提供了参考。

关键词：磨料水射流；铣削；加工参数；表面质量中图分类号：TP69 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2018)08-0075-040 引言在现代工业生产活动中，金属材料和制品一直占据着重要的地位，但是传统的金属材料加工方法，容易产生热变形、刀具磨损以及能量损失过大等问题。

磨料水射流技术[1]作为一种新兴冷态加工技术，与传统加工方法相比，不存在热影响区、热变形、接触应力，具有加工材料广泛、稳定性好、质量高、柔性高、无刀具磨损以及绿色环保等优点，逐渐在各行各业得到广泛应用。

本文通过对45#进行铣削加工实验，探究磨料水射流加工参数对铣削表面质量的影响，为磨料水射流铣削加工其他材料提供参考。

在磨料水射流铣削加工方面，国内外研究较少。

周大鹏等[2]研究了各种材料应用水射流加工的可加工性。

彭家强等[3]对磨料水射流铣削对金属材料的去除力和去除模型进行了研究，为金属的铣削加工和切削去除分析提供了理论借鉴。

高压磨料水射流切割中材料破坏机理的分析

高压磨料水射流切割中材料破坏机理的分析王海宇;王育立;康灿【摘要】As a kind of cold cutting technology, high-pressure water jet cutting has dlstmcnve advantages over other processing methods. Analysis of failure mode of the material cut by high-pressure abrasive water jet （AWJ） machine and observation under scanning electron microscope （SEM） were carried out. It indicates that there are two types of failure modes generated by AWJ, plastic failure and brittle failure and the surface quality of brittle failure is superior to that of plastic damage area. Analysis of failure mechanism of water jet shows that surface hardening of water jet induces the brittle failure in the initial period and the layer flake morphology which is relatively smooth. When the water jet gets diffused and the energy involved is insufficient to realize surface hardening, the grinding and ploughing function of abrasive roughen the surface.%高压水射流切割是一种冷态切割技术,相比其他加工方式具有其独到的优势。

磨料射流高压管线材料冲蚀实验研究

磨料射流高压管线材料冲蚀实验研究【摘要】磨料射流破岩钻径向水平井技术是近年发展起来的开发低渗油藏、提高原油采收率和煤层气产量的新方法。

利用该方法破岩钻进过程中，高压管线内壁受磨料颗粒冲蚀严重的问题大大限制了该技术的推广与应用。

为此，本文利用自建的冲蚀实验设备对塑性试件在水-砂液固两相流动中的冲蚀问题开展了实验研究，对包括冲击角、颗粒粒径、冲击速度和固相浓度四因素对试件冲蚀速率的影响规律进行了分析，并采用共轭梯度结合通用全局优化算法对所得实验结果进行回归分析，得到了冲蚀速率同上述因素的影响规律方程。

【关键词】冲蚀液固两相流塑性材料实验研究回归分析随着全球能源的日趋紧张，对石油、天然气和煤层气的勘探开发也进入到一个新的阶段。

利用磨料射流破岩钻径向水平井技术是近年发展起来的开发低渗油藏、提高原油采收率和煤层气产量的新方法，而磨料射流水力割缝技术也是治理高突煤层掘进巷道瓦斯突出，提高矿井生产安全性的有效手段之一[1-4]。

磨料射流破岩钻进过程中，高压流体携带着固相磨料颗粒经高压管线到达射流钻头实现破岩钻进，这一过程中液固两相混合物对管线内壁存在较严重的冲蚀作用，从而为磨料射流破岩钻进埋下了隐患。

为了弄清不同操作参数对管线材料的冲蚀情况，本文选用铝材作为塑性材料的代表，利用自建的冲蚀实验设备对其在水-砂液固两相流动中的冲蚀问题开展了实验研究，并对实验结果进行了回归分析。

1 实验装置及过程实验是在中国石油大学（华东）水射流研究中心的磨料射流实验台上进行的。

整个实验系统包括高压泵组、磨料射流发生装置、冲蚀实验仓和控制机构四部分[2]。

实验过程如下：水池中的水经高压泵组加压后形成高压水，高压水在磨料罐前分成两部分，一部分进入磨料罐将磨料颗粒流态化，另一部分则进入混合腔，与流态化的磨料混合形成磨料射流。

实验开始前，先将试件（长：40mm，宽：4mm，高：2.5mm）用1000目砂纸和丝绸打磨抛光，而后将其以设定的冲击角度安装在冲蚀实验仓的固定支架上，打开阀门，开始冲蚀实验并计时，到达设定的冲蚀时间后，关闭阀门，取出试件，烘干并用丙酮清洗表面三次，烘干后称重，完成一次实验测试。

磨料水射流切割机制研究进展

ａｐｉａｉｎｏｘｅｙｔｍｎｕｚｈｏｙ，ｈａｉａｉｇｃｔｎｃａｉｍｎｈａｉｇｅｆｃｆｔｅｗａｅ — ａｉｌｐｌｔｆｅｐｒｓｓｅａｄｆｚｙｔｅｒｔｅｃｖｔｔｕｔｇｍｅｈｎｓａｄｔｅｄｍｐｎｆｅｔｏｔｒｐｒｃｅｃｏｔｎｉｈｔｉｆｍｎｔｅｃｔｉｇｍｅｈｎｓｌｏｈｕｔｎｃａｉｍ．
粒和水射流两大方面展开论述。１单颗粒冲击造成的磨蚀
材料，但是需要较高的压力，一般在７０～１００００ＭａＰ，这样高的压力对相关设备以及射流管线提出了很高的要求。但是在较低的压力下向水射流中添加一定数量的固体颗粒（榴石、石英砂或者钢砂等）石就可以成称为磨料水射流。作为称
中图分类号：Ｔ７文献标识码：Ａ文章编号：０５０５（０８１Ｇ３２４— １０２０）２—１１５０ —
ＤｅｅｏｍｅｔｏｒｓｖａｅｅｔｉｇＭｅｈｎｓｖｌｐｎｆＡｂａｉｅＷｔｒＪｔＣｕｔｃａｉｍｎ
摘要：从单个磨料颗粒造成的冲蚀人手，综述了磨料水射流切割机制的研究进展，介绍了磨料射流切割过程中的微观切割模型、微观机制的扫描电镜分析结果，被切割材料的内部应力分析，水射流的水楔效应和跃迁速度以及材料切割的宏观分析结果。提出今后对磨料水射流切割机制的研究应从数值模拟研究、专家系统和模糊理论的应用、空化切割机制以及液相一粒薄层的阻尼效应等方面人手。颗关键词：磨料水射流；切割机制；切割模型；水楔效应

磨料水射流冲蚀工件仿真及实验研究

液压气动与密．－ｔ，ｄ－／２ｏｌ６年第Ｏｌ期
ｄ１
磨料水射流冲蚀工件仿真及实验研究
苗新刚，武美萍，缪小进
（１．江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡２１４１２２；２．江南大学机械Ｔ程学院，江苏无锡２１４１２２）
ＤＹＮＡ有限元分析软件对磨料水射流加丁过程进行了仿真，将仿真结果与对应的实验结果进行对比分析，得 …仿真结果与实验结
果有很好的 …·致性。
关键词：磨料水射流；Ｔ岂参数；材料去除率；有限元分析
中图分类号：ＴＨｌ３７；ＴＨＩ６；ＴＧ７３
ｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｎｏｈｅａｔａｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ｈｉｇｈｍａｃｈｉｎｉｎｇｒａｎｇｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ａｎｄｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆｉｎｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｈａｒｄｂｒｉｔｔｌｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｏ
ｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ
（１．ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＦｏｏｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；）

微磨料水射流三维加工的实验研究

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磨料液体射流抛光技术研究进展

磨料液体射流抛光技术研究进展陈逢军苗想亮唐宇尹韶辉湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082摘要:论述了磨料液体射流抛光过程中的材料去除机理,介绍了磨料液体射流加工系统平台的国内外研究成果㊂从速度变化㊁材料去除㊁表面演化㊁表面粗糙度㊁数值模拟五个方面阐述了磨料液体射流数学模型的构建状况㊂系统分析了主要工艺参数如磨粒动能㊁射流压力㊁磨料㊁喷射角度㊁喷射距离㊁添加剂对加工结果的影响规律,并总结了磨料液体射流抛光技术发展历程㊂最后针对其将来的研究方向与内容给出了进一步的建议与展望㊂关键词:磨料射流;磨粒磨料;流体抛光;超光滑加工;材料去除中图分类号:T H 16 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.22.021R e s e a r c hP r o g r e s s e s o nA b r a s i v eF l u i d J e t P o l i s h i n g T e c h n o l o g yC h e nF e n g j u n M i a oX i a n g l i a n g T a n g Yu Y i nS h a o h u i N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r f o rH i g hE f f i c i e n c y G r i n d i n g ,C h a n gs h a ,410082A b s t r a c t :T h em e c h a n i s mo fm a t e r i a l r e m o v a l i nt h e p r o c e s so f p o l i s h i n g w a sd i s c u s s e d .T h e r e -s e a r c h r e s u l t s a b o u t j e tm a c h i n i n g s y s t e ma n d p l a t f o r m w e r e i n t r o d u c e d .T h ed e v e l o p m e n t o fm a t h e -m a t i c a lm o d e lo fa b r a s i v ef l u i d j e tw e r ed e s c r i b e d ,i n c l u d i n g s p e e dc h a n ge m o d e l ,m a t e r i a l r e m o v a l m o d e l ,s u rf a c e e v o l u t i o nm o d e l ,s u r f a c e r o u gh n e s sm o d e l ,n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l .T h e e f f e c t l a w s o f s o m em a j o r p r o c e s s p a r a m e t e r ss u c ha s p a r t i c l ee n e r g y ,j e t p r e s s u r e ,a b r a s i v e ,j e ta n gl e ,s t a n d ‐o f f d i s t a n c e ,a d d i t i v e o nm a c h i n i n g r e s u l t sw e r e a n a l y z e d ,a n d t h e r e s e a r c h p r o g r e s s e s o f a b r a s i v e j e t p o l i s -h i n g t e c h n o l o g y we r e s u mm a r i z e d ,a n d t h e p r o b a b l ef u r t h e r r e s e a r c hw a s f o r e c a s t e d .K e y w o r d s :a b r a s i v e j e t ;a b r a s i v e p a r t i c l e ;f l u i d p o l i s h i ng ;s u p e r ‐s m o o th m a c hi n i n g ;m a t e r i a l r e -m o v a l收稿日期:20150522基金项目:国家自然科学基金资助项目(51205120);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120161120001);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(531107040147)0 引言随着科技快速发展,机械电子㊁精密仪器㊁光学元件㊁医疗器械等领域的产品制造要求也在不断地提高㊂而在精密或超精密加工一些异形面㊁细长件或者微小区域时,由于这类构件加工难度大,故需要选择特殊的加工方法以提高产品质量㊂磨料液体射流抛光技术是近年来迅速发展起来的一种新型精密与超精密光学加工工艺,它也是一种计算机控制的小磨头柔性抛光技术㊂20世纪60年代,美国的B o b o 获得了将磨料液体射流技术用于钻油井的相关专利[1]㊂经过几十年的发展,磨料液体射流在清洗㊁切割㊁抛光㊁车削㊁铣削以及钻井㊁破碎岩石等领域得到了广泛的应用㊂与传统抛光技术相比,磨料液体射流抛光技术具有能加工任意面形光学元件㊁柔性强㊁抛光精度高㊁易控制和成本低等优点,在加工领域已得到了一定的应用㊂本文分别对磨料液体射流抛光技术的机理与方法㊁数学模型以及工艺参数等方面的研究现状进行了总结分析,并对磨料液体射流加工技术的发展趋势进行了展望㊂1 射流抛光原理与方法1.1 磨料液体射流抛光原理磨料液体射流抛光的基本原理如图1所示㊂混有微细磨粒的抛光液以一定速度由喷液磨头喷出与工件表面发生碰撞,并沿工件表面切向流动,产生强大的冲击力及剪切力,从而实现工件表面的材料微去除[2]㊂图1 液体射流抛光原理图[2]磨料液体射流抛光可以获得具有纳米级精度且无亚表面损伤的超光滑表面㊂文献[3]对B K 7进行了3h 磨料液体射流定点抛光试验后,抛光㊃6113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.点处最大深度为44n m,抛光点中心处的粗糙度为1.2n m㊂表明可以通过极少量材料的塑性移除来获得极低的表面粗糙度值㊂K9玻璃的磨料液体射流抛光试验表明,垂直喷射时材料的去除区域呈W形的环状分布,对材料去除的主导作用是磨粒剪切力,而直接冲击占次要地位[4]㊂通过对纳米级颗粒与光学元件表面碰撞过程分析可知,纳米级颗粒具有足够高的入射动能才能克服阻碍势垒,与工件表面原子发生界面化学吸附反应[5]㊂通过水射流冲蚀石材试验发现,单纯的水射流的中心射流对材料具有去除作用,在成穴力㊁剪切应力和水楔的共同作用下,材料以脆性和塑性断裂方式实现去除㊂如图2所示,磨料水射流冲蚀区分为中心射流区(圆形区域ϕA)㊁成穴区(ϕA㊁ϕB之间的环形区)和散射区(ϕB㊁ϕC之间的环形区),材料的主要去除量在成穴区[6]㊂磨料液体射流重复抛光时,由于受压力波动㊁磨粒沉降和流体紊动等因素的影响,材料去除量呈现波动不稳性,从而增大了材料去除量的误差范围[7]㊂图2 射流冲蚀区截面轮廓[6]1.2 磨料液体射流加工系统喷射系统是射流加工的关键,它将压力能转变为动能从而产生高能流束并完成水射流加工㊂而喷嘴结构对射流的动力学特性㊁去除函数及抛光元件的表面粗糙度都会产生很大的影响㊂研究发现,利用收缩角为13°㊁长径比为4的锥柱型喷嘴进行射流抛光能获得较好的射流特性,其射流出口断面的紊动强度低㊁流速和磨料浓度分布均匀[8]㊂保持磨料浓度均匀可以使磨料液体射流抛光的效果更好㊂由于流化混合方式结构简单,易于安装,故可使用流化方式搅拌磨料混合液使其更加均匀㊂使用流化床辅助磨料液体射流加工系统对铝合金管道内表面进行抛光,表面粗糙度可从3μm减小到0.6μm,加工效率也可得到较大的提高[9]㊂供料系统需要保证精确㊁均匀㊁连续地供料,从而提高磨料液体射流加工的效率和射流性能㊂对于磨料液体射流,一般有如图3所示的前混合和后混合两种供料方式㊂前混合磨料液体射流是磨料先和水均匀混合成磨料料浆,然后经喷嘴喷射形成射流㊂如图4所示,结合流态化原理,依靠高压水的快速流动将高压磨料罐中的磨料负压吸入并流态化成均匀的磨料悬浮液,再经过三通与高压水混合,形成高速稳定的磨料料浆[10]㊂后混合磨料液体射流则是高速水射流与低速磨粒分别进入混合腔进行充分混合,同时高速水射流的部分能量传递给磨料,通过喷嘴进入喷射状态㊂前混合方式所需压力低,混合效果好,能量利用率高,加工精度高,但设备复杂,喷嘴磨损严重,而后混合方式正好与之相反㊂因此,在设计磨料液体射流加工系统时必须考虑实际加工精度及成本,从而选择合适的混合方式㊂1.高压水泵2.混合腔3.喷嘴4.截止阀5.储料箱6.浓度调节阀(a)前混合式1.高压水泵2.水喷嘴3.混合腔4.喷嘴5.储料箱(b)后混合式图3 两种磨料液体射流原理示意图图4 前混合磨料混合系统[11]1.3 磨料液体射流平台B e a u c a m p等[11]在一个7自由度的运动平台上对非球面光学元件进行磨料液体射流抛光试验,面型精度值达到50n m㊂李天生等[12]设计了一种磨液射流磨削抛光装置,该装置通过压缩装置在箱体内产生负压将磨料液从吸管吸上来,在压缩气流的作用下形成水射流,喷射在工件表面上,同时工件在旋转筒的带动下不断旋转,从而完成整个抛光过程㊂监测磨料液体射流加工过程对工艺参数的优化是非常重要的,国内外学者对此也作了相关的研究㊂可以利用测力传感器和探针精确确定射流束的直径[13]㊂使用声发射传感原㊃7113㊃磨料液体射流抛光技术研究进展陈逢军苗想亮唐宇等Copyright©博看网. All Rights Reserved.理对磨料液体射流工件侵蚀部分进行监测,可以控制加工工艺参数以提高加工质量[14]㊂F a n等[15]使用粒子图像测速(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m -e t r y,P I V )技术对微磨料液体射流的粒子速度分布进行了试验研究㊂试验发现粒子射流几乎是线性膨胀的,平均膨胀角度大约为7.2°㊂2 磨料液体射流数学模型为了对磨料液体射流的加工效率及精度进行定量分析,国内外学者根据材料去除机理㊁射流特性以及试验结果,建立了相关的数学模型进行预测与控制㊂图5展示了目前磨料射流数学模型的主要研究内容㊂施春燕等[7]对射流抛光的紊动冲击射流特性进行了研究,并构建了射流抛光的垂直和斜冲击射流模型,而且将R N G k ‐ε理论用于模型的计算㊂图5 磨料射流数学模型2.1 速度变化模型射流加工中射流截面上磨粒的平均速度可以利用磨粒的能量模型进行精确预测,其模型预测结果和试验结果的皮尔逊相关系数达到95%[16]㊂W a n g[17]基于射流动态特性的C F D 仿真研究,提出了可以评估射流方向上流体内部任意位置速度变化的数学模型㊂该模型与C F D 模型预测结果的平均误差在1%以内,基本可以满足对射流流体速度的预测㊂2.2 材料去除模型材料去除模型的应用可以有效地提高材料去除效率㊂在对磨料水射流车外圆的试验中,使用一种考虑了加工过程中冲击角度变化的模型,可以很好地提高加工过程中对工件直径的预测精度[18]㊂K u m a r 等[19]建立了基于有限元仿真的三维侵蚀模型,并对多磨粒冲击侵蚀过程进行了仿真计算㊂T y a gi [20]建立了基于磨粒动能的材料去除率数学模型,研究了磁场和电场对材料去除率的影响,材料的去除率随着磁场强度的增大而减小,随着电场强度的增大而变大㊂2.3 表面粗糙度模型表面粗糙度模型能对工艺参数进行优化,以获得最佳工艺参数,从而提高表面质量㊂A z m i r等[21]采用磨料水射流加工了玻璃环氧树脂复合材料,应用分段线性回归方法建立了加工表面粗糙度模型㊂C h e n 等[22]同样基于大量试验数据,建立了磨粒水射流抛光表面粗糙度模型,其预测结果的平均偏差为3.8%㊂C h e 等[23]建立了应用磨粒水射流抛光超硬材料的表面粗糙度理论模型,从理论上反映了各个工艺参数的变化会对表面粗糙度的影响㊂2.4 表面演化模型磨料水射流抛光时,冲击点处的面形变化会对工件的表面粗糙度㊁面形精度及去除效果产生影响,方慧等[4]㊁刘增文等[6]㊁施春燕等[7]对此作了相关研究,但他们较少考虑工艺参数对冲击点面形变化的影响㊂一种基于窄带水平集法的表面演化模型解释了微磨料液体射流加工中掩膜的磨损和磨粒的二次冲击问题,从而极大地缩短了加工时间[28]㊂M a 等[25]建立了可以预测磨料液体射流加工宽度与射流速度的经验关系模型㊂G e -t u 等[24]根据试验数据对微磨料液体射流加工脆性材料时的表面轮廓演化模型进行了改进㊂2.5 数值模拟通过对磨料液体射流过程进行数值模拟分析,可以促进实验与理论研究的发展㊂刘国勇等[27]基于C F D 多相流混合物模型对前混合磨料水射流混合腔的内部流场进行了数值模拟,当收缩锥角为30°时可获得较好的流场性能㊂V O F ㊁M i x t u r e 和E u l e r 模型在磨料液体射流的C F D 数值模拟过程中有着非常重要的应用㊂使用M i x -t u r e 模型可以对磨料在混合腔中的混合过程进行仿真,并且能够获得混合腔内磨粒的运动状态[29]㊂该模型也被应用于喷嘴结构的数值分析中,可以得出锥直型喷嘴的长径比在2~3时可获得最佳的射流速度[30]㊂陈林等[26]基于多相流E u l e r 模型对几种典型的后混合磨料水射流喷嘴的内流场进行了数值模拟,当圆柱段长度为出口直径的23~37倍时,磨粒可获得最大速度㊂陆金刚等[31]采用V O F 模型对自由水射流流场进行了数值模拟,发现喷嘴出口处空气向喷嘴内部卷吸,一定程度上提高了其集束性,而射流上游的湍流动能大小及漩涡强度对射流的集束性影响显著㊂3 磨料液体射流工艺参数优化磨料液体射流加工的材料去除效率及表面粗糙度受许多工艺参数的影响,如图6和图7所示㊂分析和研究磨料液体射流加工工艺参数并进行优㊃8113㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.化对充分发挥其抛光性能非常关键㊂李兆泽等[32]研究了射流抛光主要工艺参数对抛光效率和侵蚀形貌的影响:选取喷射角度90°,喷射距离15mm ,抛光液浓度4%,射流速度25m /s,工作时间5m i n ,对平面K 9玻璃进行抛光试验,其表面粗糙度约为2.25n m ,抛光速率可达到30n m /m i n㊂图6 影响材料去除的主要参数T s a i 等[33]对S K D 61进行了磨料液体射流抛光优化试验,获得使工件表面粗糙度达到最佳的加工条件为:粒径为1.6μm 左右的S i C 磨料和水的混合比例为1∶2㊁冲击角度为30°㊁射流压力为0.4M P a ㊁喷射距离为10mm ,其表面粗糙度从1.03μm 减小到0.13μm ㊂M i m u r a 等[43]将单晶4H ‐S i C 的表面抛光到表面粗糙度R M S 值为0.323n m ,表面晶体结构完整㊂Z h a n g 等[44]对K 9玻璃进行了磨料液体射流抛光,表面粗糙度R M S 值达到了0.935n m ㊂而W a n g 等[45]对石英玻璃进行加工,R M S 值达到0.123n m ㊂宋岳干等[46]对0C r 18N i 9S i 不锈钢进行抛光,使得表面粗糙度值从2.203μm 减小到1.195μm ㊂(1)磨粒动能㊂在磨料液体射流过程中磨粒速度越大,其动能也越大,对表面影响也越明显㊂图8所示为对硼酸玻璃进行磨料水射流抛光的试验结果,加工后的表面粗糙度随磨粒动能增大而增大[35]㊂(2)射流压力㊂一定范围内,压力越大,射流速度越高,磨粒能够获得的能量也越大,材料去除量就越大㊂玻璃和环氧树脂复合材料压层板磨料水射流加工试验证明了增大工作压力和磨料流量可以很好地改善加工性能,减小喷射距离和移动速率也能提高加工性能,而喷射角度对加工质量影响不大[34]㊂因此,增大射流过程的动能能够获得更好的表面质量㊂图7 表面粗糙度的研究状况㊃9113㊃磨料液体射流抛光技术研究进展陈逢军苗想亮唐宇等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图8 表面粗糙度与磨粒动能的关系[35](3)磨料㊂对于硬度较高的工件表面,宜采用具有较大磨粒直径和较高浓度添加剂的磨料液;对于硬度较低的工件表面,宜采用磨粒直径较小和添加剂浓度较低的磨料液[37]㊂而增大磨粒硬度则能提高材料去除率和表面粗糙度[38]㊂(4)喷射角度㊂不同喷射角度对材料去除面形会产生影响㊂通过射流抛光喷射角度的仿真模拟分析得出,当射流与工作壁面垂直时,抛光区域整个面形呈W形状分布;随着冲击角度的减小,去除面形呈越来越明显的弯月形状分布[39]㊂喷射角度的大小对侵蚀速率也会产生一定的影响,使用射流速率为106m/s㊁粒径为50μm的A l2O3磨料对铝㊁铝合金㊁不锈钢进行加工,当喷射角度在20°~35°时侵蚀速率达到最高[40]㊂使用粒径为25μm的A l2O3磨粒在有机玻璃上进行微细磨料喷射加工,当喷射倾斜角度为55°时,喷嘴扫描方向工件表面的侵蚀速率影响较大[24]㊂(5)喷射距离㊂喷射距离对材料去除率具有显著影响㊂射流在初始阶段还未稳定,部分磨粒未参与剪切作用,去除量很小㊂当喷射距离达到一定尺寸时,磨料液体射流达到稳定状态,材料去除量增大至最大㊂随着工作距离进一步增大,磨料的动能降低,冲蚀能力下降,从而降低了材料的去除率㊂当喷射距离在8~10mm范围内时,去除效率最高,之后随着喷射距离的增大而减小[36]㊂(6)添加剂㊂添加剂可以较好地改变材料的去除效率㊂例如使用粒径为80μm左右的S i C对玻璃进行磨粒流体射流加工时,当研磨液中加入丙酮酸和磷酸可以使材料去除率大大提高,而加入高分子聚合物聚丙烯酰胺对材料的去除率影响更大[41]㊂Y a n等[42]使用粒径为5μm左右的S i C 磨料对S K D61进行水射流抛光,当使用不涂蜡磨料时表面粗糙度从0.36μm减小到0.054μm;而当使用涂蜡磨料时表面粗糙度减小到0.049μm㊂故使用添加剂可以提高抛光后的表面粗糙度㊂4 磨料液体射流抛光技术的发展趋势图9展示了磨料液体射流抛光技术在各个领域比较重要的研究进程㊂虽然在国内外该技术已获得了较多的研究成果,但还存在许多问题亟待解决㊂(1)材料去除机理的系统性理论研究㊂材料去除机理总体上可以分为微观去除机理和宏观去除机理㊂单个磨粒对材料去除作用的研究是目前微观加工机理的主要研究内容,而射流则表现为磨粒与流体共同对材料的复合作用,而目前并没有成熟的系统化理论㊂对宏观加工机理的研究,目前主要通过试验和仿真来完成,缺少系统的理论公式,很难用于指导磨料液体射流抛光技术的应用㊂因此,将磨料液体射流在宏观方面和微观方面去除机理通过统一化的理论表达出来将成为今后磨料液体射流抛光技术的一个重要研究方向㊂(2)材料去除模型㊂目前国内外已经有部分学者建立了各类磨料液体射流抛光的数学模型㊂但对于射流加工过程中存在的部分用数学模型难以准确描述的复杂现象研究较少,如射流流体中介质耦合㊁磨粒与流体相互作用㊁磨粒相互运动干涉㊁磨粒破碎及磨料对材料多次冲击等微观作用的模型建立与模拟㊂另外,关于射流的类别与结构形式㊁射流的速度及能量分布模型的研究也不多,需要进一步深入研究㊂而且目前建立的多数经验模型也包含了许多未知的参数,很难用于生产实践,对这些模型的进一步改进非常必要㊂(3)磨料液体射流控制方法㊂工艺过程控制策略与控制方法也是磨料液体射流加工的重要研究内容㊂例如将低压或者负压替代高压射流㊁多种磨粒共同作用,低温或高温环境下射流抛光㊁特殊光照射下的特殊材料射流抛光,等等㊂智能化的加工设备和控制系统可以降低对人工操作的依赖性㊁提高加工效率和系统稳定性㊂所以,需要根据不同工艺过程研究出加工设备和系统的不同控制方法㊂另外,应建立磨料液体射流加工的工艺数据库,以在不同条件下实现磨料液体射流加工的控制㊂(4)工艺参数优化的研究㊂对磨料液体射流加工工艺的优化是目前国内外学者研究得最广泛㊁最直接的内容之一㊂由于磨料液体射流抛光的基础与应用的研究还处于初步发展阶段,故对其工艺参数进行深入准确的研究非常必要㊂同时,磨料液体射流周围环境如温度㊁气压等对加工㊃0213㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.图9 磨料流体射流抛光发展历程的影响研究很小,而该技术应用于精密超精密加工时,必须考虑这些影响因素㊂另外,复合加工工艺也是现在的研究热点,目前对于磨料液体射流抛光与其他加工工艺的复合工艺研究较少,可以尝试与精密磨削㊁车削㊁铣削㊁其他研抛等工艺的复合,以获得更优的抛光效果与效率㊂(5)磨料液体射流抛光技术应用领域的扩展㊂由于磨料液体射流抛光技术尚待完善,且加工成本较高,故目前只是应用在部分科技领域,在高科技军事方面应用较少㊂随着新材料㊁新结构㊁新要求的产品制造技术不断涌现,部分传统制造技术无法满足要求时,磨料液体射流抛光技术能够凭借其独特的优势发挥其作用㊂此外,磨料液体射流技术在微型零件的应用领域可以进一步扩展,尤其是微型光学非球面元件的制造领域㊂参考文献:[1] 邵飞,刘洪军,马颖,等.磨料水射流抛光技术及其发展[J ].表面技术,2007,36(3):64‐66.S h a o F e i ,L i u H o n g j u n ,M a Y i n g ,e ta l .P o l i s h i n g T e c h n i q u e s a n dD e v e l o pm e n t o fA b r a s i v e W a t e r J e t [J ].S u r f a c eT e c h n o l o g y ,2007,36(3):64‐66.[2] 马占龙,刘健,王君林.射流抛光材料去除机理及影响因素分析[J ].应用光学,2011,32(6):1206‐1211.M aZ h a n l o n g ,L i uJ i a n ,W a n g J u n l i n .M a t e r i a lR e -m o v a lM e c h a n i s ma n dI n f l u e n c eF a c t o ro fF l u i dJ e tP o l i s h i n g [J ].J o u r n a lo f A p p l i e d O p t i c s ,2011,32(6):1206‐1211.[3] 张玲花.射流抛光用于纳米深度修形[J ].光机电信息,2011,28(3):1‐5.Z h a n g L i n g h u a .J e tP o l i s h i n g fo rN a n o ‐m o d i f i c a t i o n [J ].OM EI n f o r m a t i o n ,2011,28(3):1‐5.[4] 方慧,郭培基,余景池.液体喷射抛光材料去除机理的研究[J ].光学技术,2004,30(2):248‐250.F a n g H u i ,G u oP e i j i ,Y uJ i n g c h i .R e s e a r c ho n M a t e -r i a lR e m o v a lM e c h a n i s mo fF l u i dJ e tP o l i s h i n g [J ].O p t i c a lT e c h n i q u e ,2004,30(2):248‐250.[5] S o n g X i a o z o n g ,Z h a n g Y o n g ,Z h a n g F e i h u .S t u d y on R e m o v a l M e c h a n i s m o f N a n o pa r t i c l e C o l l o i d J e t M a c h i n i n g[J ].A d v a n c e d M a t e r i a l sR e s e a r c h ,2008,53/54:363‐368.[6] 刘增文,黄传真,朱洪涛.高压磨料水射流加工中材料去除机理研究[J ].金刚石与磨料磨具工程,2010,30(4):21‐29.L i u Z e n g w e n ,H u a n g C h u a n z h e n ,Z h u H o n g t a o .M e c h a n i s m o f M a t e r i a lR e m o v a lb y H i ghP r e s s u r e A b r a s i v eW a t e r j e t [J ].D i a m o n d &A b r a s i v e sE n g i -n e e r i n g,2010,30(4):21‐29.[7] 施春燕,袁家虎,伍凡,等.射流抛光误差分析与材料去除稳定性研究[J ].光学学报,2011,31(1):170‐174.S h i C h u n y a n ,Y u a n J i a h u ,W uF a n ,e t a l .R e s e a r c ho f E r r o r sA n a l y s i sa n d M a t e r i a lR e m o v a lS t a b i l i t y in F l u i d J e tP o l i s h i n g [J ].A c t aO p t i c aS i n i c a ,2011,31(1):170‐174.[8] 施春燕,袁家虎,伍凡,等.射流抛光喷嘴的设计[J ].光电工程,2008,35(12):131‐135.S h i C h u n y a n ,Y u a nJ i a h u ,W uF a n ,e t a l .N o z z l eD e -s i g no f F l u i d J e t P o l i s h i n g [J ].O p t o ‐e l e c t r o n i cE n g i -n e e r i n g ,2008,35(12):131‐135.[9] B a r l e t t a M ,G u a r i n oS ,R u b i n oG ,e t a l .P r o gr e s s i n F l u i d i z e dB e dA s s i s t e dA b r a s i v e J e tM a c h i n i n g (F B ‐A J M ):I n t e r n a lP o l i s h i n g ofA l u m i n i u m T u b e s [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s&M a n u f a c -t u r e ,2007,47(3/4):483‐495.[10] 徐州浩通水射流科技有限公司.一种前混合磨料㊃1213㊃磨料液体射流抛光技术研究进展陈逢军苗想亮唐宇等Copyright ©博看网. 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All Rights Reserved.L uJ i n g a n g,G o n g C h e n,Y a nL o n g l o n g,e ta l.N u-m e r i c a l S i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lS t u d y o f t h eC o h e r e n c e o fH i g h‐s p e e d W a t e r J e t[J].J o u r n a l o fE n d i n e e r i n g T h e r m o p h y s i c s,2014,35(8):1526‐1529.[32] 李兆泽,李圣怡,戴一帆,等.磨料射流抛光中各工艺参数对材料去除率及抛光区形貌的影响[J].中国机械工程,2008,19(21):2532‐2535.L iZ h a o z e,L iS h e n g y i,D a iY i f a n,e ta l.E f f e c t so fV a r i o u sP a r a m e t e r s o n M a t e r i a lR e m o v a lR a t e a n dt h e F o o t p r i n ti n A b r a s i v eJ e t P o l i s h i n g P r o c e s s[J].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2008,19(21):2532‐2535.[33] T s a iF,Y a nB,K u a nC,e t a l.A T a g u c h i a n dE x-p e r i m e n t a l I n v e s t i g a t i o n i n t o t h eO p t i m a lP r o c e s s-i n g C o n d i t i o n sf o rt h e A b r a s i v eJ e tP o l i s h i n g o fS K D61M o l dS t e e l[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM a-c h i n eT o o l s&M a n u f a c t u r e,2008,48(7/8):932‐945.[34] A z m i rM,A h s a nA.AS t u d y o fA b r a s i v eW a t e r J e tM a c h i n i n g P r o c e s s o n G l a s s/E p o x y C o m p o s i t eL a m i n a t e[J].J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n gT e c h n o l o g y,2009,209:6168‐6173.[35] J a f a rR H M,S p e l t J,P a p i n iM.S u r f a c eR o u g h n e s sa n dE r o s i o nR a t eo fAb r a s i v eJ e tM ic r o‐m a c h i n e dC h a n n e l s:E x p e r i m e n t sa n d A n a l y t i c a lM o d e l[J].W e a r,2013,303(1/2):138‐145.[36] 施春燕,袁家虎,伍凡,等.喷射距离对射流抛光去除函数的影响[J].红外与激光工程,2011,40(4):685‐689.S h i C h u n y a n,Y u a nJ i a h u,W uF a n,e t a l.I n f l u e n c eo fS t a n d D i s t a n c eo n M a t e r i a lR e m o v a lF u n c t i o nF l u i dJ e tP o l i s h i n g[J].I n f r a r e da n d L a s e rE n g i-n e e r i n g,2011,40(4):685‐689.[37] 袁卓林,雷玉勇,孙书蕾,等.微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究[J].机床与液压,2010,38(21):4‐6.Y u a nZ h u o l i n,L e iY u y o n g,S u nS h u l e i,e t a l.S t u d yo nS u r f a c eP o l i s h i n g U s i n g M i c r oA b r a s i v e W a t e rJ e t[J].M a c h i n eT o o l&H y d r a u l i c s,2010,38(21):4‐6.[38] F o w l e rG,P a s h b y I,S h i p w a y P.T h eE f f e c t o fP a r-t i c l eH a r d n e s s a n dS h a p eW h e nA b r a s i v eW a t e r J e tM i l l i n g T i t a n i u m A l l o y T i6A l4V[J].W e a r,2009,266(7/8):613‐620.[39] 施春燕,袁家虎,伍凡,等.冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析[J].光学学报,2010,30(2):513‐517.S h i C h u n y a n,Y u a nJ i a h u,W uF a n,e t a l.I n f l u e n c eA n a l y s i so fI m p a c t A n g l e o n M a t e r i a l R e m o v a lP r o f i l e i nF l u i d J e tP o l i s h i n g[J].A c t aO p t i c aS i n i-c a,2010,30(2):513‐517.[40] A l l y S,S p e l tJ,P a p i n iM.P r e d i c t i o no f M a c h i n e dS u r f a c eE v o l u t i o n i n t h eA b r a s i v e J e tM i c r o‐m a c h i-n i n g o fM e t a l s[J].W e a r,2012,292/293:89‐99.[41] P a l l e d a M.AS t u d y o fT a p e rA n g l e sa n d M a t e r i a lR e m o v a lR a t e so fD r i l l e d H o l e si nt h e A b r a s i v eW a t e r J e tM a c h i n i n g P r o c e s s[J].J o u r n a l o fM a t e-r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2007,189(1/3):292‐295.[42] Y a nB H,T s a iF,S u nL,e ta l.A b r a s i v e J e tP o l i s-h i n g o nS K D61M o l dS t e e l u s i n g S i C C o a t e d w i t hW a x[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o-g y,2008,208(1/3):318‐329.[43] M i m u r aH,Y u m o t oH,M a t s u y a m a S,e t a l.S u r f a c eF i g u r i n g a n d M e a s u r e m e n t M e t h o d s w i t h S p a t i a lR e s o l u t i o nC l o s e t o0.1mmf o rX‐r a y M i r r o rF a b-r i c a t i o n[C]//A d v a n c e s i n M e t r o l o g y f o rX‐r a y a n dE U V O p t i c s,P r o c e e d i n g so fS P I E V o l.5921.S a nD i e g o,C A:S P I E,2005:1‐8.[44] Z h a n g F e i h u,S o n g X i a o z o n g,Z h a n g Y o n g,e ta l.F i g u r i n g o f a nU l t r a‐s m o o t hS u r f a c e i nN a n o p a r t i-c l eC o l l o i dJ e tM a c h i n i n g[J].J o u r n a l o fM i c r o m e-c h a n i c s a nd M i c r oe n g i n e e r i n g,2009,19(5):1‐6.[45] W a n g J u n l i n,U l t r a‐p r e c i s i o n O p t i c a lF a b r i c a t i o no nF u s e dS i l i c a[C]//6t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n A d v a n c e d O p t i c a l M a n u f a c t u r i n g a n d T e s t i n gT e c h n o l o g i e s:A d v a n c e d O p t i c a l M a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g i e s.P r o c e e d i n g s o f S P I EV o l.8416.X i a-m e n,2012:1‐6.[46] 宋岳干,宋丹路,王堃.后混合磨料水射流对金属的抛光机制及实验研究[J].机床与液压,2013,41(3):17‐20.S o n g Y u e g a n,S o n g D a n l u,W a n g K u n.E x p e r i m e n-t a l S t u d y o f t h eM e t a l P o l i s h i n g M e c h a n i s mo f t h eP o s tM i x e dA b r a s i v e W a t e rJ e t[J].M a c h i n eT o o l&H y d r a u l i c s,2013,41(3):17‐20. 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磨料水射流冲蚀热障涂层实验研究

磨料水射流冲蚀热障涂层实验研究赵凯;刘壮;高长水;郭超【摘要】通过开展磨料水射流冲蚀去除热障涂层的实验研究可知,以低于4 MPa压力的射流垂直冲蚀热障涂层时,其冲蚀孔型为"W"型.单因素实验结果表明:冲蚀孔径及孔深随着加工时间、磨粒浓度的增加而增大,当靶距为15 mm时冲蚀深度最大;热障涂层的材料去除速率比镍基高温合金基体低;冲蚀加工表面质量好,热障涂层与金属基体的界面结合处未发现分层和裂纹现象.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P60-64)【关键词】热障涂层;磨料水射流;电火花微小孔加工【作者】赵凯;刘壮;高长水;郭超【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京 210016;江苏省精密与微细制造技术重点实验室,江苏南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TG664在航空发动机涡轮叶片表面涂覆热障涂层，对提高叶片承温能力有非常直接的效果，且对短时间的超温有很好的缓解作用，可实现发动机大推重比要求[1-3]。

但是，由于热障涂层不导电，给带涂层叶片的气膜冷却孔的电火花加工带来了难题。

对此，一种可行的解决方法是：先用磨料水射流加工方法在热障涂层上冲蚀出盲孔，使金属基体裸露出来，再用常规的高速电火花小孔加工方法在金属基体上制孔，从而获得理想的高精度孔型。

利用高压磨料水射流加工热障涂层已有研究报道。

Hashish[4]采用139 MPa磨料水射流（含220目石榴石磨料）对涂覆有热障涂层的金属样件进行了钻孔加工，在厚度为1.27 mm并带有0.38 mm厚度热障涂层的金属板上加工出了直径为0.635 mm的小孔。

对于压力小于8 MPa的低压磨料水射流，多用于玻璃、铝合金、塑料等材料的微小孔及微槽加工[5]，目前未见采用低压磨料水射流加工热障涂层的报道。

磨料水射流结构特性与破岩机理研究的开题报告

磨料水射流结构特性与破岩机理研究的开题报告标题：磨料水射流结构特性与破岩机理研究一、选题背景与意义近年来，随着矿山、建筑等领域对岩石破碎质量的需求不断提高，破岩技术得到了广泛关注和应用。

在破岩技术中，磨料水射流技术因其良好的破碎效果和高效的作业能力，成为了一种常用的技术手段。

但是，该技术的破岩机理和结构特性研究还比较薄弱，需要进行进一步的探索和研究。

本研究的目的是通过对磨料水射流的结构特性和破岩机理进行深入研究，理论上解释其破岩原理，并为该技术的优化和改进提供一定的理论基础。

二、研究内容1. 磨料水射流的基本原理和结构组成；2. 磨料水射流对岩石的破碎机理及其影响因素；3. 磨料水射流在实际应用中的优化及其成本效益分析。

三、研究方法1. 系统调查参考文献，收集和整理相关理论和实践资料；2. 建立磨料水射流的数学模型，研究其运动规律；3. 通过实验室的小型岩石破碎试验和场地实际应用的中等规模岩石破碎试验，验证和完善所建立的数学模型；4. 结合实验结果，对磨料水射流的破岩效果进行分析和评价；5. 经过成本效益分析，对该技术的应用前景进行预测和展望。

四、研究方案1. 文献调研：使用图书馆、网络等方式收集、查阅并阅读与研究课题相关的文献，包括各种国内外期刊、论文、书籍和专著等；2. 实验研究：设计、建设和利用试验设备开展实验研究，主要包括先期的小型岩石破碎试验和后期的中等规模岩石破碎试验；3. 数据处理和分析：对试验获得的数据进行处理和分析，构建和完善数学模型，验证和评估破岩效果；4. 成本效益分析：综合考虑该技术的设备投资、运营费用、维护费用、物料成本等因素，对其应用的成本效益进行分析；5. 论文撰写：在研究的基础上编写开题报告和毕业论文，并进行答辩。

五、研究目标1. 深入理解磨料水射流的结构特性和破岩机理；2. 完善磨料水射流的数学模型，并加以验证和完善；3. 研究其在岩石破碎实践中的应用效果和成本效益；4. 提出本研究结果和结论，为该技术的优化和改进提供一定的理论和实践依据。

水射流微细加工技术的研究的开题报告

水射流微细加工技术的研究的开题报告
一、研究背景
水射流加工（WJM）技术是一种非传统加工方法，具有高速、高精度、高质量、无热影响、环保等优点，逐渐被广泛应用于航空、航天、汽车、电子、医疗等领域。

水射流微细加工技术（WJMM）是在传统水射流加工技术基础上进一步发展而来，其利用高压水射流瞬间撞击加工件表面，瞬间剪切材料形成微观特征，从而实现微细加工的需求。

但是在微细加工领域中，WJMM技术还存在一些挑战和难点，如如何准确控制加工精度、降低表面粗糙度和减少热损伤等。

二、研究目的
针对WJMM技术的一些难点和挑战，本研究旨在开发一种高效、稳定、可靠的WJMM技术，并具体研究以下问题：
1.探究水射流加工微细化的原理和机理；
2.研究不同参数对微细加工质量的影响，如喷口尺寸、加工压力、喷头速度等；
3.研究表面处理对微细加工质量的影响，如表面喷粉、热处理等；
4.研究WJMM技术在某些特定领域的应用情况。

三、研究方法
1.文献研究法：通过查阅文献、网络资源、专家意见等途径，了解WJMM技术的研究历史、现状和趋势。

2.实验研究法：通过制作样品，设计实验方案，选择合适的参数进行微细加工实验，对加工后材料的性能进行分析。

3.数值模拟法：通过计算机模拟和分析，模拟出不同参数下的水射流微细加工过程，为参数优化及加工工艺提供科学依据。

四、研究意义
本研究将有益于推动WJMM技术在汽车、机械、电子、医疗、航空等领域的应用，为产业升级和经济发展做出贡献。

同时，本研究还将探讨WJMM技术的加工原理和机理，对其深入了解和掌握具有重要的理论和实践价值。

此外，本研究还可以为其他非传统加工技术的研究提供一定的借鉴和参考价值。

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中图分类号
Ｅｏｉｎｍｅｈｎｓｏｒｔｅｇａｓｂｃｏａｒｓｖａｅｔｒｓｃａｉｏｍｆｂｉｌｌｓｙｍｉｒ－ｂａｉｅｗｔｒｊｔｅ
ＦｎＪｎｍｉｇａｉｇｎ ’ ＦｎＣｈｎｍｉｇＷａｇＪｎａａｇｎｎｕ
ｍｉｒ — ｈｎｅｓｏｒｔｌｓｅ．Ｔｅｅｓｏｃａｉｍ，ｓｒｃａｔｒｎｒｃｓｅｆｒｎｅａｅｓｕｉｄｃｏｃａｎｌｎｂｔｅｇａｓｓｈｒｉｎｍｅｈｎｓｉｌｏｕｆｅｐｔｎａｄｐｏｅｓｐｒｍａｃｒｔｄｅ．ａｅｏｈｎｅｔａｉｅｕｔｓｏｅｈｔｗｖｓｗｒｅｅｏｅｌｎｈｈｎｅｓｅｔｒｇｗｉａｓｍｍｅｒａＴｅｉｖｓｇｔｎｒｓｌｈｗｄｔａａｅｅｅｄｖｌｐｄａｏｇｔｅｃａｎｌ，ｆａｕｎｔｎａｙｉｏｓｉｈｔｃｉｌｏｙｒａｓｍｍｅｒａａｅｐｔｒｓｈｅｗｖａｔｒｔｍｏｔｕｆｃａｏｔｕｕｌｅｅｏｅｎｔｅｒｄａｔｃｗｖａｔｎ．Ｔａｅｐｔｎｗｉｓｏｈｓｒａｅｗｃｎｉｏｓｙｄｖｌｐｄｉａｉｉｌｅｅｈｓｎｈｌ
ＡｓａｔｂｔｃＭｉｒａｒｉａｒｅｍｃｉｉｇＭＡＭ）ｉｂｃｍｉｇａｐｒｎｍｃｉｉｇｔｃｎｑｅｆｒｏｔｒｃｏｂａｖｗｔｔａｈｎｎ（Ｊｓｅｅｊｓｅｏｎｎｉｏｔｔａｈｎｎｈｉｕｓｍａｅｏｃ
２１００年０６月
第３期
金刚石与磨料磨具工程
Ｄｉｍｏｄ＆ＡｂａｉｅｇｎｅｒｎａｎｒｓｖｓＥｎｉｅｉｇ
Ｊｎ２１ｕｅ００
Ｎ０３Ｖ０．０Ｓｒａ７．１３ｅｉｌ１７
第３０卷
总第１７期７
文章编号：０１６—８２２１）３— ０１５０５Ｘ（００ｏ００一ｏ
微磨料水射流加工脆性玻璃的冲军
（．东工业大学机电工程学院，１广广州５００）１０６（２澳大利亚新南威尔士大学，．悉尼２５）０２
摘要
微磨料水射流加工技术正成为制造微细结构零件重要的经济高效的微细加工技术。作者在玻璃
ｅｅｔｅｍｃａｈｎｎ．Ｔｉｐｐｒｐｅｅｔａｓｄｆｕｉｇｍｃ－ｂａｉａｒｅｆｒｔｅｍｃｉｉｇｏｆｃｖｉｏｍｃｉｉｇｈｓａｅｒｓｎｔｙｏｓｉｒａｒｖｗｔｔｏｈａｈｎｎｆｉｒｓｕｎｏｓｅｅｊ
上进行微磨料水射流微细槽加工的实验基础上，对微磨料水射流加工的表面形貌、料冲蚀去除机理及材加工工艺性能进行了研究。结果表明，玻璃加工表面沿着槽道的方向形成了波纹状形貌，呈非对称或对称的波形，波纹表面很光滑，波纹图案沿着射流冲击区的径向方向发展。由于黏性流体的阻滞作用，性脆玻璃在微磨料水射流加工过程中，在黏性流区域没有发现任何裂纹，材料的冲蚀去除主要是以塑性断裂
（．ｕｎｄｎｎｖｒｔｅｈｏｏｙＧａｇｈｕ５００，Ｃｉ）１ＧａｇｏｇＵｉｓｙｏＴｃｎｌ，ｕｎｚｏ，１０６ｈａｅｉｆｇｎ（．ＵｉｒｔＮｗＳｕａｅ，ｙｎｙＮＷ２５Ａｓａｉ）２ｎｓｙｏｅｏｔＷｌＳｄｅ，Ｓ０２，ｕｔｌｅｖｉｆｈｓｒａ
的方式为主，形成了光滑的ｋ＿表面。适当地控制加工工艺参数，ｚ－在低压下，微磨料水射流加工是一种用
于脆性材料上微细通道的加工切实可行的方法，并可获得良好的加工表面质量。
关键词
微磨料水射流；微槽；冲蚀机理；黏性流
Ｔ５；Ｈ６文献标识码Ｇ８Ｔ１ＡＤＩＯ编码１．９９ｊｉｎ１００３６／．ｓ．０６—８２２１．３０１ｓ５Ｘ．０００．０
ａｐａａｃｓｌｆ．ＴｅａｉｇｅｅｔｒｖｄｄｂｙｈｅｉｃｕｆｗｈｃｕｅｍａｅｉｔｂｒｍｏｅｐｅｒｎｅｗａｅｔｈｄｍｐｎｆｃｐｉｅｔｖｓｏｓｌｏｏｓａａｓｄｔｒａｏｅｅｖｄｌｐｅｍｉａｔｙｉｕｔｅｍｏｅＷｉｒｐｅｏｔｏｆｔｅｏｅａｉｇｐｒｍｅｅｓｈｓｔｃｏｏｙｃｎｂｓｄｒｄｏｎｌｎａｄｃｉｄ．ｎｌｈｔｐｏｒｃｎｒｌｏｈｐｒｔｎａａｔｒ，ｔｉｅｈｎｌｇａｅｕｅ
ｄｅｔｎｆｍｔｅｚｎｆｔｅｊｔｉｐｃ．ｏｃａｋｗｓｆｕｄｉｔｅｖｃｕｏｏｅｍｔｕａｅｉｃｉｏｏｅｏｅｍａｔＮｒｃａｏｎｎｈｉｏｓｆｗｚｎ．Ａｓｏｈｓｒｃｒｏｒｈｈｓｌｆ