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微磨料水射流技术及装置的研究

戴良博  
【摘要】:微磨料水射流技术是集精密加工技术和传统磨料水射流“冷”加工技术的优点于一身的复合加工技术。微磨料水射流的加工精度可达到激光加工精度的数量级,它继承和深化了磨料水射流技术的优点,扩展了其应用范围。目前,磨料水射流各项技术以及各种辅助设备日益完善和成熟,全球加工制造业向中国转移,各种新型的复合材料相继涌现和对精度要求日益提高。在这种背景下,微磨料水射流作为一种精密、“冷态”的加工手段,在微机械、微电子、新能源、半导体以及复合材料等行业有着广阔的前景。 本文针对传统磨料水射流磨料后混合供料过程中磨料输送不精确、不稳定的问题,设计了以螺杆泵为原理的磨料水射流切割头装置,其核心部件是特制的螺旋螺杆,在电机的控制下能够定量、主动和稳定的输送磨料。 根据设计和选定的参数推导出理论磨料流量Q1和输入电压V的理论磨料控制方程Q1 = 4.35V-4.27;通过磨料输送精度测试实验,得出输入电压V与实际输出的磨料质量Q2的数据,用Matlab软件拟合出实际磨料控制方程Q2 = 5.39V-16.43。比较和分析两个流量方程,结果表明:磨料质量流量平均误差为1.03 g/min,平均相对误差为0.2%;最大误差为1.96 g/min,最大相对误差为1.79%,该磨料输送装置能够满足微磨料水射流精密切割的要求。 论文应用Solidworks对安装切割头的悬臂梁进行了三维建模,并用有限元软件对悬臂梁进行了分析,其结果表明:悬臂梁的刚度是足够的,前四阶频率分别为20.4Hz、31.4Hz、91.3Hz和104.4Hz,与系统的振动频率相差很大,不会引起共振,对机床的切割精度影响较小,可以忽略。 分别采用微磨料水射流切割头装置和传统自吸式磨料供给装置切割材料的实验中表明两者切割的材料截面粗糙度有显著差别。应用微磨料水射流供料装置切割后的材料表面粗糙度平均值1.6μm ,但是较传统自吸式供料提高了2.64倍。该装置具有良好的通用性和实用性,将会有广阔的应用前景。


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