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基于磨料水射流的工程陶瓷钻削实验研究

陈林  
【摘要】:工程陶瓷材料是一种经高温烧结而形成的无机非金属材料,它具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温、密度小和低的电磁感应性等优良性能,已被广泛应用于光学、航空航天、机械、电子、生物工程、化工工业等领域。研究工程陶瓷材料的钻削加工具有十分重要的理论意义和实际应用价值。 磨料水射流特种加工技术是近年来发展起来的一种新型特种加工技术,具有极强的冷态冲蚀磨削作用,而且热影响小、反作用小、无火花、切割速度高和切口质量好等优点,尤其适用于各种热敏、压敏材料、高硬度、高脆性、难加工材料和宇航复合材料等材料的切割加工,目前已被广泛地用于金属、陶瓷、石材、叠层玻璃、涂层复合材料和钛合金板材的切割加工中。 在论文中,通过流体力学基本方程、能量守恒定律以及动量定理等基本理论推导出水射流的速度、流量和其他基本射流参数的理论公式,得到了磨料水射流的基本理论依据,建立了磨料水射流钻削工程陶瓷的理论模型。 论文应用Fluent软件中的DPM(Discrete Phase Model)模型模拟仿真了喷嘴内轮廓结构对磨料轨迹和速度的影响,根据实验室现有的设备选取了最优喷嘴结构进行了磨料水射流的钻削加工实验,分析研究了磨料水射流钻削加工Al2O3工程陶瓷时各工艺参数对材料加工能力和加工质量的影响。 论文着重研究了射流压力、靶距、射流移动速度和磨料流量对钻削加工Al2O3工程陶瓷的孔深和孔壁粗糙度的影响。研究结果表明,随着射流压力的增加,水射流的速度、冲击力和磨料动能都增大,转换为材料所受的破坏能也越大,材料的破坏程度加深,钻削加工深度几乎呈线性关系增大,孔壁表面粗糙度值减小。在最佳靶距内,随着射流靶距增大,磨料水射流的能量随之扩散,磨料水射流带动磨料颗粒均匀地沿射流轴线冲蚀陶瓷材料,使得孔壁表面粗糙度值减小;当靶距超过最佳值后,靶距的继续增加,使得钻削深度急剧减小而壁面粗糙度逐渐增大。射流移动速度小,磨料水射流对材料冲击时间就长,钻削加工深度就越大,随着射流移动速度增大,单位时间内磨粒对被切割材料的重叠冲击次数少,钻削加工深度明显下降,当射流移动速度增大到一定值时,钻削加工深度的减小并不明显,并最终稳定在某一个钻削加工深度上,但孔壁粗糙度随着射流移动速度的增加而增大。当磨料流量增大时,孔深几乎与磨料流量呈线性关系。但随着磨料流量继续增大,孔深呈平缓趋势增加,而孔壁粗糙度的减小变化并不显著。 论文应用正交实验法和极差分析方法对磨料水射流钻削加工工程陶瓷进行了实验研究和分析。钻削加工深度的极差分析结果表明,射流压力对结果的影响程度很大,其次靶距对深度也有很重要的影响。根据本实验参数水平及优化结果确定了较优的水平组合:水射流压力230MPa;射流靶距3mm;射流移动速度5mm/min;磨料流量95.8g/min。孔壁粗糙度的极差分析结果表明,射流压力对结果影响程度最大;其次影响较大的是磨料流量与射流移动速度,最后根据本实验参数水平及优化结果确定了较优的水平组合:水射流压力230MPa;射流靶距7mm;射流移动速度10mm/min;磨料流量95.8g/min。 论文采用多元回归分析方法和Matlab语言,建立了磨料水射流加工陶瓷材料的钻削加工深度(H)和孔壁粗糙度(Ra)的预测模型。钻削加工深度H的具体预测模型为H=4.609×10~(-4)P~(1.8814)S~(-0.1684)V~(-0.2015)Q_m~(0.1759);孔壁表面粗糙度Ra具体的预测模型为Ra=2.008×10~8P~(-3.1430)S~(-0.011)V~(0.016)Q_m~(0.1438)。


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