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基于高压水射流的塑性金属表面强化研究

叶峰  
【摘要】:高端装备产业的发展对表面强化技术提出了更高的要求。高压水射流作为一种湿式绿色喷丸强化新工艺,具有效率高、成本低、柔性高、质量好、无污染等优点,拥有广阔的应用前景。本文面向塑性金属材料,开展高压水射流的表面强化工艺优化研究。对比分析纯水射流和磨料水射流的冲击特性,研究射流强化机理,分析工艺参数对强化质量的影响规律,构建高压水射流表面强化质量预测模型,在此基础上优化工艺参数,并探索了磨料水射流间接强化的可行性。主要研究内容如下:(1)高压水射流基础理论及表面强化机理研究。分析射流的结构及能量分布,宏观和微观相结合,研究纯水射流与磨料水射流的强化机理;基于Mises屈服理论,构建射流强化力学模型,给定临界裂纹损伤与临界塑性变形的边界条件。(2)喷嘴内外流场数值模拟。基于计算流体动力学构建喷嘴内外流场仿真模型,分析不同射流压力与靶距条件下的速度场与压力场分布规律,分析纯水射流中水相的速度衰减与界面冲击,研究磨料水射流中磨料相与水相的速度衰减、速度滑移与界面冲击,印证了射流结构能量分布规律,明确了磨料相为磨料水射流的主要能量载体。(3)工艺参数对强化质量的影响规律。分析射流压力、靶距、进给量及横移速度对射流强化工件表面粗糙度和硬度的影响规律,优选参数范围,进行正交试验,分析工艺参数对强化质量的影响主次,分别构建纯水射流与磨料水射流表面强化质量预测模型。结果表明:表面粗糙度(望小)与硬度(望大)均随射流能量增大而增大。具体表现为,工件强化表面粗糙度与硬度随压力的增大而增大,随靶距、进给量、横移速度的增大而减小。(4)高压水射流表面强化工艺优化研究。基于表面强化质量回归预测模型,建立了面向表面粗糙度和硬度的多目标优化模型;基于多目标遗传算法,解算射流强化工艺参数Pareto最优解集;提出磨料水射流间接强化方法,试验验证该方法的可行性,对比分析纯水射流与磨料水射流表面强化工艺的优劣。


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