精密磨料水射流加工硬脆材料冲蚀机理及抛光技术研究

【摘要】： 磨料水射流加工技术具有工艺适应性强，切削力小，没有热影响，加工成本低等优点，但是对其加工硬脆材料时的冲蚀机理和精密抛光技术的研究较少，因此本文研究了精密磨料水射流加工硬脆材料时的冲蚀机理和脆塑转变机理，建立了单磨料粒子脆性断裂冲蚀和塑性剪切冲蚀时材料去除体积模型，研制成功了精密微细磨料水射流加工系统。 研究了纯水射流冲蚀、磨料水射流垂直冲蚀和磨料水射流小角度冲蚀时的冲击作用和剪切作用。结果表明，纯水射流对材料的冲蚀能力较低，水射流对材料的冲蚀作用可以分为水射流的冲击作用和水射流侧向绕流所形成的剪切作用，水射流冲蚀角度越小，水射流的剪切作用越明显。磨料流的加入大大提高了射流的冲蚀能力，射流压力越大，材料的冲蚀率越高，Al_2O_3陶瓷和硅酸盐玻璃材料的去除主要是由于平行于材料表面的亚表面晶间裂纹与垂直材料表面的晶间裂纹的交接而实现。小角度冲蚀时，磨料粒子对材料表面冲蚀的主要特点是冲击作用减弱，材料冲蚀表面的脆性断裂减少，剪切变形和微切削作用增强，改善了表面加工质量。磨料水射流的冲击作用可增加材料的去除量，但降低材料冲蚀表面的完整性；水射流的剪切作用在材料去除过程中只起辅助作用，对提高材料冲蚀表面质量有利。 利用准静态压痕断裂力学的理论对单颗粒磨料粒子冲蚀过程进行了力学分析。建立了工件材料产生径向／中位裂纹和侧向裂纹的冲蚀动能临界条件模型，提出了硬脆材料的脆性断裂冲蚀阻R_(CE)和脆性冲蚀加工数M的概念。研究了磨料水射流加工硬脆材料时的脆塑转变机理，建立了考虑水射流速度分布、工件材料与磨料粒子相对硬度和冲蚀角度影响的工件材料脆性断裂单磨料粒子有效脆性断裂冲蚀动能和工件材料剪切变形单磨料粒子有效塑性剪切冲蚀动能模型，提出了加工硬脆材料时脆塑转变机理的冲蚀动能临界条件，并进行了实验验证。结果表明，在冲蚀过程中，硬脆材料主要形成塑性压痕区、径向／中位裂纹和侧向裂纹系统，塑性压痕区中产生材料的显微塑性流动，径向／中位裂纹引起材料的裂纹损伤，侧向裂纹的扩展导致材料的脆性断裂。对于以脆性断裂为冲蚀机理的加工条件下，断裂冲蚀阻R_(CE)越小，冲蚀加工数M越大，材料的脆性断裂冲蚀越明显，材料去除率越高；反之，材料的去除率较低，实验证明，材料断裂冲蚀阻R_(CE)和冲蚀加工数M两个参数能够直观地评价材料抵抗脆性冲蚀的能力和脆性冲蚀可加工性。加工硬脆材料时的冲蚀机理可分为脆性断裂冲蚀机理、塑性剪切冲蚀机理和无裂纹冲蚀机理三类，其对应的冲蚀区分为脆性断裂冲蚀区、塑性剪切冲蚀区和无裂纹冲蚀区。在磨料水射流冲蚀工件材料时确实存在脆塑转变机理，脆塑转变时的单颗粒磨料粒子有效冲蚀动能实验值与理论值具有相同的数量级。在冲蚀动能较高时，工件材料发生脆性断裂冲蚀，冲蚀率较高而冲蚀能耗较低；在冲蚀动能较低时，工件材料发生塑性剪切冲蚀，冲蚀率较低而冲蚀能耗较高。在工件材料脆塑转变的过渡能量区中，脆性断裂冲蚀机理和塑性剪切冲蚀机理同时存在，形成半塑性冲蚀机理。 运用压痕断裂力学和弹性力学对单磨料粒子冲蚀过程进行力学分析，以磨料粒子有效冲蚀动能为基础，建立单磨料粒子脆性断裂冲蚀和塑性剪切冲蚀时材料去除体积模型，实验验证表明，材料去除体积的理论值与实验值具有良好的一致性，塑性剪切冲蚀时材料去除量非常小，有利于改善材料加工表面质量。建立了磨料粒子冲蚀时工件材料弹性应力场模型，对塑性区内工件材料的塑性剪切变形和裂纹成核扩展过程进行了分析，结果表明，冲蚀角度对磨料粒子的剪切作用影响最大。当冲蚀角度等于90°时，磨料粒子不会对材料产生剪切作用，塑性变形区的材料仅会在冲蚀压痕周围堆积形成隆脊；当冲蚀角度小于90°时，磨料粒子所形成的主应力随冲蚀角度的减小而增大，在主应力和最大剪切应力的作用下材料倾向于在磨料粒子冲蚀区的前部形成较大的剪切变形，导致材料堆积和去除。 研制成功了精密微细磨料水射流加工系统和蓄能式脉冲供料系统。该系统由供压系统模块、喷射系统模块、供料系统模块、运动及控制模块和辅助功能5个子系统模块构成，可提供2-15MPa的压力，蓄能式脉冲供料系统可对10.38μm的磨料实现0.4-0.2mg／脉冲的稳定供料。利用该加工系统分别对硅酸盐玻璃、氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷表面进行了抛光，并利用原子力显微镜对抛光面的形貌和表面粗糙度进行了检测。结果表明，抛光后的表面粗糙度降低，在所扫描的范围内，硅酸盐玻璃抛光表面的粗糙度为Ra93.195nm，在两条对角线上扫描的抛光面的粗糙度平均值为Ra40-46nm；氧化铝陶瓷抛光表面的粗糙度为Ra131.22nm，在两条对角线上扫描的抛光面的粗糙度平均值为Ra40-50nm；氮化硅陶瓷抛光表面的粗糙度为Ra38.616nm，在两条对角线上扫描的抛光面的粗糙度平均值为Ra26-38nm。精密微细磨料水射流可以实现对硬脆材料的精密抛光，该抛光技术具有不会产生磨料硬损伤，抛光表面不会受研磨盘或抛光盘变形的影响，磨料粒子冲蚀区热影响较小，射流束截面面积小可对复杂曲面进行抛光等优点，因此是一种非常有潜力的抛光技术。