基于高压水射流的塑性金属表面强化研究
发布时间：2022-02-05 02:08
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...
【文章来源】：江南大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的关键核心零部件
最新的研究主要是超高精度加工、射流强化以及射流技术在新材料上的推广应用。水射流一般可以分为连续射流与非连续射流[26]，连续射流是最普通的射流种类，而非连续射流主要指的是脉冲射流。水射流依据有无添加磨料颗粒可以分为纯水射流与磨料水射流，而磨料水射流存在两种混合方式，可分为前混合和后混合磨料水射流，此外冰粒射流也可以算作一种特殊的磨料水射流[27]。根据外部环境介质的不同，分为淹没射流（射流与周围介质物理性质相同）与非淹没射流（射流与周围介质物理性质不同）。1.2.2工作原理（1）纯水射流图1-2为纯水射流的工作原理图，纯水射流相较于其他类型的水射流比较简单，高压泵流出的高压水经由高压管路，最后直接从水喷嘴射出，由于纯水射流能量较小，且高压水从水喷嘴射出后，能量衰减迅速，很少用于金属去除性加工。图1-2纯水射流工作原理图（2）前混合磨料水射流图1-3为前混合磨料水射流的工作原理图，在前混合磨料水射流中，磨料和水有两次混合机会。第一次混合发生在磨料罐，从高压泵流出的高压水一部分直接流入磨料罐，使罐内磨料处在一种“拟流体”的流化状态。第二次混合发生在混合腔，磨料罐中的水和磨料混合物进入混合腔，与从高压泵流出的另一部分高压水发生二次混合，最终形成稳定的射流束从喷嘴射出。在前混合所得到的射流束中，水相与速度相速度十分接近，磨料颗粒从高速水流中获得大量能量，高压水的能量转换效率很高，在喷嘴出口位置磨
第一章绪论3料颗粒集中分布在射流核区域。虽然前混合磨料水射流的混合效果显著且加工能力优秀，但其对高压管件的磨损也十分严重，经济适用性不高。图1-3前混合磨料水射流工作原理图（3）后混合磨料水射流图1-4为后混合磨料水射流的工作原理图，后混合磨料水射流的发生结构相比于前混合简略许多，过程中只存在一次混合，发生在混合腔内。从高压泵流出的高压水直接经由水喷嘴进入混合腔，在高速流动的水流附近会产生低压，并产生吸附作用，使得磨料罐中的磨料颗粒被吸入混合腔内与水混合。但由于磨料颗粒的初速度很低，经过混合加速后，仍无法达到与水相同的速度，磨料不能完全集中在射流核中，混合效果不及前混合。但综合考虑设备成本与经济适用性，后混合磨料水射流亦有其广阔的使用空间。图1-4后混合磨料水射流工作原理图1.2.3水射流表面强化的优势与传统喷丸、激光熔覆、激光淬火或热喷涂技术相比，高压水射流表面强化具有其独特的优势[28-30]：（1）冷态加工：高压水射流的水相可以在加工过程中对工件表面实时冷却降温，因此在高压水射流表面强化中不会出现热损伤、热变形等问题。（2）环境友好：纯水射流和磨料水射流的主要构成为水相与磨料相，材料环保，在强化过程中没有产生毒性气体、光污染、噪音污染等，作业环境好。（3）加工柔性高：高压水射流表面强化技术不仅可应用于各类金属材料，还可用于强化各种复杂曲面、狭窄凹槽、微小部件等，表现出很强的适应性。（4）特殊环境加工：可实现对水下或易燃环境下零部件的表面强化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]淹没条件下水射流喷嘴内外流场特性[J]. 曾施雨,王涛,刘辛愉,邵伟峰. 水运工程. 2020(03)
[2]基于遗传算法的强力旋压连杆衬套工艺参数多目标优化[J]. 佘勇,占刚,樊文欣,毛卫秀,余世捷. 锻压技术. 2019(12)
[3]水射流工艺对渗碳钢圆棒表层改性影响的研究[J]. 马泳涛,安乐乐,张伦敦,赵乐川. 郑州大学学报(工学版). 2020(01)
[4]高压水射流清洗技术应用及未来发展趋势[J]. 任君. 清洗世界. 2019(10)
[5]高压磨料水射流切割低碳合金钢的试验研究[J]. 李思,晏永飞,刘慧轩,贺耀丽. 辽宁石油化工大学学报. 2019(05)
[6]不同喷嘴结构下水射流流场及破岩特征数值模拟[J]. 马文涛,潘俊锋. 煤矿机械. 2019(09)
[7]高压水射流技术的应用现状与发展前景[J]. 程效锐,张舒研,马亮亮,罗钰铜. 液压气动与密封. 2019(08)
[8]冶金机械轴承和齿轮失效分析[J]. 何芳. 世界有色金属. 2019(06)
[9]超声喷丸表面强化技术的研究现状与应用进展[J]. 丛家慧,王磊. 机械工程材料. 2019(05)
[10]磨料水射流抛光技术综述[J]. 王中昱,张连新,孙鹏飞,李建,尹承真. 电加工与模具. 2019(S1)
博士论文
[1]硬脆材料曲面的磨料水射流抛光技术研究[D]. 车翠莲.山东大学 2011
硕士论文
[1]基于磨料水射流的人工关节球头曲面加工工艺研究[D]. 宋磊.江南大学 2019
[2]Ti-10V-2Fe-3Al合金表层湿喷丸强化机理及其工艺优化研究[D]. 郭胜华.南昌航空大学 2018
[3]混合水射流冲击强化不同几何特征表面的研究[D]. 张远西.郑州大学 2018
[4]6061铝合金纯水射流冲击强化数值模拟及试验研究[D]. 王培卓.郑州大学 2017
[5]等离子氮化及表面强化对42CrMo齿轮钢接触疲劳性能的影响[D]. 范航京.贵州大学 2017
[6]射流喷丸表面质量预测研究[D]. 徐洁.黑龙江科技大学 2015
[7]前混合水射流喷丸强化数值模拟与试验研究[D]. 吕国庆.河南理工大学 2010
本文编号：3614365
【文章来源】：江南大学江苏省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的关键核心零部件
最新的研究主要是超高精度加工、射流强化以及射流技术在新材料上的推广应用。水射流一般可以分为连续射流与非连续射流[26]，连续射流是最普通的射流种类，而非连续射流主要指的是脉冲射流。水射流依据有无添加磨料颗粒可以分为纯水射流与磨料水射流，而磨料水射流存在两种混合方式，可分为前混合和后混合磨料水射流，此外冰粒射流也可以算作一种特殊的磨料水射流[27]。根据外部环境介质的不同，分为淹没射流（射流与周围介质物理性质相同）与非淹没射流（射流与周围介质物理性质不同）。1.2.2工作原理（1）纯水射流图1-2为纯水射流的工作原理图，纯水射流相较于其他类型的水射流比较简单，高压泵流出的高压水经由高压管路，最后直接从水喷嘴射出，由于纯水射流能量较小，且高压水从水喷嘴射出后，能量衰减迅速，很少用于金属去除性加工。图1-2纯水射流工作原理图（2）前混合磨料水射流图1-3为前混合磨料水射流的工作原理图，在前混合磨料水射流中，磨料和水有两次混合机会。第一次混合发生在磨料罐，从高压泵流出的高压水一部分直接流入磨料罐，使罐内磨料处在一种“拟流体”的流化状态。第二次混合发生在混合腔，磨料罐中的水和磨料混合物进入混合腔，与从高压泵流出的另一部分高压水发生二次混合，最终形成稳定的射流束从喷嘴射出。在前混合所得到的射流束中，水相与速度相速度十分接近，磨料颗粒从高速水流中获得大量能量，高压水的能量转换效率很高，在喷嘴出口位置磨
第一章绪论3料颗粒集中分布在射流核区域。虽然前混合磨料水射流的混合效果显著且加工能力优秀，但其对高压管件的磨损也十分严重，经济适用性不高。图1-3前混合磨料水射流工作原理图（3）后混合磨料水射流图1-4为后混合磨料水射流的工作原理图，后混合磨料水射流的发生结构相比于前混合简略许多，过程中只存在一次混合，发生在混合腔内。从高压泵流出的高压水直接经由水喷嘴进入混合腔，在高速流动的水流附近会产生低压，并产生吸附作用，使得磨料罐中的磨料颗粒被吸入混合腔内与水混合。但由于磨料颗粒的初速度很低，经过混合加速后，仍无法达到与水相同的速度，磨料不能完全集中在射流核中，混合效果不及前混合。但综合考虑设备成本与经济适用性，后混合磨料水射流亦有其广阔的使用空间。图1-4后混合磨料水射流工作原理图1.2.3水射流表面强化的优势与传统喷丸、激光熔覆、激光淬火或热喷涂技术相比，高压水射流表面强化具有其独特的优势[28-30]：（1）冷态加工：高压水射流的水相可以在加工过程中对工件表面实时冷却降温，因此在高压水射流表面强化中不会出现热损伤、热变形等问题。（2）环境友好：纯水射流和磨料水射流的主要构成为水相与磨料相，材料环保，在强化过程中没有产生毒性气体、光污染、噪音污染等，作业环境好。（3）加工柔性高：高压水射流表面强化技术不仅可应用于各类金属材料，还可用于强化各种复杂曲面、狭窄凹槽、微小部件等，表现出很强的适应性。（4）特殊环境加工：可实现对水下或易燃环境下零部件的表面强化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]淹没条件下水射流喷嘴内外流场特性[J]. 曾施雨,王涛,刘辛愉,邵伟峰. 水运工程. 2020(03)
[2]基于遗传算法的强力旋压连杆衬套工艺参数多目标优化[J]. 佘勇,占刚,樊文欣,毛卫秀,余世捷. 锻压技术. 2019(12)
[3]水射流工艺对渗碳钢圆棒表层改性影响的研究[J]. 马泳涛,安乐乐,张伦敦,赵乐川. 郑州大学学报(工学版). 2020(01)
[4]高压水射流清洗技术应用及未来发展趋势[J]. 任君. 清洗世界. 2019(10)
[5]高压磨料水射流切割低碳合金钢的试验研究[J]. 李思,晏永飞,刘慧轩,贺耀丽. 辽宁石油化工大学学报. 2019(05)
[6]不同喷嘴结构下水射流流场及破岩特征数值模拟[J]. 马文涛,潘俊锋. 煤矿机械. 2019(09)
[7]高压水射流技术的应用现状与发展前景[J]. 程效锐,张舒研,马亮亮,罗钰铜. 液压气动与密封. 2019(08)
[8]冶金机械轴承和齿轮失效分析[J]. 何芳. 世界有色金属. 2019(06)
[9]超声喷丸表面强化技术的研究现状与应用进展[J]. 丛家慧,王磊. 机械工程材料. 2019(05)
[10]磨料水射流抛光技术综述[J]. 王中昱,张连新,孙鹏飞,李建,尹承真. 电加工与模具. 2019(S1)
博士论文
[1]硬脆材料曲面的磨料水射流抛光技术研究[D]. 车翠莲.山东大学 2011
硕士论文
[1]基于磨料水射流的人工关节球头曲面加工工艺研究[D]. 宋磊.江南大学 2019
[2]Ti-10V-2Fe-3Al合金表层湿喷丸强化机理及其工艺优化研究[D]. 郭胜华.南昌航空大学 2018
[3]混合水射流冲击强化不同几何特征表面的研究[D]. 张远西.郑州大学 2018
[4]6061铝合金纯水射流冲击强化数值模拟及试验研究[D]. 王培卓.郑州大学 2017
[5]等离子氮化及表面强化对42CrMo齿轮钢接触疲劳性能的影响[D]. 范航京.贵州大学 2017
[6]射流喷丸表面质量预测研究[D]. 徐洁.黑龙江科技大学 2015
[7]前混合水射流喷丸强化数值模拟与试验研究[D]. 吕国庆.河南理工大学 2010
本文编号：3614365
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