超声振动辅助磨料水射流脉动行为及其对加工机理影响机制研究

发布时间：2017-07-05 04:06

  本文关键词：超声振动辅助磨料水射流脉动行为及其对加工机理影响机制研究

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【摘要】：本文提出将超声振动施加于磨料水射流加工过程,增强射流脉动行为,改善磨料水射流流场分布和磨料分布状态,提高磨料运动速度和磨料利用率,增强磨料水射流加工能力和加工效率。研究了超声振动辅助磨料水射流脉动行为规律。研究了喷嘴轴向超声振动、喷嘴内孔壁面超声变形振动等两种激励方式下射流的脉动行为规律。研究结果表明,喷嘴内孔壁面超声变形振动所产生的射流脉动行为效果较好,射流在喷嘴内外都存在交替变化的高压区和低压区,其在喷嘴轴线和出口处的速度脉动幅度较大。研究了喷嘴内孔壁面超声变形振动激励方式下磨料在射流中的运动轨迹,结果表明,超声振动辅助磨料水射流中的磨料在运动中产生了周期性积聚和分散,有利于提高材料的去除效率。研制了超声振动辅助磨料水射流加工装置。设计了超声振动辅助磨料水射流喷嘴,并对其进行了模态分析和谐振响应分析。实验测量了超声喷嘴的实际工作频率和振幅,测量结果表明所设计的超声喷嘴符合加工要求。实验研究了超声振动辅助磨料水射流脉动行为规律。结果表明,超声振动增强磨料水射流的脉动行为,增大了射流平均冲击力,使射流实际脉动频率增加,脉动幅度增大,有利于提高磨料水射流的加工效率。同时射流压力越大,脉动幅度越小研究了超声振动辅助磨料水射流脉动行为对加工机理的影响机制。建立了超声振动辅助磨料水射流冲蚀硬脆材料脆塑转变磨料冲蚀动能临界判据和冲蚀坑纵向半径理论模型。模拟研究了射流脉动行为对陶瓷材料变形、应力和应变分布的影响规律。结果表明,射流速度和射流压力的脉动行为导致了硬脆材料变形、应力和应变分布规律发生脉动,其脉动趋势与射流脉动规律基本一致,但存在相位差。模拟研究了单颗粒、多颗粒磨料冲蚀时硬脆材料的变形规律。结果表明,八面体较球状磨料更容易嵌入工件,且冲蚀深度较大。多颗粒磨料冲蚀陶瓷材料时,工件的变形量产生了叠加,平行磨料冲蚀时应力和应变范围产生了叠加,顺序磨料冲蚀时应力和应变范围没叠加反而减小。实验研究了超声振动辅助磨料水射流冲蚀氧化铝陶瓷和玻璃的加工表面形貌与材料去除机理,建立了超声振动辅助磨料水射流冲蚀氧化铝陶瓷和玻璃的冲蚀深度和材料去除量实验预测模型。结果表明,超声振动提高了磨料水射流的加工能力,施加超声振动后氧化铝陶瓷和玻璃的冲蚀深度和材料体积去除量均增加。超声振动辅助磨料水射流加工氧化铝陶瓷和玻璃的材料的主要去除机理是塑性去除。射流压力和靶距对材料去除量和冲击坑深度的影响最大,振幅次之,磨料粒径影响最小。
【关键词】：超声振动辅助磨料水射流 脉动行为 加工机理 冲蚀深度 材料体积去除量
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG664
【目录】：

• 摘要13-15
• Abstract15-17
• 主要符号表17-18
• 第1章 绪论18-26
• 1.1 磨料水射流加工技术研究现状18-21
• 1.1.1 磨料水射流加工技术概述18
• 1.1.2 典型磨料水射流加工工艺18-20
• 1.1.3 磨料水射流加工机理分析20-21
• 1.2 超声振动辅助磨料水射流加工技术研究现状21-24
• 1.2.1 射流脉动规律研究及其应用现状21-23
• 1.2.2 超声振动辅助水射流加工技术现状23-24
• 1.3 超声振动辅助磨料水射流加工技术存在的主要问题24
• 1.4 论文的研究目的、意义及主要研究内容24-26
• 1.4.1 研究目的和意义24
• 1.4.2 主要研究内容24-26
• 第2章 超声振动辅助磨料水射流脉动行为模拟研究26-47
• 2.1 超声振动辅助磨料水射流流动模型26-28
• 2.1.1 超声振动辅助磨料水射流流动基本特性26-27
• 2.1.2 圆形喷嘴脉动射流束直径模型27
• 2.1.3 超声振动辅助磨料水射流的脉动雾化控制27-28
• 2.2 超声振动激励方式对磨料水射流脉动行为的影响28-42
• 2.2.1 喷嘴轴向超声振动的影响29-34
• 2.2.2 喷嘴内孔壁面超声变形振动的影响34-42
• 2.2.3 激励方式对射流脉动行为影响效果的比较42
• 2.3 基于射流束脉动行为的磨料运动规律研究42-46
• 2.3.1 磨料运动轨迹分析方法概述42-43
• 2.3.2 基于脉动行为的磨料运动轨迹模拟模型建立43-44
• 2.3.3 模拟结果与分析44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 超声振动辅助磨料水射流脉动行为实验研究47-74
• 3.1 超声振动辅助磨料水射流加工装置设计47-48
• 3.2 超声喷嘴的设计48-51
• 3.2.1 超声喷嘴设计要求和类型选择48-49
• 3.2.2 超声喷嘴的设计计算49-51
• 3.3 超声振动辅助磨料水射流加工装置模态分析51-54
• 3.3.1 声固耦合控制方程51-52
• 3.3.2 模态分析模型的建立52-53
• 3.3.3 模拟结果与分析53-54
• 3.4 超声喷嘴的谐振响应分析54-61
• 3.4.1 超声喷嘴谐振响应分析数学模型54-55
• 3.4.2 超声喷嘴谐振响应分析55-61
• 3.4.2.1 超声喷嘴谐振响应分析过程55-57
• 3.4.2.2 超声喷嘴参数对系统固有频率的影响57-61
• 3.5 超声振动辅助磨料水射流加工装置振动参数测量61-64
• 3.5.1 频率测量62-63
• 3.5.2 振幅测量63-64
• 3.6 超声振动辅助磨料水射流脉动行为实验研究64-73
• 3.6.1 实验原理64
• 3.6.2 实验装置64-66
• 3.6.3 实验结果与分析66-72
• 3.6.4 超声振动辅助磨料水射流等效冲击压力实验模型的建立72-73
• 3.7 本章小结73-74
• 第4章 超声振动辅助磨料水射流脉动行为对加工机理的影响机制研究74-101
• 4.1 超声振动辅助磨料水射流冲蚀硬脆材料去除机理研究74-76
• 4.1.1 概述74
• 4.1.2 超声振动辅助磨料水射流冲蚀硬脆材料脆塑转变条件74-75
• 4.1.3 超声振动辅助磨料水射流冲蚀坑纵向半径理论模型建立75-76
• 4.2 超声振动辅助磨料水射流冲蚀陶瓷材料变形规律数值模拟76-85
• 4.2.1 流固耦合数值模拟方法概述76-77
• 4.2.2 射流冲蚀陶瓷材料流固耦合控制方程77-79
• 4.2.2.1 流体域部分控制方程77-79
• 4.2.2.2 固体域部分控制方程79
• 4.2.3 射流冲蚀陶瓷过程模拟79-85
• 4.3 超声振动辅助磨料水射流中的磨料冲蚀陶瓷材料去除机理模拟85-100
• 4.3.1 陶瓷材料本构关系模型85-87
• 4.3.2 单颗粒磨料冲蚀陶瓷材料去除机理87-96
• 4.3.2.1 单颗粒磨料垂直冲蚀陶瓷模拟87-92
• 4.3.2.2 单颗粒磨料小角度冲蚀陶瓷模拟92-96
• 4.3.3 多颗粒磨料冲蚀陶瓷材料去除机理模拟96-100
• 4.3.3.1 多颗粒磨料冲蚀陶瓷材料基本理论96-97
• 4.3.3.2 多颗粒磨料平行排列冲蚀陶瓷模拟97
• 4.3.3.3 多颗粒磨料顺序排列冲蚀陶瓷模拟97-100
• 4.4 本章小结100-101
• 第5章 超声振动辅助磨料水射流加工硬脆材料的实验研究101-121
• 5.1 超声振动辅助磨料水射流冲蚀实验101-115
• 5.1.1 实验条件101-102
• 5.1.2 实验方案102-104
• 5.1.3 工艺参数对工件表面冲蚀形貌的影响104-115
• 5.1.3.1 超声振动对冲蚀形貌的影响104-106
• 5.1.3.2 振幅对冲蚀形貌的影响106-107
• 5.1.3.3 射流压力对冲蚀形貌的影响107-111
• 5.1.3.4 靶距对冲蚀形貌的影响111
• 5.1.3.5 磨料粒度对冲蚀形貌的影响111-115
• 5.2 超声振动辅助磨料水射流冲蚀硬脆材料冲蚀深度与材料体积去除量预测模型的建立115-117
• 5.3 超声振动辅助磨料水射流冲蚀硬脆材料表面形貌分析117-119
• 5.4 本章小结119-121
• 结论与展望121-123
• 论文创新点摘要123-124
• 参考文献124-133
• 攻读博士学位期间发表的论文133-134
• 致谢134-135
• 附录135-159
• 学位论文评阅及答辩情况表159

【参考文献】

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本文编号：520424