异形内孔曲面的磨料流均匀加工方法研究

针对磨料流加工异形曲面一致性较差的问题,提出通过设置相似模芯结构以改善剪切应力分布的状态,从而实现均匀化加工异形曲面的方法。根据磨料流的剪切率与黏度的关系建立了幂律模型,通过COMSOL Multiphysics软件的 CFD模块计算得到置入模芯时磨料介质在加工表面的速度、剪切率和剪切应力的分布。仿真与实验表明:置入相似的模芯后可形成等宽的流道,各曲面受到的剪切应力趋向一致。工件内壁表面粗糙度Ra最大差值由无模芯时的0.376μm降为置入模芯后的0.017μm。     

喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验

以喷油嘴喷孔为研究对象,采用kε固液两相Mixture湍流模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟,并通过正交试验探索了抛光压力、磨料浓度、磨粒粒径及加工时间等工艺参数对被抛光微孔表面粗糙度的影响规律。结果表明：喷油嘴微孔磨粒流单向循环抛光加工有利于改善喷孔结构;流道表面粗糙度与各加工参数均成负相关关系,且受抛光压力及磨料浓度影响显著。通过试验获得了最优参数组合,在此条件下喷油嘴微孔表面粗糙度值(Ra)由初始的1.16μm降至0.20μm。     

磨粒流精密光整加工的微切削机理

利用磨粒流的流变特性,通过对应力张量的分析,研究了磨粒流加工中的微切削力。提出了磨粒流加工是兼挤压与微去除方式为一体的复合加工,微切削动力主要来自于磨粒挤压力、磨粒的犁削力及磨料介质的剪切力。建立了磨粒流动力学模型,通过改变磨粒流流道的加工条件和测试加工过程的接触区压力、去除量及表面粗糙度等参数,用量化的方式揭示了磨粒流加工中抽象微切削力的变化规律。最后,结合COMSOL Multiphysics软件的CFD模块数值仿真了剪切力。结果显示:基于加模芯的方法有效地提高了磨粒流加工的微切削力,滑块4经15次循环后表面粗糙度由加工前的2.918μm下降为1.027μm,而去除量下降了0.09g。实验表明,磨粒流加工中去除量确有变化,但随着加工次数增加去除作用迅速削弱,而表面粗糙度在挤压力的作用下仍有所降低。     

内循环式非牛顿流体抛光单晶硅的仿真与试验研究

为了提高磨料流抛光的效率与应用范围,提出内循环式非牛顿流体抛光方法对传统磨料流加工方式和使用的磨料进行改进。利用计算流体动力学软件对抛光区域的仿真,研究了流道中抛光流体的速度与压力的分布规律和流道槽深与入口速度对于壁面剪切应力的影响。通过单因素试验,研究了磨粒的粒径、质量分数和流道槽深对工件材料去除率和表面粗糙度的影响,并将入口处压力的试验结果与仿真结果对比。结果表明:抛光盘入口处压力仿真结果与试验结果相对误差不超过6%,验证了仿真的可靠性;材料去除率最高可达0.193μm/min,表面粗糙度由280nm降至37nm,证明了内循环式非牛顿流体抛光技术的可行性。     

大涡模拟Smagorinsky模型用于磨粒流精密加工喷嘴的质量控制研究

为研究固液两相磨粒流加工喷嘴小孔过程中的流场分布、涡旋形成规律及涡旋的存在对磨粒流加工的影响机制,采用Smagorinsky亚格子模型对磨粒流加工喷嘴小孔的流道进行大涡数值模拟,并使用磨粒流对变直径喷嘴工件进行加工试验。数值模拟发现磨粒流流体中磨粒与壁面的碰撞与剪切作用随流体的速度增大而增大,同一截面的速度存在速度差,其中还伴随涡旋的存在;通过试验研究发现：经固液两相磨粒流加工后的喷嘴小孔表面质量得到明显提高,喷嘴经过四次不同入口速度的磨粒流加工后大孔处表面粗糙度Ra由1.24 μm降至0.542 μm,小孔处表面粗糙度Ra由1.21 μm降至0.437 μm。结论显示固液两相磨粒流加工技术可有效提高被加工喷嘴工件的内表面质量,加工时同一截面的速度存在速度差,速度差的存在利于涡旋的形成,涡旋的存在利于提高磨粒流加工过程的剪切作用,有助于获得高质量的喷嘴小孔内通道表面。     

磨粒流抛光弯管的数值模拟与试验优化

针对当前复杂零件难以精密加工的问题,运用磨粒流技术进行光整加工,考虑入口压力和颗粒浓度双因素对磨粒流加工的影响,以弯管为研究对象,依据流体力学理论,对不同入口压力和颗粒浓度下的速度、湍流动能和总压进行了仿真分析,经过对比分析得出结论:当入口压力为6MPa,颗粒浓度为10％,磨粒流的抛光效果最好,并根据此参数进行了磨粒流抛光试验.试验结果表明:弯管内表面的粗糙度降低,但是出口处的表面粗糙度要高于入口处的表面粗糙度,因此选择以出口为磨粒流入口,重复进行试验,最终得到均匀一致的表面.     

低黏度液-固两相磨粒流湍流调控与结构化表面光整加工技术研究

针对结构化表面不易采用工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于低黏度液-固两相磨粒流的精密光整加工新方法。该方法采用约束模块与被加工结构化表面构成磨粒流流道,将低黏度液体与微细磨粒按照一定体积分数混合形成液-固两相磨粒流,当磨粒流以湍流状态流经所构建的流道时,通过磨粒微力微量切削的频繁作用实现流道表面的逐步光整加工。由于磨粒流在湍流状态下易于实现表面加工纹理无序化,从而提高表面质量,因此对比研究了约束模块优化前后所构成的流道中磨粒流的压力分布、速度分布和湍动能分布,得出优化设计后的约束模块易于形成均匀湍流的结论。在自行搭建的低黏度液-固两相磨粒流加工装置上进行了光整加工试验,结果表明,经过50h的光整加工,工件表面粗糙度由Ra=93.28nm减小到Ra=42.78nm,从而证明了该方法的可行性和有效性。     

磨粒流加工壁面效应研究

数值模拟了圆柱内表面的初始粗糙度、入口流速和内孔直径对壁面流场压力、局部压差及剪切力的影响规律,分析了入口处流场速度和剪切力的形成过程,从磨粒切削作用角度剖析了圆柱内表面入口处过抛现象的形成原因,结合磨粒流加工试验揭示了各参数对壁面效应的影响规律。理论分析和试验结果表明：增大圆孔直径或减小入口流速能有效改善磨粒流流场压力的均匀性,初始表面粗糙度对流场压力数值及其局部压差有微弱影响;入口处圆孔壁面速度突变引起剪切力突变,从而导致磨粒流加工过抛现象;初始表面粗糙度Ra=0.296μm时有利于减弱磨粒流加工的壁面效应,而Ra=4.273μm时有利于提高材料去除速率。     

软性磨粒流双入口约束流场数值分析及加工试验研究

针对软性磨粒流精密加工中单入口加工装置加工不均匀问题,提出一种基于流体碰撞理论的双入口加工新方法。借助计算流体力学软件,结合剪切输运(Shear stress transport, SST) k-ω湍流模型及Mixture混合模型,分析两种加工装置内磨粒流动力学特性,数值模拟结果显示：单入口加工装置内磨粒流流场固定分布,双入口加工装置内磨粒流流场呈现周期性摆动,提高约束流道内磨粒流流动无序性。加工试验进行35 h后,单入口加工装置加工工件表面粗糙度Ra值分散,工件表面存在严重加工不均匀性;双入口加工装置工件表面各处粗糙度Ra集中且各方向粗糙度值均小于单入口加工装置,表面加工效果均匀。上述研究结果表明：双入口加工装置有效地扰乱约束流道内磨粒流流场,提高磨粒流流动的无序性,改善表面加工质量。     

钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究

针对具有复杂曲面的钛合金工件磨粒流抛光后表面粗糙度Ra不均匀问题,提出一种具有扰流结构的仿型约束加工流道。借助计算流体动力学（CFD）分析软件,结合SST k-ω湍流模型、离散相模型（DPM）和Oka冲蚀模型,仿真分析原始流道和5种不同扰流角度的扰流流道内磨粒流动力学特性。数值模拟结果表明：扰流流场中的磨粒流相较于原始流场在工件表面具有更大的湍流动能、动压力和冲蚀速率,其中扰流角度为30°时冲蚀均匀性较好。基于仿真条件搭建了磨粒流加工试验平台,使用原始流道和30°扰流流道分别进行了加工试验。试验结果表明：使用原始流道加工5 h后,工件表面曲率不同区域的表面粗糙度Ra值分散,加工效果均匀性较差;使用扰流流道加工5 h后,工件表面各区域表面粗糙度Ra的均匀性明显优于无扰流流场的加工均匀性。     

异形截面孔磨粒流精密加工质量分析

采用磨粒流精密加工技术对异形截面深孔进行数值模拟及实验研究,通过大涡模拟方法对钛合金异形截面孔零件进行数值分析,并进行相关实验研究以揭示磨粒流抛光异形曲面的表面创成机理。磨粒流精密加工数值分析揭示了磨粒流动态压力、速度、磨粒对壁面压力和壁面剪切力对壁面作用规律,获得了异形截面孔内流向截面的漩涡位置分布与漩涡产生原因以及漩涡与磨粒相互作用关系。经过磨粒流精密加工后,异形曲面的表面粗糙度由Ra=7.136 μm、Rz=40.103 μm减小到Ra=1.822 μm、Rz=8.964 μm,异形截面孔内表面凸起、球化现象去除,表面质量明显改善,漩涡使异形曲面的表面质量得到大幅改善。     

钛合金薄壁曲面液态金属-磨粒流加工仿真与试验研究

针对钛合金薄壁曲面工件磨粒流抛光后表面粗糙度分布不均匀的问题,提出一种基于液态金属的磨粒流加工方法。基于SST k-ω模型、OKA冲蚀模型,流体流动颗粒追踪模型,采用COMSOL有限元软件对不同电场布置下的液态金属-磨粒流动力学特性开展深入研究。仿真结果表明,通过电场的合理布置可以控制液态金属颗粒在流场中运动;合理的电场布置可以有效提高工件表面加工均匀性,并通过仿真得出了一组冲蚀较好的试验参数。基于仿真结果开展了液态金属-磨粒流加工试验,试验结果表明：液态金属-磨粒流加工方法可有效提高工件表面加工的均匀性。在加工14 h后,不加电场的磨粒流加工表面不同区域的粗糙度分布不均,工件凹陷处粗糙度明显大于凸起处,各区域表面粗糙度极差达到66.1 nm。使用液态金属-磨粒流加工后的工件表面各区域粗糙度的均匀性明显提高,各区域表面粗糙度极差减小为20.3 nm,为液态金属-磨粒流加工的开展及其调控提供了理论和试验依据。     

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动.仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响.数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快.加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度Ra=0.35 μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65 μm,加工效率明显提高.     

砂轮约束磨粒喷射加工外圆表面创成机理及三维形貌

磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的光整加工新工艺。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为表面粗糙度0.6 m左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用扫描电子显微镜和Micromesvre2表面轮廓仪测量。应用自相关函数对磨削加工表面和光整加工表面进行分析,并研究材料去除机理和微观表面形貌的创成机理。在楔形区游离磨粒获得能量对工件进行抛磨、滑擦、和微切削是材料去除机理的核心因素,磨料流体侧向挤出是均化和降低表面波纹度的主要因素。试验结果表明,试样表面从连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,表面粗糙度明显得到改善。随着加工循环的增加,工件表面的粗糙度值由0.6 m下降到0.2 m左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。     

磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴的冲蚀磨损分析

为了研究固液两相磨粒流对伺服阀阀芯喷嘴的研抛性能,从冲蚀磨损的角度对比分析了不同磨粒硬度下的磨粒流研抛效果。利用计算流体力学方法,求解分析了磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴时流场中的冲蚀磨损特性,采用电子显微镜以及扫描电镜仪检测伺服阀阀芯喷嘴零件经磨粒流研抛前后的表面粗糙度和表面形貌。实验结果表明:采用碳化硅磨粒和白刚玉磨粒加工后的伺服阀阀芯喷嘴主干通道、交叉孔以及小孔区域的粗糙度分别由1.1μm、0.823μm、0.743μm降低为0.735μm、0.721μm、0.571μm和1μm、0.747μm、0.696μm。在本试验中碳化硅磨粒的加工效果优于白刚玉磨粒,即具有高磨粒硬度的磨粒研抛效果好。检测结果显示,磨粒流研抛技术可有效改善伺服阀阀芯喷嘴的表面质量;提高磨粒硬度可提高磨粒流的研抛效果;伺服阀阀芯喷嘴的交叉孔以及小孔区域的表面质量要高于主干通道的表面质量。     

Effects of process parameters on surface roughness in abrasive waterjet cutting of aluminium

Abrasive waterjet cutting is a novel machining process capable of processing wide range of hard-to-cut materials. Surface roughness of machined parts is one of the major machining characteristics that play an important role in determining the quality of engineering components. This paper shows the influence of process parameters on surface roughness (R_a) which is an important cutting performance measure in abrasive waterjet cutting of aluminium. Taguchi’s design of experiments was carried out in order to collect surface roughness values. Experiments were conducted in varying water pressure, nozzle traverse speed, abrasive mass flow rate and standoff distance for cutting aluminium using abrasive waterjet cutting process. The effects of these parameters on surface roughness have been studied based on the experimental results.