微磨料水射流加工系统研制与实验研究

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1、硕士学位论文微磨料水射流加工系统研制与实验研究DEVELOPMENTANDEXPERIMENTALSTUDYONMACHININGSYSTEMOFMICROABRASIVEWATERJET赵佩杰哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TH162学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文微磨料水射流加工系统研制与实验研究（应用型）硕士研究生：赵佩杰导师：李增强副教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classif

2、iedIndex:TH162U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDEVELOPMENTANDEXPERIMENTALSTUDYONMACHININGSYSTEMOFMICROABRASIVEWATERJET（APPLIED）Candidate：ZhaoPeijieSupervisor：AssociateProf.LiZengqiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mechan

3、icalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要现代制造技术正朝着产品小型化和加工过程微型化的方向不断发展，用于加工微型零件的材料越来越难加工，加工精度却要求越来越高，这是当前微细加工技术所面临的严峻挑战。微磨料水射流加工技术（射流直

4、径10~100µm）在近十几年来快速发展，已经实现对金属、合金、陶瓷、光学玻璃、半导体以及复合材料等难加工材料进行微细加工，因其在加工中无热影响区，不改变工件的材料性能，已在微细加工领域得到广泛的应用。本文首先根据微磨料水射流基本理论，设计出前混合式微磨料水射流加工系统，主要包括供压系统、供料系统、喷射系统、运动控制系统以及辅助装置5个部分，通过对各个系统元件的选型和结构设计，成功研制出微磨料水射流加工系统。系统的最大工作压力为35MPa，能够实现磨料的均匀和稳定供给。采用平均直径为1.8μm的氧化铝磨料，通过出口直径为

5、97.8μm的喷嘴可以形成微细磨料水射流。其次在流体力学和计算流体力学的理论基础上，利用Fluent对喷嘴内外流场进行数值模拟。以圆柱形、圆锥形和锥直形3种喷嘴为研究对象，采用多相流中的VOF模型和DMP模型对喷嘴内外固液气三相流场建立仿真模型并计算，综合分析流场中的压力和速度分布、射流的核心段长度以及射流的集束性，发现圆锥形喷嘴比较适用于微磨料水射流加工，并研究了喷嘴长度和锥角对射流流场的影响，从而优选出喷嘴结构参数。随后通过实验验证了仿真模型的准确性。最后运用所研制的前混合式微磨料水射流加工系统对厚度为0.1mm的不

6、锈钢薄板进行切割加工实验，所形成的切口为上宽下窄的倒梯形。通过研究喷射压力、喷射靶距、进给速度和磨料浓度对加工效果的影响，发现进给速度和磨料浓度对切口宽度影响比较显著，喷射压力和磨料浓度对加工效率影响比较显著。在射流核心段范围内，喷射靶距的变化对加工效率的影响不显著。喷射压力、喷射靶距和磨料浓度的提高以及进给速度降低，都会导致切口变宽。该系统对0.1mm厚的不锈钢薄板切割的最小特征尺寸为100μm以下。最终利用该系统实现了复杂图形及图案的加工，并具有良好的加工质量。关键词：微磨料水射流；加工系统；喷嘴；数值模拟；切割-I

7、-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractModernmanufacturingtechnologyisdevelopingtowardstheminiaturizationofproductandprocessing.Althoughthematerialformicropartshasbeenmoredifficulttomachining,highermachiningaccuracyisrequired.Asaresult,weencounteragreatchallengeinmicromachining

8、technology.Microabrasivewaterjetworkingwiththejetdiametersfrom10µmto100µmdevelopsrapidlyinrecenttenyears.Microabrasivewaterjetisreallysuitableforprecisionmicro