微磨料气射流加工技术研究现状与展望

微磨料射流加工技术是一种基于高能流体的磨粒冲蚀磨损加工技术,已广泛应用于难加工材料、复杂三维型面、光滑表面的加工。为进一步提高磨料射流加工过程中的精准控形控性能力,国内外学者开展了诸多基础加工理论与工艺探索等方面的研究工作。本文在概述磨料射流加工技术发展的基础上,全面总结了国内外学者在微磨料气射流加工(MAJM)技术中的微磨料气射流束发散效应及其抑制策略、材料力学性能对材料冲蚀去除模式的影响、材料冲蚀加工过程磨料嵌入抑制策略、微结构冲蚀加工几何特征等方面的主要研究成果,并对微磨料射流加工技术的难点与发展趋势进行了展望。

微磨料气射流加工机理实验研究

微磨料气射流加工技术是对硬脆材料进行微细加工的一种非常有潜力的技术.对脆性材料微磨料气射流加工机理的实验研究是精细精密加工领域一个重要研究方向.为研究微磨料气射流加工的一般机理,在一套自制微磨料气射流装置上实验并分析了喷射参数及磨料参数对微磨料气射流加工影响的数据,得到了微磨料气射流加工中喷射距离、喷射时间、喷射压力、喷射流量和磨料粒度对加工效果的影响的一般规律.

微磨料气射流加工特性实验研究

为了获得微磨料气射流加工的一般原理,设计了一套微磨料气射流喷砂实验装置,利用该装置实验调查了射流特性及喷射参数对微磨料气射流加工的影响规律,并结合气固两相流理论对问题进行了分析。得到了微磨料气射流加工中喷射距离、喷射时间和磨料粒度对加工效果的影响规律,最终确定了合理的加工参数。

微磨料气射流加工的混砂器磨料雾化数值模拟

在微磨料气射流加工技术领域,微磨料混砂器是加工装备中的一个非常重要的功能部件。为了得到在混砂过程中混砂器内的颗粒雾化状态,基于气固两相流理论中的欧拉法和拉格朗日法,结合三维数值模拟技术对气喷射混砂器内的气固二相流进行数值模拟的研究,获得了不同的时间、压强等对混砂器内磨料的雾化混砂状态与规律。结果显示,当输入的气体时间在4s时,混砂器内颗粒雾化进入稳定状态;在时间以及气体流量不变的情况下,压强在0.5MPa-0.6MPa的范围,混砂器内颗粒的雾化效果较好。并通过实验对仿真得到的参数进行验证,结果证实了仿真的正确性。

低温磨料气射流加工PDMS实验研究

通过自研的低温磨料气射流加工装置进行低温磨料气射流加工聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)实验研究,分析了加工时间、加工距离、冲蚀角度和磨料粒径对冲蚀率、孔深和孔横截面形貌的影响。结果表明:随着加工时间的增加,冲蚀率先增大后减小,在第1阶段加工过程中,孔深与加工时间大致呈线性关系,增加加工时间还可使孔底部变平整;存在一个最佳加工距离使孔深最大,当加工距离大于最大加工距离时,孔深将随着加工距离的增加而急剧下降,孔的锥度随着加工距离的增大而增大;当冲蚀角度处于30°~60°之间时,冲蚀率最大,随着冲蚀角度的增加,孔的形状逐步由椭圆形变成圆形;存在一个最佳磨料粒径,使冲蚀率和孔深达到最大;当冲蚀角度小于90°时,低温磨料气射流加工PDMS材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。

低温磨料气射流加工装置的研制与实验验证

针对磨料气射流加工技术在常温下无法加工聚二甲基硅氧(Polydimethylsiloxane,PDMS)等聚合物材料的问题,提出了低温磨料气射流加工PDMS等聚合物材料的设想。设计了一套低温磨料气射流加工装置,通过改变浸没在液氮中的蛇形管长度,可以得到不同温度的低温磨料气射流。建立了蛇形管长度计算的数学模型,通过实验验证了该模型的可行性,为以后对低温磨料气射流加工进行更深入的研究奠定了基础。用不同温度的磨料气射流加工PDMS,发现常温下磨料气射流无法加工PDMS,而低温下可以进行加工。低温下加工PDMS可以提高孔的横截面质量,材料去除机理为塑性去除和脆性去除的结合。

低温微磨料气射流加工微流道专用机床

针对目前低温微磨料气射流加工用简易实验装置中存在的问题,研制了低温微磨料气射流加工微流道专用机床。该机床主要由微磨料气射流发生部分、冷却部分、加工部分、磨料回收部分及其控制系统部分组成。首先对机床进行整体设计,保证其具有合理的布局和稳定的结构;其次针对机床的核心部件冷却器进行总体设计、理论计算与仿真分析,并开展测温实验验证设计的合理性,使用PLC控制器和液氮液位监测仪实现冷却器的自动控温;最后设计了四维移动平台,并通过人机交互界面对其进行编程控制。验证实验表明,该机床在低温下可实现对聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材料的有效冲蚀去除,且加工效果明显好于常温下的加工效果,能够满足微流控芯片的多元化应用需求。

微磨料气射流加工的射流仿真与分析

为了获得微磨料气射流加工技术中的喷嘴的射流状态,依据气固两相流理论,利用FLUENT软件分别对喷嘴射流的外流场和粒子的运动轨迹进行仿真,得到了射流的速度云图、速度矢量图,以及粒子的运动规律。运用实验分析了射流特性及喷射参数对微磨料气射流加工技术的影响规律。

塑性磨料气射流仿真与试验研究

塑性磨料气射流加工(PAJM)是一种先进的减材加工技术,是采用热固性塑性磨料代替传统硬磨料而发展的新型技术,该技术可有效去除表面涂层,且不损伤基材。基材无损主要是通过控制塑性磨料对基材的冲蚀应力,使得塑性磨料的冲蚀应力小于基材纤维的极限强度或纤维与树脂的结合强度。本研究采用有限元仿真和试验相结合的方法,对颗粒速度进行理论分析、计算流体动力学仿真模拟和试验研究,研究不同气体压力下的颗粒速度,计算结果与试验数据吻合较好。结果表明,随着磨料颗粒离开喷嘴,在距离喷嘴出口6.2 dN内(dN为喷嘴内径),颗粒速度增加;相反,距离喷嘴出口6.2 dN外,颗粒速度逐渐减小。当磨料粒径由20~30目变为40~50目时,最大颗粒速度由164.365 m/s增加到228.402 m/s。随着磨料粒径的减小,颗粒速度增加,且发散角增加。相比而言,数值模型能更好的预测塑性磨料的颗粒速度和分布。该研究突出了控制颗粒粒径和支座距离对射流场颗粒速度和发散角的影响。为控制颗粒对基材的冲蚀应力,避免基材损伤提供理论参考。

精密零件的微磨料气射流光整加工

近年来,在非传统去毛刺加工方法中,微磨料气射流去毛刺由于初始成本低、生产效率高、灵活性强、无应力、无热影响区,在精密零件的光整加工中获得了广泛的应用。本文详细介绍了微磨料气射流用于光整加工去毛刺的加工原理、材料去除机理、去毛刺的工艺参数以及对棱边尺寸的影响,并列举了一些微磨料气射流在不同应用领域的加工实例。

磨料颗粒速度对汽车CFRP表面涂层去除率的影响

针对汽车碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)表面损伤涂层的无损基材去除,收集牌号为2124的酚醛类树脂塑料制备磨料,提出塑性磨料气-固两相射流加工方法。通过单因素控制试验和数值模拟相结合的方法,在不同气体压力下用30~40目的塑性磨料对涂装有机涂层的CFRP试样板进行冲蚀试验,研究了颗粒速度随气体压力的变化规律。借助扫描电子显微镜(SEM)和超景深三维显微镜观察涂层冲蚀表面的三维形貌,阐明了涂层去除机理,研究了冲蚀角度和磨料形状对冲蚀机理的影响,定量分析了塑性磨料在不同气体压力下的涂层去除量。结果表明,随着气体压力的增加,涂层去除率增加。涂层在较低的颗粒速度下主要以微耕犁导致塑性变形的方式去除,在较高的颗粒速度下主要以微切削的方式去除。本研究可为塑性磨料气射流去除汽车CFRP表面涂层技术提供理论参考。