基于振动冲蚀机理的超声振动微细磨料水射流精密加工技术研究

本项目基于高频超声振动场与磨料水射流冲蚀之间的耦合机制，提出了振动冲蚀概念和超声振动微细磨料水射流精密加工技术，运用振动学和冲蚀理论对振动冲蚀现象进行实验和理论研究。通过加入大功率超声振动动力工作台，为微细磨料水射流加工系统增加第二个加工动力源，直接增大射流束的有效冲蚀动能。系统研究材料在振动场中产生振动冲蚀的临界条件，探索性地研究振动冲蚀脆性断裂冲蚀与塑性剪切冲蚀之间的转化机制，建立超声振动冲蚀率与冲蚀条件之间的数学力学模型，揭示高频超声振动场与磨料水射流冲蚀之间的耦合机制，建立振动冲蚀机理的理论模型。研究并提出工艺优化策略和加工质量定量评价指标体系。本项目的研究成果将为硬脆材料微型精密零件的加工提供一种新型高精度高效率的加工技术，必将促进硬脆材料在光学、电子、能源、信息技术等领域的广泛应用，具有重要的学术理论意义和实际应用价值。

基于超声振动场与磨料水射流冲蚀之间的耦合机制，提出了振动冲蚀概念和超声振动微细磨料水射流精密加工技术，通过引入超声振动场，改善冲蚀作用条件，增大有效冲蚀动能。系统研究了振动冲蚀机理、振动脉冲磨料水射流加工技术、法向振动磨料水射流切割加工技术、切向平振和切向扭振磨料水射流抛光加工技术，研制了相应的工艺装备。. 在振动冲蚀机理研究中，理论研究了磨料水射流冲蚀工件表面流场、单颗粒磨料冲蚀过程和振动冲蚀机理。采用外加振动激励的方式，建立了振动冲蚀过程中超声振动声固耦合分析模型，对振动冲蚀机理进行模拟。揭示了磨料水射流冲蚀过程中超声振动波干涉导致裂纹扩展和被冲蚀材料表层碎裂脱落机制；超声振动削弱了滞止层对水射流冲击作用的阻滞效应，改善了冲蚀加工条件；超声振动强化了冲蚀过程中的压力释放效应，改善了脆性材料的去除作用。. 在振动脉冲磨料水射流加工技术研究中，对超声振动射流喷嘴进行了理论研究，分析了超声变幅杆末端在激振力作用下的响应特性及流体在变幅杆管道中对振动特性所产生的影响。模拟研究了超声振动条件下射流喷嘴内、外流场的特性，研制了振动脉冲磨料水射流加工系统。理论分析揭示，利用超声振动变幅杆制作的磨料水射流喷嘴系统，在施加超声振动后，内孔孔径随之产生缩小和扩张，使得射流高压区和低压区交替变化，从而形成脉冲射流。. 在法向振动磨料水射流切割加工技术研究中，研制了法向超声振动磨料水射流加工系统，实验研究了陶瓷材料的振动冲蚀加工技术。建立了材料去除率回归分析数学模型。揭示了射流压力、冲蚀角度、磨料粒径、磨料流量、靶距和超声功率对材料去除率的影响规律，超声振动提高了微细磨料水射流冲蚀时的材料去除率。. 在切向振动磨料水射流抛光加工技术研究中，研制了切向平振和切向扭振两种磨料水射流抛光加工系统，系统研究了超声振动辅助磨料水射流抛光硬脆材料工艺和磨料粒子冲击硬脆材料有限元仿真。建立了切向平振磨料水射流抛光时微切削深度数学模型和冲蚀抛光表面粗糙度数学模型。相较于普通磨料水射流抛光技术，超声振动提高了材料去除率和加工效率；揭示了单颗粒和多颗粒磨料抛光时冲击角度和磨料颗粒形状对材料去除率和残余应力的影响规律。