自生磨料射流发生机理及切割碳纤维复合材料研究

As a non-traditional high energy beam processing technology, high pressure waterjet is capable of machining a wide range of materials, which gives it tremendous development value and broad application prospect. In order to solve the currently existing problems of this technology, such as low security for abrasive suspension waterjet and low particle acceleration for abrasive injection waterjet, a new method of using saturated calcium chloride solution as working fluid to produce crystals as working particles was proposed. And the calcium chloride solution containing crystals discharges from a nozzle to yield self-generating abrasive jet. By studying the characteristics of crystallization kinetics of saturated calcium chloride solution at high Reynolds number conditions, the factors and conditions for controlling the nucleation and growth rate of the crystal can be obtained. The flow field of calcium chloride solution will be analyzed, the force and motion equations will be established, and the characteristics of crystal acceleration and distribution will be studied. As a result, the generation mechanism of self-generating abrasive waterjet can be revealed. Afterwards, carbon fiber composite materials (CFRP) will be cut by self-generating abrasive jet to study the cutting characteristics. The removal mechanism of CFRP will be studied and the mathematic models of cutting depth and efficiency will be established. This research provides a new method for improving the cutting ability and efficiency of high pressure waterjet. The results can guide the application of self-generating abrasive jet in machining composite materials, and help raise the level of non-traditional machining technology as well.

作为一种非传统高能束特种加工技术，高压水射流在对各种材料的加工上体现出了极强的适应性，具有巨大的开发价值和广阔的应用前景。针对前混合磨料射流安全性低与后混合磨料射流粒子加速不充分等难题，提出以饱和氯化钙溶液为工作介质并通过降温使高压管中析出晶粒再随溶液从喷嘴射出而形成自生磨料射流的新思路。通过研究饱和氯化钙溶液在高压和高雷诺数下的结晶动力学特征，获得晶体成核与生长速率的控制条件，分析高速流动携晶溶液的固液两相流流场特性，建立晶粒的受力方程与运动方程，阐释晶粒的加速规律及其在射流中的分布特性，揭示自生磨料射流的发生机理；并以碳纤维复合材料（CFRP）为切割对象，研究自生磨料射流的切割特性，阐释CFRP的去除机理，构建切割深度与效率的数学模型。研究成果可为提高水射流的切割能力与效率提供一种新途径，为其在先进复合材料加工领域的应用提供理论与技术指导，对提高我国的特种加工技术水平具有推动作用。

为提高水射流的冲击能力与切割效率，促进水射流技术在能源与机械加工领域的应用，项目针对当前磨料射流存在的不足，提出将饱和氯化钙溶液冷却析出晶体作为磨料，并随溶液由自激振荡脉冲射流喷嘴射出，形成振荡型自生磨料射流。项目研究了高压环境和强湍流条件下降温过程中氯化钙溶液的传热特性与结晶规律，分析了高雷诺数下饱和氯化钙溶液冷却结晶过程，探究了压力和流速对结晶速率以及晶粒形状与尺寸的影响。此外，研究了氯化钙溶液在管道中的固-液两相流流场特性，分析了磨粒的加速规律，建立了不同流态特下的氯化钙溶液热平衡方程，得到了不同温差下的磨料质量分数曲线以及预设条件下管径与流体流速的关系曲线。最后，确立了氯化钙溶液的冷却方案与关键设备参数，搭建了自生磨料射流实验平台，研究了射流的压力脉动特性与冲击特性，并以碳纤维增强复合材料（CFRP）为工件进行了切割实验与加工工艺参数优化。研究结果表明：氯化钙溶液的降温温差越大，射流中磨料质量分数越大，当终止温度为20°时磨料的质量分数最大；在初始温度为50°温差为30°时，磨料的质量浓度达到最大为33%；降温的速度越快，得到的氯化钙晶体越细，硬度也越大；当氯化钙溶液冷却到20°时，析出晶体为CaCl2•6H2O的三方结晶，密度1.71g/cm3。此外，自振喷嘴出口长径比对射流压力脉动有较大影响，当长径比为5时射流的压力脉动峰值和幅值最大；通过砂岩冲击实验发现随着射流冲击角度的增大，冲蚀质量和深度先增加后减小，并在70°时达到最大；通过对型号为T300的不同厚度CFRP板材进行切割实验发现，断口表面粗糙度随切割深度的增加而增大，且厚度对断面粗糙度的影响不大。研究结果对促进新型高效水射流技术的发展及其应用具有积极作用。