复杂模具型面的非牛顿流体微磨料浆体射流低压可控定量抛光

项目提出充分利用在纯水微磨料射流中，加入亲水性的高聚物等添加剂，使得混合物作为粘塑性非牛顿流体在管道中部速度均匀和流束具有一定的刚性特性，获得有利于抛光加工的合适的浆体射流及其动态特性、加工工艺参数，实现非牛顿流体的低压前混合微磨料浆体射流定切除量抛光模具钢的可控性。本项目研究呈非牛顿流体的微磨料浆体射流的流变特性、流场特性并确定其本构方程的形式；研究非牛顿流体的低压前混合微磨料浆体射流抛光模具的冲蚀微切除过程；利用流体动力学软件仿真并实验研究微磨料浆体射流添加剂组成、喷嘴形状和各种工艺参数与射流动力学特性、加工效率和加工表面质量的相互关系；建立材料冲蚀微切除模型和抛光表面粗糙度模型；优选最适宜于模具钢抛光的微磨料浆体；提出高效高质量的模具局部曲面定点、定区域加工和修复抛光加工策略优化和控制方法。本项目的开展，对于提高和发展我国精密模具制造水平，具有重要的理论价值和应用意义。

本项目在流体力学、数值分析、磨粒冲蚀磨损、切削加工学、数学建模和优化理论，以及多种先进测试实验技术基础上，研究了微磨料浆体射流（MASJ，Micro abrasive slurry jet）加工中微磨料浆体的流变特性与制备、喷射流场特性、冲蚀机理、抛光工艺和模具型面修复方法等问题，完成了项目预期目标。. 在MASJ浆体流变特性与制备方面，通过仿真和高速摄影，评估了相间拽力模型、入口边界条件等对磨料罐流场特性的影响；研究了磨粒在搅拌罐内浓度和速度分布，摩擦力、液相湍流等参数特性；获得了浆体射流最小沉降速度；研究出一种适合稳定抛光模具的优质抛光浆体制备新方法以及浆体评价标准。. 在MASJ喷射流场特性方面，仿真得到喷嘴内外流场的压力和速度分布、微磨粒的运动轨迹以及加速机理。通过微小冲击力的精密测量，获得射流能量分布并推导出射流速度计算的理论公式。. 在MASJ冲蚀切除与抛光机理方面，高速摄影观察到射流冲击工件表面时的复杂变化，发现射流中间凸起了一个水垫层，导致工件表面形貌呈W型；随后由于浆体的侧向流动达到材料的均匀去除。在抛光中存在磨粒的2次或2次以上的反弹撞击。通过仿真和实验获得单个、多个不同形状粒子在不同微磨粒直径、射流速度、冲击角度下对工件材料的去除及粒子撞击工件表面时应力应变规律。仿真和实验结果表明，MASJ冲蚀机制在不同的冲击接触区域是有所不同的，呈现出由磨粒冲击以及磨粒侧向流动产生的窄犁耕、微切削、疲劳塑性去除，形成材料隆起、冲击疲劳的凹坑和切削沟槽的不同组合。微磨粒对工件的正向冲蚀力和侧向流动冲蚀力在0.1-0.6N 范围内，最大切向冲蚀力出现在喷射角为25º左右。可以通过优化磨料浓度、喷射压力和靶距等，改变浆体的流变、流场特性，进而改变磨粒与工件的接触能量及分布，实现对材料的切除过程、切除率、表面轮廓和形貌的控制。. 在抛光工艺和模具型面定量可控修复方面，运用量纲分析与二次多项式回归方法，建立抛光表面粗糙度的数学模型；研究发现MASJ具有良好的可控去除能力，通过采用最优工艺参数组合、掩膜加工等方案，可实现对不同形状缺陷的模具定点定区域加工，并且抛光模具钢可达镜面精度。. 本项目申请专利2项，培养博士1名，硕士2名，在读博硕士各1名，发表了论文7篇，参加了7次国内外学术交流。