基于空化效应的软脆材料加工新方法的研究
结题报告
批准号:
51405442
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
楼飞燕
依托单位:
学科分类:
E0509.加工制造
结题年份:
2017
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
戴勇、郁炜、冯凯萍、邓乾发、周芬芬、孙动策、李帆
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中文摘要
针对软脆材料加工过程中易产生划痕、凹坑、磨粒嵌入等表面损伤,提出一种基于空化效应的软脆材料加工新方法:利用空化装置使加工区域的水基加工液发生空化。所形成的空泡溃灭在加工液中产生微射流、冲击波和OH-氧化自由基。微射流和冲击波以机械作用的形式反复作用,在工件表面形成厚度极小的疲劳破坏层,OH-氧化自由基与工件表面发生化学反应生成氧化层,利用机械-化学作用协同对工件材料进行去除,实现软脆材料高效、低损伤加工。由于加工过程中不使用磨料,避免了工件表面划痕、磨粒嵌入等损伤,并减少了对环境的污染。本项目研究揭示加工过程中空化机理,分析空化效应下空泡流和空化流场的动力特性和分布规律,研究加工过程中的工件材料去除机理,探索空化效应定量控制的关键因素和方法,构建加工实验平台,优化加工方式及工艺参数,发展一种高效、高质量、低成本的加工新方法,对丰富精密超精密加工技术具有重要的科学意义和工程应用价值。
英文摘要
A novel machining method that is based on cavitation effect for soft-brittle material is proposed to tackle with some defects such as scratches, pits, abrasive embedded on material surface. The novel method employed the cavitation equipment to induce cavitation in water-based machining fluid. When the bubbles collapse, there are mico-jet streams, impinging waves, OH- oxidative free radicals are produced in machining fluid.The micro-jet streams and impinging waves have effects on the wafer surface in type of mechanical action and generated a layer of fatigue failure; The OH- oxidative free radicals have chemical reaction with the material surface and generated a layer of oxides. The type of mechanical action together with the type of chemical action have effects on the wafer materials surface are realized high-effective and low-damage machining of soft-brittle materials. There is no brasive in machining fluid, the scratches and abrasive embedded are escaped on the material surface and decreased the environmental pollution.The project exposed the cavitation mechanism in processing, analyzed cavitation bubbles flow and cavitaion flow field dynamic property and distribution rule, studied the wafer material remove mechanism in processing, explored the key factors and methods of quantitative control of cavitation effect. The experimental machining platform is built with which optimize machining techniques and processing parameters. The project develop a novel machining method with high efficiency , low cost and high quality surface, which has scientific sense and engineering application value in enriching machining technology with precision and ultra-precision machining .
随着光电科技等核心产业的不断发展,功能材料作为这些产业的基础材料,对其表面质量要求也越来越高,然而传统的表面加工方式易造成亚表面的损伤以及表面缺陷,很难获得更高的表面质量。因而,国内外专家学者纷纷寻求新型的加工原理与方法。本文基于空化效应展开了对功能材料加工的探索性研究,以期能够开发出一种高效高质、绿色环保的加工方式,达到更高的表面质量要求,具体完成的工作如下:.(1) 理论研究:根据空化腔室结构特点及其空化流场的流动特性,提出将自振型和文丘里管型的空化腔室进行串联,并完成串联式空化腔室的建模工作;分析研究空泡动力学方程、射流结构、数值模型等,为数值研究与分析提供理论基础。.(2) 数值研究:采用Mixture多相流模型,k-ε湍流模型,Singhl空化模型,优化多种串联式空化腔室的流体域模型,分析空泡体积分数云图,压力分布云图以及速度分布云图等。结果得出相对较好的串联式空化腔室几何结构参数,即β值取20°,d′值取2.0mm,n值取10.5mm,α值取60°,m取值5.0mm,d值取8.0mm。.(3) 实验平台设计:结合对空化流场的理论研究以及串联式空化腔室的数值研究,自主设计并搭建了一整套可视化、全循环流动的实验加工平台,包括多种喷嘴的结构设计,管道的稳定性与安全性设计等。.(4) 实验探究:首先探究喷射距离对加工效果的影响,同时对多种空化腔室的数值研究进行对比性的验证,得出了相对较好的串联式空化腔室,以及其对应功能材料加工的最佳喷距为8mm附近;然后探究加工基液对加工效果的影响,采用相对较好的串联式空化腔室在其最佳喷距下,对功能材料进行探索性的加工实验,得出了加工后的表面形貌变化特征;加工基液中加入磨料,得出了磨料在一定程度上促进了基于空化效应的功能材料的材料去除,整体去除率提升59%,对局部区域性加工取得了较好的效果。
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DOI:--
发表时间:2017
期刊:机电工程
影响因子:--
作者:戴勇;叶见领;葛满;楼飞燕
通讯作者:楼飞燕
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