【摘 要】
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镍基高温合金材料因其良好的高温机械性能和抗辐射能力,在航天、航空以及核工业等领域得到了广泛应用,对其加工质量和加工效率提出了更高的要求。磨料水射流加工（abrasive water jet machining,AWJM）以其稳定的去除函数以及对工件形状较强的适应性被用于光整加工,但AWJM存在去除率低以及对大尺寸表面适应性差等缺陷,限制了其大规模应用。本文提出了一种基于AWJM的新型多喷嘴磨料水射
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镍基高温合金材料因其良好的高温机械性能和抗辐射能力,在航天、航空以及核工业等领域得到了广泛应用,对其加工质量和加工效率提出了更高的要求。磨料水射流加工（abrasive water jet machining,AWJM）以其稳定的去除函数以及对工件形状较强的适应性被用于光整加工,但AWJM存在去除率低以及对大尺寸表面适应性差等缺陷,限制了其大规模应用。本文提出了一种基于AWJM的新型多喷嘴磨料水射流加工（multi-nozzle abrasive water jet machining,M-AWJM）工艺,以提高AWJM的加工效率。本文通过仿真和实验结合的方法,对多喷嘴磨料水射流加工材料去除特性以及实验进行了探讨,主要研究内容包括以下几点:（1）对AWJM的研究进展查阅了国内外文献,对比了几种新型超精密抛光方法的优缺点,指出了AWJM的缺陷和未来研究方向,重点综述了AWJM仿真和实验方面的研究,指出了将M-AWJM用于超精密制造的可行性。（2）结合单颗磨粒去除机理和磨粒在流场中的分布特性建立了M-AWJM材料去除模型。单颗磨粒轴向冲蚀磨损以及切向剪切磨损是工件壁面材料去除的主要原因,喷射压力越大,材料的去除率越高。磨粒的空间分布、直径分布以及壁面速度分布决定了M-AWJM工件壁面材料去除形状。（3）使用Fluent对单喷嘴磨料水射流加工（S-AWJM）、垂直多喷嘴磨料水射流加工（vertical multi-nozzle abrasive water jet machining,VM-AWJM）和倾斜多喷嘴磨料水射流加工（inclined multi-nozzle abrasive water jet machining,IM-AWJM）进行了仿真。通过分析复合流场速度云图、压力云图以及壁面去除率云图分别对S-AWJM、VM-AWJM和IM-AWJM的材料去除形状进行预测。针对M-AWJM不同喷嘴间距、喷嘴类型、喷射压力和喷射距离对流场分布特性和工件壁面材料去除形状进行了仿真和对比。（4）设计并搭建了M-AWJM实验平台,实验平台由供压装置、喷射系统、磨粒液循环供给系统和辅助系统四部分组成。针对不同喷嘴类型对高温合金Inconel 718进行了定点射流验证性实验,通过对表面粗糙度以及材料去除率等实验结果进行分析,验证了多喷嘴磨料水射流加工的材料去除能力。（5）针对Inconel 718高温合金探究了不同入喷射距离、加工时间、喷射压力、磨粒浓度与工件表面质量以及材料去除率的关系。实验表明,使用垂直圆周分布五喷嘴磨料水射流（vertical five-nozzle circular distributed abrasive water jet machining,V-5CDJM）对Inconel 718高温合金进行加工,加工10min后表面粗糙度Ra最低可达35.744nm,材料去除率要高于单喷嘴磨料水射流加工,因此,M-AWJM可以在保留S-AWJM材料去除能力的同时获得较高工件表面质量,加工效率得到明显提高。
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