微金刚石磨料多相喷射加工碳化硅表面毛化外文翻译资料

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微金刚石磨料多相喷射加工碳化硅表面毛化

摘要：

多相微磨料射流加工是一种利用压缩空气加速磨料和水的混合物去除材料的新型表面造型技术。对不同材料的表面毛化效果好，而且可以方便地回收微磨粒，降低污染和成本。在此基础上，以微合成金刚石为磨料，开发了一种用于碳化硅表面加工的多相射流技术。试验研究了射流距离、射流压力、磨料浓度、粒度、射流角度等工艺参数对磨料粒度的影响。证实了加工质量和加工效率的提高。

文章历史 ：2017年8月16日 2017年10月30日

关键词: 磨料; 射流; 微加工; 微观结构; 多相; 螺旋槽; 合成金刚石; 变形

介绍：

机械密封是旋转机械中必不可少的轴密封元件。广泛应用于石油化工、喷气发动机、航空航天、冶金等行业，用于防止动静环之间的润滑剂泄漏。[1,2]旋转和固定环表面的磨损是限制机械密封可靠性和耐久性的关键，特别是在高速和高接触压力的现代工业条件下。在过去的几十年中，表面纹理已被证明是提高密封性能和耐久性的有效途径。[3-5]

机械密封的旋转和固定密封环经常使用各种材料，包括硬质材料如硬质合金和碳化硅，以及软质材料如碳石墨和聚四氟乙烯(ptfe) ，以达到良好的配合性能。

为了获得具有合适形状和尺寸的表面织构，人们发展了许多加工技术，如光刻、激光、电化学刻蚀和微铣等。[6-8]然而，基于机械加工的机理，每一种技术都有其局限性和优点。例如，激光可能会在表面形成热影响区，电火花加工和电化学蚀刻对碳化硅等非导电材料无能为力，因此超声加工往往与刀具磨损导致的加工精度降低有关。

微磨料射流加工，包括微磨料水射流加工和微磨料气体射流加工，也是一种有效的材料去除方法。[9-12]与其它加工方法相比，该方法可用于加工多种材料，不改变材料的化学和物理性能，加工表面无热影响区或残余应力。[13,14]此外，气体射流加工可以在压力低于1 mpa 的条件下进行，远低于水射流加工。[15,16]为了制造微结构，需要小尺寸的磨粒。然而，它很容易被释放到环境中，造成潜在的污染问题，而且很难回收，这是昂贵的使用宝贵的磨料。[17]

以前，蔡等。[18]使用压缩空气加速混合磨料，水和机械油表面抛光。受此启发，苏等人[19]使用绿色碳化硅(gsc)作为磨料，开发了多相微磨料射流加工(m-majm)的表面加工。在m-majm过程中，将磨料颗粒与特定量的水混合，然后通过压缩空气加速，在特定区域去除物料，使磨料颗粒可以从水中分离出来重复使用，在规则的压缩空气中，射流可以获得相对较高的速度。用碳化硅作磨料时，在加工碳石墨和不锈钢方面表现良好。然而，在碳化硅(sic)表面制造微槽时，由于存在未加工的“孤岛”，加工效率低，微结构底部的表面粗糙度相对较高进一步研究如何提高硬质材料的加工效率和加工质量，具有重要的工程应用价值。

为此，本文以人造金刚石(sd)为微磨料，提出了在 sic 表面进行多相微金刚石射流加工的方法。喷射距离，喷射压力,对微磨料浓度、射流角度和微磨料粒度进行了综合研究。并比较了以 gsc 和 sd 为磨料的加工效果，探讨了这两种不同加工工艺的机理。

材料和方法：

图1显示了 m-mdjm 处理系统的示意图。在储罐中将磨料与水混合，防止聚集和沉淀。来自空气压缩机的压缩空气经过球阀后流向两个方向。一种方式是通过保压值、节流值和截止值，依次吸入水和微磨料颗粒的混合物，形成高速多相射流通过喷嘴，另一种方式是通过截止阀流入真空发生器，将微磨料颗粒和水从加工槽中吸出，最终回到储存槽，实现微磨料颗粒的循环利用。

喷嘴是实验系统中最关键的部件之一。其形状、尺寸和稳定性对加工效果起着至关重要的作用。[20]根据微磨料的用途和加工条件，设计了一种特殊的喷嘴，以实现微磨料的持续供应。该喷嘴由硬质合金制成，主要包括入口段、内文丘里管、混合室和聚焦管，其出口直径约为1.3 mm。当压缩空气高速流过喷嘴时，在喷嘴内形成负压，将混合物吸入混合室，然后与压缩空气混合，加速形成多相微磨料射流流向工件。

为了克服金刚石磨料的缺点，本研究采用硬质合成金刚石(sd)作为微磨料。选择800ー3000目不同的 sd 粉末。网格尺寸与颗粒直径之间的对应关系如表1所示。

图2(a)展示了平均直径约13微米的典型 sd 颗粒的扫描电镜图像。为了在特定位置加工出形状和尺寸合适的表面结构，设计了一种具有一定耐磨性和相对厚度的掩模，并将其固定在工件上。图2(b)显示一个典型的304不锈钢薄板(厚度为0.2毫米)的加工矩形阵列，尺寸为3.30.5毫米，通过激光加工。为了研究多相射流加工的工艺和效率，测量了不同实验条件下加工区域的精加工深度，以便在后续部分进行比较。

如图2(c)所示，由两个带 xy 级的步进电机驱动喷嘴沿 s 型路径穿过未遮罩区域。射流距离由 z 轴步进电机控制。为保证加工的均匀性，本研究采用进给距离为0.1 mm，孔与工件的相对速度为0.8 mm/s。

碳化硅是机械密封端面常用材料。它的硬度高，耐磨性好，化学活性低，耐热性好。本研究采用反应烧结碳化硅(rbsc)作为工件材料。表2比较了 sd 和 rbsc 的主要物理性质。机械加工表面由扫描电子显微镜(日本日立公司)和3 d 光学轮廓仪(美国布鲁克公司)进行评估。表面粗糙度是在沟槽底部1122 mu;m2的矩形面积上测量的。

结果和讨论：

为了比较不同微磨料的加工效果，选用相同磨料粒度的 gsc 和 sd 对 rbsc 进行加工。工艺条件为: 射流压力0.6 mpa，射流角90 ° ，射流距离12mm，磨料浓度10% ，磨料粒度13mu;m。由于 gsc 和 sd 的处理效率存在较大差异，经过多次尝试后，处理时间分别确定为128和4min。

Gsc 磨料的加工结果如图3(a)所示。经过128分钟的加工，虽然平均深度为10.4 mu;m，底表面粗糙度为1.79 mu;m，但在微槽中仍有一些尖峰。这些尖刺的顶部几乎和未加工的表面一样高，就像加工区的“孤岛”一样。

磨料的加工结果如图3(b)所示。经过4分钟的加工，平均深度为49.3 mu;m，表面粗糙度仅为0.59 mu;m。很明显，凹槽的底部看起来很平滑，加工区域没有”孤岛”。还可以发现，加工速度是不同的磨料。采用 gsc 时，沟槽深度与加工时间的比值为0.0812 mu;m/min，采用 sd 作为微磨料时，沟槽深度与加工时间的比值为12.3 mu;m/min。实验结果表明，sd 的加工效率是 gsc 的141.9倍，且 sd 的加工一致性较好。

这些结果可能是由于使用不同材料作为微磨料的加工机理不同所致。

用压痕理论作为磨料时，微磨料材料与被加工工件相同，因此可以用压痕理论作为磨料磨损模型。图4展示了固体颗粒碰撞机理的图表。当磨削尖端被压入表面时，在凹槽下会产生塑性区。在垂直方向会产生径向裂纹，影响已加工表面的表面粗糙度和强度。在塑性区的水平方向上会产生横向裂纹，这是工件材料被去除的主要原因。在m-majm加工过程中，gsc 磨粒冲击 rbsc 表面可能产生更多的径向裂纹而不是侧向裂纹。随着径向裂纹的加深和扩展，在加工区会出现一些微坑和微凸起，导致表面粗糙度增高，在槽底出现“孤岛”现象。

当采用显微硬度作为微磨料时，硬度高于硬度，因此加工过程可以是硬度较低的硬质合金的连续切削过程。因此，加工效率较高，加工一致性较好。

相关研究[17,23]表明，射流距离、射流压力、射流角、磨料浓度和微磨料粒度对加工效果有显著影响。因此，实验研究了这些参数对加工结果的影响。

图5显示喷射距离对深度和表面粗糙度的影响。实验条件相同，射流角为90 ° ，射流压力为0.6 mpa，磨料浓度为10% ，磨料粒径为13mu;m。结果表明，在射流距离过短或过长的情况下，凹槽深度相对较短，表面粗糙度较高。当射流距离为12mm 时，槽深达到最大值，当射流距离为9mm 时，槽表面粗糙度达到最小值，表明射流距离为9ー12mm 是最佳射流距离范围。

喷嘴出口后射流发散，距离越远，发散越大。当射流距离较短时，射流相对较薄，磨料颗粒聚集在一个较小的加工表面上，从而使磨料颗粒之间的碰撞频繁发生，颗粒的动能降低。从而降低了加工效率。另一方面，当射流距离大于12mm 时，多相射流分散过大，导致加工效率降低。

图6显示了在射流角90 ° 、射流距离12mm、微磨料浓度10% 和磨料粒径13mu;m 的条件下，射流压力对深度和表面粗糙度的影响。气压为0.3 mpa 时，凹槽较浅。随着射流压力的增加，加工深度近似线性增加。这一现象可以简单地解释为磨料颗粒在较高的射流压力下获得较高的速度和动能，从而获得较高的加工效率。然而，当喷射压力增加到0.4 mpa 时，表面粗糙度也有明显的增加，幸运的是，当喷射压力大于0.4 mpa 时，表面粗糙度相对稳定，提供了一个稳定的加工条件。

在射流角为90 ° 、射流压力为0.6 mpa、磨料粒度为13 mu;m、射流距离为12 mm 时，不同磨料浓度对加工的影响如图7所示。表3显示了不同磨料浓度下的磨料流速。结果表明，随着磨料浓度的增加，沟槽深度增加。这可能是由于微磨粒数量的增加，提高了加工速度。单位质量微磨料的加工效率(槽深与磨料流量的比值)先增大后减小，当磨料浓度为5% 时达到最大值。同时，表面粗糙度达到最小值。因此，应根据不同的加工要求选择不同的磨料浓度。在一定范围内，磨料浓度越高，加工速度越快，当磨料浓度为5% 时，可以获得单位质量微细磨料的表面质量和加工效率。

喷嘴垂直向工件喷射，即喷射角度等于90 ° ，是最简单的设置。蔡等[24]指出，当射流角小于60 ° 时，材料去除率较低，常采用射流加工作为抛光工艺。本文研究并比较了 m-mdjm 对90 °-70 ° 射流角的影响。工艺条件为喷射距离12mm，微磨料浓度10% 。试验采用800 ~ 3000 # 目数的 sd 磨料。

图8显示了不同粒径和不同射流角度的微金刚石磨料颗粒的作用。结果表明，本研究中的最小粒径 sd # 3000磨料的加工效率最低，虽然实验数据在一定范围内变化，但一般来说，随着粒径的增大，加工效率提高。这可以简单地解释，大颗粒将具有高研磨能力。然而，对于大颗粒，表面粗糙度也增加了。因此，与磨削过程类似，磨料的选择也是一个折衷的问题，它关系到机械加工的效率和表面粗糙度。

由于射流角度的影响，85 ° ー75 ° 射流角的加工效率高于90 ° 射流角的加工效率，当微磨料网目数为800时，这种现象更加明显。当射流角度降低到70 ° 时，加工效率开始下降，表面粗糙度也开始下降。其主要原因可能是斜喷嘴提供了微磨料的水平速度，从而导致了 sd 颗粒划痕效应，从而提高了材料去除效率。而倾斜射流更容易分散聚集的微磨料颗粒，减少颗粒间的相互影响，从而降低颗粒的动能损失。

结论：

提出了一种利用微金刚石磨料进行多相射流加工的工艺方法。重点研究了工艺参数的影响，并提出了合理的机理。这项研究的结论如下:

1. 多相微金刚石磨料射流加工技术可以在相对工作台3。不同磨料浓度下的磨料流速。磨料浓度(质量分数)(%)2.557.510磨料流速(g/min)2.855.708.5511.40图8。射流角度对(a)槽深和(b)表面粗糙度的影响。图7。研究磨料浓度对(a)沟槽深度和(b)表面粗糙度以及沟槽深度与磨料流速的比值的影响。1420 l. shi 等人，低喷射压力。在相同的加工条件下，人造金刚石的加工效率是金刚石的141.9倍。微槽底表面粗糙度较低，消除了“孤岛”现象。
2. 多相微金刚石磨料射流加工可以有效地加工机械密封的表面结构。加工效果与射流距离、射流压力、磨料浓度、射流角度、磨料粒度等因素有关。合理选择加工参数可以提高加工效率。
3. 比较了不同射流角度下多相微金刚石磨料射流加工的效果。在相同的实验条件下，适当减小射流角度可以显著提高加工效率。

资金：

本研究由国家自然科学基金(批准号51675268)、安徽省自然科学基金(1708085qe113)、安徽省高等教育自然科学研究(kj2016a093、 kj2016a813)资助。

参考：

1. nau，b.s. 研究机械密封。J. mech.英国。科学。1990,204,349-376.
2. https://en.wikipedia.org/wiki/end_face_mechanical_seal.(端面机械密封部分)。
3. wang，x. l. ; adachi，k. ; otsuka，k. ; kato，k. 优化碳化硅在水中滑动的表面结构。应用。冲浪。科学。2006,253,1282-1286.
4. 余华、黄伟、王华、王华，为不同情况设计酒窝图案。路布尔。科学。2013,25,67-78.
5. shi，l. ; wang，x. ; su，x. ; huang，w. ; wang，x. 带微槽和微凹槽的机械气体密封的承载性能比较。J · 特里波。2015,138,88-90.
6. 用辅助

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