湿喷丸清洗再制造零件表面漆层的机理研究及工艺参数优化

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再制造工程具有环境污染小、资源利用率高的优势,十分符合“双碳”战略的发展要求,受到了人们的广泛关注。再制造工程主要包括拆解、清洗、检测、修复等流程,其中清洗是指运用各种清洗技术来去除再制造零件表面污物,是再制造工程的基础,清洗效果的优劣直接关系到后续检测与修复的质量。漆层作为一种常见的再制造零件表面污物,阻碍了对零件进行再制造检测以及修复,是清洗的主要目标之一。传统的清洗技术由于存在污染严重以及资源浪费等问题已不符合可持续发展要求,湿喷丸清洗技术作为一种绿色环保的新型清洗技术,与再制造理念相契合,非常适合用于清洗再制造零件表面的漆层,得到了广泛的应用。本文使用湿喷丸清洗技术去除再制造零件表面漆层,对其机理以及工艺参数优化展开研究。分析了漆层的微观结合机理,揭示了不同形状与粒度磨料的湿喷丸清洗机理,探究了湿喷丸清洗工艺参数对清洗效果的影响并对其进行多目标工艺参数优化,为湿喷丸清洗再制造零件表面漆层的实际应用提供数据支撑和理论指导。首先,通过分子动力学模拟揭示了多种漆层/基体界面体系的微观结合机理。以应用广泛的丙烯酸类与聚氨酯类油漆以及ADC12铝合金与HT250铸铁基体为代表,将其两两组合,建立起四种漆层/基体界面体系的分子动力学模型(PAA/Al2O3、PAA/Fe2O3、PU/Al2O3、PU/Fe2O3)。通过分子动力学模拟来定量描述各界面体系的结合能,结果显示PAA/Fe2O3界面体系的结合能最高,即该界面体系最稳定。并通过分析不同界面体系的能量构成、相对原子浓度分布、表面微观结构以及氢键生成情况等,详细讨论了漆层的微观结合机理:PAA/A12O3、PU/Al2O3及PU/Fe2O3三种界面体系的结合机理主要为范德华相互作用;而PAA/Fe2O3界面体系的结合机理主要为静电相互作用以及氢键作用。此外,漆层与基体之间机械结合也是其结合机理的一部分。通过实际测试各种界面体系漆层的结合强度对分子动力学模拟结果的准确性进行了验证。其次,考虑磨料形状与粒度影响,探究了不同磨料的湿喷丸清洗机理。对磨料的形状与粒度进行分析,并使用不同形状与粒度的磨料进行湿喷丸清洗实验,通过分析试样质量随清洗次数的变化规律来研究不同磨料的湿喷丸清洗进程,发现角形磨料的湿喷丸清洗进程是平稳恒定的,而球形磨料的湿喷丸清洗进程可分为孕育期、发展期以及稳定期三个阶段。在此基础上,通过表征和分析清洗后试样表面的微观形貌,阐释了漆层的去除过程,并进一步揭示了不同磨料的湿喷丸清洗机理:角形磨料的湿喷丸清洗机理不受磨料粒度的影响,由大冲击应力产生的冲击裂纹导致的脆性断裂以及微切削和犁削作用是其主要的清洗机理;球形磨料的湿喷丸清洗机理则与磨料粒度有关,对于大粒度的磨料,由纵向贯穿疲劳裂纹和横向界面裂纹共同导致的脆性断裂是主要原因;对于小粒度的磨料,由疲劳裂纹和冲击裂纹导致的脆性断裂是主要原因。最后,探究了湿喷丸清洗的工艺参数对清洗效率及清洗前后基体性能变化的影响规律,建立起基于神经网络与遗传算法的多目标优化模型,并对工艺参数进行了多目标优化。通过正交实验探究了湿喷丸清洗中清洗压力、清洗靶距与进给速度对清洗效率、清洗前后基体表面粗糙度变化量以及维氏硬度变化量的影响规律,结果表明清洗压力是对清洗效率、清洗前后基体表面粗糙度变化量以及维氏硬度变化量影响最大的工艺参数,随后依次为清洗靶距与进给速度。基于正交实验数据,建立起清洗效果预测的神经网络模型,并将其与遗传算法相结合建立起湿喷丸清洗的多目标工艺参数优化模型,得到了优化的Pareto解集,实验证明优化结果的误差均在10%以内,具有一定的可靠性。
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