由于微细磨料水射流加工技术具有切削力小、无材料选择性、加工柔性高等诸多优点,而成为一种有效获得高面形精度及高表面质量零件的加工手段。然而在传统的磨料水射流加工过程中,工件表面层的水垫降低了磨料水射流对靶材的冲击压力,影响了硬脆材料的加工效率。为了提高磨料水射流的加工能力,本文提出了一种声液耦合微细磨料水射流加工技术,将声能与射流动能在喷嘴内充分耦合,利用超声振动激励微细磨料水射流,强化射流脉动强度,增强微细磨料水射流的冲蚀性能。主要研究内容包含以下几个方面:研制了声液耦合微细磨料水射流加工装置并研究了声液耦合动力学特性;探究了声液耦合微细磨料水射流的加工机理及硬脆性生物陶瓷材料去除机理;通过实验研究了各工艺因素对生物陶瓷工件表面粗糙度及冲蚀深度的影响规律,并优化工艺参数。具体研究内容如下:(1)研制了声液耦合微细磨料水射流加工装置。磨料供给采用前混合式。超声喷嘴装置是该加工系统的关键,设计了圆柱-圆锥-圆柱三段复合型变幅杆,并将其安装于喷嘴内部,其末端振动直接作用于微细磨料水射流。通过ANSYS软件对变幅杆进行模态及谐响应分析,确定所设计的变幅杆具有合适的尺寸参数及工作性能。(2)研究了微细磨料水射流声液耦合动力学特性。利用COMSOL软件模拟了超声在流体中的传播规律,获得了喷嘴内流场的声压分布,并通过FLUENT软件分析了超声振动对射流流场速度分布及磨粒运动轨迹的影响。开展相关实验测量了声液耦合磨料水射流的实际冲击力,以验证仿真结果。研究结果表明,超声振动对水射流施加高强度周期性声压,增强了水射流的脉动幅度,将低脉动、连续射流调制为高脉动、非定常射流,有效提高了微细磨料水射流的加工能力。(3)开展了声液耦合微细磨料水射流冲蚀生物陶瓷材料去除机理研究。以羟基磷灰石(HAP)生物陶瓷为实验对象,分析了系统压力、振幅及冲击角度对生物陶瓷材料去除机理的影响规律。实验结果表明,当声液耦合微细磨料水射流的垂直冲击载荷较小时,剪切磨损去除占主导地位,被加工表面呈现大量浅且窄的划痕。随着超声振幅的增加,磨粒的垂直冲击载荷增大,材料发生脆性断裂。(4)建立了声液耦合微细磨料水射流加工生物陶瓷材料工艺参数优化模型。采用Box-Behnken Design实验方法,以系统压力、靶距及振幅为变量设计实验方案,分别对致密及多孔的HAP生物陶瓷材料进行抛光及切槽实验;然后基于响应曲面法建立了表面粗糙度及冲蚀深度的工艺参数优化模型,并进行参数优化分析,得到了最佳表面质量及最大冲蚀深度的最佳工艺参数组合。