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作品名称：废”尽其用——废热障涂层刀片射流去除及其清洁回收系统设计
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：“废”尽其用
队伍编号：216470
参赛学生：张文文崔潇彤王锦宜薛佳旭
指导老师：高海波
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

简介：

开发背景:为响应国家“十四五”节能减排与“双碳”战略目标，解决钨、钴等战略性稀缺资源过度消耗的问题，本项目针对工业生产中大量报废但基体完好的硬质合金涂层刀片，开发了一套回收系统。传统高温氧化+球磨的回收方法存在刀具损伤大、涂层去除不彻底、无法处理复杂形状刀具等缺点。本系统旨在通过创新技术，实现废刀片的高效、高质、绿色回收再利用。

结构说明：本系统是一个集成了光学、流体动力与精密机械的复合加工平台，主要由以下部分组成：激光系统：采用波长1080nm、最大功率33W的脉冲激光器，作为热源使涂层熔化或汽化。水射流系统：包含气动增压装置（最高压力70MPa）和直径为0.3mm的喷嘴，产生高速射流用于冲击去除熔融涂层并冷却基体。复合切割头与运动平台：由三轴滑台、激光头和水射流喷嘴集成，可通过伺服电机实现X、Y、Z三个方向的精密运动，以适应复杂刀具轮廓。控制系统与辅助系统：包括驱动装置、干燥系统（防结雾）、照明系统等，确保加工过程稳定可靠。

功能与使用说明:该系统主要用于去除废热障涂层刀片表面的失效涂层，使其基体能够被直接再生利用（如重新涂层）或进行材料回收。使用流程：操作人员将废刀片装夹于工作台，通过控制面板设定加工路径与参数（如激光功率、水射流压力、运动速度）。系统启动后，激光与水射流同步作用于刀片表面，通过“激光加热-水射流冲击冷却”的协同作用，精确剥离涂层，而保持硬质合金基体完好无损。

设计说明

1. 设计原理
系统的核心设计原理是 “激光-水射流复合加工”。

激光的热效应：高能量密度的激光束使涂层材料瞬间熔化或汽化。水射流的机械与冷却效应：冲击作用：高速水射流将熔融状态的涂层冲离基体表面。冷却作用：水流能迅速带走基体上的热量，极大减少了激光加工带来的热影响区和热损伤，避免了基体材料因过热而产生裂纹或性能下降。这种“热-力-冷”耦合的作用机制，实现了涂层的高效、洁净与低损伤去除。

2. 设计方案
设计方案围绕能耗管理与工艺优化展开，构建了完整的系统能耗模型，具体分为四个模块：基本能耗模块 (P_basic)：系统待机功耗，如激光对焦和路径编辑。辅助系统能耗模块 (P_auxiliary)：干燥、照明等系统在加工时的功耗。加工运动系统能耗模块 (P_feed)：与运动速度呈线性关系的伺服系统功耗。激光水射流涂层去除模块 (P_L-W)：核心加工功耗，包括激光功率（与泵浦电流相关）和水射流功率（与压力、流量相关）。通过建立的材料去除比能耗模型，可以精确计算和优化加工总能耗，为实现低能耗、高效率的回收工艺提供了理论依据和调控手段。

产品特色

1. 创新性:技术首创：提出了 “激光-水射流复合加工” 技术用于回收废涂层刀片，属绿色再制造领域的创新工艺。工艺创新：提出了刀片 “改制” 与 “梯度PCBN刀头焊接修复” 两种再生方式，并建立了基于神经网络的剩余寿命评估与综合评价体系。材料创新：设计并制备了梯度PCBN刀头材料，其切削性能优于原刀片和均质材料。

2. 可行性:理论支撑：建立了严谨的激光-水射流耦合理论模型和完整的系统能耗模型，工艺参数可量化、可优化。技术成熟：所采用的激光器、运动平台、增压装置等均为成熟工业部件，系统集成度高，具备工程化实施的基础。

3. 完整性:系统构建了从背景分析 → 原理研究 → 系统设计（机械、控制、能耗）→ 工艺建模 → 性能/创新点分析的完整技术链条。不仅提供了涂层去除设备，还形成了包含评估、修复、再制造在内的全套废刀片回收解决方案。

4. 规范性:设计过程严格遵循工程规范，通过数学建模和公式推导（如伯努利方程用于水射流速度计算）进行定量设计。文档结构完整，内容详实，符合技术设计说明书的规范要求，具备良好的专业性和可读性。