磨料水射流切割工艺参数的确定

磨料水射流切割工艺参数的确定　重庆交通学院（４０００７４）　杨林　杜子学　宋军　＊　

【摘要】磨料水射流（ＡＷＪ）－ｔｚｓ－￣］加工在现代制造业中已得到广泛应用，ＡＷＪ本身的技术特性　使得切割断面和切缝质量存在不足。为实现ＡＷＪ精确、高效切割，分析了射流、钻孔、切割及　ｘ－４ｑ－等ＡＷＪ切割工艺参数，并对直线段和曲线段切割速度确定方法进行了探讨。　关键词　磨料水射流　切割质量　工艺参数　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｂｒａｓｉｖｅ　Ｗａｔｅｒｊｅｔ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗａｔｅｒｊｅｔ（ＡＷＪ）ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃａｎ　ｂｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｖｅｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｎｓ　ｆｏｒ　ｓｈａｐｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｆｆｉｃｕＩｔ—ｔｏ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＷＪ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｉｎｉｓｈ　ａｎｄ　ｋｅｒｆ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｉｔｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｗａｔｅｒｊｅｔ，ｐｉｅｒｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔ　ｈｏｌｅ，ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ａｎｄ　ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｏｒ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＡＷＪ　ｃｕｔｔｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｗａｔｅｒｊｅｔ．ｃｕｔｔｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　中图分类号：ＴＧ４８：ＴＧ５８０．６９９　文献标识码：Ｂ　

为适应现代工业产品新型材料的加工需求，美　国于１９８２年研制出世界上首台磨料水射流（ＡＷＪ）　切割设备　，经过３０多年的发展，其关键技术日趋　成熟，得到了广泛应用，并被认为是２１世纪优先发　展的主流切割技术。ＡＷＪ是在高压（２４０～４１４　ＭＰａ）、高速（２～３倍声速）的水射流中混入磨料粒　子所形成的一种冷态高能射流束，与其他切割技术　相比，有明显的技术优势，但也有一定的不足。　ＡＷＪ切割的主要优势是：对材料的适应性广，　无热效应，工件受力小，加工柔性高，切割质量较高，　清洁等。特别适合切割热敏、压敏、脆性、复合等材　料，如高温合金、不锈钢、钛合金、工程陶瓷、石材和　各种复合材料等。但ＡＷＪ投资较大，比激光切割　慢，比电火花切割精度低。　ＡＷＪ本身特性决定了其切割速度和切割断面　及切缝质量问的矛盾，现有的控制系统还不能很好　地适应ＡＷＪ的特点，工艺参数选择主要依赖于操　作者的经验。为实现ＡＷＪ精确、高效的切割，作者　以ＡＷＪ切割加工的技术特征为基础，对ＡＷＪ的工　艺方法和工艺参数选择进行了分析。　

１　ＡＷＪ的切割原理和切割质量　如图１所示，高压水由水喷嘴喷出形成高速细　射流并在混合腔内产生真空，磨料吸入后与水射流　紊动混合，再经磨料喷嘴聚集加速喷出，形成了高能　ＡＷＪ。ＡＷＪ切割实质上是大量磨料粒子的微磨削　

Ｒｏｂｏｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎ，１９９５．　［５］　Ａｎｇａｄ　Ｓｉｎｇｈ，　Ｍｅｍｂｅｒ．Ｂａｔｃｈ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｓｉｎｇ　Ｆｌｉｐ—Ｃｈｉｐ　Ｓｏｌｄｅｒ　Ｂｏｎｄｉｎｇ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅ—ｌｅｃｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［ＩＥＥＥ￣．１９９９，８（１）：２７—３３．　［６］Ｈ．Ｊ．Ｙｅｈ，Ｊ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈ．Ｆｌｕｉｄｉｃ　ｓｅｌｆ—ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧａＡｓ　Ｌｉｇｈｔ—Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅｓ　ｏｎ　Ｓｉ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ［ＩＥＥＥ］．１９９４，１（６）：７０６—７０８．　［７］Ｈｏｌｍｅｓ，　Ａ．Ｓ，　Ｓａｉｄａｍ，　Ｓ．Ｍ．Ｊ．　Ｍｉｃｒｏ—　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［ＡＳＭＥ／ＩＥＥＥ］．１９９８（７）：４１６—　４２２．　［８］Ｂ６ｈｒｉｎｇｅｒ，Ｋ．Ｆ．Ｆｅａｒｉｎｇ，Ｒ．Ｓ．ｉｎ：Ｔｈｅ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ（Ｅｄ．：Ｎｏｆ，Ｓ．），２ｎｄ　ｅｄｎ．１９９９（６）：１　０４５—　１　０６６．　［９］Ｇｒａｃｉａｓ，Ｄ，Ｔｉｅｎ，Ｊ，Ｂｒｅｅｎ，Ｔ．Ｌ，Ｈｓｕ，Ｃ，Ｇ．Ｍ．　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０００，２８９：１　１７０—１　１７２．　［１Ｏ］Ｙｅｌｌｅｎ，Ｂ，Ｆｒｉｅｄｍａｎ，Ｇ．Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｒｉｖｅｎ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　

ｃｏｌｌｏｉｄａｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎｔｏ　ｐａｔｔｅｒｎｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅｓ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００３　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｄｅ　Ｓｈｏｗ，２００３，３．　［１１３　Ｘｉｏｎｇ．Ｘ，Ｈａｎｅｉｎ，Ｙ，Ｗａｎｇ，Ｗ．Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｓｏｌｉｄ～　Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，Ｍｕｎｉｃｈ，　Ｇｅｒｍａｎｙ，２００１，６．　［１２３张建刚，夏善红等．ＭＥＭＳ自组装技术的实验研究．半　导体学报，（待发）．　［１３３　Ｒ．Ｍｉｔｔａｌ，Ｖ．Ｓｅｓｈａｄｒｉ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｍｏｌｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄｉｃ　Ｍｉｃｒｏ—ｈａｎｄｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．　Ｎａｎｏ　ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００２，１：３８８—３９　１．　［１４］Ｊａｎ　Ｌｉｅｎｅｍａｎｎ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｅｌｆ—ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｐａｒｔｓ．Ｄｉｐｌｏｍａ　Ｔｈｅｓｉｓ，　ＩＭＴＥＫ．Ａｌｂｅｒｔ　Ｌｕｄｗｉｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｇｅｒｍａｎｙ，２００２，５．　＊国家自然科学基金项目（９０２０７００６）　责任编辑周守清　

《新技术新工艺》·机械加工工艺与装备２００５年　第１期　·２７·　

维普资讯 http://www.cqvip.com 切割的累积作用。其切割能力主要是由射流中磨料　特性参数，如磨料材料、形状、流量和磨料粒度、磨料　动能大小及磨料在射流中的分布等因素决定的，其　切割效果还受切割工件的材料、厚度和切割机械参　数，如切割角度、速度、靶距、执行机构精度等影响。　因此，所有的工艺参数匹配合理才能获得高效和高　质量的切割效果。ＡＷＪ切割塑性材料是以切割磨削　和塑性破坏为主，而切割脆　性材料则以变形磨削和脆　性破坏为主　］。　ＡＷＪ切割存在着射流　截面磨料动能分布不均，随　靶距增大射流及磨料束能　量衰减并发散等不足，因　此，切割时的工件断面底部　管　射流相对顶部会产生滞后　图　ＡｗＪ切割喷头　偏转（见图２）。当切割速度较高或工件较厚时，不同　材料、不同工艺参数的ＡＷＪ切割形貌存在着共同　特征，即切缝呈“Ｖ”形，切割断面上部较光滑而下部　有斜条纹，特别在切割方向变化较大处（如曲线段或　尖角处），切割不完全，易产生尺寸误差。　图２切割过程示意　图３切割钢板断面质量　切割断面、切缝、曲线段及尖角处的切割质量都　随着切割速度的减小而提高。ＡＷＪ切割断面质量通　常用质量指标ｑ表示，ｑ定义为射流的最大切割深度　与工件厚度的比值，ｑ一１～５。如图３所示，ｑ一１即　工件刚好被切穿，切割质量最差，切割速度最大　Ｖ…；ｑ一５时，断面没有明显条纹。　对金属切割，采用ｑ一１时，切割磨削区约占到　整个断面的１／３，通常采用较经济的切割速度０．　５　…，就可获得较好的切割断面及切缝质量，切割速　度取０．２５ｖ…可达到精确切割。　２　ＡｗＪ切割工艺参数的确定　根据工件厚度、材料、切割形状选择合理的工艺　方案和工艺参数，可克服ＡＷＪ切割断面、切缝在曲　线段或尖角处的质量不足。ＡＷＪ切割工艺参数可分　射流参数主要是水喷嘴、磨料喷嘴、混合腔及磨　料供给装置的参数。为保证切割质量，应使水喷嘴与　磨料喷嘴很好地对中，使得ＡＷＪ收敛，并使磨料能　稳定供给。　通常可以用ＡＷＪ直接钻出切割起点孔，射流　钻孑Ｌ参数主要是钻孑Ｌ的形式、压力及磨料流量。为提　高效率和设备的寿命，应尽可能减少切割起点数目　及确定合理的切割顺序。　ＡＷＪ钻孑Ｌ的３　种方式见图４。静止　钻孑Ｌ喷头静止，穿透　速度最快，但工件受　力较大，成孑Ｌ大而不　规则，射流反射降低　静止钻孔　圆周钻孔　直线钻孔　

图４　ＡＷＪ钻孔方式　了射流穿透能力且易磨损喷头，适合于对金属、软塑　料等材料钻孑Ｌ；圆周钻孑Ｌ喷头作小圆周运动形成漏　斗状孑Ｌ，工件受力较小，穿透速度较快，适用范围较　广；直线钻孑Ｌ喷头作直线往复运动，射流沿喷头运动　反方向反射，穿透速度较慢，工件受力较小，可直接　在切割轮廓直线段钻孑Ｌ而不影响工件切割形状，适　用范围较广。　为避免ＡＷＪ初始冲击对脆性材料的破坏，　ＡＷＪ钻孑Ｌ宜采用低压及低磨料流量；一些非均质复　合材料特别是层叠复合材料，不宜采用ＡＷＪ钻孔，　般可用机械钻具钻孑Ｌ。　切割参数主要有射流压力、磨料流量、切割速　度。塑性及软质材料可采用较高的压力和磨料流量　切割；脆性材料宜采用中等的压力和磨料流量；非均　质、复合材料宜采用较低的压力和磨料流量。　工件参数主要是材料种类、硬度、厚度等，ＡＷＪ　切割金属材料能力由易到难为：钢一有色金属一轻　金属。　２．１　直线段ＡＷＪ切割速度的确定　ＡＷＪ切割主要是依据所需的切割质量确定合　理的切割速度。ＡＷＪ属于高速固液二相流，涉及许　多未知的复杂物理现象，很难建立有效的ＡＷＪ切　割理论模型。Ｔｉｋｈｏｍｉｒｏｗ和Ｈａｓｈｉｓｈ分别建立了机　理理论模型，０ｗｅｉｎａｈ，Ｂｌｉｅｋｗｅｄｅｌ，Ｍａｔｓｕｉ，　Ｍｏｒｎｂｅｒ，Ｚｅｎｇ及Ｋｉｍ等人分别建立了半经验模　型，Ｃｈｕｎｇ，Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ，Ｂａｂｕ，Ｂｒａｎｄｔ，Ｋｏｂｙａｓｈｉ等人　分别建立了经验模型Ｉ３　］。　作者在大量试验基础上，以工件材料　、射流　为射流参数、钻孑Ｌ、切割及工件参数４类讨论。　压力Ｐ和所需的切割质量指标ｑ为输入，以切割直　２８．　《新技术新工艺》·机械加工工艺与装备　２００５年　第１期