水射流加工完

水射流加工姓名：王勁雄專業(yè)：08級機械設計制造及其自動化1班摘要水射流加工技術是近三十年來迅速發(fā)展起來的一門新技術。水射流切割工作原理是首先通過轉能裝置(泵或增壓器)，將發(fā)動機(電機或內燃機)的機械能轉變成低速水的高壓能；接著通過噴嘴小孔噴出高速射流，將壓力能轉換成高速水射流的動能；最后當高速水射流沖擊加工工件時，動能又重新變成作用于材料表面的壓力能，當該壓力能超過材料的斷裂強度時材料就被切割。水射流切割有以下一些優(yōu)點：切割中無粉塵與煙霧污染；不會產生熱變型；不需刃磨刀具，不需調整更換刀具；容易實現自動化；可加工熱切削無法加工的材料，且不受材料厚度的限制；切縫小，切割質量好，成本低等。由于水射流切割技術有如上所述的優(yōu)點，所以受到工程技術界廣泛重視。在工業(yè)中推廣應用，它與激光束、電子束和等離子切割，合稱現代工業(yè)切割的四大高新技術。水射流除用于切割之外，還可用于除銹、清洗等方面，涉及到醫(yī)學、國防、機械、城建等許多領域。本文重點討論水射流加工的設備組成及應用方向，發(fā)展趨勢，以及對水射流相關工藝參數的分析討論等。關鍵詞水射流加工優(yōu)點點加工應用工藝參數第一章工作原理及其基本機構1.1工作原理水噴射加工的基本原理是利用液體增壓原理，通過特定的裝置（增壓器或高壓泵），將動力源（電動機）的機械能轉換成壓力能，具有巨大壓力能的水再通過小孔噴嘴將壓力能轉變成動能，從而形成高速射流，噴射到工件表面，達到去除材料的加工目的。如圖1.1所示，貯存在水箱中的水經過濾器1處理后，由水泵抽出送至由液壓機構驅動的增壓器增壓，水壓增高。然后高壓水通過蓄能器，使脈動水流平滑化。高壓水與磨料在混合腔內混合后，由具有精細小孔的噴嘴（一般由藍寶石制成）噴射到由工作臺固定的工件表面上，射流速度可達300-900m/s（約為音速的1-3倍），可產生如頭發(fā)絲細的射流，從而對工件進行切割、打孔等。水噴射加工系統(tǒng)主要由增壓、供水、增壓恒壓、噴嘴管路、數控工作臺、集水和水循環(huán)處理等系統(tǒng)構成。如果是磨料射流加工裝置，則還有磨料與水的混合系統(tǒng)。其中增壓恒壓系統(tǒng)包括增壓器和蓄能器兩部分，增壓器獲得高壓是利用大活塞與水活塞面積之差來實現的。增壓器的工作原理圖見圖1.2。（Ｐ—壓力；Ａ—活塞面積），增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為（１０-２５）：１，因此增壓器輸出高壓水壓力可達１００-７５０ＭＰａ。集水器的作用主要是回收噴射水和磨料，通過水循環(huán)處理系統(tǒng)處理后，供水箱重復利用。一般在集水器內放入金屬球，從工件背面噴出的水射流，經金屬球的旋轉對其產生緩沖作用，從而使水射流的能量快速消減。圖1.1圖1.21．2磨料水射流設備的研究現狀磨料水射流切割系統(tǒng)有如下部分組成：1．2．1液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)主要由油壓部分、水壓部分以及輔助設備等組成，其主要作用是提供穩(wěn)定的高壓水[21。以PH值為6．8、精濾且壓力為O．4．0．9MPa的軟化水或反滲水、混合層軟水供給增壓系統(tǒng)。水質將影響噴嘴的使用壽命和整個機器的工作質量。水在400MPa下會產生大約12％的收縮，蓄能器的功能是補充其收縮，使水壓變化保持在±5％之內，以維持輸送連續(xù)、穩(wěn)定的流體到噴嘴。1.2．2噴頭噴頭的主要部件是噴嘴，純水切割頭包括高壓水開關閥，水噴嘴。磨料水射流還包括使磨料與水相混合的混合室，以及混合后的噴嘴，如圖1.3所示。噴嘴是磨料水射流的關鍵部件之一，噴嘴材料必須具有高硬度、高耐磨性，按原理可分為機械加工和特種加工兩大類。迄今為止，噴嘴的設計和使用壽命仍未達到滿意的程度。圖1.3噴嘴內部幾何形狀和尺寸是影響磨料水射流結構和動力特性的主要因素之一。尤其是在系統(tǒng)基本參數一定情況下，改變噴嘴的內部形狀和尺寸是調整和優(yōu)化射流結構，加速磨料顆粒速度，提高射流沖蝕性能，獲得最佳切割效果的主要手段。常用噴嘴內部基本結構如圖1．4所示，分為圓錐收斂型噴嘴、圓錐帶圓柱段型噴嘴和流線型噴嘴。]通過大量的實驗發(fā)現圓錐帶圓柱段型噴嘴收縮角，圓柱段長徑比為l／d=2．5．3，收縮段與入口和出口圓柱段采取平滑過渡的倒角的時候，噴嘴的加速性能和收斂性能最佳。證明收斂型噴嘴和噴管型噴嘴使試樣產生的質量損失差別很小，但是噴管型噴嘴獲得最大質量損失的靶距要遠遠小于收斂型噴嘴。比較合適的噴嘴形狀為：對于收斂型噴嘴。對于噴管型噴嘴，≥2d。出口擴散角大于30。時對水射流的形成沒有影響，如圖1．5所示。利用有限的實驗數據建立數學模型，并對其進行優(yōu)化，可以在一定的壓力條件下，使噴嘴的輸出功率達到最大值，從而達到提高水射流效率及降低耗的目的。圖1.4圖1.51.2．3輔助劑供給及控制系統(tǒng)其作用是向射流中加入一定量的磨料或化學添加劑以提高射流性能、切割效率o1．2．4數控系統(tǒng)數控系統(tǒng)控制工件與噴頭的相對運動，使切割運動按給定的軌跡進行1．2．5廢液回收處理系統(tǒng)主要負責回收廢液，使磨料、化學添加劑循環(huán)使用，不至于污染環(huán)境。第二章加工特點應用及新技術2.1水切割加工技術的特點水射流加工有兩種類型：純水射流，磨料水射流。純水射流顧名思義就是利用高壓高速水流對工件沖擊作用來去除材料的，是最早的水切割方法。第一次商業(yè)應用始于20世紀70年代中期，用于切割瓦楞紙板。磨料水射流是高速水射流束與磨料粒子相混合形成的液固兩相介質流，利用高速射流帶動磨料粒子，通過水蝕沖擊和磨料粒子鋒利的棱角進行切割。與純水射流相比，磨料水射流主要是通過磨料顆粒侵蝕材料，切割能力強大成百上千倍。二者都有其用武之地。純水射流可切割軟質材料，而磨料水射流則切割硬質材料，如鋼材、石材、復合材料和陶瓷。最常用的磨料是石榴石。高壓水射流切割技術之所以能夠迅速地在實踐中得到應用和關注，是與其具備鮮明的技術特點，能夠滿足日益增長的社會生產需求分不開的，與其他諸如機械切割、火焰切割、激光切割、等離子切割相比，高壓水射流切割具有其獨特的優(yōu)點：(1)加工范圍廣?？梢约庸げ煌馁|的工件，可以加工某些難以用傳統(tǒng)加工方法切割的材料，幾乎不受被切割材料的限制：(2)加工能力強?？汕袛?80Inm厚的鋼板．250IIlm厚的鈦板，470層每層厚達65n塒的石墨環(huán)氧樹脂合成板等；(3)無接觸切割。水射流屬于點切割，切割反作用力極小，不會產生附加應力變形，對于薄壁零件的切割十分有利：(4)冷加工方式。由于水本身就是切割工具和最佳冷卻液，因此切割過程中所產生的熱量絕大部分被迅速帶走，不產生熱變形和金相組織變化，因此可以有效地進行熱敏材料、易燃易爆材料和易變性材料的切割，如軍事和消防中的水射流切割排爆；(5)便于實現一機多能和自動化、數控化。高壓水射流是全方位點切割器，無須打孔，可以在任一點切割出復雜形狀，因此程序化和數控操作十分便利。另外采用CAD／CAM控制加工，可以達到高精度，重復加工能力強；(6)材料利用率高。切割縫隙(純水切割的切口約為.1-1.1mm，磨料水射流的切口約為O．8～1．8mm)及切割邊緣都很小，切割可以精確控制，因此樣板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一塊材料，減少廢料；(7)應用靈活、適用廣泛。高壓水射流的最終執(zhí)行機構是切割頭，其余均為輔助單元。因此，利用高壓軟管將切割頭和輔助設備分開，可以遠距離、獨立、靈活地使用。國外商業(yè)應用中已經有緣壁切割機、機器人除銹、清洗等設備，從高空到水下都可以應用：(8)衛(wèi)生、環(huán)保。因為是濕切割，比較清潔衛(wèi)生，可以切食品、藥物、器官等，也可以避免某些粉末材料產生灰塵，如石膏、石棉、纖維、紙張等，尤其適用于有防火要求的作業(yè)場合；(9)切口質量好。切口表面平整光滑，棱邊無毛刺，切割速度快。在切割過程中，完全可以作為某些工件的最終工序。水切割加工優(yōu)點甚多，但也有局限之處，目前有待克服、改進或解決的問題主要有：(1)切割進給速度相對較慢。比火焰切割慢10-100倍，因而成本較高；(2)固定投資大。進口一臺比較復雜完善的系統(tǒng)約需l0-60萬美元不等，國產設備亦需30-40萬元；(3)噴嘴磨損嚴重。一般的碳化鎢噴嘴其壽命只有2-4h，藍寶石5-100h，紅寶石50-lO0h，鉆石800-2000h，因而加工成本較高；2.2加工應用眾多的切割手段中，只有水射流切割屬于冷態(tài)切割，直接利用加磨料水射流的動能對金屬進行切削而達到切割目的，切割過程中無化學變化，具有對切割材質理化性能無影響，無熱變形，切口窄，精度高，切面光滑，清潔無污染等優(yōu)點，可加工傳統(tǒng)加工及其它加工方法無法或難于加工的材料，如特種鋼板(圖1)、玻璃、陶瓷、復合材料(圖2)、反光材料、化纖、熱敏感材料。隨著人們對水射流切割技術了解的進一步加深，市場逐漸認識到水切割技術在金屬切割行業(yè)的獨特優(yōu)勢。以激光切割為例進行比較，激光雖然在切割速度方面要遠遠優(yōu)于水切割，但一般而言激光無法切割大于16mm的金屬板，而且激光切割材料的周邊仍有一定的熱影響區(qū)，水射流切割金屬材料厚度一般可達50mm以上，并且對材料無任何影響，再加上水射流對切割材料沒有限制。綜合這些因素，很多原先選擇激光或其它切割手段的用戶轉而選用水射流切割機。圖2.1水射流切割圓錐齒輪圖2.2水射流切割厚鋼板其典型應用如下：(1)切割金屬的粗糙度達1．6um，切割精度達±0．10mm，可用于精密成形切割；(2)專用于有色金屬和不銹鋼的切割中有著獨到之處，無反光影響和邊緣損失；(3)復合材料、復合的金屬、不同熔點的金屬復合體與非金屬的一次成形切割；(4)低熔點及易燃材料的切割，如紙、皮革、橡膠(圖5)尼龍、毛氈、木材、炸藥等材料；(5)特殊的場地和環(huán)境下切割：水下、有可燃氣體環(huán)境；(6)高硬度和不可溶的材料切割：石材、玻璃、陶瓷、硬質合金、金剛石等。2.3新技術在水射流應用在金屬切割行業(yè)中，追求高質量，高效率的直接成形加工，是目前國際上的發(fā)展趨勢，“水射流切割機正是針對這種需求而在相關的技術應用上不斷創(chuàng)新。2.3.1高精度的數控機床隨著包括精密滾珠絲桿，伺服電機，諧振減速單元等技術的出現，機床可以達到更高的位置精度，反向間隙補償，重復定位精度的提高，機床制造廠商將更大的精力投入到分析機床幾何誤差產生的原因，通過采用球桿測量儀和激光干涉儀等高精度測量器具檢測機床幾何精度并建立誤差映射表來給予精度修正，以此制造高精度機床。2.3.2大功率超高壓系統(tǒng)提高水切割的能量，將提高切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割機的壓力和最大輸出流量成為影響切割能力的主要參數。目前，國際上對此也在做進一步地研究和試驗，試驗證明，當壓力達到700MPa以上時，也可以用清水切割薄鋼板和較硬的復合材料，這樣進一步提高增壓器的壓力，可大大提高水切割機的切割能力。另一方面，在同等的壓力之下，提高射流的流量，即加大射流的功率也一樣可提高切割能力，因此而產生多增壓器并聯技術：在對現有系統(tǒng)不做大改動的提下，采用多增壓器并聯技術(圖2.3)，即將兩個或多個高壓發(fā)生器并聯使用，可以很方便地提高增壓器的輸出流量，采用大口徑噴嘴進行切割，這樣水射流有效切割能量更大，切割效果更好。圖2.3并聯增壓系統(tǒng)2．3五軸水切割技術一自校正切割眾所周知，激光、氣體等離子、射流等切割手段，由于能量梯度的作用，切縫越深時(距噴嘴越遠)，切割能力越差，所形成的切割面往往不是垂直于工件表面的，稱之為切割斜度。雖然通過提高切割能量或是降低切割速度可以部分降低切割斜度，但是依然存在不能垂直的問題。國際上已有商用產品。其原理是通過在原有的三軸XYZ平臺上再增加兩個旋轉軸，實現刀頭的任意擺動，利用預先在系統(tǒng)中設置的斜度模型，通過對切割軌跡的實時計算，再考慮被切割工件的材料和厚度進行修改，在切割過程中不斷的擺動切割頭，使得切割出來的工件達到完美的無斜度的狀態(tài)。（如圖2.4）圖2.42.4結合最新的CAM軟件為大輻度地提高“水刀”的切割效果，引進了先進的水切割專用NEWCAM軟件，CAD模塊具有模塊化編程，自動排版套料，如圖lO所示jCAM模塊具有拐角自動減速，切斷自動減速等特性。通過在拐角處與切斷點降低程序速度，解決水切割因水射流的滯后效應引起的拐角過切現象與程序結束點無法切斷的情況，有效地提高輔助設計、切割效果的質量和效率。第三章工藝參數的影響3.1噴射壓力微磨料漿體射流加工時，不同噴射壓力(6、8、10、12、14，單位：MPa)對工件加工后的工件顯微形狀、工件去除質量、孔深、孔徑影響結果見圖3.1和圖3.2所示。圖3.13.1.1實驗結果分析(1)對孔型的影響：由加工孔的正面、側面顯微照片(見圖3．2(a))可以看出，隨著壓力的升高，孔的正面破碎深度明顯增加，不過整體上孔的圓度變化不大。壓力的增加，在噴嘴直徑突變處漿體獲得的速度越大，即漿體的動能越大，這樣碰撞在工件上，由動能轉變而來的壓力能越大，即射流對工件的打擊力越大?？仔偷淖兓藟毫Φ挠绊懲猓€受噴嘴的剛度和耐磨性的影響。因為本實驗采用的四號半不銹鋼針頭，受射流的反濺力和急速噴出的漿體的磨損雙重作用，噴嘴磨損嚴重，孔的破碎面是偏向一個方向的。（2)對孔徑、孔深的影響：由圖3．2(a)和(b)可以看出，當壓力高于1OMPa時，孔徑隨著壓力的升高而明顯變大。這是因為壓力增加時，一方面單位面積上磨料粒子的動能增大，打擊力提高，另一個方面噴嘴內的漿體流圖3.2噴射壓力對鉆孔影響動狀態(tài)從層流變?yōu)槲闪?，射流發(fā)散嚴重，射流沖蝕面積變大，故當壓力處于6～12MPa時，孔深受壓力升高的影響程度比孔徑大一些，但當壓力高于l2MPa時，孔深的增長速度變慢。這也可以用水龍頭的水流現象來解釋。當水龍頭擰開一點的時候，流出的水是細且比較直的層流，但隨著水龍頭擰大，流出的水急劇涌出，水流發(fā)散越厲害是同一個原因。3.2噴射時間微磨料漿體射流加工時，不同噴射時間(15、20、25、30、35，單位：S)對工件加工后的顯微形狀、工件去除質量、鉆孔深度、鉆孔直徑影響結果見圖3.3圖3.3圖3.4噴射時間對鉆孔影響實驗結果分析如下：(1)對孔型的影響：由加工孔的正面、側面顯微照片(見圖3.4(a))可以看出：當時間超過25s時，孔的正面破碎深度明顯增加，且圓度明顯變差；且根據對30s和35s的孔正面圖的顯微觀察發(fā)現，有部分還是呈現較好的圓形，所以圓度變差主要是不銹鋼針頭的磨損加劇的緣故。(2)對孔徑、孔深的影響：由圖3.4(a)和(b)可以看出，孔徑隨著噴射時間的增加而增加，且增加速度先慢后快；孔深隨噴射時間的增長趨勢近乎成線性關系。這是因為石英玻璃的初始表面光滑，當噴射時間較短時，濺射在石英玻璃表面的射流易向四面八方反濺，故孔徑增加緩慢；但當孔深擴大到接近射流的發(fā)散段時，射流一次沖擊工件后，孔內壁反濺，從孔內對孔徑進行二次加工，故當時間超過30s后，孔徑和孔深增加都變快。4．1．3噴射靶距微磨料漿體射流加工時，不同噴射靶距(1、2、3、4、5，單位：ram)對工件加工后的顯微形狀、工件去除質量、鉆孔深度、鉆孔直徑影響結果見圖3.5和圖3.6所示。圖3.5圖3.6噴射靶距對鉆孔的影響實驗結果分析如下(1)對孔型的影響：由加工孔的正面、側面顯微照片(見圖3.6(a))可以看出：噴射靶距越大，射流易在工件表面產生淺而寬的凹坑；當噴射靶距為lmm時，工件與針頭底部間相隔較近，由工件表面反濺起的射流對噴嘴進行沖擊磨損，導致噴嘴磨損嚴重，因此加工出來的孔正面圖變型及破碎最厲害。五個靶距的加工順序是2mm、4mm、1mm、3mm、5mm，孔的正面圖表明了不銹鋼針頭的磨損程度。(2)對孔徑、孔深的影響：由圖3.6(a)和(b)可以看出，孔徑隨著噴射靶距的增加而先減少再增加，且增加速度先慢后快；孔深隨噴射靶距的增加先增加再近乎成線性減少。靶距為lmm的與2mm的相比，孔徑增大，孔深減小，主要原因一是靶距越小，射流對工件表面的打擊力越大，玻璃產生裂紋所需的時間越短；二是反濺射流產生的二次沖擊導致噴嘴孔徑變大；三是雖然兩者都是使用射流核心段進行加工，由于石英玻璃的初始表面光滑，打擊力越大的射流反濺越厲害，故僅在石英玻璃的淺表面處加工，相當于擴孔。當靶距大于2mm后，射流開始使用發(fā)散段進行加工，故孔徑開始變大；而靶距的增大導致射流打擊力變弱，孔深逐漸減少。3.4磨料濃度微磨料漿體射流加工時，不同磨料濃度(即磨料與水的質量比，分別為118．5、148．5、166．2、191．1、213．4，單位：g／L)對工件加工后的顯微形狀、工件去除質量、鉆孔深度、鉆孔直徑影響結果見圖3.7和圖3.8所示。(1)對孔型的影響：由加工孔的正面、側面顯微照片(見圖3.8(a))可以看出：磨料濃度的增加，對孔的圓度影響不大；但不同磨料濃度所產生對孔的打擊力不一樣，這可由孔的側面圖看出。148．5g／L和166．2g／L對應的側面圖較通透；166．2g／L對應的孔側面有點歪斜，這是由于不銹鋼針管在加工過程中由于剛度不足歪斜的緣故。(2)對孔徑、孔深的影響：由圖3.8(a)和(b)可以看出，磨料濃度增加，孔徑緩慢增加，原因是磨料濃度增大，針頭孔徑變大。孔深隨磨料濃度的增加先呈線性增加再減少，且減少趨勢為先快后慢。圖3.7圖3.8磨料濃度對鉆孔的影響3.5工藝參數影響總結通過單因素實驗研究了微磨料漿體射流在厚度為6mm的石英玻璃上鉆孔時噴射壓力、噴射時間、噴射靶距、磨料濃度4個工藝參數和鉆孔效果(正面圖、側面圖、孔徑、孔深、材料去除質量)之間的關系。結論如下：(1)四個工藝參數對鉆孔的效果的影響，都包含了四號半不銹鋼針頭鉆孔過程中的磨損影響。噴射壓力、噴射時間和磨料濃度增加時，不銹鋼針頭磨損越厲害，