磨料水射流加工技术

磨料水射流加工技术目录1.简介3.磨料水射流加工技术研究现状4.磨料水射流加工技术的特点、应用领域和发展2.磨料水射流的切割机理及切割规律1.简介水射流技术是近20多年发展起来的新技术，其应用日益广泛。目前已在煤炭、机械、石油、冶金、航空、建筑、水利及轻工业等部门应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。尤其近年来随着高科技的迅速发展，激光束、电子束、等离子体和水射流，业已成为新型的切割工具。其中激光束、电子束和等离子体属于热切割加工，而水射流是唯一一种冷加工手段。在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，水射流有其独特的优越性。1.简介水射流的发展概况大体分四个阶段:第一阶段（探索实验阶段）：上世纪60年代初，主要研究低压水射流采矿。第二阶段（设备研制阶段）：60年代初至70年代初，主要研制高压泵、增压器和高压管件，同时推广水射流技术。第三阶段（工业应用阶段）：70年代初至80年代初，主要特点是大量的水射流采矿机、切割机和清洗机相继问世。第四阶段（迅速发展阶段）：80年代初至今，水射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流和自激振动射流等新型射流发展很快，许多产品已达到商品化。1.简介第四阶段第三阶段第二阶段第一阶段迅速发展阶段工业应用阶段设备研制阶段试验探索阶段水射流发展的四个阶段1.简介磨料水射流的概念：磨料水射流是以水为介质，通过高压发生装置获得巨大能量，然后通过供料和混合装置把磨料加入到高压水束中，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高压水束的高速冲击和冲刷，实现材料去除的一种特种加工方法。1.简介磨料水射流的加工原理：磨料水射流加工是运用液压增压原理，通过增压器或高压泵将水增压至超高压，将电动机的机械性能转换成压力能，具有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能，从而形成高速水射流并在混合室内产生一定的真空度，磨料在自重和压力差的作用下被吸入混合室，与水射流产生剧烈紊动扩散和混合，形成了高速磨料水射流，并以极高的速度经磨料喷嘴冲击工件。磨料水射流冲击工件后，材料上局部应力场高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至材料失效而被切除。在磨料水射流加工过程中，起加工作用的主要是磨料粒子，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以磨料水射流与纯水射流比较，其射流动能更大，加工效果更强。磨料水射流装置包括:供水系统，增压系统，高压水路系统，磨料供给系统，切割头装置，接收装置，执行机构和控制系统，如下图所示。供水系统的作用是使水质软化，降低水质对高压水路的腐蚀，提高高压系统往复密封的工作寿命。增压系统的核心部件是增压器，一般采用液压作用往复式，增压器通常选用10:1，20:1，增压器的输出水压可由改变输入端液压系统的油压来调节;可使水的压力增至100-400MPa，甚至高达690MPa和700MPa。高压水路系统连接增压系统和切割头装置，为了输送高压水和适应切割头快速灵活运动的要求，高压水管道通常采用具有挠性的耐超高压不锈钢管，并由若干个旋转管接头组成。磨料供给系统包括料仓、磨料流量阀和输送管。纯水射流切割头包括高压水开关阀和宝石喷嘴;磨料水射流切割头则还包括使水射流与磨料混合的混合室和混合喷嘴;混合喷嘴要求耐磨性高，一般采用硬质合金制成。接收装置置于工件下方，用来收集剩余磨料射流，具有消能、降噪、防溅和安全等功能。执行机构和控制系统控制切割头运动轨迹的控制装置，控制方式有手动、机动、NC和CNC等方式。1.简介磨料水射流装置1.简介1.简介磨料：一般分为矿物系、金属系和人造系三类。选用原则：（1）切割效果好；（2）价格低廉，货源充足。1.简介常见磨料：1.简介喷头:由水射流喷嘴、混合室和磨料射流喷嘴组成。分类：（1）按水射流的股数：单股射流喷头、多股射流喷头（2）按磨料输入方式：磨料侧进式射流喷头、磨料中进式射流喷头、磨料切向进给式射流喷头1.简介1.单射流磨料侧进式喷头优点：结构简单，射流的密集性和稳定性都较好。缺点：磨料与水混合的效果较差。1.简介2.单射流磨料切向进给式喷头磨料与水射流充分混合，同时减少磨料间的相互碰撞，提高磨料射流的切割能力。1.简介3.多射流磨料中进式喷头多用于磨料射流清洗或除锈1.简介4.带准直管的磨料射流喷头结构简单，操作方便，被广泛用于磨料射流切割工业磨料水射流加工技术的分类根据磨料与水的混合方式前混合式磨料水射流后混合式磨料水射流1.简介前混合式磨料水射流：磨料先和水在高压管路中均匀混合成磨料浆水，然后经磨料喷嘴喷射形成的射流称为前混合磨料射流，这种混合效果好，所需的压力低，但装置复杂，且喷嘴磨损严重。后混合式磨料水射流：在水射流形成后加入磨料的称为后混合磨料水射流，混合效果稍差，所需的压力高，但喷嘴磨损小一些。后混合磨料水射流的理论研究和应用技术都比较成熟，目前在工业许多部门得到了广泛的应用。1.简介根据射流加工时的环境条件淹没式磨料水射流非淹没式磨料水射流磨料水射流加工技术的分类1.简介淹没式水射流是指射流从出口到工件是在水中，具有射流扩散快、速度和动压分布均匀等特点。非淹没式水射流指射流从出口到工件是在空气自然状态下，与淹没式相比，其射程大，核心段长度长，但是速度分布不均匀。1.简介磨料水射流的切割机理磨料水射流切割靶件时，在一定的射流横移速度下，水射流的一部分以恒定的速度射向靶件，另一部分则随着射入深度地增加切割效力减弱，于是切割面沿射流横移相反方向出现弯曲，如下图a所示;弯曲切割面轴线与原射流轴线之间的角度，从射流进入靶件处开始逐渐增大，射流随之沿横移相反方向偏转越来越大。但由于磨粒自身惯性较大，并不随水射流载体偏转，因而导致磨粒与水射流分离和磨粒的局部过分集中冲蚀。磨粒加速度越大，分离折射角越大，集中冲蚀也越剧烈。磨料局部集中冲蚀使得沿切割面的磨削量明显增加，从而在切割面上形成阶梯，因此，在形成阶梯的冲蚀中，阶梯以上水流偏转角不断增大，水射流偏转切割面越远，阶梯以下的磨削量越小，直至上阶梯与原射流方向垂直，如下图b所示;随着射流横移送进，切割面重新变为平滑切割磨削，如下图c所示。以后由平滑切割磨削过程到变形冲蚀磨削过程重新开始，即进入切割循环过程。在此过程中，整个切割面继续转变为行程间隔，由于磨料水射流偏转近似弧线，所以沿射流横移方向形成波纹间隔的切割断面。2.磨料水射流的切割机理及切割规律2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流加工数学模型M.Hashish根据Finnie和Bitter的固体粒子冲蚀理论，在一系列可视化实验的基础上，认为磨料水射流去除材料的过程由切割磨损和变形磨损两个区域组成，如下图所示。在切割磨损区域，即在切割深度达到hC以前，磨料粒子以小角度冲击材料，材料是以微切割模式去除的。当切割深度达到hC以后，磨料粒子冲击材料的速度降低，材料的去除模式发生了改变，磨料粒子以大角度冲击材料，材料是以变形磨损模式去除的。在这个前提下，M.Hashish得出了切割磨损区切深和变形磨损区切割深度的数学模型:式中,hC一切割磨损模式的切割深度(mm);hd一变形磨损模式的切割深度(mm);Ck一特征速度(m/s);dj一射流直径(mm);m一磨料质量流量(g/s);Ve一磨料粒子的临界速度(m/s);Vo一磨料粒子的初始速度(m/s);一磨料粒子的密度(g/cm3);u一喷嘴的横移速度(mm/s);Cf摩擦系数;一流动应力(MPa)。该模型几乎包含了磨料水射流加工所涉及的所有参数，然而，其中一些参数如Vo,Ve等须由实验测定，因此当由不同的操作人员操作时，所取的结果是不同的。P磨料水射流切割性能的影响因素由于磨料水射流切割是一个非常复杂的过程，因此影响磨料水射流切割性能的参数很多，包括动力学参数(水喷嘴直径、水压力)、磨料参数(磨料材料、尺寸大小、流量)、磨料喷嘴参数(磨料喷嘴直径、长度、材料)、切割参数(切割速度、靶距、冲击角度、切割次数)、工件参数(硬度)等。但易于控制的工艺参数主要有水压力、磨料参数、切割速度和靶距等。评价切割性能的指标主要包括切穿深度、切口形状(切口上、下部的宽度和切口锥角)、加工表面质量(粗糙度和波纹度)等。2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割规律（1）切割深度随水压、磨料硬度和切割次数的提高而增加，随切割速度的提高而减小，与靶距、磨料供给量和磨料粒度存在最佳值关系。随着切割深度的增大，切割断面条纹的凸起峰值及偏斜角度逐渐增大，而条纹的出现频率减小。（2）切口宽度与切割速度存在最佳值关系，最佳切速约为最高切速的1/5。一次切断，切割速度由材料性能、厚度和断面质量要求而定。当横移速度一定时，压力越大切割表面越光滑;当切割表面粗糙度相同时，压力越大横移速度越大。（3）随着射流压力的增大或切割速度的减小，切割断面质量明显提高。与脆性材料相比，塑性材料的切割断面较光滑，其断面形貌受射流压力和切割速度的影响较明显。（4）磨料水射流对材料的切断面积速度，随材料破坏能量值的增大而减小，随压力的增加而增加，随靶距的增大而减小，与磨料的供给量存在最佳值关系。在横移速度、材料厚度一定时，存在最佳靶距值，使切割深度最深;随着靶距的增大，切槽宽度逐渐增大。在喷嘴横移速度一定时，随着压力增加，切割深度逐渐增大。在压力一定时，横移速度越小切割深度越深。2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流切割磨料水射流铣削磨料水射流钻削磨料水射流车削磨料水射流其他加工方式3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流切割M.Hashish是最早研究磨料水射流加工的研究者之一，他通过磨料水射流切割实验研究指出，磨料水射流可用于切割钦、陶瓷、金属、玻璃、石墨烧结复合材料而不产生分层，在切割区不会产生热应力与变形应力，并讨论了不同切割参数对材料加工性能和材料去除率的影响，指出优化切割参数将大幅提高切削性能。此后，国内外磨料水射流加工的大量研究和应用主要集中在切割加工方面，磨料水射流切割示意图与试样切割断面如图3所示。从微观角度上讲，磨料水射流切割的实质为大量磨料粒子对工件材料微磨削的累积作用，需解决的关键问题是切口形貌和切割深度的控制。磨料水射流关键装备及精确切割机理数学模型的发展与完善，使目前该技术能够切割100一200mm厚的金属材料和约50mm厚的硬脆材料结构件。然而，在大厚度结构件的磨料水射流切割过程中，射流束会因能量衰减而产生“甩尾”现象，如图4所示。切割平滑区位于切口的上边缘，而越靠近工件底部，则“甩尾”现象越明显，这极大地影响切割工件的表面粗糙度、形状与位置精度。通过优化切割工艺及利用带有公差控制器的摆动切割头技术可以对切口加工精度进行智能补偿，从而提高加工质量。3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流铣削通过控制磨料水射流加工参数，使射流束不穿透工件而只去除工件表层材料的加工方法被称为磨料水射流铣削，其加工示意图及产品如图5所示。虽然该技术尚处于实验研究阶段，但是许多研究者对这一新的磨料水射流加工技术的机理、工艺进行了研究。在塑性材料的磨料水射流铣削方面，M.Hashish等提出了磨料水射流铣削加工的可行性，并研究发现喷嘴横移速度是影响铣削均匀性的重要参数。HochengH等研究了磨料水射流铣削纤维增强塑料的可行性，通过研究单次铣削、两次铣削和多次铣削的碎屑形成机理，预测出变形磨损为铣削纤维增强塑料的主要切割机理，并分析了射流压力、靶距、喷嘴横移速度和磨料流量对材料去除率、铣削深度、铣削宽度的影响。Fowler和Shipway等研究了磨料水射流铣削的材料表面特征，指出高的喷嘴移动速度、细颗粒磨料、低的射流压力和小冲蚀角度可以得到波纹度较小的铣削表面。Paul等研究了不同铣削参数对磨料水射流铣削槽深和材料去除率的影响，并利用回归分析建立了经验模型。磨料水射流铣削硬脆材料的研究较少，ZengJY等研究了射流冲击角度对磨料水射流铣削多晶陶瓷的影响，指出了当射流角度为900时可获得铣削冲击时最优的材料去除率，并建立、验证了冲蚀速率的数学模型。3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流钻削可以分为套孔和钻孔两种加工方