微磨料水射流精確送料裝置設計及應用研究*

戴良博 雷玉勇 劉克福 衛(wèi)排峰 王榮娟

（西華大學機械工程與自動化學院特種加工研究所，四川 成都 610039）

微磨料水射流（Micro Abrasive Water Jets-MAWJ）是在傳統(tǒng)磨料水射流（Abrasive Water Jets-AWJ）基礎之上發(fā)展起來的精密加工技術。與后者比較，它有兩個明顯的要求，即水束的穩(wěn)定性和磨料的均勻、定量的輸送［1］。而微磨料水射流現(xiàn)多用于材料的拋光、微刻蝕等微細精加工，其工序走刀速度慢、加工余量小，因而，它所需的射流能量小，水壓在30MPa 以下，如此可以控制高壓水束的脈動在3%以下，以達到水束良好穩(wěn)定性的目的［2］。所以，磨料的均勻、穩(wěn)定、精密輸送就成為了實現(xiàn)高能微磨料水射流加工的關鍵技術［3］。

傳統(tǒng)混合式磨料水射流通常是利用高速水射流流動所產生的負壓以及磨料自重直接將磨料引入混合腔，通過高速水射流對固體磨料粒子的加速、混合并經聚焦管噴出形成高能磨料水射流。這種供料方式通常采用閥控開、閉式控制，磨料容易堵塞、故障率高、磨料吸入不均勻、磨料流量無法控制，從而直接影響了其切割加工性能和加工質量。另一方面，在微磨料水射流中一般采用微米級的磨料粒子，很容易吸附空氣中的水分，增大了粘性阻力，此時微磨料粒子很難利用負壓吸入切割頭混合腔形成微磨料水射流［3］。因此，傳統(tǒng)的磨料輸送方式已經不能滿足微磨料水射流精確供料的要求。本文設計開發(fā)出一套微磨料水射流的磨料主動、精確供給裝置，進行了磨料輸送的實驗測試，并應用此裝置做了切割對比實驗。

1 微磨料水射流精確送料裝置

1.1 結構設計

微磨料水射流供料裝置如圖1 所示，主要由微型直流減速電動機11、送料螺桿7、銅套8、磨料箱體2 和控制電路板等組成。送料螺桿7 與銅套8 構成簡易螺桿泵，螺桿通過直流減速電動機驅動，在螺桿旋轉的帶動下，螺桿凹槽中的微細磨料被主動推入磨料輸送軟管10，然后供給切割頭。螺桿轉速快則磨料供給量大；反之磨料供給量就小。因此磨料流量可以通過控制直流減速電動機的轉速——即供電電壓（或電流）來精確控制。

1.2 螺桿參數(shù)計算及結構設計

根據(jù)螺桿泵送料原理［4-5］，磨料質量流量由下式決定：

式中：Q 為磨料質量流量，kg/min；V 為螺桿旋轉一圈螺紋牙槽的體積，m3/r；ρ 為磨料堆積密度，kg/m3；對于石榴石磨料，其堆積密度為ρ=2.6 g/cm3；n 為電動機轉速，r/min。

根據(jù)螺桿螺紋幾何關系，螺桿旋轉一圈螺紋牙槽的體積V 為

式中：S 為螺紋牙槽的截面面積；L 為螺旋線在中徑展開，旋轉一周螺旋線長度；p 為螺桿螺紋的螺距；h 為螺紋牙型高度；d、d1、d2分別為螺紋的大徑、小徑和中徑。

假設磨料完全充滿螺紋牙槽，則由式（1）得

設計中我們取螺桿參數(shù)為牙型角30°；p=6 mm；d=12 mm；d1=8 mm；d2=6 mm。由式（7）整理得

設計的非標準螺桿如圖2 所示。

2 磨料流量實驗測試及分析

為了研究螺桿泵送磨料質量流量與電動機轉速（或電壓）的關系，從而為實際應用提供基礎，在實驗室進行了實驗測試。

表1 磨料質量流量與電動機轉速和供電電壓的實驗數(shù)據(jù)

實驗中選用的微型直流減速電動機型號為TH37JB555，電壓為24 V；功率15 W；減速比為1:20。

磨料實際質量流量由天平稱重；電動機供電電壓由電壓表測量；電動機（螺桿）轉速用閃光測速儀測量。磨料流量與電動機轉速和供電電壓的實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

由表1 可知，當供電電壓低于10 V 時，減速電動機停止轉動，表明電動機轉矩不足以克服螺桿送料裝置的摩擦阻力。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，應用Matlab 對直流減速電動機輸出軸轉速n 與供電電壓V 關系進行線性擬合，得：

把式（9）代入式（8）整理，得磨料理論質量流量Q1為

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，進一步對直流減速電動機供電電壓V 和磨料實際質量流量Q2關系進行線性擬合，得：

比較式（10）和式（11）可知，磨料理論質量流量Q1與實際質量流量Q2存在一定誤差，如圖3 所示。當電動機轉速較低時，磨料的實際質量流量與理論質量流量誤差較小。隨著轉速的提高，實際質量流量與理論質量流量誤差逐漸增大。分析其原因，主要是由于當轉速增大，螺桿送料系統(tǒng)的慣性使磨料質量增加所致。

我們定義磨料質量流量相對誤差η 為

式中：E 為磨料質量流量誤差，g/min。

根據(jù)表1 和式（12）可計算出，在10～24 V 范圍內，該裝置的磨料質量流量平均誤差1.03 g/min，平均相對誤差0.2%；磨料質量流量最大誤差為1.96 g/min，最大相對誤差1.79%，滿足設計要求。因此，式（11）可以用于微磨料水射流供料裝置的控制方程。

3 微磨料水射流精確送料裝置應用實驗研究

如前所述，磨料流量的均勻、連續(xù)供給對磨料水射流的切割加工性能和加工質量起著決定作用。為驗證設計的正確性及實用性，用微磨料水射流精確送料裝置替換現(xiàn)有水射流機床上的閥控自吸式供砂裝置，并進行切割加工實驗。

切割實驗方案如下：分別采用所開發(fā)的微磨料精確送料裝置和傳統(tǒng)自吸式供砂裝置，在現(xiàn)有水射流機床上對厚度為10 mm 樹脂聚合物薄板進行切割，并對切割表面質量進行對比。

切割試驗樣本如圖4 所示。實驗參數(shù)如下：噴嘴直徑為0.26 mm，聚焦管直徑和長度分別為0.76 mm和76 mm，高壓系統(tǒng)壓力為80 MPa，靶距為10 mm，走刀速度為30 mm/min。石榴石磨料，粒度120 目。

用TR200 型手持式粗糙度儀（如圖5 所示）分別對兩種磨料供給方式的切割樣本的切割表面進行測量。考慮到磨料水射流加工的特殊性，測量時沿切割深度方向選擇了4 個不同位置，然后對測量值進行算術平均，測量數(shù)據(jù)如表2 所示。測量參數(shù)設置：取樣長度l 為0.8 mm；評定長度ln 為1 l；標準ISO；量程為±80 μm；RC 濾波器。

表2 切割試驗樣本表面粗糙度

由表2 可以看出，利用磨料水射流切割脂聚合物薄板，采用精確磨料供給裝置和傳統(tǒng)自吸式磨料供給裝置所切割的表面粗糙度有顯著差別。應用微磨料水射流供料裝置的磨料水射流切割表面粗糙度平均值較傳統(tǒng)自吸式供料提高了2.64 倍。

4 結語

本文設計開發(fā)了微磨料水射流精確供料系統(tǒng)，實驗研究了供電電壓與電動機轉速、磨料質量流量與轉速以及磨料質量流量與電壓的關系，并將該裝置應用到現(xiàn)有磨料水射流機床進行切割對比實驗。實驗結果表明：在10～24 V 范圍，直流減速電動機驅動螺桿克服了套筒與磨料之間的摩擦力，能夠均勻、定量、穩(wěn)定的供料。通過對擬合方程計算表明，螺桿泵送磨料質量流量平均誤差1.03 g/min，最大誤差為1.96 g/min；平均相對誤差0.2%，最大相對誤差1.79%。在現(xiàn)有磨料水射流機床上分別應用微磨料水射流精確供料裝置和傳統(tǒng)自吸式供料裝置對厚度為10 mm 的樹脂聚合物薄板進行了切割對比實驗，實驗表明，應用微磨料水射流精確供料裝置可以大幅提高磨料水射流切割加工的表面質量。微磨料水射流精確供料具有良好的通用性和較高的實用價值。

［1］孫書蕾，雷玉勇，等.基于AMESIM 的微磨料水射流增壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性研究［J］.礦山機械，2009，37（20）：11 -13.

［2］雷玉勇.微磨料水射流技術及應用［J］.西華大學學報，2009，28（4）：1 -6.

［3］雷玉勇，蔣代君，等.微磨料水射流三維加工的實驗研究［J］.西華大學學報，2010，29（2）：7 -10.

［4］邴龍健.微磨料水射流磨料精密輸送系統(tǒng)研究［D］.成都：西華大學，2008.

［5］宋清俊.磨料水射流精確供砂裝置的研究［D］.成都：西華大學，2007.