大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法研究

李玉辰 胡順璽 申育敏 李繼光（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法研究

李玉辰 胡順璽 申育敏 李繼光
（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

摘 要大厚徑比平面圓孔主要為運(yùn)載火箭蒙皮及其它小鈑金件的鉚釘孔，其孔徑及圓度要求較高。針對(duì)大厚徑比平面圓孔的結(jié)構(gòu)及公差要求，通過(guò)不同的工藝試驗(yàn)，確定了影響加工穩(wěn)定性的主要因素，進(jìn)而分析確定了水切割加工工藝參數(shù)，確定了加工方案，最終達(dá)到了大厚徑比平面圓孔的加工要求。

關(guān)鍵詞水切割，孔加工，進(jìn)給率，刀具補(bǔ)償值

1 水切割技術(shù)簡(jiǎn)介

水切割技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是新一代切割技術(shù)的代表之一，經(jīng)過(guò)30年左右的發(fā)展，現(xiàn)已在航空、航天、船舶、機(jī)械等制造業(yè)領(lǐng)域，以及石油化工、火工品制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。水切割技術(shù)利用高壓水射流對(duì)材料進(jìn)行切割，屬于冷態(tài)高能切割。使用水射流切割技術(shù)切割金屬材料時(shí)，需混合砂粒等磨料，壓力一般需控制在380MPa左右，水射流速度約為音速的2～3倍；切割非金屬材料（如玻璃、陶瓷等）時(shí)，壓力一般需控制在150MPa左右，切口尺寸約為0.8mm～1mm。與傳統(tǒng)切割工藝相比，水切割技術(shù)對(duì)材料幾乎無(wú)限制性，無(wú)熱效應(yīng)，且切口質(zhì)量較高，特別適用于高溫合金、非金屬材料、陶瓷等材料的切割。

圖1　水切割設(shè)備圖

2 大厚徑比平面圓孔加工方法對(duì)比

大厚徑比平面圓孔是指材料厚度（b）與圓孔直徑（a）比大于1的孔，如圖2所示。其主要精度要求為位置公差（由設(shè)備精度保證）和形狀公差（圓度及孔徑精度）。由于其厚徑比大于1，許多切割工藝均不能完全滿(mǎn)足加工要求。例如，數(shù)控步?jīng)_切割技術(shù)受刀具上模強(qiáng)度的限制，無(wú)法加工厚徑比大于1的孔。激光切割技術(shù)受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，在加工大厚徑比圓孔時(shí)，精度難以保證。機(jī)械加工技術(shù)（如鉆削加工等）受生產(chǎn)效率及孔位置精度限制，在工程實(shí)用性方面存在不足。線(xiàn)切割工藝技術(shù)雖可以實(shí)施加工，且精度較高，但存在生產(chǎn)效率較低等缺點(diǎn)，難以在實(shí)際生產(chǎn)中大范圍應(yīng)用。

圖2　大厚徑比平面圓孔示意圖

3 大厚徑比平面圓孔水切割加工方法

3.1 工藝方法

普通圓孔切割采用從孔內(nèi)引線(xiàn)，一次切割的方法，即水射流在引線(xiàn)長(zhǎng)度范圍內(nèi)切透材料后再自然過(guò)渡到圓孔切割路徑，一次切割即可完成加工。大厚徑比平面圓孔由于孔徑較小且材料厚度較大，如引線(xiàn)在孔內(nèi)，則可能導(dǎo)致因引線(xiàn)范圍過(guò)小，無(wú)法完全切透材料即開(kāi)始切割圓孔的現(xiàn)象。因此，大厚徑比平面圓孔的切割需采用引線(xiàn)與圓孔切割路徑一致的方式，進(jìn)行2次切割，即無(wú)引線(xiàn)2次切割。大厚徑比平面圓孔的加工流程為：水射流之間在圓孔切割路徑上開(kāi)始切割，在完成1次切割后，再沿圓孔路徑進(jìn)行第2次切割。如僅進(jìn)行1次切割會(huì)導(dǎo)致圓孔路徑切割不完全，材料上下表面存在孔徑偏差，且該偏差會(huì)隨材料厚度的增大而進(jìn)一步增大，故需進(jìn)行第2次切割，在保證圓孔路線(xiàn)切割完全的情況下，對(duì)之前的切割路線(xiàn)進(jìn)行修補(bǔ)，提高切口質(zhì)量，減小材料上下表面的孔徑偏差，1次切割與2次切割試驗(yàn)件的對(duì)比如圖3所示。

3.2 工藝參數(shù)

水切割技術(shù)中涉及的工藝參數(shù)主要包括切割壓力、水及磨粒配比、進(jìn)給速度、刀具補(bǔ)償值等，各項(xiàng)工藝參數(shù)的設(shè)定均會(huì)對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖3　一次切割與二次切割對(duì)比圖

由于材料及設(shè)備限制，切割壓力、水及磨粒配比等參數(shù)與普通圓孔切割相同，僅進(jìn)給速度及刀具補(bǔ)償值存在區(qū)別。

3.2.1 進(jìn)給速度

進(jìn)給速度即切割刀頭的運(yùn)行速度。由于水射流沖擊切割材料時(shí)，水射流受材料內(nèi)部的橫向反作用力，會(huì)出現(xiàn)“甩尾”現(xiàn)象，導(dǎo)致材料上下表面切割路徑存在偏差，特別是切割轉(zhuǎn)角部位更為明顯。對(duì)于大厚徑比平面圓孔，進(jìn)給速度主要影響其圓度。進(jìn)給速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致孔不圓；進(jìn)給速度過(guò)慢，會(huì)影響生產(chǎn)效率。因此，進(jìn)給速度值的設(shè)定尤為重要。不同進(jìn)給速度設(shè)定試驗(yàn)件成孔形態(tài)對(duì)比圖如圖4所示。圖中試驗(yàn)孔的進(jìn)給速度從左向右逐步提高，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖4　不同進(jìn)給速度加工的試驗(yàn)件成孔形態(tài)對(duì)比圖

表1　進(jìn)給速度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 刀具補(bǔ)償值

刀具補(bǔ)償值是所有切割技術(shù)均涉及的重要參數(shù)，在水切割技術(shù)中，其主要受水射流直徑影響。采用水切割技術(shù)切割圓孔時(shí)，在刀具補(bǔ)償值為“0”的情況下，水射流中心沿切割路徑運(yùn)行完成切割工作，獲得的圓孔直徑比需求直徑小1個(gè)水射流直徑，即“真實(shí)孔徑”+“水射流直徑”=“需求孔徑”。為了消除該現(xiàn)象，需設(shè)定刀具補(bǔ)償值（理論值）為水射流直徑的50%。但在實(shí)際生產(chǎn)中，受限于材料內(nèi)部對(duì)水射流的縱向反作用力，實(shí)際刀具補(bǔ)償值與理論值之間存在偏差。此外，由于大厚徑比平面圓孔加工方法需進(jìn)行2次切割，在進(jìn)行第1次切割時(shí)，水射流受材料內(nèi)部的雙面作用，而在第2次切割時(shí)，由于孔內(nèi)部材料已經(jīng)脫落或即將脫落，水射流僅受材料內(nèi)部的單面作用，故2次切割與1次切割的刀具補(bǔ)償值也存在差異。

刀具補(bǔ)償值的設(shè)定對(duì)產(chǎn)品的孔徑精度具有較大影響。刀具補(bǔ)償值與孔徑成反比例關(guān)系。不同刀具補(bǔ)償值加工的試驗(yàn)件的成孔形態(tài)對(duì)比圖如圖5所示。圖中，試驗(yàn)孔的刀具補(bǔ)償值從左向右逐步提高，具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

圖5　不同刀具補(bǔ)償值加工的試驗(yàn)件成孔形態(tài)對(duì)比圖

表2　刀具補(bǔ)償值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，在掌握進(jìn)給速度及刀具補(bǔ)償值的最佳參數(shù)后，經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)法，獲得了大厚徑比平面圓孔的最佳加工參數(shù)，加工產(chǎn)品滿(mǎn)足精度要求。產(chǎn)品局部形態(tài)如圖6所示。

圖6　產(chǎn)品局部形態(tài)圖

4 結(jié) 論

大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法相較于其它切割方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，但為了保證孔加工精度（圓度、孔徑），需設(shè)定合適的工藝參數(shù)（進(jìn)給速度、刀具補(bǔ)償值等）。本文通過(guò)對(duì)工藝方法及工藝參數(shù)的研究，驗(yàn)證了大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法的可行性，為大厚徑比平面圓孔加工提供了新的思路與解決方案。

參考文獻(xiàn)

1 黃業(yè)平, 郭為中, 高峰. 水切割技術(shù)回顧與展望[C]. 中國(guó)機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)應(yīng)用國(guó)際會(huì)議（2009 CCAMMS）論文集, 2009: 21～22, 27

2 胡勝成, 韓萍. 水射流切割技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 金屬加工熱加工, 2014, (6): 61～63

3 徐禮龍. 超高壓水射流切割速度優(yōu)化方法研究[D]. 江蘇大學(xué), 2012

4 齊忠霞. 五坐標(biāo)水切割中的刀具補(bǔ)償方法[J]. 工藝與裝備, 2009, (4): 70～72, 75