高壓水射流技術(shù)在環(huán)氧類復(fù)合材料加工中的應(yīng)用

谷　巖，馮懿娜，劉 斌（西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安　710025）

高壓水射流技術(shù)在環(huán)氧類復(fù)合材料加工中的應(yīng)用

谷巖，馮懿娜，劉 斌
（西安航天復(fù)合材料研究所，陜西 西安710025）

針對(duì)高壓水射流技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合在環(huán)氧類復(fù)合材料切割操作過程出現(xiàn)的纖維撕裂、材料分層等質(zhì)量問題，討論影響切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素，進(jìn)行復(fù)合材料水射流加工機(jī)理分析，據(jù)此進(jìn)行工藝性改進(jìn)，避免各種加工質(zhì)量問題。

復(fù)合材料；高壓水射流；分層

0　引言

水切割技術(shù)又稱水刀、水射流技術(shù)，它是將普通的水經(jīng)過壓力系統(tǒng)增壓后產(chǎn)生高能量水流，再通過一個(gè)極細(xì)的噴嘴，以每秒近千米的速度噴射出水流進(jìn)行切割。相對(duì)其它切割技術(shù)而言，水切割不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體或物質(zhì)，被加工件表面不會(huì)產(chǎn)生熱反應(yīng)區(qū)或機(jī)械應(yīng)力殘留，因此是一種萬能的、高產(chǎn)能的冷切割技術(shù)。

目前，超高壓水切割除了可以切割鈦、鋁及其合金，鉻鎳鐵合金，黃銅、不銹鋼等金屬材料外，也日益廣泛的應(yīng)用在各類復(fù)合材料加工中，可以切割1～150mm的碳纖維復(fù)合材料。

由于環(huán)氧類玻璃布層壓板等復(fù)合材料制品是由纖維和基體組成的二相或多相結(jié)構(gòu)，具有非均質(zhì)和纖維異向性能，采用水射流切割時(shí)易產(chǎn)生纖維劈裂、局部分層等質(zhì)量問題。針對(duì)該問題，結(jié)合實(shí)際加工中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其工藝方法、操作要點(diǎn)進(jìn)行分析及探討，避免各類質(zhì)量問題的出現(xiàn)。

1　環(huán)氧類復(fù)合材料加工存在的問題

高壓水射流技術(shù)以其特有的加工優(yōu)勢(shì)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類常規(guī)的復(fù)合材料的切割加工中，但是通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在采用高壓水射流切割環(huán)氧類復(fù)合材料時(shí)，部分材料會(huì)出現(xiàn)不同程度的分層現(xiàn)象。

表1　典型環(huán)氧類復(fù)合材料高壓水切割加工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

2　存在問題的原因分析

高速水射流破壞材料的過程其實(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂的過程，對(duì)脆性材料（如巖石）等主要是以裂紋破壞及擴(kuò)散為主；而對(duì)塑性材料符合最大拉應(yīng)力瞬時(shí)斷裂準(zhǔn)則，即一旦材料中某點(diǎn)的法向拉應(yīng)力達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，該點(diǎn)即發(fā)生斷裂。而影響射流切割質(zhì)量的因素主要有以下幾個(gè)方面：

（1）基本參數(shù)。主要包括噴射壓力、切割速度及噴管直徑。射流基本參數(shù)決定了射流對(duì)材料的破壞能力，而射流壓力和噴嘴（寶石）直徑又決定了其他射流基本參數(shù)。在噴嘴直徑不變的條件下，改變射流壓力，切割速度和切割深度隨射流壓力的增加而增加，與此同時(shí)，壓力的增加還可以明顯提高切縫斷面的質(zhì)量。此外，切割速度隨著噴嘴直徑的改變呈現(xiàn)雙曲線變化，在同等壓力條件下，對(duì)比用直徑0.1mm和0.4mm噴嘴加工的材料切縫質(zhì)量，隨著噴嘴直徑的增加，切縫變大，切屑粒徑變大，切縫質(zhì)量明顯變差。而切割用噴嘴出口直徑推薦在0.3mm左右選取。以切割玻璃纖維板為例，得到下列參數(shù)曲線圖1～圖3。

圖1　切割速度與射流壓力關(guān)系曲線

圖2　切割速度與噴嘴直徑關(guān)系曲線

圖3　切割深度與噴嘴直徑關(guān)系曲線

（2）切割靶距。靶距是指沙管出口到目標(biāo)工件的垂直距離，靶距的變化對(duì)切割速度、切割質(zhì)量和切縫、形狀都有很大影響，切縫寬度隨著靶距的增加而增加。在高壓射流作業(yè)中，射流結(jié)構(gòu)及靶距的變化形成切縫形狀和寬度的變化。在噴嘴鄰近區(qū)射流無發(fā)散，射流與材料相互作用，從軸向和徑向破壞材料，會(huì)產(chǎn)生底邊較長(zhǎng)的梯形切縫，并易在底面出現(xiàn)材料剝離或分層；隨著靶距的增加，切縫斷面錐角變小，形成光滑邊緣的矩形切縫；隨著靶距的進(jìn)一步增加，射流對(duì)材料作用面積增加，切縫寬度變大，切縫斷面也編程長(zhǎng)邊在上表面的梯形切縫。常規(guī)切割靶距的選擇可按照經(jīng)驗(yàn)工時(shí)進(jìn)行選擇制定：L=（60~150）dn，其中dn：噴嘴直徑。

在切割復(fù)合材料時(shí)，水射流噴嘴距離被切割材料表面的距離在0.025~25.4mm之間，常規(guī)距離約為3.8mm左右，這樣便于在任何位置及方向上進(jìn)行切割。

（3）材料性能。被加工材料的力學(xué)性能即是影響射流作業(yè)速度的主要因素，也是確定作業(yè)射流壓力及功率參數(shù)的決定因素。在采用高壓射流加工時(shí)，一般以抗拉強(qiáng)度作為材料可加工性的主要判斷依據(jù)。

環(huán)氧玻璃布層壓板為纖維質(zhì)復(fù)合材料，由質(zhì)軟而粘性大的基體和抗拉強(qiáng)度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能呈各向異性，且纖維復(fù)層方向?qū)η懈钯|(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。在使用水射流切割該類材質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度較低的樹脂基體受到高能水流沖擊產(chǎn)生斷裂，而增強(qiáng)纖維抗拉強(qiáng)度較好，通常為普通碳纖維的2～3倍。增強(qiáng)纖維和基體樹脂的塑性和韌性等物理力學(xué)性能不一致，在受到載荷后微觀組織變形不協(xié)調(diào)，故出現(xiàn)纖維撕裂滯后或材質(zhì)分層，影響切縫質(zhì)量。

（4）水墊效應(yīng)。水射流沖擊靶體后形成三個(gè)區(qū)域（見圖4），即自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)。當(dāng)高壓水射流統(tǒng)計(jì)靶體滯點(diǎn)位置時(shí)，水流向四周反射，形成水墊，水墊覆蓋范圍以滯點(diǎn)位置為圓心，半徑約為14mm的圓形區(qū)域，水墊有中心向外厚度逐漸減薄，內(nèi)部壓強(qiáng)隨之降低。在平臺(tái)式靶體和穿透性靶體粉碎實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，前者沖擊點(diǎn)附近產(chǎn)生水墊，而后者加速后沖擊把題部分無水墊。當(dāng)水射流內(nèi)層高效加速區(qū)與水墊層高壓區(qū)在靶體上重疊，該區(qū)域物料比外層區(qū)物料消耗更大的沖擊能量克服水墊層阻力，造成能量損失，影響粉碎效應(yīng)。

由此可見，射流沖擊區(qū)水墊效應(yīng)對(duì)粉碎不利，在水射流能量一定的情況下，應(yīng)盡量使物料靠近水射流束本體，但是該區(qū)域又在靶體上與水墊區(qū)域重疊，影響粉碎效果，因此采用穿透性靶體消除沖擊區(qū)水墊是一種非常有效的技術(shù)手段。

圖4　水墊效應(yīng)示意圖

3　工藝實(shí)驗(yàn)研究及措施

綜上所述，主要針對(duì)切割時(shí)穿孔分層這一現(xiàn)象進(jìn)行工藝試驗(yàn)，設(shè)備采用Dwj2030三軸水切割機(jī)，切削參數(shù)設(shè)定為壓力值300Mpa，進(jìn)給量320 mm/min。試驗(yàn)靶體采用目前較容易分層的3240玻璃布/環(huán)氧層壓板，厚度為5mm。在上述條件不變的情況下，首先將靶距設(shè)定為2mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖可見，在該實(shí)驗(yàn)條件下，部分孔周圍區(qū)域出現(xiàn)了不同層度的分層、開裂現(xiàn)象。為了改進(jìn)效果，第二次實(shí)驗(yàn)將靶距調(diào)整為4.5 mm，其余參數(shù)未改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖可見，在該條件下，切割同等厚度及材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)靶體，未出現(xiàn)分層或開裂。

隨后，針對(duì)同等材質(zhì)，就噴嘴直徑對(duì)切割質(zhì)量的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在同等試驗(yàn)條件下，首先采用直徑為0. 1mm的噴嘴進(jìn)行切割，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖可見，試驗(yàn)靶體出現(xiàn)了不同程度的分層及開裂現(xiàn)象。在隨后的試驗(yàn)中，更換了直徑為0.33的寶石噴嘴，在同等試驗(yàn)條件下，結(jié)果如圖8所示。由圖可見，試驗(yàn)靶體并未出現(xiàn)分層及開裂現(xiàn)象。

圖5　靶距2mm切割3240層壓板實(shí)物圖

圖6　靶距4.5mm切割3240層壓板實(shí)物圖

圖7　噴嘴直徑為0.1mm切割3240層壓板實(shí)物圖

圖8　噴嘴直徑為0.33mm切割3240層壓板實(shí)物圖

經(jīng)工藝試驗(yàn)分析可知，在切割3240層壓板材料時(shí)，靶距，噴嘴直徑兩類因素對(duì)切割質(zhì)量的影響較大。由于此類材料的樹脂基于增強(qiáng)纖維之間的性能差異較大，當(dāng)采用小直徑噴嘴，靶距較小進(jìn)行切割時(shí)，高能水流沖擊靶體表面，引起水墊效應(yīng)，在高能水流切割樹脂基體同時(shí)，水墊高能區(qū)對(duì)材料纖維鋪層之間產(chǎn)生沖擊，引起切縫局部分層或開裂。當(dāng)選擇較大直徑噴嘴，采用較大靶距進(jìn)行切割時(shí)，由于噴嘴直徑的增大使水流噴出時(shí)壓強(qiáng)降低，同時(shí)由于靶距較長(zhǎng)，水流在高達(dá)靶體表面時(shí)損失了部分能量，因此在沖擊靶體時(shí)產(chǎn)生的反射水墊能量也有所下降，當(dāng)反射水墊能量低于纖維鋪層間樹脂基體的強(qiáng)度時(shí)，不足以沖開纖維鋪層，因此分層情況出現(xiàn)的程度大大降低。

4　實(shí)驗(yàn)總結(jié)及改進(jìn)方法

綜上所述，高壓水切割雖然是一種比較萬能的切割方式，但在切割類似類似纖維層壓或逐層疊類復(fù)合材料時(shí)，尤其是中空類產(chǎn)品且厚度較大時(shí)，由于選擇的切割參數(shù)不合理，會(huì)在穿孔時(shí)在產(chǎn)品上表面有分層或開裂現(xiàn)象，在擊穿材料一瞬間偶爾也會(huì)在下表面造成一點(diǎn) “起皮”的微弱現(xiàn)象。

通過上述實(shí)驗(yàn)我們可知，高壓水切割是一種能量切割，增壓器產(chǎn)生的高壓水射流沖擊在靶體上，就會(huì)在以滯點(diǎn)為圓心半徑約為14mm的范圍內(nèi)反沖進(jìn)而造成產(chǎn)品上邊面的分層，開裂現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，減少分層現(xiàn)象出現(xiàn)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）根據(jù)材質(zhì)不同選擇適當(dāng)?shù)陌芯唷?/p>

（2）針對(duì)樹脂基體復(fù)合材料切割時(shí)，可適當(dāng)增大寶石噴嘴口徑，減小射流對(duì)靶體的沖擊能量，從而降低反射水墊對(duì)材質(zhì)基體的影響。

（3）適當(dāng)?shù)恼{(diào)低增壓器壓力。

（4）在切割時(shí)先開砂再開高壓水。（最好開砂后有幾秒延遲）

（5）在滯點(diǎn)位置開引刀孔，使平臺(tái)實(shí)體靶體變?yōu)榇┩甘桨畜w，避免反射水墊的出現(xiàn)。

（6）在切割材料底面墊一層相對(duì)較軟的材料（減輕產(chǎn)品下表面“起皮”）。

（7）在零件形狀允許的情況下，沿平行于纖維的切割方向進(jìn)行切割。

5　結(jié)束語

高壓水射流技術(shù)正向高效、多功能、智能化、精細(xì)化方向發(fā)展，但是在復(fù)合材料應(yīng)用方面的問題以及切縫質(zhì)量的進(jìn)一步提升還有待于進(jìn)一步研究，必須使所有的工藝參數(shù)與工件的材質(zhì)、形狀、厚度完全匹配，才能最大程度的發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和手段必將更為廣闊。

［1］裴鏡蓉.復(fù)合材料的高壓水射流加工［J］.宇航材料工藝，1992，6.

［2］萬繼偉，牛爭(zhēng)鳴，牛助農(nóng).高速水射流粉碎中射流沖擊區(qū)水墊的增阻效應(yīng)［J］.化工進(jìn)展，2012，1.

Application of High Pressure Water Jet Technologyin the Process of Epoxy Composite Materials

GU Yan，F(xiàn)ENG Yi-Na，LIU Bin
（Xi'an Aerospace Composites Research Institute，Xi'an Shaanxi 710025，China）

Aiming at the characteristics of high pressure water jet technology，combined with in epoxy composite cutting operation process of fiber tearing，layered materials such as quality problems，discuss the key factors affecting the cutting quality，composite material water jet machining mechanism is analyzed.Based on the result，the process of improvement，avoid all kinds of machining quality problem.

compound material；high pressure water jet；layered

TH-39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.048

1002-6673（2015）05-130-03

2015-06-25

谷巖（1975-），男，陜西西安人，工程師，大學(xué)本科。主要從事機(jī)械加工工作。研究方向：非金屬機(jī)械加工技術(shù)。