磨料水射流拋光不銹鋼工件表面質(zhì)量的研究

宋岳干，宋丹路，張文利

（西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010）

磨料水射流拋光不銹鋼工件表面質(zhì)量的研究

宋岳干，宋丹路，張文利

（西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽621010）

闡述了3740龍門式數(shù)控水切割機(jī)床的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。通過牌號為0Cr18Ni9Si的不銹鋼拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)合測量表面粗糙度值、摩擦系數(shù)變化、三維形貌圖，分析了工藝參數(shù)對拋光區(qū)域表面質(zhì)量的影響。根據(jù)不同材料的自身特性合理選擇工藝參數(shù)，為異形曲面的冷態(tài)拋光加工提供指導(dǎo)。

表面粗糙度；摩擦系數(shù)；三維形貌；工藝參數(shù)

高壓磨料水射流是近30年迅速崛起的一種新加工技術(shù)[1]，它以水為介質(zhì)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，在加工過程中不會影響材料的物理、化學(xué)性能，且無加工殘余應(yīng)力。當(dāng)零件對作業(yè)壞境有特殊要求時，如加工中不能產(chǎn)生熱量、工件表面不能有明顯刀紋等，均可用高壓磨料水射流進(jìn)行加工[2-3]。

用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)[4]對異形曲面、復(fù)雜型腔、細(xì)長管件等進(jìn)行加工時，難度非常大，甚至無法加工。例如拋光汽輪機(jī)葉片和航空渦輪發(fā)動機(jī)葉片，目前常見的葉片拋光方法有：噴丸、振動強(qiáng)化和六坐標(biāo)砂帶磨削等[5-6]。但這些方法都有不足之處，如：用噴砂機(jī)對其進(jìn)行拋光時，砂粒與葉片間的摩擦易產(chǎn)生熱量，形成葉片熱變形；三維振動強(qiáng)化拋光只能應(yīng)用于一些小型葉片[7]；用六坐標(biāo)砂帶磨削時，葉根與凸臺部位很難拋到，且短時間內(nèi)就要更換砂帶，嚴(yán)重影響加工效率，增加加工成本。因此，研究和開發(fā)能實(shí)現(xiàn)對異形曲面、復(fù)雜型腔、細(xì)長管件及硬脆性材料等進(jìn)行高效冷態(tài)光整加工的新技術(shù)[8]、新工藝具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

高壓磨料水射流加工系統(tǒng)（圖1）主要包含增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、高壓管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、噴嘴裝置、接收裝置、控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等子系統(tǒng)。增壓系統(tǒng)的核心部分為增壓缸，一般采用往復(fù)式液壓運(yùn)動，低壓與高壓的活塞面積比通常選用10∶1～25∶1，高壓腔輸出水壓是通過控制低壓腔的油壓而改變，運(yùn)用面積比及力平衡方程可使水的壓力增至100～400 MPa；供水系統(tǒng)的作用是提供連續(xù)不斷的水源，并通過過濾網(wǎng)將水中的礦物雜質(zhì)排除，目的是為了提高增壓缸動密封的工作壽命，防止高壓管路被腐蝕；磨料供給系統(tǒng)包含空氣壓縮機(jī)、磨料室、輸送管、料倉和流量閥；高壓管路采用耐超高壓且具有撓性的不銹鋼管制成；冷卻系統(tǒng)包含水泵、輸入輸出水管和冷卻塔，可為增壓系統(tǒng)提供連續(xù)不斷的冷卻水；噴嘴裝置包含高壓水控制閥、砂管、混砂室和寶石噴嘴，寶石噴嘴用人造藍(lán)寶石加工而成，砂管用硬質(zhì)合金制造；接收裝置具有吸收高壓水束與磨料混合物動能的作用，且具備降低噪聲和防飛濺功能等；拋光頭移動路線依靠控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成。

圖1 磨料水射流系統(tǒng)構(gòu)成圖

其工作原理是運(yùn)用液壓系統(tǒng)提供的液壓油推動活塞作往復(fù)式壓縮運(yùn)動將水壓增大，被壓縮后的高壓水經(jīng)高壓管路進(jìn)入噴嘴裝置，噴嘴內(nèi)部的高壓水通過內(nèi)孔直徑為0.3 mm的藍(lán)寶石形成高速水射流；由于混砂室內(nèi)高速水射流的形成而產(chǎn)生負(fù)壓及卷吸作用，使磨料從進(jìn)砂管吸入混合室并與高速水射流發(fā)生紊亂，磨料粒子通過高壓水束獲得動能并進(jìn)入砂管加速形成高壓磨料水射流，其對工件表面拋光主要是利用高速水射流中的固體磨料粒子與工件表面發(fā)生碰撞，從而達(dá)到材料去除的目的。

2 工藝參數(shù)的確定

零件的使用壽命與表面質(zhì)量有直接的關(guān)系，所以磨料水射流拋光的主要目的之一就是拋光表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計使用要求。零件的表面粗糙度是衡量磨料水射流拋光表面質(zhì)量的重要性能指標(biāo)。在磨料水射流拋光過程中，影響表面粗糙度的因素眾多，如：系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)床振動、噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)、工藝參數(shù)等。

本文主要針對磨料水射流拋光的射流壓力、磨粒流量及噴嘴移動速度對工件表面粗糙度的影響進(jìn)行研究，并以此為基礎(chǔ)，在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對試件拋光部分進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，分析摩擦系數(shù)的變化。

3 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用3740龍門式數(shù)控水切割機(jī)床，主要參數(shù)如下：最大壓力400 MPa；最大流量3.7 L/min；液壓系統(tǒng)壓力0～200 bar；功率37 kW/50 hp；增壓比20∶1。

實(shí)驗(yàn)對象為0Cr18Ni9Si不銹鋼，拋光區(qū)域尺寸為20 mm×10 mm。選擇粒度為80目（187.5 μm）的石榴石磨料，密度為3.9～4.9 g/cm3[9]。磨料水射流與試件材料表面構(gòu)成90°角，其他加工工藝參數(shù)見表1。加工工藝路線見圖2，偏移量L=0.5 mm，靶距s= 15 mm。

表1 磨料水射流加工工藝參數(shù)

圖2 拋光加工工藝路線示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

通過調(diào)整射流壓力、磨粒流量、噴嘴進(jìn)給速度等參數(shù)，對0Cr18Ni9Si不銹鋼進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。不銹鋼原始表面粗糙度值為Ra2.19～2.47 μm，拋光后的試件見圖3。不同參數(shù)下選擇20次實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行分析，用TR100型粗糙度測量儀（圖4）對1～20#區(qū)域進(jìn)行表面粗糙度測量，每個區(qū)域測量5次取平均值，結(jié)果見表2。

圖3 不銹鋼拋光試件

圖4 TR100型粗糙度測量儀

表2 拋光區(qū)域Ra值 μm

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究工藝參數(shù)對拋光區(qū)域表面質(zhì)量的影響，對1～20#區(qū)域進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，通過多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（圖5）觀察摩擦系數(shù)的變化。摩擦副為球面對磨，球選擇外徑d=9.525 mm的氮化硅陶瓷球，加載載荷為10 N，加載時間5 min，運(yùn)動方式為直線往復(fù)運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)前，為避免摩擦副表面殘留雜質(zhì)，需將拋光區(qū)域與球面用酒精清洗干凈。

圖5 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

圖6是不同區(qū)域的摩擦系數(shù)變化曲線，其中圖6a是0Cr18Ni9Si不銹鋼原始表面的摩擦系數(shù)變化曲線。由圖6b可看出，編號1區(qū)域拋光后的摩擦系數(shù)比不銹鋼原始表面的摩擦系數(shù)大，其原因是在射流壓力、磨粒流量及噴嘴進(jìn)給速度等工藝參數(shù)組合下，壓力較大且磨粒流量相對較多時，磨料水射流從噴嘴到達(dá)材料表面的總打擊力度相對較大，對材料表面的破壞作用也相應(yīng)增大，因此摩擦系數(shù)較大；結(jié)合表2分析，Ra值也偏大。

圖6c、圖6d分別為編號5、14區(qū)域拋光后的摩擦系數(shù)變化曲線，均比0Cr18Ni9Si不銹鋼原始表面的摩擦系數(shù)小。這是因?yàn)榫幪?、14區(qū)域?qū)儆谕粔毫ο聮伖夂蟮谋砻?，所不同的是編?區(qū)域拋光時的磨粒流量比編號14高；結(jié)合表2分析，編號14區(qū)域的表面粗糙度值較小。

圖6 不同區(qū)域的摩擦系數(shù)變化曲線圖

圖7是不同區(qū)域的表面三維形貌，其中圖7a是0Cr18Ni9Si不銹鋼原始表面的三維形貌。對比分析可見，圖7b所示編號1區(qū)域的峰頂更高、峰谷更低，即該區(qū)域拋光后的表面質(zhì)量不如原始表面；圖7c所示編號5區(qū)域的拋光表面質(zhì)量比原始表面更高；圖7d所示編號14區(qū)域的拋光表面質(zhì)量最好。

圖7 不同區(qū)域的表面三維形貌圖

4 結(jié)論

通過磨料水射流拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)合摩擦系數(shù)變化曲線及表面三維形貌得出以下結(jié)論：

（1）磨料水射流對0Cr18Ni9Si不銹鋼進(jìn)行拋光加工過程中，在其他參數(shù)不變的情況下，磨粒流量與射流壓力對表面質(zhì)量的影響至關(guān)重要。磨粒流量越大，混入水射流中的磨粒數(shù)量越多，從而使磨料水射流作用于金屬表面的總打擊力度越大，易形成凹坑；射流壓力越大，磨料粒子獲得的動能越大。

（2）噴嘴進(jìn)給速度是磨料水射流拋光效率的保證。速度越快，加工效率越高，但在實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合其他參數(shù)的選擇，在保證表面質(zhì)量的前提下，選用最佳的噴嘴進(jìn)給速度。

（3）磨料水射流拋光是高效、冷態(tài)、環(huán)保、無接觸加工，由于其拋光機(jī)理較復(fù)雜，因此需根據(jù)材料自身的特性來決定磨料水射流的工藝參數(shù)。

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Study on Surface Quality of Stainless Steel Workpiece Polished by Abrasive Water Jet

Song Yuegan，Song Danlu，Zhang Wenli
（School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

The principle of 3740 gantry CNC water cutting machine tools and system structure is described.Base on the polishing process experiments on the grades of 0Cr18Ni9Si of stainless steel，combined with the measurement of surface roughness，friction coefficient change，three-dimensional topography，the influence of process parameters on the surface quality of the polishing area is analyzed. According to the different characteristics of material itself selecting reasonable process parameters，it provides guidance for special-shaped curved surface cold polishing processing.

roughness；friction coefficient；three-dimensional topography；process parameters

TG664

A

1009-279X（2016）06-0049-04

2016-02-03

宋岳干，男，1981年生，講師。