火焰切割機(jī)割嘴拉瓦爾管道設(shè)計(jì)與成形試驗(yàn)研究*

楊大師　顧　翔　鄧正泉　王　芳　朱永偉

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

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火焰切割機(jī)割嘴拉瓦爾管道設(shè)計(jì)與成形試驗(yàn)研究*

楊大師顧翔鄧正泉王芳朱永偉

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

割嘴是火焰切割機(jī)的關(guān)鍵部件，為提高火焰切割機(jī)的切割性能，提出將割嘴氧氣通道孔內(nèi)壁孔設(shè)計(jì)成拉瓦爾管形狀，對氧氣通道孔進(jìn)行熱力學(xué)分析，進(jìn)行拉瓦爾管通道結(jié)構(gòu)分析與參數(shù)計(jì)算，得到可行的拉瓦爾通道簡化設(shè)計(jì)方案。采用“數(shù)控車削結(jié)合電鑄”及“數(shù)控車削結(jié)合電火花加工”方案，實(shí)現(xiàn)兩種割嘴拉瓦爾通道的加工成形。對三種割嘴進(jìn)行鋼板切割比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，內(nèi)壁拉瓦爾通道結(jié)構(gòu)可增加切割氧氣的流速、流量，改善氧流形狀，能有效提高火焰切割機(jī)的切割性能。

割嘴；拉瓦爾管；放電加工；電鑄；切割試驗(yàn)

熱切割是鋼材分離加工使用最廣、最常見的一種工藝方法。氣割工藝起源于1905年前后，經(jīng)過漫長的手工氣割，直到20世紀(jì)40年代，才出現(xiàn)代替手工勞動的半自動和自動氣割裝備。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如德國、日本、美國等又不斷發(fā)展和完善各式各樣的氣割設(shè)備。被切割的材料也從碳鋼、不銹鋼、銅、鋁等金屬，擴(kuò)大到絕大部分非金屬材料，使切割效率、切割斷面質(zhì)量，以及尺寸精度均達(dá)到了一個新的水平[1]。隨著科技進(jìn)步，高效的火焰切割設(shè)備對切割氧通道孔的要求越來越高，研究者開始著重于對割嘴的改進(jìn)[2-3]。目前，拉瓦爾氧氣通道割嘴基本為國外進(jìn)口，國內(nèi)有相關(guān)企業(yè)正在進(jìn)行拉瓦爾管氧氣通道的成形工藝研究。

火焰切割機(jī)是利用燃?xì)馀溲鯕饣蛘咂团溲鯕膺M(jìn)行金屬切割的一種熱切割設(shè)備。若氣流通道設(shè)計(jì)成拉瓦爾形狀(如圖1)，氣流將先收縮后擴(kuò)張，氣流加速可達(dá)超音速，這可顯著改善切割氧氣的流速、流量及氧流形狀，提高切割性能[4-5]。本文對拉瓦爾通道孔進(jìn)行熱力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行通道成形工藝研究與切割試驗(yàn)。

1　割嘴氧氣通道孔的結(jié)構(gòu)分析

1.1拉瓦爾管

拉瓦爾管是一種先收縮后擴(kuò)張、用以產(chǎn)生超音速氣流的管道，形狀如圖1所示。拉瓦爾通道是火箭發(fā)動機(jī)推力室的重要組成部分，燃?xì)饬髟谌紵覊毫ψ饔孟逻M(jìn)入噴管A處。在這一階段，燃?xì)膺\(yùn)動遵循“流體在管中運(yùn)動時，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，因此氣流不斷加速。當(dāng)?shù)竭_(dá)窄喉時，流速已經(jīng)超過了音速。而跨音速的流體在運(yùn)動時，遵循的原理卻恰恰相反，截面越大，流速越快。燃?xì)饬髟贐處被進(jìn)一步加速，流速相當(dāng)于音速的7～8倍，這樣就產(chǎn)生了巨大的推力[6-7]。

1.2割嘴現(xiàn)工藝

國內(nèi)生產(chǎn)的割嘴基本為非拉瓦爾管結(jié)構(gòu)，以SDS24F割嘴切割氧通道孔成型原工藝為例，如圖2所示，其加工步驟為：(1)鉆噴管出口端φ3 mm通孔；(2)成型車削另一端r9 mm與r20 mm的連接圓弧面，該工藝加工出的通道孔形狀為兩圓弧連接一直孔，無法很好匯聚、加速氣流，導(dǎo)致割嘴在使用時存在火焰分散、切割力不夠的缺陷[8]。因此，改進(jìn)原工藝，提高割嘴切割效率成為迫切需要解決的問題。

1.3通道孔熱力學(xué)分析

金屬切割過程中的射流系統(tǒng)是研究實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分。只有使氣流速度越大，最后氣體具有的動能才能越大。為了使火焰切割氧流在管道中加速至超音速，割嘴必須設(shè)計(jì)為超音速噴管。為將問題簡化，理論上通常認(rèn)為流體在超音速噴管中進(jìn)行一維定常流動，視流體為連續(xù)介質(zhì)，則其連續(xù)性方程[9]：ρvA=C。其中，C為常數(shù)；ρ為氣體密度；v為氣體流速；A為管道橫截面積。

(1)

(2)

(3)

(4)

在噴管中，由于氣流速度不斷增加，所以dv/v>0，由上式得dp/p<0，dρ/ρ<0，dT/T<0，即氣流在噴管中經(jīng)歷的是降壓加速的膨脹過程。由式(4)可以看出，噴管截面積的相對變化趨勢不僅與速度變化趨勢有關(guān)，而且也與馬赫數(shù)的大小有關(guān)。

當(dāng)dv/v>0時，如果M<1，則dA/A<0；

如果M>1，則dA/A>0；

如果M=1，則dv/v=0。

這表明，超音速噴管亞聲速段(M<1)的截面積應(yīng)該逐漸減小，超音速段(M>1)的截面積應(yīng)該逐漸增大，而臨界截面處(M=1)的截面積不變。

對通道孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需對氧流進(jìn)行氣體熱力學(xué)參數(shù)分析。設(shè)氣流在某一斷面的流速以無摩擦的絕熱過程(即等熵過程)降低為零，這時，在該斷面上的其他參數(shù)所達(dá)到的數(shù)值為滯止參數(shù)。

設(shè)P1為進(jìn)口壓力，T1為氣體進(jìn)口溫度，TT為滯止溫度，則TT=T1+v12/(2cp)，式中定壓比熱容cp=γ·R/(γ-1)，v1為氣體進(jìn)口速度，γ為氣體壓縮比。

設(shè)P2為出口壓力，A2為出口面積，Acr為喉部面積，ρT為滯止密度，PT為滯止壓力，則ρT=PT/(R·TT)。

在描述流場中某點(diǎn)的狀態(tài)時，該點(diǎn)的壓強(qiáng)P、密度ρ和溫度T等參數(shù)的數(shù)值可由上述分析得出，由式(5～8)計(jì)算通道孔中氣體熱力參數(shù)。

滯止壓力：

(5)

馬赫數(shù)：

(6)

(7)

(8)

經(jīng)過氣體動力學(xué)分析，獲得氣體流速在噴管中的變化規(guī)律，再對通道孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，則可獲得超音速氣流，而熱力學(xué)參數(shù)分析為接下來的割嘴通道孔詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

1.4結(jié)構(gòu)簡化

綜上所述，用噴管得到超聲速氣流的條件，除去必須保證由噴管的進(jìn)口到出口有足以產(chǎn)生超聲速氣流的壓強(qiáng)差之外，還必須具備適合于氣流不斷降壓膨脹加速的管道截面變化，即管道要先逐漸收縮，使亞聲速流逐漸加速，在喉部達(dá)到聲速，而后管道便逐漸擴(kuò)張，使氣流繼續(xù)加速成超聲速流。為此，應(yīng)該采用由漸縮噴管和漸擴(kuò)噴管合成的縮放噴管，即拉瓦爾噴管。

超音速拉瓦爾噴嘴可設(shè)計(jì)為四部分:穩(wěn)定段、收縮段、喉部、擴(kuò)張段(見圖3)。

2　拉瓦爾噴管設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)超音速拉瓦爾噴嘴的目的是為了獲得超音速氣流,并且氣流要均勻一致,紊流度小,流場中不存在激波[10]。本設(shè)計(jì)采用了解析法設(shè)計(jì)超音速拉瓦爾噴嘴的方法。

2.1穩(wěn)定段長度確定

穩(wěn)定段又稱安定段。其目的是使進(jìn)入噴嘴的氣流均勻或降低紊流度。收縮段的設(shè)計(jì)以均勻來流為前提,如果來流不均勻則收縮段出口的氣流也不均勻。穩(wěn)定段的直徑D1和喉部的直徑Dcr有關(guān)。從理論上來說D1和Dcr的比值越大越好，但實(shí)際上會受到氣流和加工難易程度等條件的限制。

穩(wěn)定段的長度L0需要有足夠的長度才能保證來流均勻。理論上L0應(yīng)是喉部直徑的10倍左右,但一般要根據(jù)實(shí)際條件來確定。

2.2管道參數(shù)計(jì)算

由式(6)可得：M=1.92～2.15。

由式(7)得：A2/Acr=1.67～1.73，取縮放比為1.70。喉部的大小，決定了氣體的質(zhì)量流量，氣體質(zhì)量流量太大，消耗高壓氣體較多，氣體質(zhì)量流量太小，從一定程度上降低了切割效率，所以根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇管道的臨界直徑為已知量，取Dcr=2.4mm，即截面積Acr=4.5mm2，則A2= 7.65mm2，D2=3.12mm。

由式(8)計(jì)算可得：質(zhì)量流量qmcr=(4.74～11.05)×10-3kg/s。又入口面積A1=qmcr/ρ1v1= 18.47～164.05mm2，則D1=4.9～14.5mm，取入口直徑為9mm。

漸縮段：

漸擴(kuò)段：

漸縮段和漸擴(kuò)段長度計(jì)算按推薦經(jīng)驗(yàn)，漸縮段錐頂角α在30°～60°之間，漸擴(kuò)段錐頂角β一般在5°左右。擴(kuò)張角太大，在噴嘴出口處產(chǎn)生的激波比較嚴(yán)重，導(dǎo)致射流擴(kuò)張較快；擴(kuò)張角太小，則超音速通道很長，負(fù)面層過厚，壓力損失大。綜上，取α=30°、β=5°，代入上式計(jì)算，可得L1=12.4mm，L2=8.5mm，則L0=30-L1-L2= 9.1mm。

2.3喉部形狀設(shè)計(jì)

喉部是亞音速向超音速的過渡區(qū)，不合適的喉部尺寸影響過渡區(qū)的流態(tài)，使氣流的能量受到損失，減弱噴嘴的加速效果。拉瓦爾噴管通常由錐形和鐘形兩種形式，其示意圖如圖4所示。

噴管喉部曲率半徑越小，損失越大，當(dāng)喉部曲率半徑等于或略大于喉部直徑時，損失最小，所以曲率半徑取2.5mm。考慮拉瓦爾管道的設(shè)計(jì)和加工因素，本設(shè)計(jì)采用錐形噴管，綜合氣流的加速需要，要求管道曲面光滑，喉部和漸擴(kuò)段的連接處要求平滑過渡，盡可能減少激波產(chǎn)生的因素。

2.4設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，拉瓦爾管道結(jié)構(gòu)尺寸均已確定，其簡圖如圖3所示，圖中尺寸參數(shù)見表1。

表1拉瓦爾管各參數(shù)取值

各段長度/mm內(nèi)孔直徑/mm弧度/mm錐角/(°)L0L1L2D1D2DcrR1R2αβ9.112.48.593.122.492.5305

根據(jù)管道設(shè)計(jì)結(jié)果，理論設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)M取值范圍為1.92～2.15，對應(yīng)的速度在588～1 076 mm/s之間，設(shè)計(jì)獲得的結(jié)果符合拉瓦爾管熱力學(xué)特性，由此，簡化的拉瓦爾管通道設(shè)計(jì)方案可滿足要求。

3　噴嘴拉瓦爾管道加工工藝

在完成對割嘴中切割氧通道孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，考慮到其結(jié)構(gòu)尺寸微小，普通加工方法無法很好地使其成形和保證精度，設(shè)計(jì)了數(shù)控車削分別與電鑄、電火花加工結(jié)合的兩種加工方案。

3.1加工方案一：數(shù)控車結(jié)合電鑄

電鑄主要用于精確復(fù)制微細(xì)、復(fù)雜和某些難于用其他方法加工的特殊形狀模具及工件等[11]。在本方案中，電鑄結(jié)合數(shù)控車為獲得可壓入割嘴內(nèi)錐孔帶有拉瓦爾結(jié)構(gòu)內(nèi)芯的外錐體。加工過程中，首先取φ9 mm材料為鋁的圓柱粗精車成形，如圖5所示。

鋁芯軸電鑄成型件留有預(yù)孔，利于配錐套，其電鑄加工原理如圖6所示。

用鋁芯軸作陰極，用紫銅作電鑄陽極，用硫酸銅溶液作電鑄鍍液，在雙脈沖電源的作用下，陽極銅原子氧化為銅離子進(jìn)入鍍液，在鋁棒陰極表面還原，并沉積鍍覆，當(dāng)陰極鋁棒上電鑄層逐漸加厚達(dá)到預(yù)定厚度時取出，即得鋁芯軸的電鑄成型件。

粗精車鑄銅后的鋁棒成外錐形狀(錐度結(jié)合零件結(jié)構(gòu)與尺寸確定，大端直徑12 mm，錐角13°)，如圖7a所示；在割嘴體中心粗精加工大端直徑12 mm，錐角13°的內(nèi)錐孔，如圖7b所示。

把車削后的外錐鍍銅芯棒壓入割嘴內(nèi)錐孔, 得內(nèi)外錐壓套，再除去芯棒中的鋁材料，如圖8a所示，其斷面如圖8b所示。此時，所獲得的內(nèi)外錐壓套的結(jié)構(gòu)如圖9所示，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3.2加工方案二：數(shù)控車結(jié)合電火花加工

本方案設(shè)計(jì)的割嘴錐套零件可大量制作配用，易于更換，錐套結(jié)構(gòu)如圖10所示。使用數(shù)控車削加工割嘴切割氧通道孔，工藝步驟為：取φ12 mm材料為銅的圓柱，鉆φ2 mm深30 mm孔，粗精車外錐銅棒；粗精加工割嘴體中心內(nèi)錐孔；再將外錐銅芯壓入割嘴內(nèi)錐，鉆φ8.8 mm內(nèi)孔與錐角為30°的錐孔。

電火花加工是基于脈沖放電的電蝕原理。電火花加工時無宏觀的機(jī)械切削力，可以加工小孔、窄縫以及各種復(fù)雜截面的型孔、曲線孔型腔等以及薄壁零件的加工，也適于精密加工；同時脈沖參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，以便在同一臺火花加工機(jī)床上連續(xù)進(jìn)行粗、半精、精加工，提高生產(chǎn)率。

基于電火花加工的特點(diǎn)，采用電火花來精密加工型腔。其中，單電極平動法在型腔模電火花加工中應(yīng)用最廣泛，采用一個電極完成型腔的粗、精加工[12]。工具電極需有一定的強(qiáng)度、剛度及良好的導(dǎo)電性，選擇紫銅制作管道加工的電極。為滿足電極加工型腔的可行性，電極尺寸需滿足：電極徑向設(shè)計(jì)尺寸=型孔徑向理論尺寸-2×(放電間隙+平動量)，平動可起到放電拋光及型面修整的作用。

管道喉部直徑 2.4 mm，設(shè)計(jì)采用平動半徑0.05 mm、放電間隙0.05 mm, 銅電極分為兩段制作，設(shè)計(jì)形狀如圖11a所示, 實(shí)際制作的紫銅電極如圖11b所示。

型腔加工結(jié)構(gòu)見圖12a，其加工參數(shù)見表2。

表2拉瓦爾管型腔加工參數(shù)

類別粗加工精加工環(huán)境溫度T/℃26環(huán)境濕度≤90%工作電壓U/N4525加工電流I/A4.51.5脈寬Ti/μs15010脈間T0/Ms43極性負(fù)正

型腔加工過程中，首先采用低損耗(θ<1%)、高生產(chǎn)率的粗規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行加工，按照粗、精的順序改變電規(guī)準(zhǔn)。然后利用平動頭帶動銅電極作平動，如圖12b所示，與此同時，依次加大電極的平動量，以補(bǔ)償前后兩個加工規(guī)準(zhǔn)之間型腔側(cè)面放電間隙差和表面微觀不平度差，實(shí)現(xiàn)拉瓦爾孔型腔側(cè)面修光，完成整個型孔的加工。

內(nèi)孔加工過程如圖13所示。

用線切割切開加工好的某一個割嘴，進(jìn)行精度檢測，實(shí)際加工的型孔尺寸精度達(dá)到0.02 mm，表面粗糙度Ra可達(dá)1.6 μm。

由上述表明，使用“數(shù)控車削錐套外圓+微火花放電加工拉瓦爾型孔”方案是可行的。

4　試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)加工成形的拉瓦爾管道的割嘴切割效果，按照三種工藝方案制作噴嘴，并對割嘴進(jìn)行相同條件噴射試驗(yàn)與切割試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件如下：

(1)預(yù)熱氧壓力：0.3 MPa；乙炔壓力：0.4 MPa；切割氧進(jìn)口壓力：0.8 MPa。

(2)氧氣純度：>99.5%；環(huán)境溫度：28℃。

(3)待切割鋼板：長600 mm，寬400 mm，厚度160 mm(實(shí)際構(gòu)件需切割的最大厚度)。

對三種工藝割嘴分別進(jìn)行噴射試驗(yàn)與切割試驗(yàn)，操作過程如圖14所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3三種工藝制作噴嘴切割試驗(yàn)的性能對比

工藝類型原工藝數(shù)控車+電火花數(shù)控車+電鑄制作割嘴耗時t/min504302200切割鋼板耗時t/min965火焰長度L/mm150200>250

由表3可知：應(yīng)用拉瓦爾管道的割嘴切割效果比原工藝生產(chǎn)的割嘴切割性能明顯提高。原工藝割嘴噴射的火焰長度最短，相比于原工藝割嘴，數(shù)控車-電火花與數(shù)控車-電鑄制作的割嘴在火焰噴射長度上增加了50 mm與100 mm，兩者均達(dá)到了鋼板切割的要求。

在實(shí)際切割時，拉瓦爾成形管道工藝生產(chǎn)的割嘴都能順利切割160 mm鋼板，均達(dá)到了預(yù)期的切割效果，切割時間比原產(chǎn)品縮短了33.3%～44.4%，且切割斷面光亮，割縫明顯變窄；雖然數(shù)控車-電鑄工藝加工制作割嘴耗時最長，但是該工藝割嘴切割鋼板的效率最高。

試驗(yàn)表明，應(yīng)用拉瓦爾管的割嘴可使噴管出口氣流速度提高，充分冷卻噴口處，因此減少了火焰切割鋼板時的熔渣和飛濺，提高了割嘴的切割效率。

5　結(jié)語

(1)本文對氧氣通道孔進(jìn)行熱力學(xué)分析，進(jìn)行拉瓦爾管通道結(jié)構(gòu)分析與參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)拉瓦爾通道孔形狀，計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的拉瓦爾噴管可獲得超音速氣流，滿足要求。

(2)根據(jù)拉瓦爾管的結(jié)構(gòu)特征與加工精度的要求，制定了數(shù)控車削結(jié)合電鑄以及數(shù)控車削結(jié)合電火花加工的兩種加工拉瓦爾通道孔的工藝方案，并進(jìn)行實(shí)際加工，結(jié)果表明，拉瓦爾管成形工藝可行、可靠，在工藝上解決了異形微細(xì)孔加工的難題。

(3)對三種不同工藝方法制作的割嘴進(jìn)行噴射試驗(yàn)與切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足切割精度的條件下，應(yīng)用拉瓦爾管通道能顯著提高割嘴切割鋼板的效率，此技術(shù)有重要應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯譚弘穎)

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Research on designing and processing forming test for the laval tube channel of flame cutting machine’s nozzle

YANG Dashi, GU Xiang, DENG Zhengquan, WANG Fang, ZHU Yongwei

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, CHN)

Cutting nozzle is a key part of the flame cutting machine，in order to improve the performance of the flame cutting machine cutting, put forward the processing scheme that the cutting nozzle’s oxygen passage hole wall being designed into the shape of Laval nozzle, carry out a thermodynamic analysis about the oxygen passage hole, analyze and calculate the channel structure of Laval tube, so obtain a design alternative which can simplify Laval tube channel. There are two processing program that " CNC turning binding electroforming " and " CNC turning combined with micro EDM " , realizing the forming process of two kinds of cutting nozzles inner wall Laval channel. Do comparative tests of three kinds of cutting nozzles cutting steel plate, the results show that the structure of Laval tube channel can increase the flow velocity and rate of oxygen, improve the shape of oxygen flow, and can effectively improve the cutting performance of flame cutting machine.

cutting nozzle; laval tube; electro-discharge machining; electroforming; cutting test

TG66

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.012

楊大師，男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及特種加工技術(shù)。

2016-02-02)

160628