混合式濕磨料射流對線材表面處理的實驗研究

雷凱濤,張遼遠,關惠予

(沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽 110159)

近年來,隨著高壓水磨料射流[1]的興起,傳統(tǒng)的手工、酸洗除銹等方式已經不能滿足科學發(fā)展的需求,所以高壓水磨料射流技術得到了廣泛的研究和應用。根據磨料的引入方式不同,高壓水磨料射流可以分為前混合式磨料射流[2]和后混合式磨料射流[3]。針對后混合式磨料射流,科研人員進行了大量的實驗研究,取得了突破性成果。

Leach等[4]通過大量的實驗證明了噴嘴收斂角在13°時所形成的射流收斂性最好,沖蝕效果最佳。董星等[5]對后混合式水射流噴丸噴頭外流場的運動特性進行了數值模擬，結果表明,外流連續(xù)相水的軸向速度和軸向動態(tài)壓強具有顯著對稱性,最大軸向速度和軸向動壓強均出現(xiàn)在射流軸線上，其值隨噴丸壓力的增加而增大,隨噴丸靶距的增加而減小。潘崢正等[6]對后混合式磨料水射流的切割性能進行了研究,以固液兩相流理論為基礎,通過FLUENT模塊對噴嘴內磨料的運動進行建模和數值分析，以聚焦管內的單個顆粒為研究對象,優(yōu)化了傳統(tǒng)的顆粒相控制模型,獲得磨料顆粒在噴嘴內基本的運動情況。

對于后混合式磨料射流技術仍存在一些問題。后混合磨料系統(tǒng)在加工精度、加工效率、加工能力等方面有待提高;對于后混合式磨料射流的流變特性、流場特性和本構方程等各項研究較少,對后混合式磨料射流流過噴嘴、射流與磨料混合、磨料加速、射流與大氣的相互干擾、磨料顆粒沖擊對材料的侵蝕和噴嘴移動速度對材料的體積去除率等也研究的較少。

張成光等[7]提出了一種新型后混式磨料水射流系統(tǒng),是對傳統(tǒng)后混合式磨料水射流系統(tǒng)的重大改進和發(fā)明；采用FLUENT對所提出的新型噴射系統(tǒng)進行了流場仿真,并通過相應的實驗,驗證了其流場仿真的正確性,為新型后混合式磨料水射流系統(tǒng)的研制提供了理論基礎。本文在此理論基礎上,將后混合式磨料引入方式進行改進,用濕磨料代替干磨料,并控制磨料的濃度和流量,對線材表面進行去除效率實驗。

1 后混合式干濕磨料射流的工作原理和特點

1.1 后混合式干磨料的工作原理和特點

后混合式高壓水磨料射流中磨料與水的混合是在高壓水噴出后進行的,并與水射流發(fā)生紊動擴散和摻混,再通過磨料噴嘴噴出,從而形成高壓水磨料射流[8]。工作原理如圖1 所示。

后混合式高壓水磨料射流特點是磨料對高壓水噴嘴的磨損較輕,可連續(xù)作業(yè);但磨料顆粒的速度較低且濃度分布不均勻,明顯降低了水介質對磨料的能量傳輸效率,而且只能使用干磨料[9]。

1.2 后混合式濕磨料的工作原理和特點

后混合式濕磨料高壓水磨料射流中磨料與水先進行一定濃度的配比,在磨料箱內通過攪拌機攪拌均勻,然后通過磨料泵將混合好的磨料抽出,通過磨料流量閥的控制,使混合好的磨料勻速的進入混合腔,改善了固液兩相介質的混合效果,使得與水混合后的磨料再與高壓水進行充分的紊動混合,提高了水介質對磨料的能量傳輸效率，保護了寶石噴嘴,防止磨損,濕磨料能回收重復利用。工作原理如圖2所示。

圖1 后混合高壓水干磨料射流原理圖

1.磨料箱;2.磨料閥;3.磨料噴嘴;4.高壓水噴嘴;5.流量調節(jié)閥;6.高壓泵;7.水箱

圖2 新型后混合高壓水濕磨料射流原理圖

1.攪拌機;2.磨料箱;3.磨料泵;4.磨料流量調節(jié)閥;5.磨料噴嘴;6.高壓水噴嘴;7.流量調節(jié)閥;8.高壓泵;9.水箱

2 噴頭的作用及結構

噴頭是水射流的發(fā)生元件,是高壓水射流切割、除銹除磷的執(zhí)行元件；主要功能是將高壓水中的壓力能轉化為動能,使磨料粒子獲得較高的速度與良好的射流特性。圓形噴嘴射流聚集能量較好,射流打擊力大,且加工簡單,所以采用圓形噴嘴對線材表面進行處理效果更好。噴頭的結構示意圖如圖3所示。

圖3 噴頭的結構示意圖

1.高壓進水管;2.砂管;3.O型圈;4.磨料聚焦管;5.壓緊螺母;6.聚焦管夾頭;7.噴頭體;8.混和室;9.寶石噴嘴

3 線材表面去除效率的評定標準

在對線材表面進行處理的實驗中,所用材料為直徑6mm的45號鋼線材；加工過程中線材勻速移動,速度為20mm/s；噴頭在對線材的處理過程中,去除的面積能達到線材表面積的1/4,按照理論計算,每小時對線材的去除面積能達到0.339m2；但實際加工過程中由于線材直線度不夠、磨料分布不均勻、射流流量有所波動等導致線材表面有少部分氧化皮不能完全去除,所以達不到理想值,故線材的表面去除效率越接近0.339m2/h,效率就越高。實驗時,每次加工1min,加工3次,測量去除面積,求得平均去除效率值。

4 磨料質量百分濃度對線材表面去除效率的影響

4.1 磨料質量百分濃度對線材表面去除效率的實驗參數與條件

進行磨料質量百分濃度對線材表面去除效率的影響實驗時，將實驗中高壓泵的壓力設定為30MPa,流量為80L/min；所用的高壓管道直徑為16mm,寶石噴嘴直徑為0.45mm,磨料聚焦管直徑為1.5mm、長度為76mm,磨料流量為20mL/s；噴嘴對線材的入射角度為水平向下傾斜45°,噴嘴距線材 30mm；采用直徑為6mm的45號鋼線材為加工材料,加工過程中線材勻速移動,速度為20mm/s；采用80目的石榴石砂[10],其中磨料的質量百分濃度分別為40%、50%、60%、70%。

4.2 磨料質量百分濃度對線材表面去除效率的實驗結果與分析

經過實驗,得到線材表面去除效率在不同磨料質量百分濃度下的顯微圖如圖4所示。

圖4 線材表面去除效率在不同磨料質量百分濃度下的顯微圖

圖4a表明,當磨料的質量濃度為40%時,材料去除效果不明顯,觀察到表面有很多零散分布的黑色斑點,說明其中的氧化皮和銹層去除的很少。當磨料質量百分濃度為50%時,圖4b中的黑色斑點明顯減少,能觀察到氧化皮和銹層除去和未除去的部分,說明線材的表面去除效率增高。當磨料質量百分濃度為60%時,圖4c的黑色陰影幾乎消失,此時線材表面的去除效果特別明顯,基本能達到完全去除氧化皮和銹層的效果。當磨料質量百分濃度為70%時,可以從圖4d中觀察到又出現(xiàn)少量的黑色斑點,這說明又有少部分的氧化皮和銹層沒有去除。

通過線材表面去除效率在不同磨料質量百分濃度下的顯微圖4測得,磨料質量百分濃度分別為40%、50%、60%、70%時,去除效率分別為0.205m2/h、0.265m2/h、0.331m2/h、0.278m2/h。由此得到線材表面去除效率在不同磨料質量百分濃度下的變化曲線圖如圖5所示。

由圖5中可以發(fā)現(xiàn)，并不是磨料的質量濃度越大越好,當磨料質量的濃度較小時,線材表面的去除效率隨著磨料質量百分濃度的增加而增大；但當磨料質量百分濃度增加到60%后,隨著磨料質量百分濃度繼續(xù)增大,線材表面的去除效率會呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5 線材表面去除效率在不同磨料質量百分濃度下的變化曲線

隨著磨料質量百分濃度的增加,射流中的磨粒增多,使得對工件碰撞剪切的次數增多,從而增加了去除速率。但當磨料質量百分濃度太大時,射流中磨粒間的彼此碰撞幾率增大,減小了與線材表面的碰撞幾率,使得線材去除效率下降。此外,磨料質量百分濃度過大,進入沙管中的磨粒太多且進入的不均勻,使得磨粒不能及時隨著高壓水流射出,造成沙管堵塞,磨料隨射流噴射的不均勻,使得對線材表面的去除效率下降,去除效果不穩(wěn)定。因此,磨料質量百分濃度一般取60%為最佳。

5 磨料流量對線材表面去除效率的影響

5.1 磨料流量對線材表面去除效率的實驗參數與條件

磨料流量對線材表面去除效率的實驗中，將高壓泵的壓力設定為30MPa,流量為80L/min；所用的高壓管道直徑為16mm,寶石噴嘴直徑為0.45mm,磨料聚焦管直徑為1.5mm、長度為76mm；磨料質量百分濃度為60%,噴嘴對線材的入射角度為水平向下傾斜45°,噴嘴距線材 30mm；采用直徑為6mm的45號鋼線材為加工材料,加工過程中線材勻速移動,速度為20mm/s；采用80目的石榴石砂,在磨料流量取10mL/s、15mL/s、20mL/s、25mL/s的條件下,對線材表面進行處理。

5.2 磨料流量對線材表面去除效率實驗結果與分析

經過實驗,得到線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖如圖6所示。

圖6 線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖

圖6a表明,當磨料流量為10mL/s時,能觀察到線材表面有明顯的大量黑色陰影,線材表面只有少量的氧化皮和銹層被除去,此時的去除量很少。當磨料流量為15mL/s時,圖6b中的黑色陰影明顯的減少,說明線材的表面去除效率增大。當磨料流量為20mL/s時,圖6c中的黑色陰影幾乎消失,此時線材表面的去除效果特別明顯,能達到完全去除氧化皮和銹層的效果。當磨料流量為25mL/s時,從圖6d中觀察到陰影面積又增多,線材表面的去除面積較少。

通過線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖6測得,磨料流量分別為10mL/s、15mL/s、20mL/s、25mL/s時,去除效率分別為0.186m2/h、0.257m2/h、0.334m2/h、0.296m2/h。由此得到線材表面去除效率在不同磨料流量下的變化曲線圖如圖7所示。

圖7線材表面去除效率在不同磨料流量下的變化曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，當磨料流量較小時,線材表面的去除效率隨著磨料流量的增加而增大,但達到一定流量時,線材表面的去除效率會呈現(xiàn)下降趨勢。

當磨料流量不斷增加,進入沙管的水和磨粒增多,作用于線材表面的磨料顆粒相應增多,氧化皮和銹層受到的剪切碰撞作用增強,磨粒磨損加大,線材表面的去除效率增大;隨著磨料流量逐漸增大,由于沙管的孔徑太小,大量的水和磨料不僅降低了射流的速度,而且阻礙高壓水噴射出來,導致射流壓力降低,流量減少,從而導致磨粒相互間的剪切碰撞作用減弱,磨損減輕,使得磨粒作用于線材表面的能量降低,對銹層的去除效率也降低。同時,流量的增加導致部分磨粒反彈,使得流量無法對線材表面產生沖蝕作用，對線材表面的去除效率明顯減小。

其次,磨料的流量太大,水和磨粒在沙管中的堆積,造成沙管堵塞,射流不能噴射出來,使得對線材表面的去除面積減少,達不到均勻的將線線材表面的氧化皮和銹層去除。其中磨粒粒度過大也容易導致砂管堵塞,而且會加大對線材表面的磨損,造成如凹坑一樣的損傷,所以采用80目的石榴石砂。磨粒的速度太大會造成線材表面損傷嚴重；速度太小所產生的打擊力不夠,對線材表面達不到均勻去除的效果。磨粒的速度與射流的壓力和流量有關,所以壓力控制為30MPa,流量控制為80L/min。 噴嘴的入射角度對線材表面的去除效率影響較小,經過實驗驗證,噴嘴對線材的入射角度為水平向下傾斜45度最佳。

6 干磨料與濕磨料在各自最優(yōu)參數下的加工對比分析

干磨料和濕磨料在各自最優(yōu)參數下對線材表面進行了實驗處理,各自的最優(yōu)參數如表1所示。

表1 磨料與濕磨料對線材表面處理的各自參數

實驗得到線材表面在干磨料和濕磨料處理后的顯微圖如圖8所示。

圖8 干磨料與濕磨料對線材表面處理的顯微圖

濕磨料與干磨料在各自最優(yōu)參數下,都能達到對線材表面幾乎完全去除的效果,從圖8a中可觀察到，干磨料處理后的線材表面形貌有很明顯的凹坑,粗糙度值大；從圖8b中可以看出，濕磨料處理后的線材表面形貌良好,粗糙度值小。

7 結論

(1)去除效率隨著磨料質量百分濃度的增加先增加后減少，當磨料質量百分濃度增加到60%時為最佳。

(2)去除效率隨著磨料流量先增加后減少,在磨料流量為20mL/s時為最優(yōu)。

(3)后混合式濕磨料的加工方法不僅保護了噴嘴,磨料能回收重復利用,而且加工后的線材表面形貌更加完好。