磨料水射流二次逆向切割對斷面質(zhì)量的提升研究

宋 磊 武美萍 繆小進 任仲賀

1.江南大學機械工程學院，無錫，214122 2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫，214122

0 引言

高壓水射流是以水為載體，通過增壓設備和特定噴嘴射出后，形成的具有較高能量的射流[1]。而磨料水射流(abrasive waterjet, AWJ) 是在高壓水射流的基礎上，加入一定數(shù)量的磨料顆粒形成的液固兩相射流[2]。磨料水射流的切割應用始于20世紀80年代，它具有熱影響小、反作用小、成本低、效率高、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點[3]，在制造業(yè)中具有廣泛的用途，目前多用于金屬、陶瓷、石材、玻璃和復合材料的切割加工。盡管磨料水射流切割作為一種新型的冷切割技術，具有傳統(tǒng)機械加工所達不到的特殊優(yōu)勢，但在其切割工件材料時，會產(chǎn)生拖尾余紋、切縫錐度及切割留尾等問題。為了提高切割斷面的表面質(zhì)量，國內(nèi)外許多學者已經(jīng)進行了大量相關研究。

HASHISH[4]通過試驗和理論結合的方法，對采用高壓磨料射流切割金屬的過程進行了研究，得到了磨料射流參數(shù)對切割深度和質(zhì)量的影響規(guī)律。而SIORES等[5]對切割表面上的條紋區(qū)進行了研究，并詳細介紹了切削路徑和切削速度對條紋頻率和振幅的影響。CHEN等[6]、XU等[7]以氧化鋁陶瓷作為試驗材料，研究了磨料射流入射角(射流束中心線與水平面之間的夾角)對加工質(zhì)量的影響。CHEN認為采用噴嘴擺動技術可提高光滑區(qū)切割深度，而XU認為采用噴嘴擺動的方法可使錐度減小54%。LEMMA等[8]研究了采用噴嘴擺動的方法加工低碳鋼和鋁時對表面粗糙度的影響，結果表明，采用噴嘴擺動技術可使表面粗糙度減小30%。楊林等[9]研究了射流壓力和切割速度對切割斷面質(zhì)量的影響規(guī)律，并對切割斷面的形貌特征及其形成機理做出解釋，認為是射流斷面磨料動能的分布不均和射流的偏轉滯后造成了切割斷面的條紋和曲線及切割留尾，提出通過噴頭擺動進給和切割速度補償兩種方案來提高切割質(zhì)量。

本文旨在通過研究磨料水射流二次逆向切割加工對切割斷面質(zhì)量的影響，探究基于二次逆向切割的斷面余紋(即拖尾余紋)、傾角(切縫錐度)、切割留尾等的產(chǎn)生機理，得到一種提升高壓磨料水射流切割斷面質(zhì)量的新方法。

1 磨料水射流切割機理

磨料射流切割材料的機理如圖1所示。高壓磨料水射流切割工件是由于磨料在高壓水流的沖擊下，形成高速磨料射流，經(jīng)噴嘴沖擊工件，使工件上局部應力場應力高速集中，并快速變化，從而產(chǎn)生沖蝕、剪切，達到材料去除的目的[10]。通常高壓水射流噴嘴噴射出的水射流流速可達音速的2～3倍，而混入高速水射流中的磨料動能可表示為[11]

(1)

式中,W?a為磨料供給量;v?c為磨料流速;k?1為流量系數(shù)。

當E?a大于被切割材料本身的體積能時，材料即可被切除。

圖1 磨料水射流切割機理Fig.1 Abrasive water jet cutting mechanism

磨料水射流切割工件材料的過程可以分為兩個階段[12-13]。在第一階段，磨料的能量比較充足，磨粒以小角度沖擊而產(chǎn)生相對光滑的表面(光滑區(qū))，這一過程稱之為磨蝕切割作用過程；第二階段，磨粒以大角度沖擊工件材料達到磨蝕切割，如圖2所示，會在切割斷面呈現(xiàn)出條紋痕跡，稱之為變形切割區(qū)(余紋區(qū))，這是后續(xù)穿透過程。在光滑區(qū)與余紋區(qū)的中間區(qū)域一般還會存在比較明顯的分界區(qū)，通常稱作過渡區(qū)，其表面質(zhì)量介于光滑區(qū)和余紋區(qū)之間。

圖2 磨料水射流切割斷面形貌示意圖Fig.2 Morphology of abrasive water jet cutting surface

磨料水射流自上而下切割工件材料時會形成一條切縫。由于射流束具有一定的尺寸直徑，因此，切縫會存在一定的寬度尺寸(切縫寬度)。磨料水射流切割材料時的切縫形貌特征如圖3所示。一般來說，切縫寬度大于射流束的直徑，且上部切縫寬度大，下部切縫寬度較小，即W?t>W?b。由于切縫的上部寬度大于下部寬度，故在工件上產(chǎn)生的V形切口稱為切縫錐度(kerf taper)。切縫錐度T?的計算公式如下[14-16]：

(2)

式中,W?t為上部切縫寬度；W?b為下部切縫寬度；t?為工件厚度。

同切口斷面的表面粗糙度一樣，切縫錐度也是磨料水射流切割工件表面質(zhì)量的重要影響因素。

圖3 磨料水射流切縫錐度(傾角)示意圖Fig.3 Diagram of abrasive water jet cutting kerf taper

2 試驗研究

2.1 試驗設備及材料

利用DWJ3020-BB-X5五軸數(shù)控磨料水射流機床(圖4)進行切割試驗。磨料選用120目(直徑為0.125 mm)的石榴石，如圖5所示。試驗材料選用45鋼，尺寸為500 mm×100 mm×15 mm。

2.2 試驗過程及步驟

試驗分為A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3共9組，其中A、B、C分別表示為單次正向切割、正向1/2速度切割、二次逆向切割，1、2、3分別表示3個不同參數(shù)組合。為了避免偶然因素，每組試驗進行5次，并對每次試驗結果進行記錄。高壓磨料水射流切割試驗各因素水平如表1所示，切割過程如圖6所示。

表1 試驗因素及水平

圖4 DWJ3020-BB-X5五軸數(shù)控磨料水射流機床Fig.4 DWJ3020-BB-X5 five-axis CNC abrasivewater jet machine

圖5 120目(d?=0.125 mm)石榴石磨料Fig.5 Garnet abrasive of 120 meshes(d?=0.125 mm)

圖6 高壓磨料水射流切割試驗過程圖Fig.6 Process of high pressure abrasive water jet cutting

為了保證試驗結果的準確性，對切割后工件的切口寬度及斷面粗糙度進行測量并記錄。其中，上下切口寬度各取5次測量結果的平均值。測量斷面粗糙度時，選取斷面3 mm(位置1)、7 mm(位置2)、12 mm(位置3)處3個等垂直高度直線作參考位置，并利用粗糙度儀對每個直線位置的粗糙度進行測量，取5次試驗粗糙度測量結果的平均值。測量位置如圖7所示。

圖7 斷面粗糙度測量位置示意圖Fig.7 Diagram of surface roughness measurement position

3 試驗結果及分析

試驗A1(單次正向切割)、試驗B1(正向1/2速度切割)、試驗C1(二次逆向切割)的試驗結果見圖8。各工藝參數(shù)組合下切割斷面質(zhì)量見表2。

(a)切割斷面質(zhì)量對比

(b)切縫錐度對比圖8 三種切割方式的斷面質(zhì)量及切縫錐度對比(因素組合1)Fig.8 Comparison of abrasive water jet cutting sectionquality and kerf taper(factor combination 1)

表2 斷面質(zhì)量測量結果

3.1 單次正向切割

試驗A1以切割效率和切割質(zhì)量總體最優(yōu)的參數(shù)組合進行單次正向切割(切割效率為40 mm/min)。由圖9a切割斷面圖和圖9b斷面微觀形貌圖可知，在斷面底部存在明顯的拖尾余紋，切割尾部存在切割留尾，切割斷面比較毛糙，整體質(zhì)量較差。由于在切割斷面高度方向上磨料動能衰減，因此在切割斷面的底部留下明顯的溝槽型切削痕跡。在斷面上部，大多數(shù)磨料粒子的動能大于切割磨削材料所需的能量，磨料粒子可以輕易去除材料，使得上部切割斷面相對光滑(光滑區(qū))。隨著切深的增加，部分磨料粒子的動能逐漸衰減，使得射流縱截面上磨料動能的分布變陡，動能高的磨料群可以進行材料切削，而動能低的磨料群不能完全切削材料從而形成溝槽。水射流在切割過程中會發(fā)生滯后偏轉，致使切割溝槽呈弧線形，即拖尾余紋(余紋區(qū))。水射流的滯后偏轉也是形成切割留尾的主要原因。

(a)切割斷面圖

(b)微觀形貌圖圖9 單次正向切割試驗Fig.9 Results of single-positive cutting experiment

磨料水射流切割過程中，由于磨料粒子的動能在切割面高度方向上逐漸衰減，上部磨料的切割能力較強，越接近底部磨料粒子的切割能力越弱，因此，圖8b中單次正向切割時，工件切縫呈錐形。當被加工材料厚度一定時，材料上部暴露在磨料射流下的作用時間長，而作用在底部的時間短。當還未切穿工件時，磨料射流還會產(chǎn)生二次射流，對被加工材料的上部具有一定的材料去除作用。這兩點加工特性也是形成切縫錐度的重要原因。

3.2 單次正向1/2速度切割

切割速度越慢，工件底部暴露在磨料射流下的作用時間越長，斷面底部越能夠被充分切削，切割斷面質(zhì)量越高。把試驗A1的切割速度減半進行試驗B1(控制切割效率與二次逆向切割效率一致)，其他試驗條件均保持一致。切割速度降低會加長射流沖蝕時間，未完全切穿時產(chǎn)生的二次射流作用時間變長，使得切縫上部去除更多材料，上部切口寬度會稍微變大。同時切割速度降低，工件底部暴露在磨料射流下的作用時間變長，使得斷面底部可以被充分切削，一方面使得拖尾余紋大大減少可明顯降低余紋區(qū)粗糙度(圖10)，另一方面由于切縫底部材料得到充分切削，使得切口底部明顯變大(圖8b)。對于切縫整體錐度，由于切口上部寬度變化不明顯，切口下部寬度會明顯變大，因此切縫斷面錐度會大大減小。此外，由于磨料射流能量衰減不可避免，射流束依然會發(fā)生滯后偏轉，因此降低切割速度仍無法完全消除拖尾余紋和切割留尾。

(a)切割斷面圖

(b)微觀形貌圖圖10 單次正向1/2速度切割試驗Fig.10 Results of positive-half-speed cutting experiment

3.3 二次逆向切割

如圖11a所示，相比試驗A1單次正向切割，試驗C1二次逆向切割的斷面質(zhì)量有明顯提高，整個斷面更加光滑，而且光滑區(qū)與余紋區(qū)之間表面質(zhì)量差距變小。由圖11b的微觀形貌圖可以看出，金屬切割表面的材料去除痕跡不再那么明顯，整個切割斷面平整光順。這是由于二次逆向切割過程包括一次正向切割和一次逆向切割。經(jīng)過一次正向切割之后再進行第二次逆向切割，磨料粒子在切割上部區(qū)域并未有過多的衰減，在到達余紋區(qū)時仍然擁有足夠的材料去除能力，可大大減少拖尾余紋，從而形成更加光滑的切割表面。此外，由于二次逆向切割的反方向切割過程會對拖尾余紋偏轉角度進行二次修正，從而減小切割斷面的余紋角度，使得經(jīng)過試驗C1二次逆向切割的斷面質(zhì)量比經(jīng)過試驗B1切割速度降低一半時的表面質(zhì)量更加光滑。

(a)切割斷面圖

(b)微觀形貌圖圖11 二次逆向切割試驗Fig.11 Results of secondary-reverse cutting experiment

如圖8b所示，經(jīng)過試驗C1二次逆向切割的切縫錐度比試驗A1單次正向切割時顯著減小，由于試驗B1和試驗C1的累積沖蝕時間相同，因此正向1/2速度切割和二次逆向切割兩組試驗的切縫錐度接近。二次逆向切割過程，由于經(jīng)過第一次切割，在切縫上部留有較寬的切口，使得再次切割時，磨料粒子可以從上部切口穿過，不會有過多的能量衰減；磨料粒子在到達底部的窄縫區(qū)域時依然擁有足夠的材料去除能力，沖蝕掉錐度區(qū)域的工件材料。由于磨料射流的動能衰減無法避免，所以只能在一定程度上減小切口的斷面錐度而無法完全消除。二次逆向切割過程分兩段(包括一次正向切割和一次逆向切割)，第二次逆向切割過程可在反向切割開始時對切割留尾進行沖蝕，從而達到消除切割留尾的目的。

3.4 結果分析

由表2斷面質(zhì)量測量結果可以看出，試驗B1單次正向1/2速度切割和試驗C1二次逆向切割均可顯著減小切割斷面粗糙度和切縫錐度，由圖12可以明顯看出，二次逆向切割對減小表面粗糙度及切縫錐度的效果更加顯著。由表2中切割留尾情況還可以看出，二次逆向切割可消除切割留尾，而單次正向切割均不能消除。由表2中的切割效率可以看出，單次正向1/2速度切割和二次逆向切割的表面質(zhì)量都有所提高，但無疑會降低切割效率。因此，高壓磨料水射流采用二次逆向切割的方式可以明顯減小切割斷面粗糙度、減小切縫錐度、消除切割留尾，可顯著提高切割斷面質(zhì)量，但會降低高壓水射流切割的效率。

4 結論

本文通過分析磨料水射流切割材料的機理和特點，探索并闡述了切割過程中產(chǎn)生拖尾余紋以及產(chǎn)生切縫錐度的原因，并通過3組因素組合下單次正向切割、正向1/2速度切割和二次逆向切割的對比試驗，發(fā)現(xiàn)采用二次逆向切割可以明顯減少拖尾余紋、減小切縫錐度，提高切割斷面的表面質(zhì)量。同時，采用二次逆向切割還可以消除單次正向切割時在尾部有切割留尾的弊端。此結論不僅有利于磨料水射流的應用，同時對較高斷面質(zhì)量要求的磨料水射流切割加工具有參考價值。

(a)B1與C1表面粗糙度對比

(b)B2與C2表面粗糙度對比

(c)B3與C3表面粗糙度對比

(d)B與C錐度對比圖12 正向1/2速度切割和二次逆向切割效果對比圖Fig.12 Positive-half-speed cutting and secondary-reversecutting surface roughness and taper reduction percentage