磨料粒徑及形狀對(duì)磨料水射流切割鈦合金表面微觀形貌的影響

陳顯均， 周 文， 徐茂欽

(1. 四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 瀘州 646005) (2. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 成都 610207)

近幾十年來，隨著工業(yè)加工領(lǐng)域的發(fā)展，精密加工技術(shù)越來越成熟，高壓水射流切割就是一種精密加工技術(shù)[1]。水射流切割是目前適應(yīng)性最好的切割方式[2-3]，可用于硬質(zhì)合金、陶瓷、模具鋼、高硅鑄鐵等硬度極高的材料的切割[4-5]，同時(shí)由于其獨(dú)特的加工特性，對(duì)于黏彈性材料如鈦合金[6-7]、橡膠等的切割也有較好的表現(xiàn)。水射流最早應(yīng)用在破巖方面，目前輔助鉆井、水力采煤、建筑拆除[8-9]、建材裝飾材料切割(如大理石、花崗巖、陶瓷、各類玻璃及脆性材料)等仍然是水射流切割應(yīng)用的主要方面。

磨料水射流加工是目前世界上發(fā)展最快的新型切割工藝之一，它是由固體磨料顆粒與高速流動(dòng)的水流按一定比例混合而形成的液固兩相介質(zhì)高速射流[10]。在高速流動(dòng)的水流中混入一定數(shù)量的磨料粒子，高壓水的部分動(dòng)能將傳遞給磨料粒子，從而改變了射流對(duì)工件的作用方式，即從水射流對(duì)工件的持續(xù)作用改變?yōu)槟チ蠈?duì)工件的沖擊、磨削作用，同時(shí)高速粒子流還對(duì)工件產(chǎn)生高頻沖蝕，從而能大大提高射流的品質(zhì)和工作效率。

磨料顆粒的加入，雖然使水射流的加工性能大大提高，但磨料顆粒對(duì)加工工件的撞擊作用造成加工后工件的表面質(zhì)量遠(yuǎn)不如純水射流加工的質(zhì)量好。隨著工業(yè)中對(duì)加工后材料精度要求的提高，作為一種精密加工技術(shù)，磨料水射流加工工件的表面粗糙度成了一個(gè)非常重要的評(píng)判指標(biāo)。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨料水射流加工材料的表面粗糙度以及材料加工后的微觀形貌做了大量研究。SELVAM等[11]對(duì)后混合磨料射流切割復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究了不同射流參數(shù)下復(fù)合材料切割表面的粗糙度和切縫傾角。YUVARAJ等[12]運(yùn)用后混合磨料射流對(duì)D2鋼進(jìn)行切割，研究了射流壓力、沖擊角度和磨料顆粒大小對(duì)材料去除率、切縫傾角、表面粗糙度和切縫形貌的影響。AZMIR等[13]運(yùn)用田口方法及方差分析法對(duì)玻璃環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行了切割試驗(yàn)，得出了各種射流參數(shù)對(duì)切割表面粗糙度的影響規(guī)律。SCHOPPA等[14]研究后混合磨料射流切割鋁合金的過程，并運(yùn)用6種先進(jìn)計(jì)算技術(shù)得出了射流參數(shù)對(duì)鋁合金上表面切縫和切縫傾角的影響。SHANMUGAM等[15-16]研究了后混合磨料射流對(duì)石墨環(huán)氧樹脂層狀復(fù)合材料切割時(shí)切縫的形貌特征，結(jié)果顯示提高射流壓力，降低切割速度和靶距能形成更好的切縫形貌。KECHAGIAS等[17]開展了后混合磨料射流切割高強(qiáng)度和高延展性鋼的試驗(yàn)研究，探究了材料厚度、噴嘴直徑、靶距和切割速度對(duì)表面粗糙度和切縫形貌的影響規(guī)律。

以往研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑與形狀的磨料顆粒加入到水射流中后，加工后工件的表面微觀形貌大有不同，而工件的表面微觀形貌又是決定其表面粗糙度的一個(gè)關(guān)鍵因素。但目前磨料粒徑與形狀對(duì)加工工件表面形貌的影響研究較少。TC4鈦合金是目前工業(yè)中常用的一種金屬，以TC4鈦合金為加工對(duì)象，采用不同粒徑的多形狀混合磨料顆粒分別作為水射流中添加的磨料，通過切割試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)采集與分析，開展不同粒徑與形狀的磨料顆粒對(duì)射流沖擊鈦合金表面微觀形貌特性的影響研究。

1 不同目數(shù)磨料顆粒的粒徑分布和微觀形貌

為了解不同目數(shù)磨料顆粒的粒徑以及形狀特征，購置市場(chǎng)上80目與160目的標(biāo)準(zhǔn)石榴石磨料。根據(jù)篩孔尺寸與磨料直徑的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可知80目石榴石的標(biāo)準(zhǔn)直徑為0.180 mm，160目石榴石的標(biāo)準(zhǔn)直徑為0.095 mm。

由于磨料加工工藝的限制，市面上采購的磨料顆粒的粒徑并不完全標(biāo)準(zhǔn)。為了使研究結(jié)果更加準(zhǔn)確，首先研究80目與160目石榴石磨料粒徑的分布情況。試驗(yàn)使用40～230目的篩網(wǎng)分別對(duì)一定質(zhì)量的80目與160目的石榴石磨料樣本進(jìn)行篩分，然后根據(jù)不同粒徑磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到80目與160目石榴石磨料樣本中的粒徑分布規(guī)律。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制成如圖1所示的粒徑分布圖。

圖1 80目與160目石榴石樣本的粒徑分布圖

從圖1可以看出：80目石榴石中，粒徑為0.180 mm(標(biāo)準(zhǔn)80目磨料直徑)的磨料顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到81%；160目石榴石中，粒徑為0.095 mm(標(biāo)準(zhǔn)160目磨料直徑)的磨料顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到83%。這2種目數(shù)石榴石中的粒徑分別呈現(xiàn)類正態(tài)分布規(guī)律，粒徑差距越遠(yuǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，80目或160目石榴石樣本中主要粒徑分別為其標(biāo)稱數(shù)值0.180 mm及0.095 mm，另外包含一些臨近粒徑的顆粒，粒徑差距較遠(yuǎn)的顆粒占比可以忽略不計(jì)，因此，基本可以認(rèn)為一定目數(shù)石榴石樣本中的磨料顆粒粒徑均相等。

為了研究磨料顆粒的形狀特點(diǎn)，用日本OLYMPUS公司生產(chǎn)的超景深顯微鏡對(duì)石榴石磨料進(jìn)行微觀觀察。圖2所示為超景深顯微鏡視野下的80目與160目石榴石的微觀形貌。

結(jié)合超景深顯微鏡的尺寸測(cè)量功能，可以得出80目與160目石榴石樣本中絕大部分磨料顆粒的粒度分布與前面的篩網(wǎng)法統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相吻合，其磨料顆粒形貌特征如圖3所示。

圖2 80目與160目石榴石的微觀形貌Fig. 2 Micrographs of 80 mesh and 160 mesh garnet samples

(a) 球形顆粒 Spherical particles(b) 正方體顆粒 Cube particles(c) 圓柱體顆粒 Cylindrical particles圖3 2種粒度石榴石磨料顆粒的形貌特征Fig. 3 Morphology characteristics of 2 different sizes abrasive particles

從圖3中發(fā)現(xiàn)，2種粒度磨料顆粒的形貌特征均可大致分為3類：第一種為沒有明顯尖角及棱邊的磨料顆粒(圖3a)，用球形表征其幾何特征；第二種為具有棱邊且呈現(xiàn)立方體結(jié)構(gòu)的磨料顆粒(圖3b)，用正方體表征；第三種為具有尖角的棱柱形磨料顆粒(圖3c)，用四分之一圓柱體表征。

2 添加不同類型磨料的射流切割TC4鈦合金試驗(yàn)以及樣本形貌分析

為了研究不同磨料的目數(shù)以及顆粒形狀對(duì)被切割鈦合金表面微觀形貌的影響，首先在水射流切割平臺(tái)上分別用加入80目石榴石與加入160目石榴石的射流切割TC4鈦合金樣本。試驗(yàn)平臺(tái)為南京大地水刀公司生產(chǎn)的射流切割平臺(tái)結(jié)合前混合磨料射流發(fā)生裝置組成，如圖4所示。其試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖4 磨料水射流切割平臺(tái)

項(xiàng)目參數(shù)或取值磨料類型80目、160目石榴石磨料體積分?jǐn)?shù)φa / %10切割材料TC4鈦合金射流壓力P / MPa20靶距H / mm5噴嘴角度α / (°)90噴嘴進(jìn)給速度vn/ (mm/min)8

試驗(yàn)過程中，噴嘴進(jìn)給速度固定為8 mm/min，調(diào)節(jié)射流出口壓力為20 MPa，分別將80目與160目石榴石添加至射流中，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行切割，然后將切割后樣本的切割斷面在OLYMPUS顯微鏡上觀察分析。圖5中分別為添加80目與160目石榴石磨料的水射流切割TC4鈦合金斷面的微觀形貌以及線粗糙度的采集圖。

(a) 80目石榴石80 mesh garnet(b) 160目石榴石160 mesh garnet圖5 添加80目與160目石榴石的磨料水射流切割TC4斷面的微觀形貌及線粗糙度Fig. 5 Micro morphology and linear roughness of TC4 section cut by abrasive water jet with 80 mesh and 160 mesh garnet

通過對(duì)斷面形貌以及線粗糙度結(jié)果的采集與分析，得出以下結(jié)果：

(1)使用80目磨料的磨料水射流切割的切面上劃痕的平均長度為107 μm；使用160目磨料的劃痕的平均長度為23 μm，前者的微劃痕長約為后者的5倍。這一現(xiàn)象可能是多種因素共同作用的結(jié)果。從能量的角度來考慮，80目磨料的體積和質(zhì)量比160目磨料的大，由于磨料顆粒和高壓水在噴嘴處經(jīng)過了充分加速，可以認(rèn)為80目和160目磨料顆粒的速度相同，假設(shè)磨料在沖蝕鈦合金側(cè)面時(shí)的摩擦力近似一致，則質(zhì)量較大的80目磨料加速度較小，因此會(huì)造成更長的劃痕。從不同粒徑的顆粒特性來考慮，80目石榴石在切割TC4的過程中，與材料接觸的面積比160目石榴石要大，因此其表面張力更大，對(duì)材料的黏附性更強(qiáng)，更不容易脫落，因此會(huì)造成較長的劃痕。

(2)同一切面上的微劃痕形貌也存在差別，圖6所示為80目磨料顆粒在TC4切面上留下的3種不同類型的劃痕。根據(jù)劃痕的形貌特征可以推斷出形成該劃痕的磨料顆粒形狀。圖6a的劃痕是由帶有棱邊的立方體磨料顆粒沖擊形成，所以其形貌為規(guī)則的方形并擁有較為水平的底面；圖6b的劃痕形成與球形磨料顆粒有關(guān)，由于球形磨料顆粒不具有明顯的棱邊和尖角，難以直接切除金屬材料，所以球形磨料顆粒形成的劃痕會(huì)在末端形成塑性堆積；圖6c所示的劃痕與尖銳物體劃過平面留下的劃痕類似，這種形式的劃痕應(yīng)該是由具有尖角的磨料顆粒造成的，根據(jù)上文對(duì)磨料顆粒的觀察分類，四分之一圓柱體形的磨料顆粒沖擊形成該種劃痕的可能性最大。

圖6 3種不同類型的劃痕

結(jié)合圖5和圖6，通過在圖5中對(duì)80目與160目石榴石切割的劃痕標(biāo)記線粗糙度較高的4個(gè)點(diǎn)，與其他較低線粗糙度的部分進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：線粗糙度較高的點(diǎn)較多的位于末端為尖形的切痕，其次是水平切痕部分，線粗糙度最低的部位位于末端呈圓弧形的切痕。這意味著球形顆粒切割TC4鈦合金后表面粗糙度最低，表面質(zhì)量最優(yōu)，其次為正方形顆粒，造成表面質(zhì)量最差的為帶有尖角的柱形或棱形顆粒。這是因?yàn)樵谙嗤乃俣认?，表面棱角越多的顆粒類型，越容易給金屬表面造成更大的集中壓應(yīng)力，產(chǎn)生更尖銳的磨痕，使得表面粗糙度降低，圖7為不同形狀磨料顆粒沖擊金屬表面的示意圖。

圖7 不同形狀磨料顆粒沖擊金屬表面的示意圖

為了證明上述不同顆粒類型與表面粗糙度的影響關(guān)系，對(duì)線粗糙度測(cè)量線上等步長取觀測(cè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)所有觀測(cè)點(diǎn)的表面線粗糙度數(shù)值以及切痕類型，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以明顯看出：球形顆粒沖擊后的鈦合金表面線粗糙度基本位于9.5 μm以下，方形顆粒沖擊后的鈦合金表面線粗糙度位于9.5～13.0 μm之間，柱形顆粒沖擊后的鈦合金表面線粗糙度基本位于13.0 μm以上。該測(cè)量結(jié)果充分證實(shí)了球形顆粒沖擊鈦合金表面質(zhì)量最好，方形顆粒其次，柱形顆粒最差。

圖8 不同顆粒類型造成的表面粗糙度比較

綜上所述，在實(shí)際的磨料水射流加工作業(yè)中，選用球形顆粒為主的磨料有助于提高加工質(zhì)量，降低表面粗糙度。試驗(yàn)測(cè)得，在純水射流的沖擊作用下，TC4表面粗糙度低于1 μm，也就是說，加入了磨料的水射流加工后材料的表面粗糙度遠(yuǎn)高于純水射流的，這與固體和液體對(duì)材料接觸侵蝕不同的特性有關(guān)。保持較高的切割能力，同時(shí)降低表面粗糙度，可能在選用球形顆粒的前提下，需要選擇更好的磨料種類，或者通過采用添加劑的方式實(shí)現(xiàn)，這也是本課題拓展的方向之一。

3 結(jié)論

通過磨料水射流切割試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)采集與分析，開展了不同粒徑與形狀的磨料顆粒對(duì)射流沖擊鈦合金表面微觀形貌特性的影響研究，得出如下結(jié)論：

(1)無論是80目還是160目石榴石磨料，均主要包含球形顆粒、方形顆粒以及柱形顆粒，顆粒粒徑分布呈類正態(tài)分布，且標(biāo)稱磨料粒徑均占80%以上，其他粒徑的顆粒大體也分布在標(biāo)稱粒徑附近，因此基本可以認(rèn)為一定目數(shù)的石榴石樣本中各個(gè)磨料顆粒粒徑均相等。

(2)添加大粒徑磨料顆粒的水射流切割TC4鈦合金表面造成的劃痕比添加小粒徑磨粒造成的劃痕普遍要長。使用80目磨料的磨料水射流切割的切面上劃痕的平均長度為107 μm，使用160目磨料的劃痕的平均長度為23 μm，前者約為后者的5倍。

(3)球形磨料顆粒形成的劃痕會(huì)在末端形成塑性堆積，其表面線粗糙度低于9.5 μm；帶有棱邊的立方體形磨料顆粒沖擊形成的劃痕為規(guī)則的方形并擁有較為水平的底面，表面線粗糙度位于9.5～13.0 μm之間；柱體形的磨料顆粒沖擊形成的劃痕帶有尖銳的棱角，表面線粗糙度大于13.0 μm。因此，實(shí)際水射流加工中，選擇球形顆粒有助于提升加工質(zhì)量，降低表面粗糙度。同時(shí)，磨料水射流加工后的表面粗糙度相較于純水射流的差距仍然較大。