船用薄板便攜式磨料水射流切割系統(tǒng)研究

杜 亮 袁 萍

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

切割與焊接是船舶建造不可或缺的工序，生產(chǎn)過程中的變形控制對(duì)船舶產(chǎn)品的精度控制至關(guān)重要.長(zhǎng)期以來，對(duì)于船舶焊接變形控制的研究較為深入廣泛，而切割方式對(duì)板材及構(gòu)件應(yīng)變的積聚影響等卻鮮有報(bào)道.現(xiàn)階段船舶板材及構(gòu)件的熱切割方式多為氧-乙炔切割、等離子切割、激光切割等[1]，船體分段的邊緣修整等大多也采用熱切割或產(chǎn)生熱效應(yīng)的機(jī)械磨削.由于熱影響區(qū)的存在，切割(或修整)后板材存在殘余應(yīng)力與熱變形，且切割過程中產(chǎn)生的化合氣霧、金屬和漆膜塵屑對(duì)工人健康及環(huán)境都有著不利影響.對(duì)于4 mm以下的薄板，其熱切割方式產(chǎn)生的熱變形對(duì)切割精度已呈顯性影響.因此，在薄板切割中采用冷切割技術(shù)以消除熱應(yīng)變對(duì)板材造成的影響具有工程現(xiàn)實(shí)意義.

1 設(shè)備構(gòu)成及系統(tǒng)工作原理

船板常用的冷切割方式有機(jī)械剪切(或磨削)與磨料水射流切割，但機(jī)械剪切通常適用于長(zhǎng)度較短的直線或緩曲線邊緣切割，機(jī)械磨削對(duì)板材邊緣的高速摩擦仍可產(chǎn)生熱滯留.磨料水射流切割技術(shù)分為前混合式磨料水射流切割和后混合式磨料水射流切割[2]兩種類型.后混合式磨料水射流切割連續(xù)切割時(shí)間長(zhǎng)，但所需切割壓力高，設(shè)備笨重，只能以固定機(jī)床的方式進(jìn)行切割，且造價(jià)昂貴；前混合磨料水射流切割的磨料與水混合更充分，所需切割壓力小，操作便捷，但受磨料罐容積限制，連續(xù)切割時(shí)長(zhǎng)通常低于45 min，無法長(zhǎng)時(shí)間切割[3-5].因此，欲將磨料水射流切割技術(shù)用于船舶建造中，還需根據(jù)船舶建造的特點(diǎn)與需求進(jìn)行優(yōu)化.

另外，船舶建造過程中除構(gòu)件邊緣加工需要進(jìn)行切割外，還有分段邊緣修割等現(xiàn)場(chǎng)修整作業(yè)需機(jī)動(dòng)性、靈活性好的手持切割設(shè)備進(jìn)行切割，這就要求磨料水射流切割設(shè)備需兼?zhèn)鋽?shù)控切割與手工切割兩種功能.故可利用射流泵抽吸原理進(jìn)行磨料混合實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割[6]，在此基礎(chǔ)上，采用便攜式裝置設(shè)計(jì)，增加手持式切割噴槍，以滿足不同工況的切割需求.

便攜式磨料水射流切割設(shè)備主要由高壓水生成裝置、磨料添加裝置，以及磨料射流切割裝置組成，見圖1.

圖1 便攜式磨料水射流切割設(shè)備示意圖

1.1 高壓水生成系統(tǒng)

高壓水生成系統(tǒng)產(chǎn)生切割用高壓水，由球閥、穩(wěn)壓水箱、過濾器、柱塞泵、電機(jī)、止回閥和泄壓閥、壓力表及節(jié)流閥等元器件組成，工作原理見圖2b).水流先經(jīng)過一級(jí)過濾器流入穩(wěn)壓水箱進(jìn)行初過濾，流入穩(wěn)壓水箱的水再經(jīng)過過濾器進(jìn)行二級(jí)過濾，其中，過濾后的水少部分用于回流調(diào)壓，大部分經(jīng)過柱塞泵增壓后生成高壓水.系統(tǒng)集成置于帶滾輪的推車中，見圖2a)，便于設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)，擴(kuò)大設(shè)備的工作范圍.

圖2 高壓水生成系統(tǒng)

1.2 磨料添加系統(tǒng)

磨料添加系統(tǒng)主要由磨料罐、截止閥和射流泵組成，見圖3.高壓水系統(tǒng)生成的高壓水流經(jīng)過射流泵后，磨料在自重及射流泵的作用下被抽吸與水混合形成磨料水射流混合液體，通過磨料罐磨料添加口不斷加入磨料以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割.同樣，為提高設(shè)備的便攜性，將磨料罐置于可移動(dòng)的平板小車上，可在不同工作地點(diǎn)進(jìn)行作業(yè).

圖3 磨料添加系統(tǒng)

1.3 磨料水射流切割系統(tǒng)

磨料水射流切割系統(tǒng)主要由截止閥、點(diǎn)光源、手持噴槍、控制機(jī)構(gòu)、磨切割噴嘴，以及工作臺(tái)組成，見圖4b).當(dāng)截止閥2打開，截止閥1閉合時(shí)，控制臺(tái)控制噴嘴運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割；切割后的磨料水混合液與切屑經(jīng)磨料和水循環(huán)處理裝置后，將磨料、切屑以及水過濾分離后循環(huán)利用，降低切割成本.當(dāng)截止閥1打開，截止閥2閉合時(shí)，工人用手持噴槍進(jìn)行修割作業(yè)，手持噴槍上的點(diǎn)光源為工人提供參照，使移動(dòng)方向與切割線保持一致，以減少操作失誤.射流泵出口端與手持噴槍磨料射流入口端之間由20 m長(zhǎng)的高壓管連接，可以提高設(shè)備切割范圍.

圖4 磨料水射流切割系統(tǒng)

2 系統(tǒng)參數(shù)選取及噴嘴優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

系統(tǒng)主要參數(shù)取值見表1.

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)取值表

2.2 射流泵參數(shù)選擇

射流泵結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 射流泵結(jié)構(gòu)示意圖

射流泵將磨料與水充分混合，在設(shè)計(jì)射流泵時(shí)，應(yīng)在給定的工作條件下得到盡可能高的效率.使射流泵效率最高的壓力比h、流量比q和面積比m稱為射流泵的最優(yōu)參數(shù).可采取已知最優(yōu)面積比my和經(jīng)驗(yàn)公式取值的方法進(jìn)行射流泵的初步設(shè)計(jì)[7]，基于此，選取射流泵參數(shù)α為13°、d2為1 mm、L0為3 mm、dm為6 mm、dh為19 mm、Lh為34 mm、θ為8°，與面積比m呈函數(shù)關(guān)系的射流泵其他參數(shù)取值如表2.

表2 射流泵其他參數(shù)取值表

在Fluent中，通過固液兩相流數(shù)值模擬結(jié)果，選取面積比m=4的射流泵，該參數(shù)下數(shù)值模擬得到的擴(kuò)散管后管道壓力為23.2 MPa，磨料體積分?jǐn)?shù)為4.01%.

2.3 噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

磨料切割噴嘴是磨料水射流切割系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)選擇將直接影響磨料水射流切割質(zhì)量與效率.采用性能較好的流線型噴嘴，其結(jié)構(gòu)見圖6.

圖6 流線型噴嘴結(jié)構(gòu)圖

影響流線型噴嘴性能參數(shù)有：磨料噴嘴出口直徑d0、磨料噴嘴收縮角α、過渡比d1/d、圓柱段長(zhǎng)度l0和擴(kuò)散角θ.由于影響噴嘴性能因素很多，為得到優(yōu)化后的流線型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，可采取正交實(shí)驗(yàn)的方法[8].在確定磨料噴嘴出口直徑為1 mm的情況下，對(duì)收縮角α、過渡比d1/d、圓柱段長(zhǎng)度l0和擴(kuò)散角θ四種因素進(jìn)行分析.按照L9(34)，F(xiàn)luent中在切割壓力為23.2 MPa，磨料體積分?jǐn)?shù)為4.01%的條件下，對(duì)流線型噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算磨料距噴嘴出口6 mm的速度值來評(píng)價(jià)噴嘴性能，得到結(jié)果見表3.

表3中k1，k2，k3是因素磨料噴嘴收縮角α、過渡比d1/d、圓柱段長(zhǎng)度l0和擴(kuò)散角θ在1，2，3水平下得到磨料速度的平均值.當(dāng)參數(shù)不同時(shí)，磨料在噴嘴出口6 mm處的速度最大值與速度最小值相差高達(dá)30 m/s，說明合理的噴嘴參數(shù)選擇在一定程度上可以提高磨料水射流的切割能力.極差值表明，四個(gè)因素當(dāng)中，對(duì)磨料水射流切割能力影響程度從高到低依次是過渡比d1/d、噴嘴收縮角α、擴(kuò)散角θ和圓柱段長(zhǎng)度l0，由此可確定流線型噴嘴的最優(yōu)參數(shù)磨料噴嘴出口直徑d0為1 mm，噴嘴收縮角α為13°，過渡比d1/d為0.5，圓柱段長(zhǎng)度l0為4 mm，和擴(kuò)散角θ為27°.

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3 板材切割實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證熱切割和冷切割方式對(duì)板材邊緣加工的影響，用現(xiàn)有磨料水射流切割設(shè)備切割厚度為2 mm和3 mm的Q235鋼板和5083鋁合金板，用氧-乙炔切割厚度為4 mm和6 mm的Q235鋼板(氧-乙炔無法切割鋁合金板)，均切割成300 mm×30 mm規(guī)格的板條，并用紅外線溫度計(jì)記錄切割前后的溫度變化[9-10].

3.1 磨料水射流切割與氧-乙炔切割

以磨料水射流為例，在鋼板和鋁合金板材上預(yù)先畫好三條切割線與測(cè)溫點(diǎn)，見圖7.

圖7 切割線與測(cè)溫點(diǎn)示意圖

在切割前，用溫度計(jì)記錄切割前的板材溫度，在切割完成后，立即測(cè)量各點(diǎn)溫度，重復(fù)三次取平均值作為各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)并繪制成圖，得到切割前板材初始溫度為19.0 ℃(磨料水射流切割)和30.0 ℃(氧-乙炔切割)下的溫度分布圖，見圖8.

圖8 不同切割方式下溫度分布圖

不同切割方式下的切割斷面見圖9.

圖9 不同切割方式下板材切割斷面圖

3.2 結(jié)果分析

Q235鋼在溫度為100 ℃時(shí)的熱傳導(dǎo)率為48.85 W/(m·K)，5083鋁合金在溫度為25 ℃時(shí)的熱傳導(dǎo)率為156 W/(m·K).受實(shí)驗(yàn)條件限制，氧-乙炔切割實(shí)驗(yàn)中所用的板材厚度和磨料水射流切割不同，但材質(zhì)相同，而傳導(dǎo)率是材料的固有屬性,與厚度無關(guān).因此,在板材厚度不同材料相同的情況下所得到的溫度驗(yàn)證分析結(jié)果仍具有可靠性[11].

由圖8a)可知，在磨料水射流切割時(shí)，板材溫度幾乎沒有變化，溫度上升不超過3 ℃；在相同材料的情況下，3 mm厚的板溫度略高于2 mm厚的板.由圖8b)可知，氧-乙炔切割完后板材溫度在260 ℃以上，6 mm厚板的溫度明顯高于4 mm厚的板.因此，從溫度熱效應(yīng)滯留上面來看，磨料水射流切割技術(shù)要明顯優(yōu)于氧-乙炔切割.

圖9a)～b)中磨料水射流切割的5083鋁合金及Q235鋼斷面光滑整潔，無明顯變形，圖9c)氧-乙炔切割斷面中，由于板厚度較大，雖無明顯熱變形但斷面處留有熔渣.就切割質(zhì)量上來看，磨料水射流切割技術(shù)優(yōu)于氧-乙炔切割技術(shù).

切割過程中，磨料水射流切割2 mm,厚Q235鋼時(shí)切割速度為700 mm/min，切割3 mm厚Q235鋼時(shí)切割速度為460 mm/min，氧-乙炔切割4 mm厚Q235鋼時(shí)切割速度為500 min/min，雖然沒有直接得到磨料水射流切割4 mm厚Q235鋼時(shí)的切割速度，但可以推算出在切割4 mm厚Q235鋼時(shí)的切割可能在200～300 mm/min.因此，在切割速度上來說磨料水射流切割技術(shù)要低于氧-乙炔切割.此外，切割過程中，氧-乙炔切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生化合氣霧等有害物質(zhì)，而磨料水射流切割中由于水的作用，產(chǎn)生的灰塵切屑并未直接排放到大氣中，而是與水混合一起留在切割平臺(tái)，改善了工人工作環(huán)境.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磨料水射流切割技術(shù)在切割相同厚度板材時(shí)，其切割效率低于熱切割方式，但磨料水射流切割技術(shù)和熱切割方式相比，熱應(yīng)變小、無化合氣霧、熔渣等有害物質(zhì)，在熱效應(yīng)滯留、切割質(zhì)量和改善工人工作環(huán)境上優(yōu)勢(shì)明顯，能有效提高船用薄板切割質(zhì)量，在船用薄板切割中進(jìn)行應(yīng)用與推廣具有一定價(jià)值與意義.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

目前常用的熱切割方式已無法滿足薄板切割的精度要求，本文提出的基于射流泵原理混合磨料的便攜式磨料水射流切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案旨在解決薄板在熱切割加工時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)變等問題，便攜式和手持噴槍的設(shè)計(jì)提高了設(shè)備的使用范圍，可適用薄板邊緣數(shù)控切割、船體分段邊緣修割等不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和工況條件.