低溫輔助磨料水射流切割不銹鋼的試驗研究*

楊 帆 劉力紅 杜 鵬 孫慶斌 田 雨 董超超

(安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

傳統(tǒng)的加工方法切割不銹鋼、鈦合金等難加工金屬的效果并不理想，如車削、鉆削和銑削等常用機加工方法，都使用鋒利的刃口刀具，通過剪切變形去除工件上的材料。然而，這些工藝對難加工材料有極大的限制，具體表現(xiàn)為刀具易磨損、切削熱量大、表面加工質(zhì)量不穩(wěn)定、切削效率低等[1]。磨料水射流加工工藝極大程度上解決了這些問題，但也由于切割斷面上磨料的動能分布不均勻，在材料的切割斷面產(chǎn)生較深的溝壑，且磨料粒子與不銹鋼金屬高速撞擊形成的高溫使加工局部產(chǎn)生粘性，增了切割斷面的粗糙度[2]。基于此，提出1種低溫輔助磨料水射流切割方法，以降低加工過程中產(chǎn)生的溫度和粘性，提升難加工金屬的表面切割質(zhì)量。

本文對低溫輔助磨料水射流切割不銹鋼進行正交試驗研究，共設(shè)計8組試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，通過對比分析不同因素水平試驗下的不銹鋼斷面粗糙度，研究低溫輔助對磨料水射流切割不銹鋼的影響，找出低溫下不同晶相結(jié)構(gòu)與磨料水射流切割質(zhì)量之間的規(guī)律，為低溫下磨料水射流切割高強度金屬提供一定的參考依據(jù)。

1 低溫對不銹鋼性能的影響

低溫下，金屬一般會產(chǎn)生無明顯塑性變形而脆性斷裂的現(xiàn)象，即“冷脆”。金屬的晶體結(jié)構(gòu)與其在低溫下產(chǎn)生脆性斷裂的傾向之間存在一定的關(guān)系。晶格為體心立方的金屬隨著溫度下降會有脆性斷裂的傾向,而晶格為面心立方的金屬則不變脆[10]。

故本次正交試驗選用兩種具有代表性的難加工不銹鋼，分別是304奧氏體不銹鋼和430鐵素體不銹鋼。304奧氏體不銹鋼具有面心立方晶格，在低溫環(huán)境下不變脆，430鐵素體不銹鋼具有體心立方晶格，在低溫環(huán)境下斷裂的傾向大大提高[11]。

2 試驗方案

2.1 試驗原理

本試驗通過對比低溫輔助與普通狀態(tài)下磨料水射流切割不銹鋼的粗糙度，分析低溫輔助對磨料水射流切割不銹鋼材料表面質(zhì)量的影響。

本試驗依托安徽理工大學(xué)高壓水射流實驗室的高壓前混合磨料水射流試驗平臺進行，如圖1[12]。

工作原理如圖2所示，在每進行一組低溫輔助切割實驗時，先將靶物浸入液氮中冷卻30 min，用數(shù)顯溫度計測量其溫度為-196 ℃，因為將靶物從液氮中取出后，溫度會急劇上升，故提前啟動高壓水泵，將實驗參數(shù)設(shè)置完畢后，立刻將靶物移至模具上，同時增加水泵壓力至設(shè)定壓力，打開砂閥，運行設(shè)定程序進行切割工作，以減小溫度升高對試驗結(jié)果的影響。經(jīng)試驗測定，將靶物從液氮中取出至進行加工，這段時間為5 s，數(shù)顯溫度計示數(shù)為-168 ℃，故試驗溫度為-168 ℃。

2.2 試驗材料與參數(shù)

本試驗所選用304奧氏體不銹鋼和430鐵素體不銹鋼作為試驗材料，為方便試驗，選用規(guī)格都為250 mm×30 mm×5 mm的不銹鋼，其含量成分如表1所示。

表1 不銹鋼含量成分表

按照前混合磨料水射流的經(jīng)驗，選用如表2所示的試驗參數(shù)，并對其進行驗證試驗[13-17]。

醫(yī)護人員根據(jù)蕁麻疹患者發(fā)病機理不同，可以分不同的護理措施。風(fēng)寒型蕁麻疹患者宜采用有規(guī)律的飲食起居和生活習(xí)慣進行臨床護理，再配以姜湯等祛濕祛風(fēng)寒。

表2 試驗參數(shù)表

2.3 參數(shù)驗證試驗

選用304不銹鋼對正交試驗所選取的壓強、橫移速率及溫度等參數(shù)進行驗證試驗，其結(jié)果如表3所示。

表3 驗證試驗表

由試驗2、3可知，混合水平正交試驗的壓力應(yīng)從25 MPa開始，由試驗3、4、5可知橫移速率取7 cm/min較好，試驗6、7、8證明了試驗的起始壓力的可行性。

2.4 正交試驗

根據(jù)磨料水射流切割的原理和經(jīng)驗，本試驗選取影響磨料水射流切割的3個主要因素:切割壓力、溫度和材料。設(shè)A、B、C分別代表切割壓力、溫度、材料，對A進行4水平實驗，B、C進行2水平實驗，如表4所示。按混合水平正交試驗表L8(41×22)設(shè)計安排8組試驗，試驗方案如表5所示[18]。

表4 因素水平表

表5 試驗方案

2.5 結(jié)果測量

將磨料水射流切割獲得的試件分別用標簽紙貼好，并標明試件序號，箭頭所指側(cè)面為切割斷面。如圖3所示。

切割斷面采用SRM系列表面粗糙度測量儀進行測量，測量結(jié)果如表6所示。

表6 測量結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

選用Excel軟件對測量結(jié)果進行分析，因為A因素有4個水平，每個水平出現(xiàn)2次，所以A因素的ki=Ki/2(i表示水平號)，其他因素的ki=Ki/4。對于極差R,因為對于A因素，K1、K2、K3、K4分別是各指標值之和，而對于B、C兩個因素，K1、K2分別是4個指標值之和，所以只有根據(jù)平均值ki求出的極差才有可比性，即R=max{ki}-min{ki}。由于本次正交試驗的各因素之間沒有交互作用,故可以通過極差R的大小來判斷各因素的影響程度大小，極差最大的一列即為對試驗結(jié)果影響最大的因素。對于優(yōu)方案的選取，因為本試驗以粗糙度作為評價金屬切割表面質(zhì)量的指標，故粗糙度越小，則該方案越優(yōu)。具體分析結(jié)果如表7所示[19-20]。

表7 試驗結(jié)果分析

由于RB>RC>RA，所以各個因素的主次順序為B(溫度)、C(材料)、A(壓力)。

在本次試驗中，選用粗糙度作為測量不銹鋼表面質(zhì)量的指標，故指標越小越好，所以選擇每個因素的平均值ki中最小的平均值對應(yīng)的水平作為優(yōu)方案，由于:

B因素：k2

C因素：k1

A因素：k3

所以優(yōu)方案為：B2C1A3，即溫度-168 ℃，304不銹鋼，壓強35 MPa。

以因素水平為橫坐標，粗糙度Ra為縱坐標，得到如圖4所示的趨勢圖。

從趨勢圖4中可看出，當(dāng)壓力為35 MPa、溫度為-168 ℃、材料選用304不銹鋼時，磨料水射流切割不銹鋼得到的斷面粗糙度最小，即最優(yōu)方案：B2C1A3。從圖4中還可以看出，在給定范圍內(nèi)，隨著射流壓力的增加，粗糙度先減小后增大，在35 MPa時取最小值；隨著溫度的，粗糙度，低溫下切割不銹鋼的表面質(zhì)量遠遠高于常溫；又因為不銹鋼元素含量的不同，304奧氏體不銹鋼的粗糙度優(yōu)于430鐵素體不銹鋼。

將對趨勢圖4的分析與常溫下磨料水射流切割不銹鋼的經(jīng)驗進行比較，可以看出，低溫輔助磨料水射流切割隨著射流壓力不同、溫度的變化以及金相組織不同等多因素耦合，導(dǎo)致低溫輔助磨料水射流切割的機理復(fù)雜程度大大提高，特別是溫度的變化對磨料水射流切割不銹鋼產(chǎn)生了巨大影響，故低溫輔助磨料水射流切割的機理還有待進一步深度研究。

4 結(jié)語

(1)由參數(shù)驗證試驗可知，304不銹鋼在低溫狀態(tài)下壓力達到15 MPa可切穿，常溫狀態(tài)下壓力達到25 MPa可切穿，故304不銹鋼在低溫狀態(tài)下比常溫狀態(tài)下更易加工。

(2)通過正交試驗易知，在低溫狀態(tài)下磨料水射流切割不銹鋼的表面質(zhì)量優(yōu)于常溫狀態(tài)。

(3)磨料水射流切割不銹鋼的因素影響程度由大到小為溫度、材料、壓力，得出優(yōu)方案為溫度-168 ℃、材料選用304不銹鋼、壓強35 MPa。

(4)根據(jù)試驗推測，其他條件相同低溫輔助水射流切割情況下，面心立方晶格金屬的表面切割質(zhì)量優(yōu)于體心立方晶格的金屬。這有待進一步研究。