基于超高壓磨料水射流的材料銑削加工技術(shù)及試驗(yàn)研究

任啟樂，王永強(qiáng)，陳正文，韓彩紅，張 的，曲玉棟

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 通用機(jī)械復(fù)合材料技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

0 引言

超高壓磨料水射流是在壓力200 MPa以上的水射流束中引入細(xì)磨料顆粒，磨料在超高壓水射流帶動(dòng)加速下具備了相當(dāng)?shù)膭?dòng)能，因而大大提高了水射流沖蝕、去除材料的能力。近年來，結(jié)合數(shù)控機(jī)床技術(shù)，超高壓磨料水射流被廣泛用于水切割，適用于各類材料，具有無熱變形、無粉塵污染等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。目前主要集中于對(duì)各類材料的水切割工藝及設(shè)備技術(shù)研究、以超高壓磨料水射流技術(shù)對(duì)相關(guān)材料工件表面的拋光及強(qiáng)化處理技術(shù)研究等［3-4］。

超高壓磨料水切割是利用“磨料射流線”切透材料，水切割加工的零部件具有輪廓尺寸精度高、切割面質(zhì)量高的特點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，通過控制水切割材料的切削深度，可以將水切割技術(shù)拓展運(yùn)用于銑削成型零部件，對(duì)于難處理材料零部件的加工、特殊型槽的銑削成型都具有應(yīng)用前景。然而，將超高壓磨料水射流由“線切割”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊驺娤鳌保P(guān)鍵難點(diǎn)在于改變磨料水射流的射流型式及移動(dòng)路徑、控制切削深度與銑削寬幅等技術(shù)參數(shù)。盡管超高壓磨料水射流技術(shù)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)融合發(fā)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍然是以超高壓磨料水射流“線切割”穿透切除材料，難以實(shí)現(xiàn)“面銑削”部分去除材料。本文從超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)機(jī)理和影響因素研究出發(fā)，開展了相關(guān)材料的磨料水射流銑削加工型槽試驗(yàn)，為超高壓磨料水射流技術(shù)拓展應(yīng)用領(lǐng)域提供借鑒。

1 超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)機(jī)理

1.1 超高壓磨料水切割技術(shù)原理

水射流是一種孔口（狹縫）出流流動(dòng)現(xiàn)象，典型的水射流形態(tài)結(jié)構(gòu)包括初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段及消散段等特征階段［5］如圖1所示。初始段和轉(zhuǎn)折段的流速和能量密度很高，從轉(zhuǎn)折段開始至基本段、消散段的射流形狀開始向外擴(kuò)散、射流流速逐步降低，因而初始段主要被用于引入磨料形成水切割應(yīng)用。

圖1 基于理論與實(shí)驗(yàn)的水射流結(jié)構(gòu)Fig.1 Water jet structure based on theory and experiment

超高壓磨料水切割是利用“磨料射流線”在待加工材料上建立入刀口，結(jié)合“磨料射流線”的橫移，切向和法向地磨削和沖擊材料；由于側(cè)向力小且無熱聚效應(yīng)，水切割不會(huì)對(duì)斷面產(chǎn)生變形及裂紋。水切割設(shè)備以多軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)為主，控制“磨料射流線”的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度；泵機(jī)組產(chǎn)生的水射流壓力是水切割的關(guān)鍵工況參數(shù)之一，超過門限壓力的磨料水射流具備切割材料的能力［6-7］。

1.2 超高壓磨料水射流銑削技術(shù)原理及影響因素

1.2.1 技術(shù)原理

相對(duì)于超高壓磨料水切割，超高壓磨料水射流銑削技術(shù)首先須形成由“微細(xì)磨料射流”轉(zhuǎn)變的“寬幅磨料射流”，通過加快“磨料射流線”的移動(dòng)速度將“切透”材料轉(zhuǎn)變?yōu)椤安磺型浮辈牧?，并?guī)劃“磨料射流線”移動(dòng)軌跡和循環(huán)重復(fù)次數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)水射流銑削成型零部件的輪廓尺寸、深度和平整度，如圖2所示。

圖2 超高壓水射流銑削矩形槽原理Fig.2 Schematic diagram of ultra-high pressure abrasive water jet milling of rectangular groove

1.2.2 影響因素

磨料顆粒被引入超高壓水射流并加速后從磨料噴嘴噴射出，從而具備了沖蝕材料的動(dòng)能。水射流流速vw、磨料顆粒的流速vm及動(dòng)能Em表達(dá)式為：

一般來說，當(dāng)磨料顆粒的動(dòng)能大于去除材料的體積能時(shí)，即實(shí)現(xiàn)磨料水射流銑削材料的功能。通過式（3）～（5）可知，超高壓磨料水射流銑削材料的體積量與磨料水射流的壓力、移動(dòng)速度、單次切削寬幅、銑削時(shí)間等主要因素關(guān)聯(lián)。

此外，超高壓磨料水射流銑削成型一定深度及形狀的材料型槽時(shí)，還應(yīng)考慮：（1）“磨料射流線”既要保持沖蝕材料的打擊力，還要使“磨料射流線”發(fā)散轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩挿チ仙淞鳌?，提升銑削效率；?）為避免發(fā)散的“寬幅磨料射流”銑削型槽時(shí)干涉型槽的外邊緣表面，應(yīng)增加與型槽尺寸相同的貼合模具；（3）保持“寬幅磨料射流”垂直作用于材料型槽表面，避免因傾斜角度而使“磨料射流線”沖蝕型槽的邊緣槽面；（4）“寬幅磨料射流”采取逐層快速銑削以保證材料型槽銑削的平整度，避免“磨料射流線”長時(shí)間駐留而破壞材料表面。

2 超高壓磨料水射流銑削加工試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

本文前期已研制WJQG37-B型超高壓水射流加工中心作為超高壓磨料水射流銑削加工試驗(yàn)裝置，由超高壓增壓器系統(tǒng)（泵機(jī)組）、超高壓磨料銑削刀頭、五軸聯(lián)動(dòng)龍門機(jī)床、工件裝夾工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)及供砂設(shè)備等部件組成，如圖3所示。試驗(yàn)裝置的主要性能參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)壓力最高500 MPa。門機(jī)床上的超高壓銑削刀頭，引入磨料顆粒形成超高壓磨料水射流；五軸聯(lián)動(dòng)龍門機(jī)床控制銑削刀頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，工件裝夾工作臺(tái)負(fù)載材料工件與銑削刀頭匹配運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超高壓磨料水射流銑削成型。

圖3 超高壓磨料水射流銑削加工試驗(yàn)裝置及銑削刀頭Fig.3 Ultra high pressure abrasive water jet milling test device and milling cutter head

表1 超高壓磨料水射流銑削加工試驗(yàn)裝置的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of ultra-high pressure abrasive water jet milling test device

與傳統(tǒng)水切割機(jī)的區(qū)別在于：（1）銑削刀頭以扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴實(shí)現(xiàn)“寬幅磨料射流”如圖3所示，通過更換磨料噴嘴型式即可將水刀頭互換為磨料水切割頭；（2）增加工件裝夾工作臺(tái)，并賦予往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，使銑削刀頭相對(duì)工件的移動(dòng)速度更快。

2.2 磨料水射流銑削加工試驗(yàn)方案

由于超高壓磨料水切割是以“微細(xì)磨料射流”來確保切縫足夠小，以“微細(xì)磨料射流”用于磨料水射流銑削加工時(shí)，銑削面容易呈“條紋”狀而難以達(dá)到質(zhì)量要求，且銑削效率慢。本文以設(shè)計(jì)的扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴組成超高壓磨料水射流銑削刀頭，開展“寬幅磨料射流”的銑削加工試驗(yàn)，驗(yàn)證超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)原理，分析橫移速度、水射流壓力、銑削時(shí)間等關(guān)鍵因素對(duì)不同材料銑削效果的影響程度。具體試驗(yàn)方案如下：

（1）選取不銹鋼材料及陶瓷材料的銑削型槽為研究對(duì)象，為磨料銑削刀頭給定磨料流量為0.5 kg/min；

（2）結(jié)合不銹鋼材料待銑削型槽的輪廓形狀，首先改變銑削刀頭移動(dòng)軌跡和增設(shè)貼合模具，分析適宜于磨料水射流銑削加工的銑削刀頭移動(dòng)及作業(yè)形式；

（3）然后銑削刀頭采取不同的橫移速度、水射流壓力等參數(shù)，結(jié)合銑削時(shí)間和銑削路徑重復(fù)次數(shù)的變化，分析對(duì)不銹鋼材料型槽銑削深度的影響規(guī)律，銑削深度尺寸采取卡尺測(cè)量已銑削表面與未銑削表面之間的垂直距離，選取靠近型槽邊緣及中心至少5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的均值作為銑削深度；

（4）最后在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)磨料水射流銑削材料型槽的工況參數(shù)，針對(duì)不銹鋼材料和陶瓷材料，分析完成特定型槽的磨料水射流銑削加工試驗(yàn)，觀察和分析銑削成型效果。

2.3 試驗(yàn)用磨料及工件材料

石榴石是磨料水切割最常用的磨料，具有硬度適中、理化性能穩(wěn)定、粒度和晶型均勻等特點(diǎn)。磨料水射流銑削加工試驗(yàn)采用粒度80#的石榴石磨料，莫氏硬度為7.5，微觀表現(xiàn)為顆粒狀和帶有不規(guī)則棱角［10］，其化學(xué)成分構(gòu)成見表2。磨料水射流銑削成型的工件材料為304不銹鋼和Al2O3陶瓷。工件材料的室溫力學(xué)性能見表3，4。

表2 80#石榴石磨料的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of 80# garnet abrasive

表3 304不銹鋼（06Cr19Ni10）的化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of 304 stainless steel（06Cr19Ni10）

表4 Al2O3陶瓷的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of Al2O3 ceramics

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 銑削刀頭移動(dòng)及作業(yè)形式對(duì)銑削效果的影響

運(yùn)用超高壓磨料水射流銑削刀頭加工型槽時(shí)，以型槽形狀設(shè)計(jì)和規(guī)劃銑削刀頭的移動(dòng)軌跡，并循環(huán)重復(fù)移動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)逐層銑削材料，銑削試驗(yàn)效果如圖4所示。從圖中可以看出：（1）以型槽形狀規(guī)劃水射流銑削刀頭移動(dòng)軌跡時(shí)，銑削面出現(xiàn)“條紋”狀，原因在于銑削刀頭沿軌跡移動(dòng)時(shí)，“寬幅磨料射流”會(huì)因銑削刀頭移動(dòng)轉(zhuǎn)變方向而變成“窄幅射流”甚至是“微細(xì)射流”；（2）銑削面存在“凹坑”，原因在于作用在銑削面內(nèi)的磨料水射流銑削刀頭在“起刀點(diǎn)”或“停刀點(diǎn)”時(shí)，磨料水射流因定點(diǎn)沖蝕造成對(duì)銑削面的破壞；（3）由于磨料水射流的向外擴(kuò)散效應(yīng)，型槽外邊緣表面受到磨料水射流的沖蝕。

圖4 無貼合模具的磨料水射流銑削不銹鋼材料型槽Fig.4 Abrasive water jet milling of stainless steel groove without matching mould

針對(duì)上述試驗(yàn)情況，在材料待加工型槽上增加金屬的貼合模具如圖5所示，模具內(nèi)孔形狀及尺寸與加工型槽吻合；由于使用了貼合模具，將銑削刀頭移動(dòng)軌跡調(diào)整為連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)如圖6所示，每趟直線運(yùn)動(dòng)后間隔下移進(jìn)入下一趟直線運(yùn)動(dòng)，兩趟直線運(yùn)動(dòng)之間的間隔將根據(jù)銑削刀頭的“磨料射流寬幅”確定，使磨料射流完全覆蓋銑削面；銑削刀頭的“起刀點(diǎn)”或“停刀點(diǎn)”位于銑削面外（貼合模具上）。銑削刀頭循環(huán)重復(fù)上述移動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)逐層銑削材料，銑削試驗(yàn)效果如圖6所示，從中可見磨料水射流銑削型槽底面平整、無“凹坑”、外邊緣沒有被磨料沖蝕。

圖5 金屬材料的貼合模具（菱形槽）Fig.5 Matching mould made of metal material（diamond groove）

圖6 帶貼合模具的磨料水射流銑削不銹鋼材料型槽Fig.6 Abrasive water jet milling of stainless steel groove with matching mould

3.2 銑削工況參數(shù)對(duì)銑削效果的影響

以外形尺寸40 mm×40 mm、內(nèi)角60°的不銹鋼材料菱形槽銑削成型為例，超高壓磨料水射流銑削刀頭以壓力300 MPa按照連續(xù)直線軌跡運(yùn)動(dòng)，在磨料流量不變的情況下，銑削刀頭以不同的移動(dòng)速度分別進(jìn)行銑削，圖7為不銹鋼材料菱形槽的銑削深度變化情況。

圖7 不同移動(dòng)速度下的銑削不銹鋼材料型槽深度Fig.7 Groove depth of milling stainless steel material at different moving speeds

從圖中可以看出：（1）銑削刀頭的移動(dòng)速度越慢，磨料水射流作用于材料表面的時(shí)間越長，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深；（2）隨著銑削刀頭循環(huán)重復(fù)連續(xù)直線軌跡運(yùn)動(dòng)的次數(shù)增加，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深，即銑削刀頭相對(duì)于材料的逐層銑削。

超高壓磨料水射流銑削刀頭以1 000 mm/min的橫移速度按照連續(xù)直線軌跡運(yùn)動(dòng)，在磨料流量不變的情況下，以不同的超高壓磨料水射流壓力分別進(jìn)行銑削，圖8示出了不銹鋼材料菱形槽的銑削深度變化情況。從圖中可以看出：（1）隨著超高壓磨料水射流壓力的增加，磨料水射流沖蝕材料的能力增強(qiáng)，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深；（2）對(duì)于不銹鋼材料，壓力從260 MPa增加至300 MPa時(shí)，銑削型槽深度增加明顯，但壓力從300 MPa增加至320 MPa時(shí)，銑削型槽深度增加有限。

圖8 不同壓力下的銑削不銹鋼材料型槽深度Fig.8 Groove depth of milling stainless steel material under different pressures

3.3 不同材料型槽的磨料水射流銑削加工效果

利用前述的磨料水射流銑削成型方法，通過控制銑削關(guān)鍵工況參數(shù)，對(duì)不銹鋼材料（壓力300 MPa、移動(dòng)速度1 000 mm/min、重復(fù)次數(shù)4次、銑削深度3.40 mm）和陶瓷材料（壓力380 MPa、移動(dòng)速度500 mm/min、重復(fù)次數(shù)4次、銑削深度3.62 mm）分別銑削成型特殊型槽，銑削試驗(yàn)效果如圖9，10所示，型槽的外形尺寸和質(zhì)量良好。

圖9 銑削成型不銹鋼材料菱形槽和U型槽Fig.9 Milling diamond groove and U-shaped groove of formed stainless steel material

圖10 銑削成型陶瓷材料菱形槽和U型槽銑削Fig.10 Milling diamond groove and U-shaped groove of ceramic materials

4 結(jié)論

（1） 采用260～400 MPa的扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴組成超高壓磨料水射流銑削刀頭，由此形成的扇形磨料射流并相對(duì)于材料工件重復(fù)循環(huán)移動(dòng)，結(jié)合符合待加工型槽輪廓形狀的貼合模具，可以實(shí)現(xiàn)控制切削深度的磨料水射流銑削成型技術(shù)，拓展了超高壓磨料水射流技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。

（2） 通過超高壓磨料水射流銑削加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加銑削刀頭循環(huán)重復(fù)移動(dòng)軌跡的次數(shù)，降低銑削刀頭移動(dòng)速度，提高磨料水射流壓力，都會(huì)增加磨料水射流銑削成型材料型槽深度。對(duì)不銹鋼材料和陶瓷材料，銑削刀頭分別采用壓力260～300 MPa、移動(dòng)速度 500～1 000 mm/min 和壓力380 MPa、移動(dòng)速度500 mm/min等工況參數(shù)時(shí)，特殊型槽的銑削加工效果良好。