（机械电子工程专业论文）微磨料水射流磨料精密输送系统研究.pdf

西华大学硕七学位论文 微磨料水射流磨料精密输送系统研究 机械电子工程 研究生邴龙健指导教9 币雷玉勇 微磨料水射流加工技术是在传统磨料水射流加工技术的基础上发展起来的 一种全新的微加工技术，是一种“软、冷”切割加工方式，具有无热影响区、切 口质量好、无火花、无污染、能量集中等独特的优点，主要应用于硬脆性材料 的加工及微刻蚀领域。 论文在对传统磨料水射流磨料输送技术研究的基础上，针对微磨料水射流 系统磨料输送方式存在的不足，提出了基于螺杆泵送原理的微磨料水射流磨料 精密输送系统的研究方案。 论文详细研究了微磨料水射流磨料精密输送系统的结构、组成、螺杆泵送 的原理、螺杆参数的选择原则。建立了磨料流量与螺杆几何参数的关系方程。 设计制作了微磨料水射流磨料精密输送系统，系统采用p m a c + l 2 9 8 芯片控制， 通过直流伺服电机拖动螺杆旋转供料。该系统解决了传统磨料水射流采用负压 空气引入磨料时射流束的能量密度低、连续性差、容易堵塞等问题。 论文推导了微磨料水射流磨料精密输送系统的流量方程，应用计算流体动 力学仿真软件f i i 删啊对系统进行了数值仿真。仿真结果表明，螺杆转速对磨 料流量的影响最大，转速越高，流量越大；其次影响磨料流量的主要参数有螺 槽深度和入口压力，入口压力的影响较小，应用时选取稳定的入口压力即可。 通过微磨料水射流铣削实验，验证了微磨料水射流磨料精密输送系统的功 能。实验表明，磨料流量是影响铣削工艺的一个重要参数，通过调节螺杆转速 可以有效调整磨料流量。微磨料水射流磨料精密输送系统满足设计要求。 微磨料水射流磨料精密输送系统具有磨料输送精确稳定、流量可调、系统 不堵塞等特点，是一种可靠的磨料精密输送系统，该系统具有较高的实用价值 和推广应用前景。 关键词：微磨料水射流，螺杆，磨料输送，f l u e n t ，铣削 西华大学硕士学位论文 s t u d y o np r e c i s ef e e ds y s t e mo fa b r a s i v ef o rm i c r o a b r a s i v ew a t e rj e t m a j o r ：m e c h a t r o n i e se n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：b i n gl o n g - j i a n s u p e r v i s o r ：l e iy u - y o n g m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e ti san e wm i c r op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h e t r a d i t i o n a la b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s t h eu n i q u es o f ta n dc o l dc u t t i n gm a n n e r , n oh e a ta f f e c t e dz o n e ，g o o ds u r f a c eq u a l i t y , n os p a r k s ，n op o l l u t i o na n de n e r g yc o n c e n t r a t i o n i ti sm a i n l yu s e di nh a r da n d b r i t t l em a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n dt h ea r e ao f m i c r o - e t c h i n g t h ef e e ds y s t e mo ft r a d i t i o n a la b r a s i v ew a t e rj e ti sr e v i e w e d b e c a u s eo ft h e s h o r t c o m i n go f m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e tf e e ds y s t e m ，an e ws y s t e mn a m e dp r e c i s e f e e ds y s t e mo fa b r a s i v ef o rm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs c r e w c o n v e y o ri sp u tf o r w a r d t h es t r u c t u r eo f s c r e wf e e ds y s t e mf o rm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e ti si n t r o d u c e di n d e t a i l t h ec o m p o s i t i o no fs y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fs c r e wc o n v e y o r , t h ec h o i c eo f s c r e wp a r a m e t e r sa n dt h er e l a t i o ne q u a t i o nb e t w e e na b r a s i v ef l o wr a t ea n d g e o m e t r i cp a r a m e t e r so fs c r e ww e r ed i s c u s s e d a tl a s t ，ap r e c i s ef e e ds y s t e mo f a b r a s i v ef o rm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e ti sm a n u f a c t u r e d t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db y p m a ca n dl 2 9 8 i th a ss o l v e dt h eq u e s t i o n ss u c ha sl o we n e r g yd e n s i t y , p o o r c o n t i n u i t y , e a s yc l o g g i n ga n do t h e ri s s u e se x i s t e di nt r a d i t i o n a lf e e ds y s t e mf o r a b r a s i v ew a t e rj e t t h ef l o wr a t ee q u a t i o ni nt h es c r e wi sd e r i v e d t h es i m u l a t i o ni sf i n i s h e db a s e d o nf l u e n t i tw a ss h o w e dt h a ta n g u l a rs p e e di sak e yf a c t o rt ot h ea b r a s i v ef e e d i n g i nt h ep a r a m e t e r so fs c r e w , t h ed e p t hh a ss t r o n g e ra f f e c t i o nt of l o wr a t et h a nt h e w i d t h a l t h o u g ht h ec r o s sa r e ag e tl a r g e rb yi n c r e a s i n gt h ed e p t ho fs c r e w ，t h ef l o w r a t eb e c o m e ss m a l l e r t h em i l l i n ge x p e r i m e n tu s i n gm i c r oa b r a s i v ew a t e r j e tv e r i f i e dt h a ta b r a s i v e f l o wr a t ec a nb ec o n t r o la c c u r a t e l yb ys c r e ws p e e d t h ep r e c i s ef e e ds y s t e mo f a b r a s i v ef o rm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e tc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t si nu s e t h ep r e c i s ef e e ds y s t e mo fa b r a s i v ef o rm i c r oa b r a s i v ew a t e r j e th a st h e a d v a n t a g e so fa c c u r a t es t a b i l i t y , f l o wr a t ea d j u s t a b l ea n dn o n b l o c k i n g c h a r a c t e r i s t i c s i ti se c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y i th a sah i 曲p r a c t i c a lv a l u ea n dg o o d p r o m i s i n gi na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t ，s c r e w , f e e ds y s t e m ，f l u e n t ，m i l l i n g 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者躲砷蟪 翩鹕：暾 in7 1 同 日 、，、) 月月 6占 吩吩 i参 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位 论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密1 7 ，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上1 2 1 内划) 学位论文作者签名：碲垃健 日期：砷多 指剥币繇懒荔 日期：加哆后 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ，a w j ) 加工技术是近年来发展较快的一门高新 浦 技术，它是在水射流加工( w a t e rj e t 曼 m a c h i n i n g ，w j m ) 技术的基础上引入磨料统 射流h l ：i i ( a b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ，a j m ) 技术，集两种加工技术的优点于一身的复 合加工技术。磨料水射流加工技术对加工 工艺无特殊要求，可以从工件任何部位进 行切割，噪声小，切口整齐，几乎无热影 响斟。可以加工金属材料、合成材料和 非金属材料，特别适用于热敏、硬质和高 脆材料及由于材料的厚度太大而不能采 用激光和等离子加工的情况。磨料水射流 切割系统结构如图1 1 所示。 f i g 1 1a w jm a c h i n i n gs y s t e m 图1 i 磨料水射流切割系统 把具有较高压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这种射流作为工具 进行切割、破碎和清洗物料的技术，称为高压水射流技术。提高水流的压力， 则射流的威力会随之增大，但射流压力的增高，受多种因素的制约，有时很难 实现。8 0 年代，磨料水射流迅速发展起来，磨料水射流即利用高压水作为载体， 将具有一定质量和锋利度的磨料粒子进行加速后喷出所形成的射流。因磨料具 有良好的磨削、穿透、冲浊、锲劈和粉碎的能力，这使得系统压力在相对较低 的情况下，射流的冲击能力却大大提高。 随着工业生产的飞速发展，越来越多的高性能材料被研制出来。其中许多 材料具有特殊的结构特性，特别是在航空、航天及汽车制造业中，材料的加工 形状复杂，用传统的加工方法进行切割时，很难达到设计要求。磨料水射流加 工技术因其具有冷态、点割、通用性强、切割质量好和环保无污染等特点，在 切割领域占有越来越重要的位置。 西华大学硕士学位论文 1 2 微磨料水射流加工技术研究现状 12 1 微磨料水射流技术研究动态 目前国内外研究的微磨料水射流( m i c r o a b r a s i v ew a t e rj e t ，m a w j ) 技术主要采用后 混合式水射流( a b r a s i v ew a f e rj e t ，a w j ) 和浆 体射流( a b r a s i v es u s p e n s i o nj e t ，a s j ) 1 2 1 。微 磨料水射流也有采用前混合方式生成的，此 种方式的原理与浆体射流基本相似，但效果 不及浆体射流，因此很少在微磨料水射流中 使用。m i l l e r 还提出了湿式送料后混合磨料 水射流( f a w s ) 、蒸汽送料后混合磨料水射流 ( s a w s ) 两种新型后混合微磨料水射流方式， f i 9 125 0 “mm a w j 图1 25 0 “m 微磨料水射流 应用该原理m i l l e r 成功开发出直径5 0 , u r n 的微磨料水射流装置，其切割能量密 度是传统a w j 的扯5 倍b i 。这种装置结构简单、元件少、可靠性高，虽然喷嘴 时有堵塞现象，但进一步的研究表明，喷嘴的堵塞问题是微磨料粒子的不合格 ( 污染) 所致，完全可以解决口j 。m i l l e r 采用纳米磨料粒子( 氧化铝磨料，平 均直径5 0 h m 3 0 0 r i m ) 成功开发出射流直径达4 0 p m 的微磨料水射流口】。试验 表明，只要有符合要求的高精度纳米磨料粒子，微磨料水射流的直径可小到微 米和亚微米级 4 1 。s h a hj i a n g 等人用悬浮磨料( 含有机添加剂) 研发出专门用 于半导体和封装材料切割的微磨料水射流( 5 0 a m ) ，被a i t ( a d v a n c e d l m e r e o n n e c t t e c h n o l o g i e si n e ) 所应用 5 1 。 总体上来看，国内外对于微磨料水射流技术的研究尚处于起步阶段。目前 国外有关微磨料水射流的研究工作主要集中在英国、美国、澳大利亚等。m i l l e r , h a s h i s h 等对微磨料水射流的生成方式进行了研究和探索，m i l l e r , w a n gj u n 等都 已设计出试验平台并进行了部分钻孔、切割等试验。国内黄传真等对喷嘴内部 流场进行了仿真研究1 6 】刘小健等对新型添加剂浆体射流的射流特性进行了试 验研究【7 埘，王瑞和等对浆体射流动力学特性进行了理论与试验研究，提出了 添加剂的最佳浓度及添加剂对射流动力学特性的影响规律“。 西华大学硕士学位论文 1 2 2 微磨料水射流精密加工技术研究动态 微磨料水射流加工技术是在传统磨料水射流技术的基础上发展起来的种 全新的微加工技术，是唯一一种“软、冷”切割加t 方式，具有无热影响区、切 口质量好、无火花、无污染、能量集中等独特的优点【i2 。特别适于加工不宜使 用激光等热加工技术切割的硬脆性材料和高反射性材料，能够应用于有许多小 几何形状的模具制造及表面加工，并且已经逐渐成为硬脆性材料精密微细加工 的重要基础技术。微磨料水射流设备与普通磨料水射流设备相比要小得多，水 与磨料的消耗量只占普通磨料水射流的1 左右，可以加工适用普通磨料水射 流加工的一切材料i l z j 。 微磨料水射流直径可以达到微米级，因此，在微细加工中具有广阔的应用 前景。图1 3 是激光和几种微磨料水射流所能实现的加工直径范围【4 1 。表1 1 列出了目前实验室和生产中微磨料水射流加工技术的部分基本参数f 1 3 l 。 im i c r o ni o m i c r o n i o o m i c r o n 1m m c u t t i n gb e a md i a m e t e r s f i g 1 3c u t t i n gb e a md i a m e t e r sf o ra b r a s i v ew a t e r j e t sa n dl a s e r s 图1 3 激光与磨料水射流直径比较 s ) 西华大学硕士学位论文 表1 1 微磨料水射流加工技术基本参数表 喷嘴直径 研究者射流方式水压胁磨料粒度加工对象加工性质n ：e t _ 艺 聊 m i l l e r 浆体射流 7 0 复合材料实验加i ：切割、钻孔 m i l l e r 后混合复合材料实验加】：切割、钻孔 h a s h i s h浆体射流1 0 4 3 4 52 2 9 实验加t 切割 h o l | i n g e r浆体射流 5 0 1 0 4 石英品片 实验加工 切割 b l o o m f i e i d浆体射流 3 6 6 92 8 0 3 0 0 实验加：l切割 h a s h i s h 后混合 8 2 7 4 m 石英晶片生产应用钻孔 h a s h i s h 后混合 3 7 9 7 4 m 3 8 0 石英品片生产戍川切割 l s c o f fd e a n浆体射流 2 5 0生产应崩 影响微磨料水射流加工性能的参数非常多，影响显著的参数主要有：射流 压力、喷嘴直径、走刀速度、磨料浓度、磨料粒度、水流量、粒子与工件相对 硬度、喷射靶距等。微磨料水射流加工过程的各参数对加工性能的影响存在一 些显著特点。包括： ( 1 ) 射流压力：与磨料水射流相同，压力对切割深度的影响近乎线性，对 给定材料存在一个临界最小压力，低于该值切割不能进行或只能进行微量切割。 如采用磨料水射流所用的后混合式生成射流，由于微磨料水射流的喷嘴直径更 小，切割能力更低，故所需的临界最小压力值也会相应提高f m j 。对于浆体射流， 由于其磨料获得充分加速，故其临界最小压力不需很高。从系统稳定的角度考 虑，微磨料水射流系统的设计压力不宜过大，通常浆体射流适宜在3 0 i o o m p a 下工作，考虑到经济性，定型压力在7 0 m p a 左右1 1 5 ，】。后混合式磨料水射流设 计压力通常比浆体射流高【1 7 j 。 ( 2 ) 喷嘴直径：磨料水射流切割过程存在一个临界最小喷嘴直径，低于该 值切割不能进行或只能进行微量切割1 18 1 。后混合式磨料水射流直径小于5 0 0 j m 时，其切割能力逐渐下降，至3 0 0 m 时完全丧失切割能力。但通过改进喷嘴设 计可降低该极限值【 - 1 7 19 1 。浆体射流方式可以在喷嘴直径为1 0 1 0 0 k t m 之间工 西华大学硕士学位论文 作。研究表明，切割能力正比于喷嘴出口截面积，喷嘴直径为0 6 m m 时磨料水 射流切割能力仅为l 所伪时的3 6 ，切深仅为后者的i 4 i 3 ，但0 6m m 喷嘴 的切割能力随压力增高的增速较后者快【6 j 。 ( 3 ) 走刀速度：增加移动速度通常会降低切割深度，而且移动速度的稳定 性显著影响切割效果。由于切割过程是周期性形成切口，不稳定的移动速度会 打断切口形成的周期性过程，导致粗切削( 粗纹) 。另外由于切割能力的限制， 微磨料水射流喷嘴的移动速度相对较低【1 8 l 。 ( 4 ) 磨料浓度：射流中磨料浓度高低取决于磨料粒径与喷嘴直径的关系。 当磨料粒径小于喷嘴直径的十分之一时，射流中最高磨料浓度可达5 0 ，但在 如此高的磨料浓度下切割效果并不好；磨料浓度为1 0 时切割速度与磨料消耗 处于最优状态：如果只考虑切割速度，磨料的最佳含量在2 0 3 0 之间【2 们。 由于喷嘴直径非常小，磨料浓度小的波动都可能引起系统堵塞，故微磨料水射 流加工时的磨料浓度通常不高。王建生等人研究指出，喷嘴直径为0 6f i l m 时， 磨料浓度为3 8 切割效果最佳，且磨料浓度的稳定显著影响系统及切割质 量的稳定【m 。 ( 5 ) 磨料粒度：磨料粒度直接影响加工效果，当磨料粒度超过喷嘴直径6 0 时，系统极易堵塞；而当磨料粒度小于喷嘴直径1 0 时，射流加工性能衰减1 1 5 l 。 在采用直径为5 0 # m 的喷嘴、粒径为3 1 z m ，3 0 0 n m ，5 0 n m 的氧化铝磨料对金属进 行切割试验中。采用3 0 0 h m 磨料的切割质量与采用3 t i n 磨料的一样好。但喷嘴 移动速度降低。采用s o n m 的磨料喷嘴横移速度更低，且切口质量差。研究表明， 磨料粒径为喷嘴直径的l 4 1 1 3 较为合适1 1 4 】。 微磨料水射流直径小、流量低，对射流中磨料浓度的控制、阀件精度及运 动精度要求高，影响加工性能的主要因素有： ( 1 ) 磨料输送的精确控制：在微磨料水射流中，磨料与水如何流态化均匀 进入混合腔是设计的关键，另外由于系统的流量非常小，系统关闭会导致磨料 引发系统堵塞，系统清洁度及射流中磨料浓度的控制都对系统的稳定性起决定 性作用。 ( 2 ) 切割头结构形式：喷嘴直径和结构形式是影响系统性能和效率的重要 部件，材料常取工业金刚石、硬质合金等材料。试验表明喷嘴的寿命已经不存 在问题，但建立合理的喷嘴材料和孔型仍是以后研究工作的关键。现有激光技 西华大学硕士学位论文 术可以加工直径5 0 m 的喷嘴，且加工质量和成本能被接受，直径小于1 0 聊时 质量和成本不甚理想，故喷嘴直径主要取决于微型喷嘴的加工水平。 ( 3 ) 喷嘴堵塞：磨料中的杂质是引起堵塞的主要原因，当喷嘴直径降低至 5 0 , u r n 时，允许通过的最大磨料粒径为3 0 , u r n ，许多空气的尘埃都超过该尺寸， 故磨料需要密封存放和使用；另外由于水的可压缩性，当系统压力降低时，磨 料罐内的磨料混合液会大量喷出，导致射流中磨料浓度急剧升高，此时极易发 生堵塞，在磨料罐出口增加截至阀或对系统进行改进可有效防止这种堵塞。 1 2 3 微磨料水射流磨料输送技术的发展 在磨料水射流加工系统中，水射流与磨料的混合一般分为前混合与后混合 两种方式。由于前混合磨料输送方式是将磨料和水混合成湿式模料或者浆液磨 料，再通过增压形成高压射流：而后混合磨料输送方式则是首先通过增压形成 高压水射流，然后使高压水射流在混砂管中与磨料混合后射出。前混合磨料输 送方式会引起射流管路和喷嘴的急剧磨损；后混合磨料输送方式对射流喷嘴磨 损较小，因而得到广泛应用。 对于传统的高压磨料水射流加工设备，由于高速水射流在混合腔中可以形 成较大且稳定的负压区，其磨料输送系统一般采用自吸式磨料输送系统。自吸 式磨料输送方式，不需要增加磨料运输装置，系统比较简单。只要在混砂管中 的磨料入口处有稳定的负压区存在，磨料的输送就可以维持。 但对于微磨料水射流加工系统来讲，由于系统压力一般较低，供水量较小， 微细水射流在混合管中很难形成稳定的负压区；另外由于微磨料水射流加工系 统使用的磨料一般是粒度比较小的微细磨料，磨料容易起拱、团聚，这些因素 都不利于在微磨料水射流加工系统中采用自吸式磨料输送系统，所以采用磨料 主动输送方式是微磨料水射流加工系统中常用的方法。 国内部分高校对微磨料水射流系统进行了研究，并研究了相应的磨料输送 系统，其中山东大学朱洪涛等采用后混合式微磨料水射流生成方式，磨料输送 系统采用蓄能式脉冲输送系统，采用低压气流作为主动输送的动力来源，成功 解决了传统磨料水射流真空抽吸式供料方式的不足【2j , 2 2 1 。广东工业大学程谟栋 等人则采用前混合式浆体射流作为微磨料水射流的生成方式，磨料输送系统采 用高压水送料的前混合式浆液磨料输送方式，对磨料罐进行了重新设计，采用 西华人学硕士学位论文 双罐并联结构，实现了不停机添加磨料的功能【1 3 , 2 3 1 。 1 3 微磨料水射流加工技术研究意义 磨料水射流加工技术近3 0 年来得到了较快的发展。随着各种相关技术的成 熟应用，磨料水射流加工的应用领域不断扩展，并由最初的粗加工和半精加工 向精密微细加工领域发展；同时在精密微细加工领域不断提出对高硬度、高脆 性等难加工材料微细精密加工的需求。通过整合现有精密微细加工和磨料水射 流加工这两个领域的技术成果，发挥磨料水射流独特的技术优势，开展磨料水 射流精密微细加工技术的研究，必将极大地推动精密微细加工技术的发展。 将磨料水射流应用于精密微细加工领域中，目前仍存在许多新的问题有待 进一步研究：例如微磨料水射流的加工机理和加工条件与普通磨料水射流相比 发生了一些重要的变化：普通磨料水射流中的一些比较成熟的技术，在微细加 工中可能不再适用。目前利用微磨料水射流加工硬脆材料技术的研究还刚刚起 步，在这一领域投入更多的研究是十分必要的。 为加快我国在此领域的研究，本文在国内外微磨料水射流加工技术研究的 基础上，针对微磨料水射流磨料输送系统的不足，自行设计制造了一套微磨料 水射流磨料精密输送系统，利用流体力学仿真软件f i i 厄n t 对该系统进行了计 算流体动力学仿真，建立了磨料输送的数学模型，并在此基础上进行微磨料水 射流铣削实验，验证微磨料水射流磨料精密输送系统的供料效果。 本课题的研究，不仅可以推动我国微磨料水射流技术的发展，同时也将会 给相关领域的产品开发与应用产生巨大的社会经济效益。 1 4 问题的提出及主要研究内容 1 4 1 问题的提出 传统磨料水射流通常采用负压空气将磨料引入混砂管。由于磨料吸入不足 ( 磨料的质量浓度仅为最大浓度的1 0 1 5 ) ，因此射流束的能量密度较低： 另一方面，在磨料输送过程中，因大量空气被卷入射流束，从而使水射流的连 续性遭到破坏，射束变粗，因此，传统磨料水射流很难将切缝宽度降到5 0 0 9 m 以下。当砂管直径小于4 0 0 9 m 以后，磨料的吸入就成了问题。对于精细磨料水 两华人学硕十学位论文 射流和微磨料水射流，为了保证射束的高能密度、直束性、连续性，必须尽量 避免空气进入；同时，为了防止堵塞，确保磨料顺利通过喷嘴，一般需要采用 微米、亚微米甚至纳米级磨料粒子。由于微细粒子很容易吸附空气中的水分， 从而增大粘性阻力，故微磨料粒子再也不能通过空气负压吸入而生成精密磨料 水射流和微磨料水射流。正因为如此，精密磨料水射流和微磨料水射流一般采 用浆液磨料，而浆液磨料的输送链一即磨料的制作、输送以及与高速水射流 混合加速就成为微磨料水射流技术研究的关键。 1 4 2 主要研究内容 本文将着眼于矽1 5 0 3 0 0 , u m 微磨料水射流磨料精密输送系统的研究，磨料 采用浆液磨料( 石榴石或碳化硅固体磨料，粒径矽5 3 0 d i n 甚至纳米级) 。为避 免空气进入而对射流束的聚焦性、致密性和连续性产生破坏，浆液磨料的运载 及磨料与水射流的混合是研究微磨料水射流的关键。拟应用螺杆泵原理设计制 作微型液体磨料输送泵，将液体磨料输送至切割头宝石喷嘴之后，由高速水射 流加速、混合，再经聚焦管( 聚焦管孔径们5 0 3 0 0 p m ) 射出，形成直径 1 5 0 3 0 0 p r o 微细磨料水射流。主要研究内容包括： 1 微磨料水射流形成方式研究。 2 微磨料水射流磨料精密输送系统研究。 3 设计制作一套微磨料水射流磨料精密输送系统。 4 利用流体力学仿真软件f l u e n t 对该系统进行计算流体力学仿真，建 立磨料输送的数学模型，为微磨料水射流磨料精密输送提供理论依据。 5 微磨料水射流铣削实验研究，验证微磨料水射流磨料精密输送系统的磨 料输送效果。 l ：4 3 课题来源 本课题研究受到四川省教育厅重点项目“磨料水射流关键技术及装置的研 究”( 编号 0 5 2 0 2 0 9 9 ) 、西华大学重点学科建设项目“数控加工技术及装备学 科平台建设”( 编号 s b z d 0 5 0 1 2 ) 和西华大学中央地方共建重点实验室项目 “微磨料水射流技术研究”( 编号 s b z d 0 7 0 3 1 ) 资助。 西华大学硕士学位论文 2 磨料水射流磨料输送技术研究 磨料水射流根据磨料形式不同可分为两种，一种是磨料水射流( a b r a s i v e w a t e rj e t ，a w j ) ，另一种是磨料浆体射流( a b r a s i v es u s p e n s i o nj e t ，a s j ) 口4 1 。磨 料水射流是磨料与高压水相互混和而形成的固液两相介质流，这种两相介质仍 属牛顿流体。磨料浆体射流是预先将磨料、各种添加剂与水配成为浆体，利用 高压泵增压，通过喷嘴形成磨料浆体射流，这种射流属非牛顿流体。 磨料水射流根据混合方式不同，可分为后混式磨料水射流和前混式磨料水 射流。后混式磨料水射流目前在各工业部门已被广泛推广应用，而前混式磨料 水射流还处于研究和开发阶段，正逐步走向应用中。 2 i 磨料水射流工作原理 2 1 1 后混式磨料水射流 后混式磨料水射流的工作原理如 图2 1 所示。后混式磨料水射流是通过 引射方式抽吸并输送磨料的。在驱动压 力作用下，水介质通过水喷嘴形成高速 水射流，并在混合腔内产生一定的真空 度。由于磨料箱与混合腔之间形成一定 的压力差，使磨料在自重和压力差的共 同作用下通过气力运输而进入混合腔， 并与水射流发生剧烈紊动扩散与掺混。 再通过磨料喷嘴而形成磨料水射流。 f i g 2 1p r i n c i p l eo f p o s t m i x i n ga b r a s i v e w a t e rj e t 图2 1 后混式磨料水射流1 ：作原理图 i 水喷嘴2 混合腔3 磨料喷嘴 后混合式磨料水射流在工作过程 4 - 磨料箱5 - 高压水管 中，磨料以很低的初始速度与高速水射流相接触，发生的情况是随机的：有些 磨料被水射流带走；有些磨料飞溅到混合腔壁面，再反弹回到水射流表面：少 数磨料则贴附在混合腔的内壁面上；其中一些磨料还可能由于偶然的冲刷作用 而重新返回水射流中。总的说来，引射式混合原理与结构，都不能使磨料与高 速水进行充分的紊动混合，明显地降低了水介质对于磨料的能量传输效率。 西华大学硕士学位论文 2 1 2 前混式磨料水射流 前混式磨料水射流的工作原理如 图2 2 所示。它是将磨料箱设置在高压 泵( 增压器或离心泵) 和喷嘴之间，高 压泵输送出的高压水经水阎，一部分输 送至磨料箱的顶部和底部。磨料与水在 磨料箱内初步混合，使磨料在磨料箱内 处于似液体流化状态。然后流态磨料经 磨料阀进入混合腔与高压水均匀混合， 再通过喷嘴加速使磨料获得更大的动 能。从而使前混式磨料水射流的能量传 输效率显著提高。 这种磨料水射流装置，是将高压泵 f i g 2 2p r i n c i p l eo fp r e - m i x i n ga b r a s i v e w a t e rj e t 图2 2 前混合磨料水射流j ：作原理图 卜喷嘴2 一混合室3 一磨料阀4 一磨料罐 5 一单向阀6 一调节阀7 一水阀8 一压力源 站输出的高压水分成三股，一股水经闸阀后再经节流阀通到高压磨料罐的顶端， 对磨料产生一个向下压注的正压力，另一股水到闸阀后经节流阀通往高压磨料 罐的锥部，使磨料流态化，以便将磨料注入到高压水管路中去，第三股水经节 流阀至混合室，三股水的流量由各支路上的节流阀来调节，高压水从混合室喷 出时，导致混合室的压力降低，同时，磨料罐锥底处被流态化的磨料，在上面 压力的作用下注入混合室，并被卷入到高速水流中，与水均匀相混合，夹带着 磨料的高速水经输送管至喷嘴，经喷嘴加速后喷出，形成前混合式磨料水射流。 用这种原理产生的磨料水射流，称为直接注入前混式磨料水射流。 2 1 3 磨料浆体射流 磨料浆体是以高粘度的高聚合物溶液作为载体，加入适量的磨料配制而成 的一种非牛顿流体。它是一种单一的流体，而不是两相液固混合介质，因此， 固相和液相之间不存在滑移速度问题。高聚合物在水溶液中形成网状絮凝结构， 使它与固相颗粒之间的粘结效果好，使磨料浆体必然具有剪切稀释的优异性能。 因此，磨料浆体流过高剪切率的喷嘴时，表现为流动阻力损失小。在形成高速 射流时，表现出显著的密集性，同样，当磨料浆体射流打击在靶体表面时，因 德勃拉数晓l ，它表现为类似固体的瞬时刚性，能把更多的流体能量通过上 1 n 西华大学硕士学位论文 述传输机制转换为射流的打击力。表2 1 为不同研究人员采用磨料浆体射流的 实验参数。从表中不难看出，磨料浆体射流具有牛顿流体射流不可比拟的优异 的动力特性。 表2 i 不同研究人员的实验参数范围1 2 ，1 参数 驱动压力喷嘴直径磨料消耗量浆体含量有用功率 研究人贾 m p , f m m f k g n ：i n l l jx w h a s h i s h1 0 4 - 3 4 50 2 2 90 0 6 加6 86 4 81 1 0 h p s5 2 - 1 0 4 0 2 5 40 0 7 o 1 01 0o 6 1 7 b l o o m f i l d3 5 缶90 3 d 2 8o 1 7 1 0 4 1 2 2 7 2 磨料浆体射流的工作原理如图 2 3 所示。为避免浆体对高压泵( 或增 压器) 的磨损，磨料浆体以不通过高压 泵为原则。采用低压的钻井泵( 离心 泵、活塞式泵或隔膜泵) 或用压缩空气 输送磨料浆体到浮动活塞缸的下部。 图中的排放阀4 的工作压力规定在钻 井泵和高压泵之间。通常低压泵的压 力只有o 3 m p a 。因此，钻井泵的压 力不能使阀4 开启。当磨料浆体充满 到浮动活塞的上死点时，高压泵馈送 压力水并通过浮动活塞把磨料浆体 输送到喷嘴，并通过喷嘴而形成射 流。当浮动活塞到达下死点时，表示 f i g 2 3p r i n c i p l eo f a b r a s i v es u s p e n s i o nj e t 图2 3 磨料浆体射流：作原理图 这一缸介质已用完。这时应该切断高压水源。在钻井泵的作用下，再用磨料浆 去置换缸内的水，这部分水由阀l 排出。至此，一个工作循环结束，在图2 3 中如采用3 5 个并联的缸及其相应的控制阀件，则可实现磨料浆体射流的连续 工作。 西华人学硕十学位论文 2 2 后混式磨料水射流磨料输送系统 后混式磨料水射流的磨料输送系统，分为干磨料输送系统和湿磨料浆输送 系统两大类。 2 2 1 干磨料输送系统 干磨料的流动性能差，不能在压差作用下水平流动，因此干磨料要靠外力 输送。一般采用气源作为输送动力。 干磨料输送系统又可分为加压式和自吸式两种： ( 1 ) 加压式磨料输送系统。磨料靠空气压缩机向磨料罐加压，磨料通过输 送管道进入磨料喷头混合室。压缩空气的压力一般为o 2 0 4 m p a 。 加压式磨料罐如图2 4 所示，它主要由磨料罐、分水滤清器、气阀和砂阀 等组成。压缩空气经分水滤清器分为两支，一支通到磨料罐上部，另一支流经 磨料罐的下部。气流量由气阀来控制，磨料在空气和自重作用下漏到下部的空 气管道中，再由高速气流将磨料输送到喷头处。 f i g 2 4p r e s s u r i z e da b r a s i v ef e e ds y s t e m 图2 4 加压式磨料输送系统 1 分水滤清器2 气阀3 砂阀 4 压气式磨料罐 至喷头 f i g 2 5s e l f - p r i m i n ga b r a s i v ef e e ds y s t e m 图2 5 白吸式磨料输送系统 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 自吸式磨料输送系统。自吸式磨料供给系统如图2 5 所示，该系统采用 双仓斗，上面主仓斗储存磨料，下面是接料仓斗接料仓斗上开有空气进气口， 水射流喷射时在磨料水射流喷头混合室内产生抽吸作用，磨料在主仓斗内靠自 重作用漏入接料仓斗，由于水射流喷射时产生的抽吸作用，将大量空气从接料 仓斗进气口吸入，磨料在吸空气的输送下，经输砂管进入混合室与水射流混合， 这种系统的磨料供给量只与仓斗结构和磨料物性有关，而与料仓中的磨料多少 无关，因此这种系统能连续均匀地供给磨料。另外，系统结构简单、投资少、 不需另设动力，生产中被广泛采用。当输砂管路中气流速度过低，磨料在输砂 管中不成悬浮状而变成集团流，使供砂不均。设计时应考虑输砂管中气流要有 足够的流速。另外磨料水射流喷头附近管路容易潮湿，磨料容易在这旱结块， 甚至堵塞输砂管路，不能供砂，这是该系统的缺点。 2 2 2 湿磨料浆磨料输送系统 在磨料水射流发生装置中，用干磨料供给系统较多，这主要是它的流程简 单可靠、效率高。但是干磨料输送系统也存在一些缺点。如切缝较宽，易产生 裂口、毛刺、碎片等。另外，这种磨料输送系统中用过的磨料，难于循环使用， 这就大大增加了成本。 f i g 2 6w e ta b r a s i v ef e e ds y s t e m 图2 6 湿式磨料浆供料系统图 水 两华大学硕士学位论文 湿磨料浆磨料输送系统如图2 6 所示，磨料输送系统由两套循环管路组成， 即高压水循环管路和磨料浆循环管路，并采用切向进料式喷头。首先将磨料、 水和少量粘土，按一定比例在磨料池中调配成均匀的磨料浆，粘土可以阻止磨 料沉淀和板结，使磨料浆具有良好流动性能。然后用砂浆泵将磨料浆输送人磨 料喷头，使磨料浆在喷头与高压水混合后进行作业。使用后的磨料浆收集到沉 淀池中，经处理后循环使用。与普通磨料水射流相比用湿式磨料浆切割金属具 有切口较窄和光洁度高的优点。 2 3 前混式磨料水射流磨料输送系统 前混合式磨料水射流，从根本上改变了后混合式磨料水射流磨料的混合机 理。它是在高压水射流形成前，将磨粒先和水在高压输水管路中均匀混合，然 后通过水喷嘴进步混合和加速，形成磨料水射流，这种磨料水射流切割钢材 等坚硬材料的能力大大提高。一般压力为3 5 m 阮的前混合式磨料水射流，可以 切割2 7 2 所m 厚的不锈钢板。 前混合式磨料水射流，由于具有巨大潜在的切割能力，可以在较低压力下 切割钢材和钢筋混凝土等物料，近年来引起国内外众多专家和学者的极大兴趣， 在室内进行了大量实验研究，但由于研究时间不长，这种磨料水射流尚未达到 工业性推广应用阶段。综合国内外研究情况，前混合式磨料水射流的均匀供料 问题是研究的重点。 现在实验室研究和使用的前混合式磨料水射流装置，多是根据1 9 8 1 年英国 流体力学学会研制的一种小型低压实验装置原理制造的，结构如图2 2 所示。 这种磨料水射流装置，是将高压泵站输出的高压水分成三股，一股水经闸阀后 再经节流阀通到高压磨料罐的顶端，对磨料产生一个向下压注的j 下压力，另一 股水到闸阀后经节流阀通往高压磨料罐的锥部，使磨料流态化，以便将磨料注 入到高压水管路中去，第三股水经节流阀至混合室，三股水的流量由各支路上 的节流阀来调节，高压水从混合室喷出时，导致混合室的压力降低，同时，磨 料罐锥底处被流态化的磨料在上面压力的作用下注入混合室，并被卷入到告诉 水流中，与水均匀相混合，夹带着磨料的高速水经输送管至喷嘴，经喷嘴加速 后射出。形成前混合式磨料水射流。用这种原理产生的磨料水射流，称为直接 注入式前混式磨料水射流。 西华大学硕士学位论文 大量试验表明，这种前混合式磨料水射流存在的主要问题，是磨料供料不 均匀。这主要是由于磨料水射流系统内磨料罐顶端所受压力与高压管路相通， 当磨料罐内磨料量逐渐减少，而磨料、罐内的流动阻力也逐渐减小，因此由高 压管路中流入罐顶端的高压水不断增大，使磨料流入混合室的量也不断增大， 从而使磨料供料不均匀，如图2 7 所示。 i e 甚 i j 瞳 磐 s 聋 f i g 2 7t h ed i a g r a mo fa b r a s i v ef l o wr a t ec h a n g e 图2 7 磨料供给量的变化曲线 为了解决磨料输送不均匀问题，崔谟慎教授等人利用有机玻璃制作了透明 的前混合式磨料水射流系统，在o - - 5 m p a 低压状态下进行试验。观察发现，在 磨料罐内存在两种不同类型的流态，一是磨料和水作为一种浆体在压差作用下 流动，二是磨料由于重力的作用相对于水作沉降运动，而水则在磨料颗粒之间 作向上的渗流作用。如前所述，压差流 动与阻力有关，因此不能实现磨料的均 匀供给：而粒子的沉降以及水的渗流运 动主要由颗粒特性和磨料罐内的压力 梯度决定，与磨料量多少无关，利用这 种原理可实现磨料的均匀供给。根据观 察和分析，提出了图2 8 所示的新型前 混合式磨料水射流系统，该系统的主要 特点是取消了磨料罐上方的高压水进 口，从而改变了磨料供给原理。 f i g 2 8n e w f e e ds y s t e mo f p r e - m i x i n g a b r a s i v ew a t e rj e t 图2 8 新型前混合式磨料供给系统 西华大学硕士学位论文 。i i c 叠g 苎 娑 叠 f i g 2 9a b r a s i v eu n i f o r