（机械制造及其自动化专业论文）磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究.pdf

摘要 磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究 摘要 本文通过磨料水射流铣削加工典型脆性难加工陶瓷材料，研究了磨料水射流 铣削陶瓷材料的加工机理，分析了磨料水射流铣削加工表面的质量，建立了磨料 水射流铣削加工陶瓷材料的铣削深度和表面粗糙度模型。本文的研究结果对于拓 宽磨料水射流技术的应用领域，解决陶瓷等脆性难加工材料的加工问题，具有十 分重要的理论指导意义和实际应用价值。 实验研究了磨料水射流铣削陶瓷材料时的性能，研究了铣削加工参数对铣削 体积去除率和铣削深度的影响，建立了磨料水射流铣削体积去除率和铣削深度与 水射流压力、靶距、喷嘴横移速度和横向进给量的经验预测模型，该模型可预测 和控制材料去除率和铣削深度。结果表明，在本实验条件下，铣削氧化铝时的铣 削体积去除率为0 4 0 5 - - - 4 4 6 3 m m 3 s ，铣削氮化硅时的体积去除率为 0 0 9 5 - - 0 1 7 7 m m 3 s ，并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加，材料的体积去 除率增加；随喷嘴横移速度、横向进给量和材料硬度的增加，材料去除率减小， 因此要得到高的材料去除率，可采用较高的水射流压力、较大的靶距和磨料流量、 较小的横向进给量和较低的喷嘴横移速度。铣削氧化铝时的铣削深度为0 2 2 m m ， 铣削氮化硅时的深度小于o 1 m m ，并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加， 铣削深度增加；随着喷嘴横移速度和横向进给量的增加，铣削深度减小，因此要 得到较大的铣削深度，可采用较高的水射流压力、大的磨料流量、较大的靶距、 小的横向进给量和低的喷嘴横移速度。 研究了磨料水射流铣削表面和铣屑的微观结构形貌，分析了磨料水射流铣削 陶瓷材料的去除机理。结果表明，在磨料水射流冲击初期，材料因塑性变形产生 垂直于冲击面的径向裂纹，在冲击后期，产生近似平行于材料表面的横向裂纹， 横向裂纹和径向裂纹扩展，导致材料的去除。在氧化铝材料的铣削表面上存在许 多深浅不同的由于材料断裂去除而留下的凹坑，在凹坑周围有塑性流动和融化的 本研究得到了国家杰出青年科学基金海外青年学者合作研究基金( n o 5 0 3 2 8 5 0 5 ) 和山东省自 然科学基金重点项目( z 2 0 0 5 f 0 2 ) 资助。 i x 山东大学博士学位论文 痕迹；氮化硅材料的铣削表面比较平整光滑，存在塑性流动的痕迹。块状和片状 结构铣屑表明，由脆性断裂与塑性变形引起的块状去除和片状剥落是磨料水射流 铣削陶瓷材料的主要去除机理。铣削前的石榴石磨料大小均匀，形状近似于圆形， 表面比较光滑，大部分表面没有锋利的锐角：铣削后的磨料表面出现了锋利的锐 角和明显的解理断裂面。 研究了磨料水射流单次、两次铣削凹槽的结构形状和平面铣削加工时铣削表 面的质量。结果表明，随着水射流压力的增加，凹槽铣削深度增加；随着喷嘴横 移速度的增加，铣削横截面凹槽宽度变化不大，但铣削深度逐渐减小；随着靶距 和横向进给量的增加，横截面凹槽的宽度增加，而铣削深度减小。铣削氧化铝平 面时，要获得较好的表面结构形状，可选择较小的水射流压力、较高的喷嘴横移 速度和较小粒径的磨料；在较小的靶距下，要选择较小的横向进给量，而在较大 的靶距下，应选择较大的横向进给量。铣削氮化硅平面时，铣削表面非常光滑， 测得的表面粗糙度( r a ) 为0 6 1 o f a m 之间，并且大部分铣削条件下y 方向( 喷嘴移 动) 的表面粗糙度值大于x 方向( 横向进给) 的表面粗糙度值；应选取较小的射流压 力、较大的喷嘴横移速度、中等靶距、大的横向进给量和较小直径的磨料，降低 表面粗糙度。 研究了磨料水射流铣削表面的残余应力和硬度变化。结果表明，磨料水射流 铣削氮化硅表面存在残余压应力，残余压应力最大值为2 0 3 m p a ，最小值为 1 9 6 m p a 。水射流压力和靶距对残余应力的影响较大，而喷嘴横移速度和横向迸 给量对残余应力的影响较小；而且铣削表面的残余压应力随着水射流压力的增加 而先减小后增大，随着靶距的增加而增大，随喷嘴横移速度和横向进给量的增加 而先减小后增大。磨料水射流铣削提高了材料表面的硬度；并且随着水射流压力 和喷嘴横移速度的增加，铣削表面的硬度增加：而随着靶距和横向进给量的增大， 铣削表面的硬度减小。磨料水射流铣削横截面的结构形貌表明，铣削表面存在一 很薄的变质层，变质层内没有明显的裂纹，由于铣削表面产生残余压应力，硬度 提高，因此变质层的出现有利于表面质量的提高。 建立了磨料水射流单次铣削时的最大深度模型、磨料水射流铣削平面的铣削 深度模型和铣削表面粗糙度模型。假设磨料水射流单次铣削时的工件横截面形状 为余弦曲线，建立了磨料水射流单次铣削的最大深度模型，分析了水射流压力、 磨料流量、靶距、喷嘴横移速度、横向进给量和喷嘴直径及材料性能参数对单次 x 铣削最大深度的影响规律。在单次铣削最大深度模型的基础上，建立了磨料水射 流铣削深度的数学模型，并进行了实验验证，结果表明，随着水射流压力和靶距 的增加，铣削深度增加；随着横向进给量和喷嘴横移速度的增加，铣削深度减小。 实验测得的铣削深度与根据模型预测的铣削深度非常接近。以单次铣削最大深度 模型为基础，建立了磨料水射流铣削表面粗糙度模型，分析了水射流压力、靶距、 喷嘴横移速度、横向进给量、磨料流量和喷嘴直径及材料性能参数对磨料水射流 铣削表面粗糙度的影响规律。 关键词：磨料水射流；陶瓷材料：铣削性能；表面质量；力学模型 x i 山东大学博七学位论文 a s t u d yo nm i l l i n gc e r a m i c sw i t ha b r a s i v ew a t e r j e tt e c h n o l o g y 素 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s y s t e m i cs t u d i e so na w jm i l l i n gt e c h n i q u eo fc e r a m i cm a t e r i a l si s p r e s e n t e d ，w h i c he x a m i n e st h em i l l i n gt e c h n o l o g i e sa n dm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m s a n da n a l y s e st h em i l l e ds u r f a c eq u a l i t y a tt h es a m et i m e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h e m i l l i n gd e p t ha n ds u r f a c er o u g h n e s sm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h e s er e s e a r e h e sf o ra w j m i l l i n gt e c h n i q u e h a v e p r o v i d e d a ne f f e c t i v e m a c h i n i n gt e c h n o l o g y f o rb r i t t l e d i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a l s ，w h i c hs h o wt h a tt h ea w jt e c h n i q u eh a sv a l u a b l eu t i l i t ya n d g o o dp r o s p e c ti ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h em i l l i n gp e r f o r m a n c eo fc e r a m i c sw i t ha w ji ss t u d i e db ye x p e r i m e n t s ，a n dt h e e f f e c to fv a r i o u sp r o c e s sv a r i a b l e so nt h em a t e r i a lv o l u m er e m o v a lr a t ea n dm i l l i n g d e p t ha r ee v a l u a t e d t h ep r e d i c t i v em o d e l sf o rm a t e r i a lv o l u m er e m o v a lr a t ea n d m i l l i n gd e p t ha r ec o n s t r u c t e d ，w h i c hi n d i c a t et h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m i l l i n gr e s u l t sa n dt h em i l l i n gp a r a m e t e r sc a nb eg i v e nt op r a c t i c a lo p e r a t i o n t h e m a t e r i a lv o l u m er e m o v a lr a t eo fa 1 2 0 3r a n g e sf r o m0 4 0 5 m m 3 st o4 4 6 3 m m 3 sa n dt h e m a t e r i a lv o l u m er e m o v a lr a t eo fs i 3 n 4r a n g e sf r o m0 0 9 5 m m 3 st o0 1 7 7 r a m s t h e v o l u m er e m o v a lr a t ei n c r e a s e sw i t l la ni n c r e a s ei nw a t e rp r e s s u r e a b r a s i v ef l o wr a t ea n d s t a n d o f fd i s t a n c e , a n dd e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d , l a t e r a l s p a c i n ga n dt h eh a r d n e s so ft h em i l l e dm a t e r i a l s t h e r e f o r e , h i g h e rw a t e rp r e s s u r ea n d a b r a s i v ef l o wr a t e ，l a r g e rs t a n d o f fd i s t a n c e ，l o w e rl a t e r a ls p a c i n ga n dn o z z l et r a v e r s e s p e e ds h o u l db eu s e dt og a i nah i g h e rm a t e r i a lv o l u m er e m o v a lr a t e t h em i l l i n gd e p t h o f 舢2 0 3r a n g e sf r o mo 2 m mt o2 m ma n dt h em i l l i n gd e p t ho f s i 3 n 4a r el e s st h a no 1 m m a tt h em i l l i n gc o n d i t i o n so ft h ee x p e r i m e n t s t h em i l l i n gd e p t hi n c r e a s e sw i ma n i n c r e a s ei nw a t e rp r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t ea n ds t a n d o f fd i s t a n c e ，a n dd e c r e a s e s 奶m + s u p p o r t e db yo u t s t a n d i n gy o u n gs c h o l a rs c i e n c ef o u n d a t i o no f n s f c i n t e r n a t i o n a lc o l l a b o r a t i v e r e s e a r c hf o u n d a t i o n ( n o 5 0 3 2 8 5 0 5 ) a n dk e yp r o j e c to fs h a n d o n gn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( z 2 0 0 5 f 0 2 ) i a ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e da n dl a t e r a ls p a c i n g t h e r e f o r e ，h i g h e rw a t e r p r e s s u r ea n da b r a s i v ef l o wr a t e ，l a r g e rs t a n d o f fd i s t a n c e ，l o w e rl a t e r a ls p a c i n ga n d n o z z l et r a v e r s es p e e ds h o u l db eu s e dt og a i nal a r g e rm i l l i n gd e p t h t h em i c r o - t o p o g r a p h yo f t h em i l l e ds u r f a c ea n dc h i p sa r ei n v e s t i g a t e d t h em i l l i n g m e c h a n i s m so fc e r a m i c si sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr a d i a lc r a c k sp e r p e n d i c u l a r t ot h ei m p a c t e d8 t l r f a c ea r ef o r m e dd u et op l a s t i cd i s t o r t i o nd u r i n gt h ei n i t i a lp e r i o do f a b r a s i v ei m p a c t i n gm a t e r i a l s ，a n dt h el a t e r a lc r a c k sp a r a l l e lt ot h ei m p a c t e ds u r f a c ea r e f o r m e dd u r i n gt h el a s tp e r i o d p r o p a g a t i o no ft h er a d i a lc r a c k sa n dl a t e r a lc r a c k sr e s u l t i nt h er e m o v a lo fm a t e r i a l i ti ss h o w nt h a tt h e r ea r cm a n yd e e pa n df l a tp i t sd u et o m a t e r i a lf r a c t u r e s0 1 1t h ea 1 2 0 3m i l l e d 嗣血h a n de v i d e n c eo fp l a s t i cf l o wi sa l s o o b s e r v e da r o u n dt h ep i t s t h em i l l e ds u r f a c eo fs i 3 n , i ss m o o t ha n de v e n , a n dt h et r a c e o fp l a s t i cf l o wc a nb eo b s e r v e d i ti ss h o w nt h a tt h ed o m i n a n tm i l l i n gm e c h a n i s m so f c e r a m i c sa r ec r a c ka n de x f o l i a t i n gd u et ob r i t t l ef r a c t u r ea n dp l a s t i cd i s t o r t i o na c c o r d i n g t ot h ef o r mo ft h ec h i p s i ti ss h o w nt h a tt h ea b r a s i v e sa r eu n i f o r mi ns i z ea n da l m o s t r o u n di ns h a p e ，a n dt h es u r f a c eo fa b r a s i v e si s r e l a t i v e l ys h n o o t h h o w e v e r , t h e a b r a s i v e sa r eo f t e nb r o k e ni n t os e v e r a lp i e c e sa f t e rm i l l i n g ，a c u t ea n g l e sa n do b v i o u s c l e a v a g ef r a c t u r ev e i nc a nb e o b s e r v e do nt h es u r f a c eo f a b r a s i v e s t h eg r o o v e sw i t l ls i n g l e p a s sm i l l i n ga n dt w o - p a s sm i l l i n gt e s t sa n dt h es u r f a c e q u a l i t yw i t hm u l t i p l e - p a s sm i l l i n gp r o c e s sa r cs y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a ti nt h es i n g l e - p a s sm i l l i n gp r o c e s s ，t h em i l l e dg r o o v ed e p t hi n c r e a s e sw i t ha n e n h a n c e m e n ti nw a t e rp r e s s u r ea n dd e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d a n ds t a n d o f fd i s t a n c e t h em i l l e dg r o o v ew i d t hi n c r e a s ew i t ha l li n c r e a s ei ns t a n d o f f d i s t a n c e ，b u ti sn o tc h a n g e dw i t hw a t e rp r e s s u r ea n dn o z z l et r a v e r s es p e e d t h el o w e r w a t e rp r e s s u r e ，l a r g e rt r a v e r s es p e e da n dt h ef i n e ra b r a s i v e ss h o u l db eu s e dt og a i na b e t t e rs u r f a c eq u a l i t y t h es u r f a c eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e dw i t ha ni n c r e a s ei nl a t e r a l s p a c i n ga tah i g h e rs t a n d o f fd i s t a n c e ，a n da l s oi m p r o v e dw i t ha ne n h a n c e m e n ti n s t a n d o f fd i s t a n c ea tal a r g e rl a t e r a ls p a c i n g a l lt h em i l l e ds u r f a c e so ft h es i 3 n 4 c e r a m i c sa l es m o o t ha n dt h es u r f a c er o u g h n e s sr a n g e sb e t w e e no 6 1 x ma n d1 0 l t ma tt h e m i l l i n gc o n d i t i o n su n d e rc o n s i d e r a t i o n ，a n dt h em o s ty - d i r e c t i o n a l m i l l e ds u r f a c e r o u g h n e s sa r ch i g h e rt h a nx d i r e c t i o n a lm i l l e ds u r f a c er o u g h n e s s t h em i l l e ds u r f a c e 山东大学博七学位论文 r o u g h n e s sw i l lb es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da tt h em i l l i n gc o n d i t i o n so fl o w e rw a t e r p r e s s u r e ，h i g h e r 舰v e r s es p e e d ，m e d i u ms t a n d o f fd i s t a n c e , l a r g e rl a t e r a ls p a c i n ga n d f i n e ra b r a s i v e s t l l cr e s i d u a ls t r e s sa n dt l l es u r f a c eh a r d n e s so f t h ea w jm i l l e ds u r f a c ea r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s s r e s u l t i n gf r o ma w jm i l l i n gi s c o m p r e s s i v e a n dr e s i d u a ls t r e s sr a n g e sf r o m 一2 0 3 m p at o 一1 9 6 m p a t h ee f f e c to f w a t e r p r e s s u r ea n ds t a n d o f fd i s t a n c eo nt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s si ss i g n i f i c a n t , a n dt h ee f f e c t o f n o z z l e 仃a _ v e r s es p e e da n dl a t e r a ls p a c i n go nt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s si si n s i g n i f i c a n t t h es u r f a c er e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s ss l i g h t l yd e c r e a s e sa n dt h e ng r e a t l yi n c r e a s e s w i t h 锄i n c r e a s ei nt h ew a t e rp r e s s u r e a n da l w a y si n c r e a s e sw i t l la ne n h a n c e m e n ti n s t a n d o f fd i s t a n c e a tt h em i l l i n gc o n d i t i o n su n d e rc o n s i d e r a t i o n , t h es u r f a c er e s i d u a l c o m p r e s s i v es t r e s sf i r s t l yd e c r e a s e sa n dt h e ni n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h en o z z l e t r a v 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t h ，i se s t a b l i s h e db a s e do nt h em a x i m a ld e p t hm o d e lf o rs i n g l e p a s sm i l l i n g 耽ed e r i v e dm o d e li sv e r i f i e dw i t ha w jm i l l i n ge x p e r i m e n t s n 嵋r e s u l t ss h o wt h a tt h e m i l l i n gd e p t hi n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nw a t e rp r e s s u r ea n ds t a n d o f fd i s t a n c e ，a n d x i v a b s t r a c t d e c 犯舔嚣w i t ha nm c g e ei nl m e r a l 印a c m ga n d 仃a v e 体es p e e d t h et l l c o r c 舡c a lm i l l i i l g d 印1 1 lp r e d i c t e db yb em a ( h e m a t i c a lm o d e li sg o o da g 嘣加e n t 诵t l lb e 既p 耐m t a l r e s u l t t h es u r f a c er o u 曲嗍sm o d e lf o ra w jm i l l i n gi s 鹤t a b l i s h e db 嬲e do nt l l e m 缸i m a ld 印t l lm o d e lo fs m 酉e p 嬲sm i l l i i l g a c c o 蛐t ot l l i ss u r f 粒er o u g h n e s sm o d e l ， t l l ee 腑c to fw a t e rp r e s s u r e ，s t a n d o f fd i s t 孤c e ，t r a v e r s es p e e d l a t e r a ls p i 1 1 岛a b r 鹤i v e f l o wr a t ea n db ep r o p e n i e so fb ew o r k p i c c em a t e r i a lo nr o u g h n e s so fn 坞i i l i l l e d s u r f a c ei s 觚a l y z e d w i l i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nt h r yf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o 璐 k e yw o r d s ：a w jm i l l m 岛b r i m em a t 训s ，m a c h i n i n gp c r f b 肌a 1 1 c e ，s u r f a c eq u a l i 劬 m a l h 锄a t i c a lm o d e l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：盟垒立整 日期：! 塑：堡：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东大学可以将本学位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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墟盟导师签名_ 琏日 期。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磨料水射流加工技术概述 高压水射流技术是近3 0 年来发展起来的一门新技术，其应用日趋广泛。目前 在航空航天、汽车制造、机械加工、兵器工业、铸造业、电子、建筑业及造纸行 业等部门得到了比较广泛的应用。近年来随着高科技的迅速发展，激光束、电子 束、等离子体和水射流技术都成为新型的加工技术，但激光束、电子束、等离子 体属于热加工范畴，而水射流技术是唯一一种冷加工技术，它具有其他加工方法 所没有的工件上无热影响区、加工力小、加工范围广和可加工复杂形状等优点， 所以它的发展为难加工材料提供了切实可行的手段，特别是在加工陶瓷和玻璃等 脆性材料及复合材料、钛合金等材料方面显示出巨大的潜力。 “水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，高压水射流 技术就是利用这种原理，以达到去除材料的目的。水射流技术的应用起源于采矿 业，2 0 世纪3 0 年代已开始用水射流采煤，到二十世纪5 0 年代，高压水射流切割 的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，b 1 9 6 8 年由美国密 苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士发明的高压水射流切割实验装置，该装置的压 力可以达到3 4 4 7 m p a l “。1 9 7 1 年美国制造出了世界上第一台商用超高压力纯水射 流切割机，并在家具制造业得到广泛应用，由于纯水射流技术的切割能力较差， 它仅适用于切割布匹、塑料、橡胶、木材等软质材料。要用它来切割金属等坚硬 的材料时，则需要极高的压力，约为7 0 0 - - 1 0 0 0 1 v i p a ，要获得如此高的压力是比较 困难的。为了能够切割金属和岩石等坚硬的材料，人们又去研究开发切割能力更 强的水射流加工技术，磨料水射流切割机就是在这种情况下产生并迅速发展起来 的，由于磨料射流系统简单、成本低廉，切割效率比相同条件下的高压水射流高 8 - 1 0 倍，因此，在此后很短的时间内，磨料射流在清洗、除锈、切割和破碎岩石 业中得到了广泛的应用。 以下综述了磨料水射流的分类、组成、切割原理、应用及优缺点f 2 例。 1 1 1 磨料水射流技术分类及装置 1 1 1 1 磨料水射流技术分类 高压水射流技术按照所采用的介质不同可以分为纯水射流和磨料射流两种基 山东大学博十学位论文 本类型。纯水射流切割形式因介质仅为洁净水，其加工能力低，仅能切割一些薄 和软的材料。但是，它设备相对简单，设备磨损和辅材消耗少，使用成本低廉。 磨料射流是在纯水射流中加入一定数量的磨料微粒，以此来提高水射流的冲 击、破坏作用。磨料射流分为两种类型，磨料浆体射流和磨料水射流，磨料浆体 射流是预先将磨料、各种添加剂和水调配成浆体，利用高压泵增压，通过喷嘴形 成磨料浆体射流，这种射流属于非牛顿流体，具有比牛顿流体射流更好的动力特 性，但磨料对高压泵等机械设备的磨损非常严重，目前这一问题还没找到比较好 的解决方案。 磨料水射流是磨料与高速流动的水互相混合而形成的液固两相介质射流，这 种两相介质射流属于牛顿流体。它根据磨料和水的混合方式分为前混合磨料水射 流和后混合磨料水射流。磨料先和水在高压管路中均匀混合成磨料浆水，然后经 磨料喷嘴喷射形成的射流称为前混合磨料射流，这种混合效果好，所需的压力低， 但装置复杂，且喷嘴磨损严重。在水射流形成后加入磨料的称为后混合磨料水射 流，混合效果稍差，所需的压力高，但喷嘴磨损小一些。后混合磨料水射流的理 论研究和应用技术都比较成熟，目前在工业许多部门得到了广泛的应用。本文所 采用的设备是后混合磨料水射流装置。 根据射流加工时的环境条件，可分为淹没式磨料水射流和非淹没式磨料水射 流。淹没式水射流是指射流从出口到工件是在水或其它液体中，具有射流扩散快、 速度和动压分布均匀等特点。非淹没式水射流指射流从出口到工件是在空气自然 状态下，与淹没式相比，其射程大，核心段长度长，但是速度分布不均匀。 随着科技的发展，目前还有一些新形式的射流正在被开发和研究，不断提高 水射流切割的能力。诸如，空化射流、添加剂射流和脉冲振荡射流 2 5 2 7 等。 1 1 1 2 磨料水射流装置 磨料水射流装置包括：供水系统，增压系统，高压水路系统，磨料供给系统， 切割头装置，接收装置，执行机构和控制系统，如图1 - 1 所示。供水系统的作用 是使水质软化，降低水质对高压水路的腐蚀，提高高压系统往复密封的工作寿命。 增压系统的核心部件是增压器，一般采用液压作用往复式，增压器通常选用 1 0 ：1 2 0 ：1 ，增压器的输出水压可由改变输入端液压系统的油压来调节；可使水的 压力增至1 0 0 - - 4 0 0 m p a ，甚至高达6 9 0 m p a 2 b 】和7 0 0 m p a l 2 9 1 。高压水路系统连接增 2 第1 苹绪论 压系统和切割头装置，为了输送高压水和适应切割头快速灵活运动的要求，高压 水管道通常采用具有挠性的耐超高压不锈钢管，并由若干个旋转管接头组成。磨 料供给系统包括料仓、磨料流量阀和输送管。纯水射流切割头包括高压水开关阀 和宝石喷嘴：磨料水射流切割头则还包括使水射流与磨料混合的混合室和混合喷 嘴：混合喷嘴要求耐磨性高，一般采用硬质合金制成。接收装置置于工件下方， 用来收集剩余磨料射流，具有消能、降噪、防溅和安全等功能。执行机构和控制 系统控制切割头运动轨迹的控制装置，控制方式有手动、机动、n c 和c n c 等方 式。 磨料供给装置 图1 - 1 高压磨料水射流加工设备简图 1 1 2 磨料水射流技术的加工原理 运用液体增压原理，通过增压器或高压泵将水增压至超高压，将电动机的机 械性能转换成压力能，具有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能， 从而形成高速水射流，并在混合室内产生一定的真空度，磨料在自重和压力差的 作用下被吸入混合室，与水射流产生剧烈紊动扩散和混合，形成了高速磨料流， 并以极高的速度经磨料喷嘴冲击工件。磨料流冲击工件后，材料上局部应力场应 力高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至材料失效而被切除。 在磨料水射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度 山东大学博士学位论文 高，所以磨料水射流与纯水射流比较，其射流动能更大，加工效能更强。 1 1 3 磨料水射流加工技术的优缺点 磨料水射流技术之所以具有强大的生命力，是由于它与传统加工方法相比， 具有许多优点： ( 1 ) 加工范围广，可加工任何材料，既能加工各种金属材料，也能加工陶瓷、 玻璃等非金属材料。 ( 2 ) 可控性好，切割可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行。可以加 工常规工艺难以加工的零件，特别适于切割复杂形状的工件。 ( 3 ) 具有很强的切割力，可切断1 8 0 r a m 厚的钢板、2 5 0 r a m 厚的钛板、4 7 0 层每层厚达5 5 m m 的石墨环氧树脂合成板、5 m 厚的石材或混凝土等州。 ( 4 ) 切口质量高，一是切口窄，减少材料损耗，二是对工件的热影响小，不 会造成材料结构变化或热变形等不利影响，这对许多高性能或热敏材料尤为重要， 这是其它加工方法如火焰、激光、等离子、锯切等所无可比拟的【3 l 】。 ( 5 ) 因为是湿法切割，无粉尘、烟雾、火花、气味等，属于清洁安全切割。 ( 6 ) 生产率高，一套系统可配置多喷嘴同时作业，工件可一次达到尺寸要求。 缺点：成本高；喷嘴磨损严重；切割很薄的延展性材料很容易弯曲，切口出 现飞边和毛刺；加工精度低。 1 1 4 磨料水射流与其它加工方法比较 磨料水射流作为一种特种加工方法， 越性，为此许多学者进