（机械制造及其自动化专业论文）微磨料水射流加工装置设计与工艺研究.pdf

摘要 玻璃、硅片、陶瓷等硬脆材料是制造电子元件、光学元件的基本材料，对这 些高硬度、高脆性、高熔点的材料进行微细加工的需求正在不断增长。微磨料水 射流技术( m i c r o a l x a s i v e w a t e r j e t m a c h i n i n g t e c h n o l o g y m a w j ) 是在传统磨料 水射流加工技术的基础匕发展起来的种全新的微型加工技术，在冲蚀加工过程 中不改变材料的力学、物理和化学性能，已经逐渐成为硬脆性材料精密微细加工 的重要基础技术。 本文设计了套微磨料水射流加工装置，并利用该装置研究脆性材料的加工 工艺，详细分析了喷射压力、喷射时间、喷射靶距、喷射角度以及磨料浓度等因 素对去除质量、钻孔深度、钻孔直径的影响，并对比磨料水射流加工工艺，分析 微磨料水射流加工与磨料水射流加工技术的异同点。主要结论如下： ( 1 ) 基于微磨料水黝工理论自行戳怖糙了创磨举 水射流加工装置， 该装置可连续工作，可对脆、塑性材料切割、钻孔加工，并且在更换喷嘴后具备 抛光功能，其喷嘴直径可在低于0 2 5 r a m 范围内选择，工作压力可在0 , - 3 5 m p a 内 连续调节。 ( 2 ) 应用上述装置，在喷射压力i m p a 时可对2 5 m m 石英玻璃进行通孔加工， 在姗a 压力下可对o & a m 不锈钢进 亍切槽( 切穿) 加工，且加工的孔型、切口 质量1 皎好。 ( 3 ) 提出了种通过叠加覆盖件的加工方法，可实现更小孔径、更小切宽的钻 孔和切槽加工。 ( 4 ) 微磨料水射流对石英玻璃钻孔工艺实验表明，喷射压力、喷射时间、磨料 浓度的增大均会加大微磨料水射流加工去除质量，靶距反之。各工艺参数中对去 广东工业大学工学硕士学位论文 除质量影响显著的因素是喷射时间，对钻孑f 深度影响显著的因素是喷射时间和喷 射靶距，对钻孔直径影响显著的因素是喷射时间和喷射压力。喷射时间的变化对 对钻孔深度、钻孔直径以及钻孔形状影响最大。对石英玻璃加工时，喷射压力和 磨料浓度饺低、喷射角度为9 0 。、喷射靶距较小时加工的孔更细长。加工过程中， 减小靶距和延长喷射时间是提高微磨料水射流加工去除质量的有效方法。 国磨料水射流对钢板切槽加工工艺实验表明，对顶部切口宽度和切口锥度影 响显著的因素是喷射靶距，对切口光滑段高度影响较为显著的因素是走刀速度。 通过减小靶距来减小工件顶部切口宽度是最佳方式，而适当降低走刀速度可提高 切口光滑段高度和降低切口锥度。 ( 回对比微磨料水射流与磨料水射流两种加工工艺，喷射时间、磨料浓度对二 者加工能力和加工精细度的影响一致，而喷射压力和喷射靶距对二者影响不同。 微磨料水射流的喷嘴结构须做进一步改进方可满足微磨料加工的性能和寿命要 求，微磨料水射流加工精细度高、加工效率低。 关键词：微磨料水射流水射流装置设计钻孔切槽 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh a r db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sg l a s s ，s i l i c o nw a f e ra n dc e r a m i c se t e a r eb a s i c m a t e r i a l sf o re l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n do p t i c a lc o m p o n e n t s d e m a n df o rt h e p r o c e s s i n go fs u c hm a t e r i a l sw i t hh i g hh a r d n e s s ，h i g hb r i t t l e n e s s ，h i g hm e l t i n gp o i m j i i s ti n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t i san t ：v i m i c r op r o c e s s i n gt e c h n i q u e d e v e l o p e db a s e do nt h ef u n d a m e n t a lo fi z a d i t i o n a la b r a s i v ew a t e rj e t ( a w j ) ，i t d o e m tc h a n g et h em e c h a n i c a l ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l n o wm a w jh a sb c c o l n eab a s a lt e c h n o l o g yf o rm i c r op i - o c 船s i n go fh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s an e wm a w jm a c h i n i n ge q u i p m e n ta n dt h er e s e a r c ho ft h em a c h i n i n gp r o c e s s f o rb r i t t l em a t e r i a l sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i s d e t a i l e de x p e r i m e n t sm c a r r i e do u tt o a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e a - ss u c ha sj e tp l e s s t t r e , i m p a c t i n gt i m e , i m p a c t i n ga n g l ea n da b r a s i v ec o n c e n t r a t i o no nt h em a s sl o s s d e p t ha n dd i a m e t e ro f t h eh o l e f i n a l l yt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so f t h em a w ja n da w j 黜a n a l y z e d t h em a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i a m e t e ro fn o z z l eo ft h em a w jc a l lb ec h a n g ef r o m0t oo 2 5 m m , w o r k i n gp r e s s u r ec a l lc h a n g ef r o m0 t o3 5 m p a , a n dt h ed e v i c ec s nb eu s e df o rc u t t i n g ， d r i l l i n ga n dp o l i s h i n gd i f f i r e n tk i n d so f m a t e r i a l s ( 2 ) t h eg l a s sw i t ht h i c k n e s so f2 5 m m 啪b ed r i l l e dt h r o u g hw h e nt h ej e t p r e s s u r er e a c h e s1 m p a , a n dt h es t a i n l e s ss t e e lw i t ht h i c k n e s so f0 6 m mc a l lb ec u t t h r o u g hw h e nt h e j e tp r e s s u r er e a c h e s5 咿扎 ( 3 ) f u r t h e r m o r e ，an e wm e t h o dt oi m p r o v et h em a c h i n i n gp r e c i s i o nt h a t m a c h i n i n gw o r k p i e e eu n d e rac l a d d i n gm a t e r i a l i sd i s c u s s e d ( 4 ) t h ee x p e r i m e n to fd r i u i n gg l a s ss h o w st h a tt h em a s sl o s so fw o r d p i e e e i n c r e a s e sw i t ht h eg r o w t ho f j e tp r e s s u r e , i m p a c t i n gt i m ea n da b r a s i v ec o n c e n t r a t i o n , c o n t r a r yw i t hs t a n do f fd i s t a n c e t h em o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c ef a c t o r0 1 1m a s sl o s s a n dt h ed e p t ho f t h eh o l ei si m p a c t i n gt i m e ，t l a em o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c ef a c t o r so n t h ed i a m e t e ro ft h eh o l ei si m p a c t i n gt i m ea n dj e tp r e s s u r e n 地i m p a c t i n gt i m ei st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rd r i l l i n gb r i t t l em a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ed r i l l i n g h o l ei sm o l ef i n ea n dd e 印w i t hl o wj e tp r e s s u r e ，a b r a s i v ec o n c e n t r a t i o n , s m a l ls t a n d o f fd i s t a n c ea n di m p a c t i n ga n g l eo f9 0d e g r e e t od e c r e a s et h es t a n do f fd i s t a n c ea n d i n c r e a s et h ei m p a c t i n gt i m ei sa l le f f e c t i v em a l m e rt oi n c r e a s et h em a s sl o s s 9 1 童三些奎兰三耋璧圭兰堡鎏耋 ( 5 ) t h ee x p e r i m e n to fc u t t i n gs t e e lp l a t ew i t ha w js h o w st h a t t h em o s t r e m a r k a b l ei n f l u e n c ef a c t o ro i lt o pk e f fw i d t ha n dk e r rt a p e ra n g l ei ss t a n do f f d i s t a n c e ，t h em o s tr e m a r k a b l ei n f l u e n c ef a c t o ro i lt h es m o o t hd e p t ho fg u ti sc u t t i n g s p e e d t h et o pk e f fw i d t hc a l lb er e d u c eb yr e d u c i n gt h es t a n do f fd i s t a n c e ，w h i l e r e d u c i n gc u t t i n gs p e e d c a ni n c r e a s et h es m o o t hd e p t ho fc u ta n dr e d u c et h ek e r tt a p e r a n g l e ( 6 ) c o m p a r i n gw i t h m a w ja n da w j , t h ei m p a c tt i m ea n da b r a s i v e c o n c e n t r a t i o nh a v et h e5 a i n ei n f e c t i o no nm a c h i n i n gc a p a b i l i t ya n df i n e n e s s ，i m p a c t p r e s s u r ea n ds t a n do f fd i s t a n c ei nr e v e l 船t h es t r u c t u r eo fm a w jn o z z l es h o u l db e i m p r o v e db a s eo i lt h e8 u u c t u r eo fa w j n o z z l et os a t i s f yt h ep e r f o r m a n c ea n dl i f e d e m a n d sf o rm a w j m a w j sp r o c e s s i n gp r e c i s i o ni sh i g h e r , w h i l ee f f i c i e n c yi s l o w e r k e y w o r d ：m i c r oa b r a s i v ew a t e r j e t ；w a t e r j e t ；e q u i p m e n t sd e s i g n ；d r i l l i n g ；c u t t i n g i v 符号说明 符号名称单位 x i 至三些查兰三兰蝥圭兰竺丝兰 独创性声明 秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过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，并表示感谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 8 指导教师黪 论文作者签字辛争奠攘 冲7 年f 月 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 目前广泛使用的微型切割加工技术主要包括机械微型切割、高性能激光、电 火花线切割、等离子体切割、电子束加工和化学腐蚀等。传统的热加工和化学加 工技术都不能充分满足加工效率、精度和加工质量等方面的要求。热加工技术在 加工复杂几何形状时具有一定的局限性，并且易在加工表面产生微裂纹和热变形 等缺陷，化学和电化学过程对环境有污染，也无法加工一些特殊材料如陶瓷和复 合材料等。常用的超声波加工、研磨和抛光技术也由于加工效率和精度的不足难 以完全满足工业的需要。例如，脆性材料如光学材料、半导体晶片多具有高硬度、 高脆性和高熔点等特点，其加工设备主要部件往往需要进口，且存在刀具损耗大、 材料利用率低、生产效率低等局限性。高性能复合材料、涂层材料等往往具有各 向异性、不均匀性、低导热性以及热敏感性等独特性能，普通机加工难以满足加 工要求。 微磨料水射流技术( m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t s - m a w j ) 是在传统磨料水射 流技术的基础上，发展起来的一种全新的微型加工技术，国外学者已实现射流直 径4 0 0 r e 1 1 ，比磨料水射流直径( 5 0 0 1 2 0 0u m ) 小了一个数量级，在冲蚀加工过 程中不改变材料的力学、物理和化学性能，具有无热影响区，切口质量好、无火 花、无污染、能量集中等优点，特别适于加工不宜使用激光等热加工技术切割的 脆硬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。 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研究的基础上， 自行设计制造了一套浆体微磨料水射流加工装置，并在此基础上，对玻璃、不锈 钢薄板等性材料进行切割、钻孔加工，分析微磨料水射流加工过程主要影响因素 对切口质量的影响，提出一套合理的加工工艺方案，并与磨料水射流加工效果进 行对比。 本课题的研究，不仅可以推动我国硬脆材料加工理论的深入研究，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。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 微磨料水射流，j n - r 技术 总体上来看，m a w j 的研究尚处于起步阶段。目前国外有关m a w j 的研究 工作主要集中在英国【1 3 1 、美国1 4 1 、澳大利亚即l 、欧盟等1 7 1 。m i l l e r 、h a s h i s h 等 对m a w j 的生成方式进行了研究和探索【1 - 3 , 8 3 ，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0 - 3 , 5 - 6 1 。国内黄传真等对喷嘴内部流场进 行了仿真研究阴，刘小建等对新型添加剂浆体射流的射流特性进行了试验研究 d 0 q 2 | ，王瑞和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 1 3 - 1 4 。表l 列出了目前实验室和生 产中微磨料射流加工技术的部分基本参数。 表i - 1 微磨料水射流加工技术基本参数表 t a b 1 1b a s i cp a r a m e t e r so f s o m e v i _ a w jd e v i c e 研究者射流方式水压m p a磨料粒度喷嘴直径i t m加工对象加工性质加工工艺 m i l l c 一浆体射流 7 03 0 0 5 0 r a n5 0 复合材科实验加工切割、钻孔 m i l l e r 2 1后混合4 0 复合材料 实验加工 切割、钻孔 h a s h i s h 1 q 浆体射流 1 0 4 3 4 52 2 9实验加工 切割 h o l l i n g e l l 目 浆体射流5 2 1 0 42 5 4 石英晶片 实验加工切割 b l o o m f i e l d i s 浆体射流 3 6 - 6 92 8 0 1 3 0 0 实验加工切割 h a s h i s h t 。l后混合8 2 r 喷射靶距喷射时间 走刀速度喷射靶距 蘑料浓度 喷射角度 走刀路线 磨料浓度 总结展望 微磨科水射流精加工装置设计 淞町与 w i i 艺对比与总结 进一步的工作 图1 7 研究路线图 f i g 1 - 7t h er e s e a r c hr o u t ed i a g r a m 1 3 3 课题研究的主要内容 本文在全面了解国外微磨料水射流加工研究状况和水平的基础上，针对生产 实际需要和试验中发现的问题，主要开展以下研究工作： ( 1 ) 微磨料水射流加工装置的设计，包括射流方式选择、总体方案设计、各 部件设计。 ( 2 ) 微磨料水射流加工装置验证实验，包括浆体的配制及加料方法、对玻璃 钻孔加工实验、对不锈钢薄片切割加工实验，并采用叠加覆盖件加工研究提高微 磨料水射流加工精细度的方法。 ( 3 ) 微磨料水射流加工工艺研究，以玻璃为加工对象，通过改变喷射压力、 喷射时间、喷射靶距、喷射角度以及磨料浓度五个加工参数，研究加工参数对加 工效果的影响。 ( 4 ) 磨料水射流加工工艺研究，以4 5 # 钢板为加工对象，通过改变喷射压力、 喷射靶距、磨料浓度、走刀速度，研究其对加工效果的影响，并结合微磨料水射 9 奎三兰奎兰三兰璺圭兰堡丝耋 流加工，对比两种加工工艺的不同。 1 0 第二章微磨料水射流加工装置的设计 第二章微磨料水射流加工装置的设计 本章在研究和学习国外关于微磨料水射流加工系统设计的基础上，创新地自 主设计制造了一套微磨料水射流加工装置。系统主要包括：增压装置及其辅助件、 送料装置及其辅助件、切割头三大部分。可以实现对脆塑性材料的切割、钻孔高 效加工，并且具备抛光加工功能。加工过程中可以精确改变喷射压力、喷射靶距、 磨料浓度、喷射角度、喷嘴尺寸、磨料种类、磨料粒度等加工工艺参数值。 2 1 微磨料水射流h n - r 装置的设计目标及路线 微磨料水射流加工系统需实现磨料连续供料，磨料粒度可以变化，同时系统 可实现低压力，使其具备微磨料抛光的基本条件，系统部分目标的具体参数如表 2 - l 所示。本设计只针对微磨料水射流中增压、供料、切割头三部分，不包含运 动及控制系统，使用时可将系统直接安装至加工中心，利用其运动及控制系统实 现切割头的三维运动微磨料水射流加工装置设计路线如图2 1 所示。 表2 1 微磨料水射流装置部分目标参数 t a b 2 一it h ep r o p o s e dp a r a m e t e r so f m a w lm a c h i n i n gs y s t e m 系统压力 0 3 5 m p a 喷嘴直径1 0 0 - 2 5 0 9 m 射流生成方式浆体射流 供料可连续供料；可同时供应不同种类或粒度的磨料 结构结构紧凑，体积小重量轻，便于移植到加工中心、工业机器人 等设备中 切割性能材料表面刻直线槽宽度为：4 0 0l lm 钻孔性能孔径：5 0 0 p m 广东工业大学工学硕士学位论文 徽磨科水射流精加工装置设计 磨料水射流加工理论与技术 装置性能 总体评价 射流方式选择 射流微细 浆体射流后混合前混合 程度 总体方案设计 切口表面 质量 lll 装置多功 浆体配制 压力系统喷嘴设计 能性 添加齐 增压泵 孔型设计 加工效率 磨料 蓄能器 基体设计 配制方法 磨料罐 材料 其他元件 徽磨料水射流精加工装置验证性实验 压力实验供料实验加工实验稳定性实验 徽磨料水射流精加工装置优化设计 口微细加工口高表面质量口高效率口多功能 图2 - 1 装置设计路线图 f i g 2 1t h em a w jd e v i c e sd e s i g nr o u t ed i a g r a m 2 2 微磨料水射流加工射流方式选择 用于微磨料水射流加工的射流生成方式很多，在绪论中已有较全面介绍，其 中可行性较高的有后混合式、浆体射流。目前国内外磨料水射流应用侧重于后混 合式，故生产企业研究也以后混合为主，通过技术的改进逐步降低射流的的直径 和加工精度显然更稳妥和具有可行性。在实验室研究领域则是仁者见仁，各有主 张，而以浆体射流的发展最快，效果最好，且前景最被看好。 两种微磨料水射流生成方式特点对比见表2 2 。 第二章微磨科水射流加工装置的设计 表2 - 2 用于微磨料水射流加工的两种射流生成方式的特点 t a b 2 - 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t w ow a y sf o ra b r a s i v em i x e dt ot h ew a t e r 后混合式浆体射流 射流直径大小 系统复杂程度低 由 设备体积大小 系统成本高低 系统堵塞频率 中低 系统磨损程度 低高 磨科消耗 高 低 水能量利用率 低高 射流密集性低高 工作连续性 连续连续 加工时产生火花 多较少 使用添加剂 否是 比较上表，浆体射流与不后混合式磨料水射流相比有如下显著优点： ( 1 ) 射流直径密集性好，打击力大，射流直径与喷嘴直径基本相同，可获得 更小的切宽，提高加工精度和效率 ( 2 ) 磨料颗粒在输送过程稳定性好，切口表面质量好； ( 3 ) 使射流能量密度增加，提高切割能力和加工效率； ( 4 ) 在加工某些易湿对象时，可以减少湿润范围； 浆体射流的缺点为需额外使用添加剂、加剧系统磨损，除此之外，比后混合 式微磨料水射流都具有优越性，故决定采用浆体射流方式设计微磨料水射流加工 设备。 2 3 总体方案设计 微磨料水射流加工装置的构成因其射流生成方式的不同也不尽相同，采用浆 体射流方式的微磨料水射流加工装置系统主要部分包括：高压泵及其配套部件、 蓄能器、磨料罐及其配套部件、切割头、各种控制阀表及管件、系统外围设备、 工作台及运动控制系统。 根据对磨料水射流的详细考察分析及对国外微磨料水射流研究状况的分析 广东工业大学工学硕士学位论文 总结，根据装置的设计目标要求，最终确定如下两套方案： 2 3 1 设计方案一 2 3 1 1 系统构成：方案一系统采用柜式结构，系统构成如图2 - 2 所示，系统 主要管路如图2 3 。 图2 - 2 微磨料水射流系统方案一 f 远2 - 2t h e n o 1c o n c e p to f t i ”m a w j m a c h i n i n gs y s l c m 圈中t l 驱动空气入口2 驱动回路过滤器；3 驱动回路调压阆；4 驱动回路安全阔；5 驱动回路压力表；6 驱动回路截止阀；7 进水口；8 进水过滤器；9 气驱液泵；1 0 高压水安全阁；1 1 蓄能器；1 2 压力表： 1 3 节流阔； 1 4 单向阔；1 5 手动球阔；1 6 高压三通堵头i1 7 磨料罐；墙切割头 1 4 第二章微磨料水射流加工装置的设计 图2 - 3 微磨料水射流系统方案一主要管路 f i g 2 - 3t h em a j o rp i p e l i n eo f t h en o 1c o n c e p t 圈中。 1 进气管；2 进水管；3 出水管；4 节流分路l ；5 节流分路2 ；6 磨料罐出水管；7 总出水管 方案一射流形成的基本原理为：常压水经气压驱动泵( 9 ) 加压后，流经安 全阀( 1 0 ) 、蓄能器( i i ) 和压力表( 1 2 ) ，然后分成两路，一路经过节流阀( 1 3 ) 、 单向阀( 1 4 ) 、截止阀( 1 5 ) 后进入磨料罐( 1 7 ) 顶部，一路经单向阀( 1 4 ) 直 接进入磨料罐( 1 7 ) 底部。通过调节节流阀改变进入磨料罐内的水流量，进而调 节流出磨料罐的磨料量，这样便可以调节射流中磨料的浓度，喷嘴前射流截止阀 ( 1 5 ) 与压力表( 1 2 ) 分别用于开关射流和监测压力。 2 3 1 2 系统主要特点： ( 1 ) 系统可实现最大压力3 5 m p a ，最大流量1 3 l m i n 的浆体微磨料水射流加 工。 ( 2 ) 系统可实现纯水射流加工和微磨料水射流加工。 ( 3 ) 系统采用柜式结构，体积小，重量轻。 ( 4 ) 磨料罐中的磨料可在关闭截至阀1 5 后通过预留的三通中的一个接1 ：3 通 过动力泵加入新的磨料浆体。故不能实现磨料射流连续加工。 ( 5 ) 系统磨料浓度通过改变节流分路l 、2 之问的流量实现调节，通过调节节 流阀1 3 可调整节流分路l 、2 的流量。 ( 6 ) 系统配备两只机械式压力表，一只位于蓄能器后节流阀前，另一只位于 喷嘴前，可随时监测两处的压力，尤其是喷嘴前压力数值，对微磨料水射流实验 研究具有重要意义。 奎三竺查兰三耋塑圭兰堡丝兰 2 3 2 设计方案二 2 3 2 1 系统构成：方案二系统采用柜式结构，系统构成如图2 4 所示，系统 主要管路如图2 5 所示。 图2 _ 4 微磨料水射流系统方案二 f i g 2 - 4t h en o 2c o n c e p to f t h em a w jm a c h i n i n gs y s t e m 田中t 1 驱动空气入口l2 驱动回路过滤器；3 驱动回路调压阀；4 驱动回路安全阿；5 驱动回路压力表：6 驱动回路截止阍；7 进水口；8 进水过滤器；9 气驱液泵；1 0 高压水安全冈；1 1 蓄能器；1 2 压力表 1 3 节流阀； 1 4 单向阀；1 5 手动球阁；1 6 高压三通堵头；1 7 磨科罐；1 8 切割头；1 9 低压减压阀 图中， 1 进气管 入水管； 图2 - 5 微磨料水射流系统方案二主要管路 f i g 2 - 5t h em a j o rp i p e l i n eo f t h en o 2c o n c e p t 2 进水管；3 出水管；4 减压备用管；5 节流分路1 ；6 节流分路2 ；7 罐1 入水管；8 罐2 9 罐1 出水管；1 0 罐2 出水管；1 1 总出水管 第二章微磨料水射流加工装置的设计 方案二射流形成的基本原理为：常压水经气压驱动泵( 9 ) 加压后，流经安 全阀( 1 0 ) 、蓄能器( 1 1 ) 和压力表( 1 2 ) ，然后分成两路，一路经过节流阀( 1 3 ) 、 单向阀( 1 4 ) 、截止阀( 1 5 ) 后进入磨料罐( 1 7 ) 顶部，一路经单向阀( 1 4 ) 直 接进入磨料罐( 1 7 ) 底部系统配备两只磨料罐，两只罐可以一只工作一只加料 来减少停机时间，也可以两只罐使用不同种类和粒度的磨料实现不同层次的加 工。通过调节节流阀改变进入磨料罐内的水流量，进而调节流出磨料罐的磨料量， 这样便可以调节射流中磨料的浓度，喷嘴前射流截止阀( 1 5 ) 与压力表( 1 2 ) 分 别用于开关射流和监测压力。管路( 4 ) 处并联一低压减压阀( 1 9 ) ，当该阀联入 系统时，可实现o 3 4 m p a 压力的精确调节，有利与提高系统压力调节精度，更 重要的作用是使系统具有稳定可靠的低压工作能力 2 3 2 2 方案二主要特点： ( 1 ) 系统可实现最大压力3 5 m p a ，流量1 3 l m i n 的浆体微磨料水射流加工。 ( 2 ) 系统压力可在0 - 3 5m p a 之间调整，可实现纯水射流加工、微磨料水射流 加工、低压浆体射流抛光。 ( 3 ) 系统采用柜式结构，体积小，重量轻。 ( 4 ) 磨料罐1 7 可在关闭截至阀1 5 后通过预留的三通中的一个接口通过动力 泵加入新的磨料浆体。且磨料罐1 、2 可轮流使用，且不同磨料罐可以使用不同 粒度磨料，适应不同的加工条件，可实现连续加工。 ( 5 ) 系统磨料浓度通过改变节流分路1 、2 之问的流量调节，通过调节节流阀 1 3 可调整节流分路l 、2 的流量，节流阀1 3 装备两只，分别调节节流分路l 、2 ， 对系统磨料浓度的调整更加准确。 ( 6 ) 系统配备两只机械式压力表，一只位于蓄能器后节流阀前，另一只位于 喷嘴前，可随时监测两处的压力，尤其是喷嘴前压力数值，对微磨料水射流实验 研究具有重要意义。 2 3 3 方案选择 对比方案一、方案二的特点，可发现方案二除可实现方案一的基本功能外外， 还具有以下特点： ( 1 ) 系统配有两只节流阀，对节流分路1 ，2 的调节更加准确，故对磨料浓度 的调节也更加准确； 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 当将减压阀1 9 联入系统后，可实现o - 3 5 m p a 的射流压力，系统具备微磨 料抛光的技术条件； ( 3 ) 系统配有两只磨料罐，可实现连续加工、且可在加工过程中使用不同粒 度的磨料，适应不同的加工条件； 可见方案二调节准确、可连续加工，且具有多功能的优点，故选用方案二作 为微磨料水射流加工装置的总体方案。 2 4 装置的设计 2 4 1 高压泵的选型设计 微磨料水射流加工所需要的水流量在几个到几十个l r t f i n 之间，所采用的压 力通常在3 0 i o o m p a 之间，且微磨料水射流加工对质量的要求限制压力波动值 在5 之内。 磨料水射流加工所采用的泵通常包括柱塞泵、增压器两种。柱塞泵在大流量 的磨料水射流加工装置中利用系统中的容器及管路特性消除部分压力和流量波 动，能符合磨料水射流加工的要求，且其耐用、性能稳定，故获得广泛应用。但 在微磨料水射流加工中柱塞泵却很少获得应用。柱塞泵的压力和流量的波动值超 出5 ，如果要抑制其流量和压力波动，可采用两种方法：一是系统添加蓄能器， 可有效抑制压力值的波动，二是采用两个同规格的柱塞泵，将其相位设置成波峰 和波谷重叠，抵消其压力和流量的波动。这两种方式对柱塞泵来讲应用不广。 增压器是一种产生高压常用的设备，增压器常用的有液压驱动和气压驱动两 种形式。国外在磨料水射流加工设备的设计制造中也经常使用液压式增压器。 针对微磨料水射流加工需求流量小的特点，在增压器的选择中经常使用的是 气压驱动型增压器，其优点具体体现在： ( 1 ) 结构简单，制造和维护的难度和成本低 ( 2 ) 体积小，重量轻，活塞运动时的反作用力小，系统启闭方便 ( 3 ) 泵的结构特点适宜采用各种设备进行控制和监测 气压驱动增压器同样存在压力和流量的波动问题，消除的方法与柱塞泵相 同。 本研究室现有一台压力达7 5 1 v l p a 的水介质三柱塞泵，配备一台大功率变频 调速器，如利用此泵作为动力源设计微磨料水射流加工装置，在采用变频调速至 较低流量时，其压力和流量的波动都非常大，且其体积非常庞大，其重量更达 l g 第二章徽磨料水射流加工装置的设计 2 5 t ，不方便移动操作。从实用性的角度考虑决定采用增压器。 系统所选增压器为德国制气压驱动增压器，驱动气体压力0 0 8 m p a ，输 出压力达到3 5 m p a 左右，流量达到1 3 l r a i n 左右，在串连减压阀后，系统可实 现o - 3 5 m p a 的压力下加工。驱动空气压力由增压器底部活塞由二位四通先导阀 来控制。当达到最终压力( 由气动调压阀调节) 时，增压器会减速运行直到气动力 和液压力达到平衡为止。 气压驱动增压器的工作原理如图2 - 6 所示，主要技术参数如表2 3 所示。 图2 - 6 气压驱动增压器工作原理图 f 培2 - 6t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a j rd r i v e nl i q u i dp u m p 表2 - 3 气压驱动增压器主要技术参数 t a b 2 - 3t h em a j o rt e c h n i c a lp m a m e t e r so f a i rd r i v e nl i q u i dp u m p 驱动压力1 - l o b a r 1 4 5 - 1 4 5 p s i 最大输出压力 8 6 0 b a r 1 2 4 7 0 p s i 压力比 l ：8 6 驱动空气流量 8 0 0 l m i n 最大输出流量 1 3 l m i n 气体驱动接口3 8 b s p 进水口3 8 b s p 出水口1 8 b s p 重量3 7 k g 外形尺寸1 0 4 1 1 2 1 9 5 m 增压器驱动空气动力源采用s c r 3 0 型空气压缩机，其输出压力范围为 0 - 0 8 m p a , 最大输出流量3 8 0 0 l m i n ，空气源与增压器驱动空气入口间串连 u a f 3 0 0 0 0 3 d 型自动排水空气过滤器，过滤器配有1 1 1 5 1 1 - 2 5 b 滤芯，过滤精度 5 1 a m ，可满足增压器需求。 增压器用水为自来水，因水源中包含大量杂质，如果大颗粒杂质在进入泵及 管路，会对泵以及管路中的各种控制阀产生严重影响，故在入水管路中串连水过 滤器，过滤精度1 2 0 目。 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 4 2 磨料罐设计 磨料罐的设计在磨料水射流加工设备中是一个十分关键的部件，不仅要考虑 其耐压，容积等因素，还要采用特殊的结构设计使磨料均匀稳定的流出，目前国 内外均有众多专利专门解决磨料流出的问题。磨料水射流设备的磨料罐设计多采 用大容积结构钢加镀层处理制造，这种结构体积庞大，且长期使用会出现内部镀 层经长期磨料冲击镀层部分脱落生锈等问题，不适宜在微磨料水射流加工中使 用，磨料罐也可采用不锈钢制造，可以防止罐内产生铁锈，但成本较高。 微磨料水射流加工过程中常用的磨料适宜含量( 质量) 约为1 0 。按射流 喷嘴1 0 0 p m ，罐内浆体悬浮液浓度为5 0 n ，系统压力为3 0 m p a 时，体积为l l 的磨料罐可供系统连续工作1 h 左右。故微磨料水射流加工装置的磨料罐容积积 通常不大。磨料罐体积的减小可以提高系统的可移动性，但也会增加系统的停机 次数。 本装置在设计时，兼顾磨料罐的加料效率及系统的可移动性，最终选择磨料 罐的容积为4 l ，采用双罐并联的形式。单罐采用全不锈钢高温吹制。罐的顶部 和底部各采用不锈钢三通，留有磨料加入管路接口，可采用各种形式对罐进行加 料。具有结构简单、体积小，性能稳定、便于维护等特点 2 4 3 切割头设计 切割头是磨料水射流加工装置中最重要的部分之一，切割头性能的优劣很大 程度的影响系统的加工性能。 浆体微磨料水射流用切割头的基本结构包括喷嘴和基体两部分组成。其中喷 嘴设计是关键。 本设计中喷嘴主要为微磨料水射流加工工艺研究之用，喷嘴具体结构参数需 后续实验中改进与优化，故喷嘴设计以实用性和经济性为主要设计原则。喷嘴设 计需解决喷嘴材料、喷嘴结构、喷嘴加工三个问题。 喷嘴常用的材料有宝石、陶瓷和硬质合金两种，其中宝石、陶瓷材料在高压 水射流中应用很广，但其本身材料成本高，且加工也较困难。硬质合金材料成本 低，加工也较容易，故选用硬度和耐磨性较高的y g 6 x 硬质合金作为喷嘴材料。 磨料射流用喷嘴常用孔型有曲线过渡和圆锥圆柱喷嘴两种。曲线过渡型喷嘴 是指喷嘴圆柱段与喷嘴接管之间采用曲线过渡，常见的为圆弧过渡，也有人采用 三次、四次曲线作为过渡曲线形式。从理论及实验效果看，曲线型喷嘴较之圆锥 第二章微磨料水射流加工装置的设计 圆柱型喷嘴性能更优，但其成本也高出许多。圆锥圆柱型喷嘴是指喷嘴圆柱段与 喷嘴接管之间采用圆锥连接，这种连接加工方便且通过对各种参数的调整，可获 得较好的加工效果。 因本装置的设计特点之一是射流直径直径较小，故对喷嘴的加工也提出较严 格要求，从喷嘴性能和经济性两方面考虑，选择圆锥圆柱型喷嘴。 圆锥圆柱型喷嘴的主要参数包括圆柱孔径、圆柱长度、圆锥收缩角及孔壁表 面粗糙度。圆柱孔径可影响微磨料水射流的密集性、出口速度以及流量，圆柱孔 径主要根据系统设计目标选择。圆柱段长度和圆锥收缩角影响射流密集性和射流 出口速度，圆柱段长度增加会导致射流密集性减小、出口速度增加，故圆柱段长 度存在一个最佳值；圆锥收缩角增加，射流密集性增加丽出口速度减小，故圆锥 收缩角也存在一最佳值。孔壁表面粗糙度影响射流流体特性，粗糙度增加，射流 的密集性和切割能力都变差，故喷嘴孔壁表面粗糙度越小越好。 根据各参数的影响特性和加工成本，选择圆柱孔径d 为0 15 m m 、0 2 5 m m 两个系列。圆柱段长度与圆柱孔径之比为2 3 ，圆锥收缩角为1 3 。，圆柱段孔壁 表面粗糙度r a 为0 0 1 6 p m ，圆锥段孔壁表面粗糙度r a 为0 0 6 3 p m 。喷嘴结构 示意如图2 7 所示。 黝燃 图2 - 7 喷嘴结构示意图 f i g 2 - 7t h es t r u c t u r eo f t h en o z z l e 喷嘴加工方法可以采用激光加工以及电火花成型加工的方法。其中电火花加 工成本低，且加工质量可以被接受，故在喷嘴加工时选用电火花加工的工艺进行。 基体的作用是包容和固定喷嘴。常见的安装形式有压紧式、密封圈式和锥体 连接式。其中压紧式采用螺母内端面和喷嘴上端面实现定位和密封，具有结构简 单、加工容易的优点，缺点是压紧力较难掌控，易造成泄漏。由于本装置采用压 力较低，故基体采用压紧式结构，基体材料为不锈钢，基体结构如图2 8 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 - 8 基体结构示意图 f i 昏2 - 8t h e s l r u c t u r eo f t h eb a s a lb o d y 2 4 4 其他辅助件的选型设计 系统所用辅助液压元器件与普通液压元件的主要区别是工作环境的不同。微 磨料水射流切割装置所用压力超过3 1 5 m p a ，工作介质为水，且有许多元件的工 作介质为水与磨料的混合物，故普通液压元件很难达到要求。故本系统所用液压 元件均为不锈钢制造，耐高压，主要采用进口元件。 各主要辅助元件的作用与特点如表2 4 所示。 表2 - 4 各主要辅助元件作用与特点 t a b 2 - 4t h ef u n c t i o na n dc h a t a c t a r i s t i eo f t h es u b s i d i a r yc o m p o n e n t s 元件作用数量特点 空气过滤器过滤杂质及水汽l 自动排水、过滤精度5 p m 水过滤器过滤杂质l过滤精度1 2 0 目 蓄能器抑制压力波动 1皮囊式、耐压3 5 m p a 、容积1 l 减压阀调节水压力10 - 3 4 m p a 任意调节 空气调压阀调节空气压力l0 - i m 怕任意调节 节流阀调节分路流量 2 最小流两0 0 5 l m i n 安全阀保护系统 l全不锈钢制、安全压力可调 截止阀 开关各管路5不锈钢球阀