（机械设计及理论专业论文）微磨料水射流技术及装置的研究.pdf

删, u afna l wji舢frilliiir l l l l l l l l l l l 脚u y 18 8 4 5 6 2 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者娩戎撕 日期：沁ii 、f co 指捌雠：惭易 日期。乃m 了。fd 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_ y - 校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 、 黼毒名：戴蹭、懒厂寺氟碜 日期：z , o1 1 ( 9日期 伽l ( j p 西华大学硕士学位论文 摘要 微磨料水射流技术是集精密a n t 技术和传统磨料水射流“冷加工技术的优点于一 身的复合加工技术。微磨料水射流的加工精度可达到激光加工精度的数量级，它继承和 深化了磨料水射流技术的优点，扩展了其应用范围。目前，磨料水射流各项技术以及各 种辅助设备日益完善和成熟，全球加工制造业向中国转移，各种新型的复合材料相继涌 现和对精度要求日益提高。在这种背景下，微磨料水射流作为一种精密、“冷态”的加 工手段，在微机械、微电子、新能源、半导体以及复合材料等行业有着广阔的前景。 本文针对传统磨料水射流磨料后混合供料过程中磨料输送不精确、不稳定的问题， 设计了以螺杆泵为原理的磨料水射流切割头装置，其核心部件是特制的螺旋螺杆，在电 机的控制下能够定量、主动和稳定的输送磨料。 根据设计和选定的参数推导出理论磨料流量q l 和输入电压v 的理论磨料控制方程 q l = 4 3 5 v 一4 2 7 ；通过磨料输送精度测试实验，得出输入电压v 与实际输出的磨料质 量q 2 的数据，用m a t l a b 软件拟合出实际磨料控制方程q 2 = 5 3 9 v 1 6 4 3 。比较和分析 两个流量方程，结果表明：磨料质量流量平均误差为1 0 3g m i n ，平均相对误差为0 2 ； 最大误差为1 9 6g m i n ，最大相对误差为1 7 9 ，该磨料输送装置能够满足微磨料水射 流精密切割的要求。 论文应用s o l i d w o r k s 对安装切割头的悬臂梁进行了三维建模，并用有限元软件对悬 臂梁进行了分析，其结果表明：悬臂梁的刚度是足够的，前四阶频率分别为2 0 4 h z 、 3 1 4 h z 、9 1 3 h z 和1 0 4 4 h z ，与系统的振动频率相差很大，不会引起共振，对机床的切 割精度影响较小，可以忽略。 分别采用微磨料水射流切割头装置和传统自吸式磨料供给装置切割材料的实验中 表明两者切割的材料截面粗糙度有显著差别。应用微磨料水射流供料装置切割后的材料 表面粗糙度平均值1 6 a n ，但是较传统自吸式供料提高了2 6 4 倍。该装置具有良好的 通用性和实用性，将会有广阔的应用前景。 关键词：水射流；微磨料；磨料输送；流量方程；切割实验 微磨料水射流技术及装置的研究 a b s t r a c t m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e tt e c h n o l o g yi sac o m p l e xp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw h i c h c o m b i n e dt h ea d v a n t a g eo ft h ep r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a la b r a s i v ew a t e r j e t ”c o l d ”p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h ea c c u r a c yo ft h ea b r a s i v ew a t e rj e tm a c h i n i n gc a l lb e a c h i e v e dt h eo r d e r so fm a g n i t u d eo ft h el a s e rm a c h i n i n g m o r e o v e r ，m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t e x t e n d e da p p l i c a t i o n sr a n g eo fa b r a s i v ew a t e rj c t a tp r e s e n t ，t h ea b r a s i v ew a t e rj e t t e c h n o l o g ya n dv a r i o u sa u x i l i a r ye q u i p m e n t sw e r ei n c r e a s i n g l yp e r f e c ta n dm a t u r e t h e g l o b a lp r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n gs h i f tt oc h i n a n e wc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ee m e r g e d a n dh i g h e ra c c u r a c yp r o d u c ti sn e e d e d i nt h i sc o n t e x t ，a st h eo n l y ”c o l d ”a n dp r o c e s s i n g m e a n s ，t h ea b r a s i v ew a t e rj e tap r e c i s i o nh a sab r i g h tf u t u r ei nm e m s ，m i c r o e l e c t r o n i c s ，n e w e n e r g y , s e m i c o n d u c t o ra n dc o m p o s i t e m a t e r i a l si n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo fu n a c c u r a c ya n du n s t a b l ef l o wo fa b r a s i v ei nt h ep r o c e s so f t h ea b r a s i v ed e l i v e r y , a na b r a s i v ec u t t i n gh e a db a s e do nt h et h e o r yo ft h es c r e wp u m pw a s p r o p o s e d i t sk e yp a r ti ss p e c i a ls p i r a ls c r e w i tc a nd e l i v e r yt h ea b r a s i v eq u a n t i t a t i v e l y ， a c t i v e l ya n da c c u r a c i l y t h ea b r a s i v ef l o wc o n t r o le q u a t i o nw e r ed e d u c e da c c r o d i n gt ot h ed a t ao ft h es e l e c t e d p a r a m e t e r s w h i c hi sq 1 = 4 3 5 v 一4 2 7 t h ea b r a s i v ef l o wt e s tw a sc a r r i e do u ta n dt h ed a t ao f 哪v o l t a g ea n do u t p u tm a s so fa b r a s i v ew e r er e c o r d e d m o r e o v e r , t h er e a lf l o wc o n t r o l e q u a t i o nw a sd e d u c e db yt h es o f t w a r eo fm a t l a bb a s e d o nt h er e c o r d e dd a t a ，w h i c hi sq 2 = 5 3 9 v 1 6 4 3 t h et w oe q u a t i o n sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d i ts h o w st h a tt h ea v e r a g e e r r o ra n dm a x i m u me r r o ro fa b r a s i v ef l o wr a t ei s1 3 9 m a n 1a n d1 9 6 9 m a n 1r e s p e c t i v e l y , t h e a v e r a g er e l a t i v ee r r o ra n dm a x i m u m r e l a t i v ee r r o ro fa b r a s i v ef l o wr a t ei s0 2 a n d1 7 9 r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r ei tc a nb eu s e da sc o n t r o l l i n ge q u a t i o no ft h ei n s t a l l a t i o nf o rp r e c i s e f e e dm i c r oa b r a s i v e t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fc a n t i l e v e rb e a mw a se s t a b l i s h e dw i t ht h es o f t w a r eo f s o l i d w o r k s m o v e o v e r , t h em o d e lw a sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec a n t i l e v e rs t i f f n e s si sa d e q u a t e ，a n dt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sw e r e2 0 4 h z ，31 4 h z ，91 3 h z a n d10 4 4h zr e s p e c t i v e l yw h i c hv a r i dw i d e l yc o m p a r i n gw i t ht h ef r e q u e n c yo ft h es y s t e m i t h a sa l m o s tl i t t l ei n f l u e n c et oc u t t i n gp r e c i s i o na n di tc a nb ei g n o r e d t h ee x p e r i m e n to nm a t e r i a lc u t t i n gu s i n ga b r a s i v ew a t e rj e tw i t ha b r a s i v ep r e c i s ef i e e d i n s t a l l a t i o nw a sc a r r i e do u t i tw a ss h o w e dt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ec u t t i n gf a c ei s g r e a t l yi m p r o v e db y2 6 4t i m e sw i t hr e s p e c tt ot r a d i t i o n a la b r a s i v ef e e ds y s t e m t h e r e f o r et h e n e w l yi n s t a l l a t i o nf o rp r e c i s ef e e dm i c r oa b r a s i v eh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u ei np r e c i s e m a n u f a c t u r i n g 西华大学硕士学位论文 ：w a t e rj e t ；m i c r oa b r a s i v e ；a b r a s i v ed e l i v e r y ；c u t t i n gt e s t m 微磨料水射流技术及装置的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1微磨料水射流的概述2 1 1 1 水射流技术的发展及现状2 1 1 2 微磨料水射流的产生5 1 2 微磨料水射的特点5 1 2 1 微磨料水射流的优点6 1 2 2 微磨料水射流的不足7 1 3 微磨料水射流的应用概况8 1 3 1 磨料水射流技术的实践8 1 3 2 磨料水射流的切割成本1 0 1 4 微磨料水射流的技术概况。1 2 1 4 1 微磨料水射流的关键技术。1 2 1 4 2 微磨料水射流的研究方向1 4 1 5 微磨料水射流切割头的提出1 5 1 5 1 研究的意义1 5 1 5 2 问题的提出一1 6 i 5 3 研究的内容17 2 微磨料水射流理论研究l9 2 1 磨料输送的流体理论1 9 2 1 1 流体力学的方程。1 9 2 1 2 流体的粘性2 0 2 2 微磨料水射流的切割原理2 0 2 3 微磨料水射流喷嘴的研究2 2 2 3 1 水喷嘴的理论2 2 2 3 2 切割头装置。2 3 2 4 磨料混合方式的研究2 5 2 4 1 磨料后混合输送系统2 6 2 4 2 磨料前混合输送系统2 7 西华大学硕士学位论文 5 2 4 3 磨料前混合与后混合的比较2 7 2 5 微磨料水射流机床2 9 2 6 本章小结3 2 微磨料水射流精密输送系统的设计研究。3 3 3 1 、微磨料水射流供料装置的设计3 3 3 2 螺旋输送螺杆。3 4 3 2 1 螺旋输送原理3 4 3 2 2 螺杆的理论计算3 5 3 3 磨料输送电机3 7 3 3 1 电机转速3 7 3 3 2 电机功率。3 8 3 3 3 综合选型3 9 3 4 磨料流量的控制3 9 3 4 1 控制方案4 0 3 4 2 磨料流量与电机电压的控制方程4 0 3 5 磨料精密输送系统悬臂梁的有限元分析4 1 3 5 1s o l i d w o r k s 设计软件4 2 3 5 2 有限元分析的理论研究4 3 3 5 3 悬臂梁的建模及有限元分析4 4 3 6 磨料精密输送系统与机床切割系统集成4 8 3 7 本章小结4 9 微磨料水射流供料系统的实验研究5 0 4 1 实验目的及评价5 0 4 2 试验及测量设备5 0 4 3 试验方案及内容5 2 4 4 试验结果及分析5 2 4 5 本章小结5 4 微磨料水射流切割实验研究5 6 5 1 实验目的及评价指标5 6 5 2 实验及测量设备5 7 5 3 实验方案及内容5 8 5 4 实验结果及分析6 0 v 微磨料水射流技术及装置的研究 5 5 本章小结。6 3 6 结论与建议6 4 6 1 结论6 4 6 2 建议6 5 参考文献6 7 附录at 分布表7 0 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 1 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 微磨料水射流( 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( a b r a s i v e w a t e rj e t s - - a w j ) 基础之上发展起来的一种新型精密加工技术。它是集精密加工技术和 传统磨料水射流“冷”加工技术的优点于一身的复合n - r 技术【l 】。 现代制造技术具有两大发展趋势，一是制造系统的自动化；二是精密微细加工技术 的开发与应用。精密微细加工技术上衡量一个国家制造业整体水平的重要标志之一【2 1 。 随着磨料水射流技术在精密加工领域研究的不断深入，微磨料水射流技术可以达到激光 加工精度的数量级【3 1 。切割金属的粗糙度达1 6 朋，切割精度达0 1 0 m m ，可用于精密 成形切割，水刀切割的切缝大约比刀管直径大l o ，一般在0 8 m m 1 2 m m 4 l 。从历界 国际水射流学术会议( 国际水射流切割技术会议、美国水射流会议、环太平洋地区水射 流会议、日本水射流会议等) 的报告显示，水射流技术的应用逐步进入了微机械领域。 同时美国与欧共体已经将微机械作为一个重要的研究内容；日本早在1 9 9 9 年就启动了 一项为期十年的微机械研究计划。而我国也很重视磨料水射流切割技术的在微细加工制 造业的研究，并把它列为科研机构以及重点实验室大力发展的项目 5 1 。 在磨料水射流各项技术以及各种辅助设备的完善和成熟、全球制造向中国转移、各 种新型的复合材料相继涌现和对精度要求日益提高的背景下，微磨料水射流作为唯一的 一种冷切割的“万能切割”手段，具有其独特的优点，例如切缝窄、无热变形、无机械 应力以及绿色环保高等 6 】，有着非常广阔的市场前景，在国际上受到了高度的重视。其 应用逐步从早期低端的石材、玻璃及陶瓷等建材行业向机械、微电子、新能源及环保等 含金量高的行业延伸，特别适用于半导体、新材料、微电子、新能源等行业，并有望成 为新型精密加工技术的发展点。 作为新型的精密加工技术，微磨料水射流是在传统磨料水射流基础之上应用微细的 磨料粒子( 如石榴石或碳化硅等) 而发展起来的一种集合精密加工技术和水射流技术优 点的新型精密加工手段。但是与传统水射流技术比较，微磨料水射流技术有两个尤其关 键的条件。分别是水射流的稳定性和输送过程磨料的精确性、均匀性、连续性。这是由 于微磨料水射流技术的精密性和平稳性所决定的。另一点是对高压水束压力的要求，即 要保证水束压缩性在3 以下，这是精密加工稳定性的要求决定的。而一般在对材料抛 光、微刻蚀等微细精密加工时，所需要的射流能量较小。微磨料水射流加工的水压范围 在2 0 m p a 以下，水的压缩性很小，能够满足水射流稳定的要求。因此，精密微磨料水 射流加工系统中磨料的输送和精确控制则是微磨料水射流加工技术的关键技术。 传统磨料后混合输送方式一般都存在如下的问题： 微磨料水射流作为- f - j 高新技术，涉及科学领域较多，如超高压理论、流体动力学、 气动与液压学、材料力学、流体力学、制造工艺学、高压密封技术、自动控制理论等现 代技术，是一种典型的机电一体化的综合技术，对国家建设具有重要意义和开发价值。 1 1微磨料水射流的概述 1 1 1 水射流技术的发展及现状 十九世纪七十年代，美国在加利福尼亚的金矿中第一次用增压后的水流进行采矿作 业，二十世纪五十年代前我国和前苏联应用3 0m p a 的水射流技术进行高压水的冲蚀采 煤，随着水射流采煤技术逐渐被认识和重视，最后在采煤领域开始实践应用。一些研究 学者在研究中发现提高水喷嘴的出口压力和适当减小喷嘴内径可以显著地提高水射流 冲击的威力。所以研究机构开始研究和开发高压力的压力源，即高压泵、柱塞式增压器 以及高压脉冲射流等【7 ，8 】。 2 西华大学硕士学位论文 二十世纪六十年代以前，低压水射流技术主要应用于采矿领域，显示出了很好的市 场潜力。所以水射流技术在其他方面的应用开始显现出来，同年有许多的增压系统和高 压柱塞泵开始展现在人们面前，极大的推动了水射流技术进步和采矿技术的发展。在冷 战时期，美国的水射流研究所开发出了1 0 0 0 m p a 的增压泵，而前苏联煤矿开车时研发 出3 2 0 0 m p a 的脉冲射流增压器。而水射流切割技术( w j ) 和磨料水射流切割技术( a w j ) 却是在最近几十年发展起来的。它作为一项独立而完整的加工技术是在人们在煤矿开采 中应用高压水束效果非常突出的启发中发展出来的。直至7 0 年代，农林专业的诺曼弗 朗兹教授整合了增压泵、切割平台以及喷嘴系统，制作出了一套简易的高压水射流切割 装置。其中增压泵作为水射流切割系统中最核心的部分，是采用的单缸液压增压器，喷 嘴出e l 压力可达1 2 0 m p a ，用该系统进行了切割木材、给树去皮以及切割纸张等试验， 表现出了比较理想的效果 9 , 1 0 1 。而这一结果和该装置引起许多增压设备制造商和板材切 割企业及相关机构的兴趣。 进入七十年代后，水射流技术的切割机理逐渐被人认识，研究方向从单纯的提高水 射流增压泵压力转向提高水射流的切割威力。同年出现了许多新方式的水射流技术，如 高频冲击射流、磨料水射流和脉冲共振射流等。结果显示这种射流技术不需要非常高的 压力，但是它们在切割或者破碎等领域的威力却要远远大于同样压力下的标准水射流。 1 9 7 1 年阿尔顿纸品公司引入了一台商用水切割试验机进行纸张的堆成切割，其厚度达到 1 2 r a m ，通过数控等自动化技术的辅助，该机床能够在平面上切割出各种形状的图案。 而波音公司也引入水射流切割技术，在板材方面进行了试切割，结果显示能有效的节约 成本【1 1 】。 进入八十年代，水射流技术结合数控技术，计算机技术以及自动化技术等，有着非 常大的进步，并逐步使水射流机床走向商业化，从此水射流技术走向了一个更新、更高 的阶段。l o c k h e e d 航空航天所研发出来空间六自由度的水射流切割机器人，用于新型的 复合树脂材料和薄壁的钛合金板材的切割。i n g e r s o l l r a n d 公司整合水射流切割系统和柔 性高的机械臂组合成了汽车板材专业的切割机器人。然后该应用逐步推广开来，在德国 汽车及欧洲其他汽车厂得到应用，用于切割汽车薄壁件，皮革以及内饰等【l 2 1 。 而最近几年，随着制作技术和自动化技术等的提高，水射流技术以及制造水射流设 备和技术都有了很大的进步，水射流切割设备及生产商不断涌现，这种新型的特种加工 技术得到了普遍的认可，在石材、玻璃等建材切割、采矿、木材以及皮革等切割、岩石 破碎以及除锈等领域得到了非常迅速的应用。 目前，在世界范围内，水射流的产品很多，参差不齐，也没有统一的标准。水射流 切割中需要频繁的更换零部件，比如，宝石喷嘴、磨料和密封件等。而且其维护和保养 微磨料水射流技术及装置的研究 需要专业指导。所以售后服务的好坏受到了很大的关注。市场上有很多成熟水射流切割 设备厂商，如o m a x ( 美国) 、f l o w ( 美国) 、南京大地( 中国) 以及上海金箭( 中 国) 等。从二十世纪八十年代以来，国际水射流会议每两年在美国举办一次，该技术会 议已有几十年的历史，其中讨论和交流了水射流技术和最新设备的研发情况。 另外每两年举办一次的水射流博览会，在每次展览会上都有当年各主机厂研发的最 先进的设备，其中包括水射流机床的整机，还有与之相关的配件。国际水射流协会( i s w 仃) 总部常驻在渥太华的加拿大国家技术研究院，而且一直与日本水射流技术协会等合作， 三年一次地共同组织亚太地区国际水射流技术会议，极大的促进了水射流技术的进步和 相关产业的发展。 磨料水射流切割技术与激光、等离子束、电火花加工技术一样是属于能量密集性很 高的加工手段。随着水射流技术研究的深入和各种技术瓶颈的攻克，水射流设备的日趋 成熟，成为其它切割手段的一种完美补充，甚至在某种意义和未来时间上讲，它可以成 为终极的切割手段。磨料水射流切割技术作为一项新型的特种加工技术是切割领域的一 7 次革命，特别是在各种新型材料涌现和日益对切割精度提高有着十分良好的应用前景。 表1 1 给出了水射流切割金属材料的某些特点和与其他切割方法的比较1 4 1 。 表1 1 特种加工技术方法的比较 t a b 1 1t h ec o m p a r eo fs e v e r a ls p e c i a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y 水射流切割 机械加工氧气切割电弧切割 等离子切 项目 纯水型磨料型 割 激光切割 能量形式 动能动能机械能热能热能热能热能 标准切割经济、设适用于气 适用于不 薄板( 金 切割无切割无变方式，适备简单，割难以加属、皮革、 特点变形，无形，无热用生产线最适合碳工的不锈 锈钢、有 复合材料 热应力应力的大量切素钢的切钢、有色金 色金属的 割 割属 切割 的精密加 工) 切割速度 ( 2 0 r a m 厚低碳 1 0 0 2 0 02 0 0 1 0 0 04 5 0 5 0 01 0 0 1 0 0 0 2 0 0 钢，r a m r a i n ) o 金低碳钢、不锈 属钢 材 镁、钛、铝合 料金 非布、纸、木材、 5， 金橡胶、玻璃钢 属 材 岩石、混凝 土、陶瓷 料 4 一- _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ i - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - 一 西华大学硕士学位论文 1 1 2 微磨料水射流的产生 随着工业陶瓷、特殊性能的复合材料日益的研制和广泛应用，微型机电系统、微型 医疗器械、半导体元件等的需求及产值不断的增长 1 5 , 1 6 。由于这些材料材质和功能的特 殊性给加工制造带来了巨大的挑战。比如工业陶瓷、光学玻璃、电子芯片等材料是高硬 度、高脆性和高熔点等特点，而且传统热源加工很容易灼伤材料，废品率较高，而且需 要二次加工，材料浪费很大。传统的加工手段加工效率、精度以及加工品质难以满足这 一需求。许多研究磨料水射流的专家把应用领域扩展到特殊材料的微细加工，针对各种 材料做了大量的实验，成为近年来发展最快的特种加工技术之一。目前国内外研究的微 磨料水射流技术主要采用后混合式水射流。 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。1 9 9 9 年英 国d m i l l e r 等人 1 7 j 8 在第十届美国水射流会议上首次提出微型磨料水射流a n - r 技术，并 成功研制出一台前混合式微型磨料脉冲水射流加工系统。机床工作时，采用气液增压泵， 产生的最高水压为7 0 m p a ，这样可以限制水的压缩量在3 以内。水的流量为1 l h 1 0 l h ，磨料流量为2 k g h ，使用的磨料少，适合批量生产。使用氮化硅磨料喷嘴，产生 射流束直径3 0 微米 - - 7 0 微米。工作台面积1 0 0 m m 1 0 0 m m ，重复定位精度。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 等都已设计出试验平台 并进行了部分钻孔、切割等试验。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 纳米到3 0 0 纳米) 成功开发出射流直径达4 0 微米的微磨料水射流【1 9 】。 国内外对于微磨料水射流技术的研究尚处于起步阶段。在国内，汪庆华等人对铝件 进行了初步的抛光试验。通过试验得出射流压力对零件表面粗糙度及加工去除量影响最 大；加工时间越长，去除量越大；靶距对零件的加工去除量有影响，靶距过小能量还来 不及聚焦，此时对材料的冲蚀能力还不强，而靶距过大则会由于能量的衰减和水束的分 散同样会减小冲击的威力。黄传真等对喷嘴内部流场进行了仿真研究，分析了喷嘴尺寸 对切割性能的影响。王建生等对小喷嘴磨料水射流进行了仿真和实验研究。雷玉勇教授 研究了微磨料水射流技术在半导体制造工艺中的应用，提出了威磨料水射流的关键技术 为进一步研究微磨料水射流工作打下了基础【2 0 】。 1 2 微磨料水射的特点 微磨料水射流技术之所以能得到突飞猛进的发展，是与其本身的许多特点和优势分 不开的。它不仅与水本身所固有的液态性质有关，也与高压水的力学性质和能量转换形 式有着密切的联系。其中包括水的冲蚀作用、溶解作用和水的冷却作用，给水射流加以 等场合；且切割品质优良，无需二次加工，无裂缝，无毛边，无浮渣【2 6 】。 在当今材料日新月异的背景下，对新研发出的材料加工制造也是一种挑战。一般高 分子聚合物等合成材料是不导电的、硬度高和易碎，电火花线切割加工显然是不行的， 而激光等、电子束等加工过程对材料会产生灼烧的效果，甚至会产生毒气等危害人体身 体。所以，磨料水射流可以加工任意材料，而且不会影响材料的化学成分，不会改变材 料局部的晶相组织，是一种“无所不能、与时俱进”的切割手段，对加工制造业是具有 6 西华大学硕士学位论文 重大意义的。 6 ) 喷头体积小，后坐力小，移动方便，便于实现智能控制，实现自动化。配合数 控装置和机器人装置，切割零件的形状变化时，只需简单变更一下程序和设定即可。水 射流的切割头就是“刀具”，控制切割头的坐标位置即能控制切割零件的形状。而切割 头具有很好的灵活性，通过数控系统是容易实现空间轨迹的切割。比如现在某些公司已 经研发出来的基于机械臂的六自由度的空间水刀。 7 ) 加工噪音低，据美国某公司调查，淹没水下切割的噪音在7 5 分贝以下，而非淹 没切割状态下，把机床切割室密封起来，噪音在9 0 分贝以下【2 7 1 。 1 2 2 微磨料水射流的不足 微磨料水射流切割技术是一种独特的加工手段，涉及多种学科领域，也存在其特殊 的制约因素： 1 ) 水射流切割材料厚度有限。一般而言，磨料水射流适宜切割在5 0 m m 以下的板 材。对于切割大于该范围的材料切割的截面质量就较差了。对加工厚度较深的板材，其 截面由于压力和切割威力不同一般会呈现a 、v 、h 的现状。而目前一般采用喷嘴入射 角度补偿的方法进行修正，其技术还很复杂，结构复杂，有待深入研究。 2 ) 消耗功率大，总效率低。如内径为l m m 的喷嘴，水流压力为2 5 0 m p a 时射流功 率近5 0 k w 。 3 ) 磨料水射流切割机理还没有统一的结论，大部分研究都是在大量的假设前提下 进行的，所有切割理论还有待大的突破，其切割工艺还有待改进。 4 ) 水射流切割时，磨料和水滴的飞溅不仅影响工作环境的可视度、造成能量的浪 费，而且对加工人员的安全造成威胁。 5 ) 高压系统中有些部件要承受非常大的高压，比如超高压泵缸体、密封圈、宝石 喷嘴、高压管件和传感器等需要更换频繁。而目前耐压材料的研究跟不上，通常材料的 部件工作寿命有限，需要频繁的更换部件，这是水射流加工的主要成本之一。 6 ) 宝石喷嘴的使用寿命短，比如磨料水射流切割时的宝石喷嘴在正常的工况下， 陶瓷喷嘴的寿命只有2 0 - - 1 0 0 小时。 7 ) 磨料水射流技术在切割厚度大的材料是速度非常慢，通常为电火花切割速度的 1 - - - 1 0 左右【2 8 】。 8 ) 磨料水射流切割较厚的材料时，会产生锥角。尽管降低加工速度可以控制锥角， 但是牺牲了切割效率。 9 ) 以机械臂为代表的多自由度空间切割的自动化技术应用还有待引入。而目前大 多数运动控制系统大多采用悬臂梁式和龙门式的二维数控工作台。 微磨料水射流技术及装置的研究 1 3 微磨料水射流的应用概况 1 3 1 磨料水射流技术的实践 二十世纪六十年代年，美国水射流研究机构教授诺曼弗兰兹博士申请了水射流切割 技术的专利。到七十年代，该实验室团队应用该技术在对硬木材料的家具为切割对象进 行切割，并获得理想的效果，引起了行业内外的广泛关注。n a 十年代，美国的研究机 构率先把其它自动化技术和数控技术整合到磨料水射流切割技术中，极大的推动了水射 流切割技术实用及商业化，并且使切割范围得到了延展。在国内外结合数控技术、计算 机辅助技术以及自动化等技术是发展的潮流，而这些水射流切割设备已成为国外主要的 航空公司、主要的汽车生产商等行业的标准设备。美国麦道飞机公司在1 9 8 8 年引入一 台空间磨料水射流切割机床，用于大面积板材和曲面板材的切割。而另一家大型的美国 飞机公司波音也引入磨料水射流切割机床，用于切割多层的碳纤维增强复合材料，其切 割速度能达到2 5 m j m i n ，比较传统的按模板剪切下料的工艺，不仅提高了生产效率、而 且节约原材料达2 0 【l 。对于复杂的空间薄板工件，普通的悬臂梁式和龙门式的水射流 机床就显得无从下手了，所以美国h u f f i n a n 公司在2 0 0 4 年开发出了六自由度的空间数 控磨料水射流切割机，整体的切割误差范围在达- - 0 0 2 5 + 0 0 2 5 m m ，其最大的特点就 是能够切割任意的空间复杂形状的工件【9 】。而我国长沙矿山研究院的高压水射流技术研 究所经过多年的努力开发出了g y s 4 0 0 型、g y s - - - 6 0 0 型等高压水射流发生器及a j c - - 1 型磨料水射流切割装置的基础上，研制出了4 0 0 m p a 磨料水射流切割机和前混合磨 料水射流切割机，技术水平处于国际先进行列，给我国的军工企业、航空航天领域以及 机械制造作出了很大的贡献。 根据美国市场调研机构f r o s ta n ds u l l i v a n 从1 9 7 7 至2 0 0 4 年对水射流设备应用的研 究报告显示，水射流加工的年增长率为9 1 ，是世界上成长最快的切割工艺之一【2 5 1 。 水射流特种) j n - r 技术的研究与应用受到了各国的高度重视，公认为二十一世界主流的切 割手段。一些国际知名度水射流公司，如福禄、海丹尼、杰特、奥麦等公司的重心纷纷 向中国转移，分别在中国上海、沈阳、香港等地设立分公司。就福禄一家公司就已经向 全世界四十多个地提供1 0 0 0 0 套水射流切割设备，显示出非常大的市场潜力。磨料水射 流的应用产品如图1 1 所示。 我国的水射流技术研究起步较晚，通过对国外先进水射流设备引进，吸收，消化， 改进和创新，发展较快。随着我国整体制造水平的提高，水射流技术逐步的成熟及可靠 性、维护性的提高，我国的水射流设备开发已初有规模，国产制造商典型的代表有南京 大地。现在，国内的水射流机床的应用对象或者应用比较成熟的绝大多数是切割石材、 8 在水射流技术不断提高和逐步应用在高科技领域的情况下，该行业在以后会有更加 优良的设备。而现在中国已经成为全世界的制造工厂，我国对高新技术的大力扶持，微 9 微磨料水射流技术及装置的研究 电机械、太阳能单晶硅和集成电路板等产业的逐步成熟，其相应的切割加工技术还相对 落后，而磨料水射流已经在单晶硅等切割领域显示出非常大的潜力，所以高端的水射流 特种加工技术在我国高端加工领域会有着非常明亮和广阔的前景。 表1 2 给出的是磨料水射流被应用于各行业，切割典型材料的数据【1 4 1 。 表1 - 2 磨料水射流切割参数 t a b l 2t h ed a t ao ft h ea b r a s i v ew a t e rj e tc u r i n g 材料盛黼蒿淼材料怒黼器盛怒 铝板 7 5 0 32 5 05 0 大理石 2 00 3 51 5 08 0 0 钛板 30 32 5 05 0 0 寨曩钧 o 3 52 5 0瑚 不锈钢 5 00 43 0 03 0 青铜 2 80 3 4 0 0 2 5 耐热钢4 5 0 43 0 0 2 0铸铁4 00 3 4 0 0 2 5 工具钢 3 00 43 0 07 5 碳纤维 30 34 0 04 0 玻璃钢 3 00 32 0 02 0 0 0 a ( 1 1 5 s i c ) 1 2 0 34 0 04 0 0 玻璃 2 00 31 5 05 0 0 蓑晨 5o 34 0 04 0 0 玛瑙 4 00 3 52 5 0 5 0 翼幕3 0 们2 5 05 0 0 翡翠4 50 3 53 0 04 0 婴委 。o 3- 。o 耍萎5 0 2 0 0瑚 锆玻璃 30 37 01 0 0 0 妻銎4 5 们2 0 00 0 钙玻璃 10 37 01 0 0 0 1 3 2 磨料水射流的切割成本 目前，板材加工手段主要是火焰切割、等离子切割、激光切割、电火花线切割以及 水射流切割等。所占的市场比例由切割成本、材料材料以及机床的采购价格直接相关。 下面介绍磨料水射流在一定时间内切割材料时所消耗的成本，不包括机床购置与人力资 源以及维修费用。 磨料水射流消耗成本有： 1 ) 工业用水的耗费。 2 ) 水射流机床系统用电的耗费。 3 ) 水射流切割中磨料( 石榴石、氧化铝及碳化硅等) 的消耗。 西华大学硕士学位论文 4 ) 水射流机床高压泵零件、高压管、止回阀和密封件等的更换和维护。 5 ) 水射流机床的磨料聚焦管的更换。 常用的聚焦管约长度约3 英寸( 7 6 2 m m ) ，直径约1 4 英寸( 1 9 0 5 r a m ) ，内径范 围从0 0 2 - 0 0 6 英寸( 0 5 0 8 - 1 5 4 2 m m ) ，常用的是0 0 4 英寸( 1 0 1 6 m m ) 。目前，聚 焦管常用材料属性如表1 3 所示。 长寿命聚焦管的发明促进了磨料水射流的发展，但是比以前的碳化钨管脆弱得多， 并且聚焦管破裂后是无法修复的。因此，需要操作者格外的关注。 表1 3 不同材料聚焦管属性 t a b l 3t h ep r o p e r t yo ft h ef o c u st u b ef o r d i f f e r e n tm a t e r i a l 6 ) 水射流机床中宝石喷嘴的更换。 水射流技术应用中常用的喷嘴材料有蓝宝石、红宝石及钻石三种。有