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TK69数控落地铣镗床关键零部件的设计,设计
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编号毕业设计（论文）外文翻译题目TK69系落地铣镗床关键零部件设计机械工程学院机械工程及自动化专业学号0401110435学生姓名恽旺旺指导教师武美萍教授二一五年六月磨料水射流切割中的条痕形成机理研究摘要本文旨在从切割前叶和条痕形成入手，研究磨料水射流切割的宏观机制。当磨料水射流切割以高移动速度切割某一特定类型或厚度的工件时，切割面将出现典型的条纹图案。本文也通过一系列的实验解释切割前叶阶梯的形成与条纹的形成之间的关系，实验包括使用目测法观察透明材料的切割过程，并与河道的蜿蜒和气力输送机弯手处的磨损进行对比。1引言磨料水射流切割是一种非传统的加工过程，使用高速水射流使坚硬的磨料粒子加速。由于速度快，磨料硬度高，粒子便能成功地切割工件。这个方法基本适用于加工任何材料，不受材料的成分，机构，硬度等其他物理性能的限制。这有助于解决传统加工方法无法成功加工各种新材料的问题。磨料水射流属于轮廓切割过程的一种加工方法，其中也包括激光束，等离子体和氧燃料切割，和电火花线切割加工。磨料水射流切割最重要的优势在于它能切割几乎所有的材料，可切割厚度仅有400MM的材料且无热影响区。然而相比较于在模具行业趋于成熟的电火花线切割加工，它未能达到令人足够满意的切割准确度和切割质量。造成这个的两个因素分别是切割表面的锥度和条痕形成。然而，目前可以用倾斜切割头完美弥补切割锥度这一不足，条痕形成的问题却仍未得到很好的解决。关于磨料水射流切割中的宏观机理领域以及更为详细的条痕形成方面的研究详细记载在由MOMBER和KOVACEYIC共同创作的一书中。切割表面的条痕结构非常典型，见图1（A）。从图中可以看出条痕的弯曲方向与切割方向完全相反，特定材料类型的厚度与条痕弯曲度取决于磨料水射流切割的强度与速度。切割面的顶部非常平整，而底部却是粗糙且呈波浪状。条痕表面具有不同的工艺参数。滞纹的使用如图1（B所示。图中也反映了条痕的弯曲与切割表面的粗糙度和波度之间的关系。条痕的形成过程与切割过程中切割前叶形状的改变密切相关。郭等人的论文中表明了条痕的形成是伴随水射流的振动产生的，而振动是由于将工件移动到与切割方向垂直的平面带来的。条痕形成的循环与切割前叶的阶梯循环有关。切割前叶的阶梯将导致条痕的形成。在论文中我们也能发现可能导致条痕形成的其他解释，包括A切割过程中的振动57B磨料水射流中磨料粒子动能的波纹分布C射流动能降低后的切割深度9。HASHISH第一个在切割透明树脂玻璃的过程中发现了阶梯的形成及其循环【10】。阶梯的名称就来源于其特定的外形。在ZENG和KIM的论文中【11】，他们解释了在用磨料水射流切割工件时，工件上部出现了一个顺滑的切割前叶，其中射流主要影响切割前叶，其次，偏离的射流将导致材料切割率的突然改变，因此曲度也将导致阶梯的初始化。阶梯的下游运动被归因于发生在弯管喷嘴的磨损状态下气刨的作用，因为阶梯就形成于最理想的磨损状态。DEAMETAL【12】表明切割前叶曲度的波动是切割过程中一个固有的特性，它不能因优化切割工艺参数而消除。本论文讨论了切割前叶阶梯形成的原因以及它的循环是如何影响条横形成的。论文也包括了一个著名以不同切割方法作用透明工件的可视化实验。首先，为了解释条痕形成的原因，本文将之与气力输送机的弯手处磨损进行对比。接下来，为了解释条痕形成的自动扩展过程，本文再将之与河道的蜿曲进行类比。（A）切割方向（B）俯视图，侧面图，仰视图1EXPERIMENTALWORK1实验步骤可视化实验的主要部分是用高速摄像机拍摄切割30MM厚的PMMA样本的整个过程（有机玻璃或者其他常见的丙烯酸玻璃）。实验中设备的整个设定见图2，摄像机摆在与切割头移动方向垂直的地方，照明设备放在与切割头移动方向相反的地方以保证实验中可清楚看到切割前叶。拍摄下来的照片经过图像处理软件的后期处理，将有助于大家根据拍下来的每个镜头绘出切割前叶的移动曲线。本实验中使用的数码摄像机型号是索尼XCHR50，该摄像机的帧频是60帧每秒，曝光时间是0001秒。切割实验中的所有工艺参数设置，除了切割速度均可参照表1。图2可视化实验的设备布置表1实验中的工艺参数水压MPA290水喷嘴直径MM025高压管直径MM08磨料粒子流速G/S56磨料材料GARNET80切割速率MM/S35,4,45,5,55,6靶距MM2为了更好地展示和解释条痕形成的问题，我们也进行了一系列的附加实验。第一附加实验旨在展示切割过程中水射流的振动，这也是实验中关于摄像机和照明设备摆放位置的设定改变的原因，如图2所示，以至于整个切割过程能被迎面拍摄下来。这个附加实验的工艺参数仍如表1所示，不进行改变除了之前使用过的切割速度6MM每秒。第二个附加实验旨在切割两张紧密连在一起的铝板AL6061T6，如图3所示。且为了获得关于切割前叶的瞬间外形，实验中会突然中断整个切割过程。两个铝板的尺寸均是35MM3MM60MM。在这个突然的中顿后两个铝板彼此分离，并接受了检测。整个实验中的工艺参数仍与表1所列一致，除了之前使用过的切割速度1MM每秒，在这个速度下可完全切断60MM厚的铝板样本。这一部分的实验将展示在第四节，这一节也将详细讨论条痕的形成机理。2结果与讨论实验中切割过程是从侧面拍摄完成的，并在切割速度35，4，45，5，55和6MM每秒的状态下分别对实验成果进行分析。切割速率的选择标准是30MM的PMMA样本及时在最大速度下也不会被切断。本文分析了每种速度下拍摄的多张照片，也因此绘制出了切割前叶的曲线。本文决定将所获得的切割前叶曲线以原始状态呈现，为了进一步深入分析，曲线采用六次多项式使之平滑。为了分析阶梯形成及其循环频率，切割前叶上能确定阶梯位置的一个小点是实验中所需要的。而最简便的方法就是找到曲线中的拐点，因为它就在几何学上确定了阶梯的存在。另一方面，阶梯的形成并不见于每一张拍摄的照片中。因此，实验要求定义另一个小点，而这个小点能在任何一张拍摄下来的照片中找到。这一小点便称为切割前叶曲线X0上的一个弯曲点，见图4这个小点的位置就在切割前叶曲线上明显弯曲的地方。当我们将工件顶部移到切割前叶下，并平行地观察该切割曲线的二阶倒数，弯曲点X0的位置就在二阶倒数局部最大值出现的地方。为了将不同切割速度下获得的切割前叶进行比较，实验要求注意观察曲线在弯曲点的倾角S。这也是要求计算切割前叶一阶倒数用以测定X0曲线坡度的原因之一。接下来，在每个获得的切割前叶上的倾角也被依次记录了下来，针对这六个切割速度的实验结果列在图510每个实验结束后都有300张照片拍摄出来，然后只有一些质量较好的照片才被放在了本文中，因为实验中溅出的水滴损毁了一些拍摄出的照片，这也是我们之前所提及的六次多项式影响下的平滑曲线得以使用的原因。图5（A10A反映了随时间变化的倾角S。考虑到摄像机的采样率，两个小点之间的所花的时间是每秒1/60图5B10B反映了所拍摄下来的切割前叶以及其弯曲点的位置。切割前叶曲线；弯曲点；切割前叶曲线的一阶倒数及其斜率；切割前叶曲线的二阶导数及弯曲点的测定图4切割前叶曲线上弯曲点的测定过程图5（A切割速度35MM/S下弯曲点上记录的倾角S，有180张切割前叶的连拍照片。B切割前叶曲线上的弯曲点，每一点都以圆圈标记。图6A切割速度4MM/S下弯曲点上记录的倾角S,，有250张切割前叶的连拍照片。B切割前叶曲线上的弯曲点，每一点都以圆圈标记。为了获得反映切割前叶上阶梯形成的主频率，我们对如图5A10A反映的结果进行了依次光谱分析。在弯曲点上对倾角进行典型的时间数列傅立叶转化结果如图11所示，对不同切割速度下光谱分析的结果如图12A所示。由于两个主频率均出现在4MM每秒的切割速度下，且两个值均被纳入了这一线图中。首先归因于一个转化现象，而这一现象未得到随后其他切割速度下其他的实验结果支持，另一个可能的原因是在这一特定切割速度下拍摄照片的清晰度的问题，因为实验中溅出的水滴可能对照片带来一定程度的损坏。尽管附加的平滑曲线可能通过改变切割前叶曲线的斜率带来另一附加频率。通过对时间数列外形的研究及光谱分析，发现了低频率更可能来源于阶梯形成循环的结果。如果形成频率和切割频率均被考虑进来，我们便可计算在一个阶梯循环下的切割头留下的路径，路径SJ的计算是按照以下等式来计算的1其中V表示切割速度，表示主频率。等式结果见图12B这一计算旨在还查看水射流参数和如HASHISH所述的阶梯循环之间的关系【13】。这也是象征用过的直径08MM的高压管的那条直线绘于图12（B的原因。HASHISH声称一个循环相当于和水喷嘴直径相等的横切长度。根据EQ1,对于水喷嘴直径08MM的频率应该从切割速率35MM/S的437HZ增加到切割速率6MM/S的75HZ从测量的数据中,很难得出当切割速率增加时，阶梯形成的频率是否增加。频率在6HZ之间变化，切割头的横向路径也在08MM之间变化，尽管在切割速度为55MM/S时，两个值之间有着很大的偏差。这可以认为08MM可能是高压水管的直径并且喷水嘴直径与08MM这一值有些许出入。为了获得在不同的切割速度下更多总结性的结果，以后应该进行更多在不同切割速度和喷嘴直径条件下的实验作为类比研究。图8A在切割速度5MM/S弯曲点上记录的倾角S,，有230张切割前叶的连拍照片。B切割前叶曲线上的弯曲点，每一点都以圆圈标记。实验的第二部分涉及切割PMMA样本和正面观察整个切割过程，用以展现切割过程中喷嘴的运动。图13展示的照片表现出喷嘴进入工件，即切割的开始。切割速度是6MM/S。在切割之初当喷嘴离开工件时，是观察振动的最佳时机。一旦喷嘴深入工件，它将反弹到切割前叶，并受切割阻挡墙的限制使其振动无法清晰看到。该实验结果如图13所示，描述了在不同时间间隔下十张连续照片。该实验中，拍照的帧速为25帧每秒，因此每两张连续照片之间的时间为004秒。从这可知，这十张连拍照片中喷嘴共改变了两次方向。第一次改变是在第五张照片之后，第二次是第九张照片后。因为切割前叶的阶梯导致喷嘴的偏斜，阶梯循环的持续时间将预计是从喷嘴倾斜的持续时间算起。在这个情况下，预计的时间间隔会是4帧或者016秒，频率为625HZ,关于这个现象的发生的详细解释将在下一节给出。图9A在切割速度55MM/S弯曲点上记录的倾角S,，有220张切割前叶的连拍照片。B切割前叶曲线上的弯曲点，每一点都以圆圈标记。4条痕形成机理磨料水射流切割的加工过程是很难近距离观察得到的。条横形成是一个三维立体的问题，它不能用简单的二维观察方法来详尽描述。这也是整个实验过程从两个方向来观察的原因。然而，由于磨料水射流切割速度之快以及比较危险多变的环境，大家尝试通过模拟一个在本质和技术上都相似的，且易于观察的加工过程来解释条痕的形成机理。因此，本文共发现了两个相似物，一个是河道的蜿蜒，另一个是气力输送机弯手处的磨损。切割过程中喷嘴的振动，以及之后产生的条痕机制，都可视为河道蜿蜒的类似过程。DEAM等人使用了相似的对比【12】以阐释磨料水射流切割的模型，因此，MOUNT就两者间的类似性可能变得更为清晰，给出了相关解释【14】图10A在切割速度6MM/S弯曲点上记录的倾角S,，有120张切割前叶的连拍照片。B切割前叶曲线上的弯曲点，每一点都以圆圈标记。图11在弯曲点的倾角时间序列的典型傅立叶转化。切割速度是45MM/S。图12A阶梯形成循环中测量出的主频率以及不同切割速度V；B在不同切割速度V和一个阶梯循环的条件下切割头的移动路径SJ。41河道蜿蜒和磨料水射流振动曲径指的是河流按照正弦曲线的形状弯曲的。一般而言关于河道的蜿蜒的原因有两种观点【14】。第一个观点认为它是对外部强制机制的回应，如排放量和泥沙供给。在这一观点中，河道的蜿蜒反应的是一条河为了维持能量效应，同时也能在整个流域中平衡能源消费。第二个观点认为它是对内在机理的回应，如河流的分流以及漩涡的形成。在这种观点下，河道的蜿蜒是来源于局部河床以及河岸的侵蚀阻力产生的基础上。河岸与河床的巨大差异导致河道的偏假如河流刚开始呈现的是一条笔直的河道，一旦发生局部断流，这一点上的也会有更多的物质被冲刷掉，这将导致河道的几何形状发生改变，因此带来河流流量的变化。于是一个对称的河道轮廓将促使河道倾斜，变得蜿蜒。流速快的地方一般是河道外围，它总是比河道内部要深很多。流速的差异导致河岸上的物质均从河道外部冲涮进且沉积在了河道内，这就产生了著名的曲流迁移。流速的差异也随着弯曲倾斜度的增加而变快，这也将导致河道内部的二次流加速河岸侵蚀的进程。图13水射流切割PMMA工件的连拍照片。切割速度是6MM/S。两张连拍照片的时间间隔是004秒。图14河流蜿蜒形状和切割过程中磨料水射流的衍化之间的比较从磨料水射流切割的角度来看，大家认为第二种观点真正解释了条痕形成的原因。河流在流动中也伴随着沉积，如果我们把这一过程想象成磨料水射流，河道中的切割前叶或者河床的微扰，当切割过程被正面观察时，切割前叶的阶梯和河道蜿蜒便可能被形成的条痕所替代（见图14）。当然河流的水平值是不同的，因为水射流或者说河流的维度和流速是不同的。然而为了完成这个解释，我们有必要确定切割前叶出现阶梯的真正原因，这个原因也将在下面章节中给出。42阶梯形成和气力输送机弯手处的磨损状况。由于磨料水射流的横截面是一个弧形，我们可以假设水射流形成的沟槽是圆形的。另一方面，切割前叶的形状是抛物线形，却也非常接近于一条切割作业产生的圆曲线【12】。这可以想象在使用磨料水射流切割过程中形成的沟槽状况，与弧度为90度的气力输送机弯手处非常相似，喷嘴下是磨料通过的地方。当然，其磨损过程相对于磨料水射流来说，并没有那么迅速，且两者之间的程度水平也是不同的，因为在气力输送的过程中，高压管直径越大，且流速也就越低。尽管这两者的运行过程在几何学上非常类似。现有很多针对喷嘴磨损情况的研究【1517】，而本文是基于来自BURNETT等人的研究成果【18】。在他们的研究中，应用的是一个半径为075M的软钢喷嘴，喷嘴的半径与高压管的直径的比率是1415，以此来确定穿刺点。该试验使用的磨料是橄榄石，气流速度是256M/S，空气中的磨料负荷率是293公斤/公斤，其磨损程度是利用摆放在喷嘴阻挡墙外围的45个超声波测厚传感器确定的。测量结果表面了最大磨损发生在弯曲度在10度和20度之间的磨料颗粒的最初撞击点，而另一方面穿刺点是在二次撞击点，此处的弯曲度是285度，这个的反生可能是由于第一次撞击后弹回的磨料颗粒向管道弹穿孔的轴线移动。这导致了在二次冲击区域颗粒影响强度的增大，磨损的加快并将工件刺穿。图15A反映了一个完全磨损的输送机喷嘴。经过仔细观察，可以看到管道弯曲处的磨损表面上清晰产生的波纹，波纹与凹形的柱面镜的畸变曲线非常相似。类似的情况见于管状的切割前叶沟槽。这次，第一个撞击点位于事先确定的切割前叶的弯曲点，第二个撞击点或穿刺点形成于切割前叶的阶梯上。由于射流是流动的，这个现象并不是非常明显。一旦射流的流动停止，与高压管穿刺的类似现象可见于图16而高压管内壁的波纹可与磨料水射流形成的切割表面上的条痕进行对比，实验步骤的第三部分即当切割过程中断时，得出的结论可见于图15B切割后形成的两半工件是从上往下俯视切割前叶，类似与俯视高压管。从一点上可以看出条痕与管道内壁上的波纹非常相似，这是因为切割前叶沟槽的外形影响着与在弧形喷嘴的磨料水射流的流向，也随之带来了条痕的产生。图15A一张完全磨损的输送机弯道的相片；15B有中断磨料水射流切割过程的两半铝片照片43条痕形成的完整表述为了完整地表述条痕形成的机理，我们需要将本文之前讨论过的两个类比纳入考虑。就河流蜿蜒而言，河流流向的偏差是由河床的摄动带来的。就磨料水射流切割而言，在切割前叶沟槽的摄动下便产生了阶梯。阶梯形成的原因可由一个相似的现象来解释，而大家都认为穿刺点就是阶梯的正相似的存在。在磨料水射流切割中，穿刺点并没有很明显，因为射流在不断流动，而喷嘴或者这种情况下切割前叶实际上与射流一起运动。对穿刺点的相似作用只有在射流流动终止的情况下才能被观察到。如果将切割过程比作蜿蜒的河道（图14），在水射流切割的过程中每次只能看到一个弯道的形成。当阶梯形成在切割前叶的沟槽中，由于弯面倾斜度和二次流的影响，不对称的沟槽将导致喷气流方向产生偏斜。在一个阶梯循环期间，切割面的一端将产生一道条痕，而那一面的沟槽一般较深，即条痕是阶梯一同形成的。而切割面的另一端受到弹回的射流影响，而因为射流的分散性导致了材料的去除率较低。由于水射流不断地流动，沟槽的表面也因此不断发生改变。当一个循环结束后，阶梯和条痕已经在前一个循环中相反的一侧产生。这也导致了条痕的形成过程开始自行加速，就如同河道蜿蜒的情况。为了给读者更为清晰的条痕形成过程，图17附上了其详细图表。图16当射流运动中止，水射流刺穿PMMA工件的连拍照片。这五张连拍照片的间隔是004秒。结论在使用磨料水射流切割的过程中，跟踪切割前叶的阶梯形成的方法已被提出。切割前叶的一个小点也得到了定义，它描述可阶梯形成初期的几何学特征，被称为切割前叶的弯曲点。通过一些切割过程中拍摄的连拍照片，阶梯形成循环的频率大致可以测算出来。测算方法是改变弯曲点切割前叶的坡度。基于HASHISH等人之后的研究可知【13】，影响阶梯循环频率上的切割速度的因素受到阻碍，因此频率并没与如期随着速度的增加而变大。本文实验结果并不能支持这一表述。为了证实其准确性，以后我们还需要在这方面做更多的研究。在磨料水射流切割过程中条痕的形成机理是通过两个从自然和科技领域找出的类比来解释的。通过河道蜿蜒的比喻，条痕形成被认为是有切割前叶的摄动造成的，它也间接带了了喷气流方向的倾斜。这些摄动也就成为了切割前叶的阶梯。第二个比喻就是关于90度的气力输送机的磨损情况。它将阶梯的形成比做了弯道刺穿，而刺穿的原因也可用来解释阶梯形成的原因。实验工作的第二部分表明了射流的振动与河道的蜿蜒非常相似，从中的出的结论是切割前叶沟槽的地貌学上的改变直接导致了磨料水射流流向的改变以及引起条痕的形成。最初的弧形沟槽导致了磨料颗粒的浓度增加，这就引起了阶梯的形成和磨料水射流流向的变化。因为这个原因，使用当前的磨料水射流切割技术，从根本上是无法避免条痕的形成的。参考资料1MKNAUPP,AMEYER,GERICHSEN,MSAHNEY,CBURNHAM,DYNAMICCOMPENSATIONOFABRASIVEWATERJETPROPERTIESTHROUGH3DIMENSIONALJETCONTROL,2002,INPROCEEDINGSOFTHE16THINTERNATIONALCONFERENCEONWATERJETTING,BHRGROUP,AIXENPROVENCE,FRANCE,2002,PP75892JZENG,JOLSEN,COLSEN,BGUGLIELMETTI,TAPERFREEABRASIVEWATERJETCUTTINGWITHATILTINGHEAD,2005,INPROCEEDINGSOFTHE2005WJTAAMERICANWATERJETCONFERENCE,WJTA,HOUSTON,TEXAS,2005,PP2A7A3AWMOMBER,RKOVACEVIC,PRINCIPLESOFABRASIVEWATERJETMACHINING,SPRINGERVERLAG,LONDON,19984NSGUO,HLOUIS,GMEIER,SURFACESTRUCTUREANDKERFGEOMETRYINABRASIVEWATERJETCUTTINGFORMATIONANDOPTIMISATION,1993,INPROCEEDINGSOFTHESEVENTHWATERJETCONFERENCE,VOL1,WJTA,SEATTLE,WASHINGTON,1993,PP1255JCHAO,ESGESKIN,YCHUNG,INVESTIGATIONOFTHEDYNAMICSOFTHESURFACESTOPOGRAPHYFORMATIONDURINGABRASIVEWATERJETMACHINING,1992,INPROCEEDINGSOFTHE11THINTERNATIONALCONFERENCEONJETCUTTINGTECHNOLOGY,BHRGROUP,STANDREWS,SCOTLAND,KLUWERACADEMICPUBLISHERS,1992,PP5936036MMONNO,CRAVASIO,THEEFFECTOFCUTTINGHEADVIBRATIONONTHESURFACESGENERATEDBYWATERJETCUTTING,INTJMACHTOOLSMANUF4520053553637MHASHISH,ONTHEMODELLINGOFSURFACEWAVINESSPRODUCEDBYABRASIVEWATERJETS,1992,INPROCEEDINGSOFTHE11THINTERNATIONALCONFERENCEONJETCUTTINGTECHNOLOGY,BHRGROUP,STANDREWS,SCOTLAND,KLUWERACADEMICPUBLISHERS,1992,PP17348FLCHEN,ESIORES,THEEFFECTOFCUTTINGJETVARIATIONONSURFACESTRIATIONFORMATIONINABRASIVEWATERJETCUTTING,JMATERPROCESSTECHNOL1352003159DAROLA,MRAMULU,MECHANISMOFMATERIALREMOVALINABRASIVEWATERJETMACHINING,1993,INPROCEEDINGSOFTHESEVENTHWATERJETCONFERENCE,VOL1,WJTA,SEATTLE,WASHINGTON,199
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