水射流加工完

水射流加工姓名：王劲雄专业：08级机械设计制造及其自动化1班摘要水射流加工技术是近三十年来迅速发展起来的一门新技术。水射流切割工作原理是首先通过转能装置(泵或增压器)，将发动机(电机或内燃机)的机械能转变成低速水的高压能；接着通过喷嘴小孔喷出高速射流，将压力能转换成高速水射流的动能；最后当高速水射流冲击加工工件时，动能又重新变成作用于材料表面的压力能，当该压力能超过材料的断裂强度时材料就被切割。水射流切割有以下一些优点：切割中无粉尘与烟雾污染；不会产生热变型；不需刃磨刀具，不需调整更换刀具；容易实现自动化；可加工热切削无法加工的材料，且不受材料厚度的限制；切缝小，切割质量好，成本低等。由于水射流切割技术有如上所述的优点，所以受到工程技术界广泛重视。在工业中推广应用，它与激光束、电子束和等离子切割，合称现代工业切割的四大高新技术。水射流除用于切割之外，还可用于除锈、清洗等方面，涉及到医学、国防、机械、城建等许多领域。本文重点讨论水射流加工的设备组成及应用方向，发展趋势，以及对水射流相关工艺参数的分析讨论等。关键词水射流加工优点点加工应用工艺参数第一章工作原理及其基本机构1.1工作原理水喷射加工的基本原理是利用液体增压原理，通过特定的装置（增压器或高压泵），将动力源（电动机）的机械能转换成压力能，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，从而形成高速射流，喷射到工件表面，达到去除材料的加工目的。如图1.1所示，贮存在水箱中的水经过滤器1处理后，由水泵抽出送至由液压机构驱动的增压器增压，水压增高。然后高压水通过蓄能器，使脉动水流平滑化。高压水与磨料在混合腔内混合后，由具有精细小孔的喷嘴（一般由蓝宝石制成）喷射到由工作台固定的工件表面上，射流速度可达300-900m/s（约为音速的1-3倍），可产生如头发丝细的射流，从而对工件进行切割、打孔等。水喷射加工系统主要由增压、供水、增压恒压、喷嘴管路、数控工作台、集水和水循环处理等系统构成。如果是磨料射流加工装置，则还有磨料与水的混合系统。其中增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分，增压器获得高压是利用大活塞与水活塞面积之差来实现的。增压器的工作原理图见图1.2。（Ｐ—压力；Ａ—活塞面积），增压比即大活塞与小活塞面积之比，通常为（１０-２５）：１，因此增压器输出高压水压力可达１００-７５０ＭＰａ。集水器的作用主要是回收喷射水和磨料，通过水循环处理系统处理后，供水箱重复利用。一般在集水器内放入金属球，从工件背面喷出的水射流，经金属球的旋转对其产生缓冲作用，从而使水射流的能量快速消减。图1.1图1.21．2磨料水射流设备的研究现状磨料水射流切割系统有如下部分组成：1．2．1液压系统液压系统主要由油压部分、水压部分以及辅助设备等组成，其主要作用是提供稳定的高压水[21。以PH值为6．8、精滤且压力为O．4．0．9MPa的软化水或反渗水、混合层软水供给增压系统。水质将影响喷嘴的使用寿命和整个机器的工作质量。水在400MPa下会产生大约12％的收缩，蓄能器的功能是补充其收缩，使水压变化保持在±5％之内，以维持输送连续、稳定的流体到喷嘴。1.2．2喷头喷头的主要部件是喷嘴，纯水切割头包括高压水开关阀，水喷嘴。磨料水射流还包括使磨料与水相混合的混合室，以及混合后的喷嘴，如图1.3所示。喷嘴是磨料水射流的关键部件之一，喷嘴材料必须具有高硬度、高耐磨性，按原理可分为机械加工和特种加工两大类。迄今为止，喷嘴的设计和使用寿命仍未达到满意的程度。图1.3喷嘴内部几何形状和尺寸是影响磨料水射流结构和动力特性的主要因素之一。尤其是在系统基本参数一定情况下，改变喷嘴的内部形状和尺寸是调整和优化射流结构，加速磨料颗粒速度，提高射流冲蚀性能，获得最佳切割效果的主要手段。常用喷嘴内部基本结构如图1．4所示，分为圆锥收敛型喷嘴、圆锥带圆柱段型喷嘴和流线型喷嘴。]通过大量的实验发现圆锥带圆柱段型喷嘴收缩角，圆柱段长径比为l／d=2．5．3，收缩段与入口和出口圆柱段采取平滑过渡的倒角的时候，喷嘴的加速性能和收敛性能最佳。证明收敛型喷嘴和喷管型喷嘴使试样产生的质量损失差别很小，但是喷管型喷嘴获得最大质量损失的靶距要远远小于收敛型喷嘴。比较合适的喷嘴形状为：对于收敛型喷嘴。对于喷管型喷嘴，≥2d。出口扩散角大于30。时对水射流的形成没有影响，如图1．5所示。利用有限的实验数据建立数学模型，并对其进行优化，可以在一定的压力条件下，使喷嘴的输出功率达到最大值，从而达到提高水射流效率及降低耗的目的。图1.4图1.51.2．3辅助剂供给及控制系统其作用是向射流中加入一定量的磨料或化学添加剂以提高射流性能、切割效率o1．2．4数控系统数控系统控制工件与喷头的相对运动，使切割运动按给定的轨迹进行1．2．5废液回收处理系统主要负责回收废液，使磨料、化学添加剂循环使用，不至于污染环境。第二章加工特点应用及新技术2.1水切割加工技术的特点水射流加工有两种类型：纯水射流，磨料水射流。纯水射流顾名思义就是利用高压高速水流对工件冲击作用来去除材料的，是最早的水切割方法。第一次商业应用始于20世纪70年代中期，用于切割瓦楞纸板。磨料水射流是高速水射流束与磨料粒子相混合形成的液固两相介质流，利用高速射流带动磨料粒子，通过水蚀冲击和磨料粒子锋利的棱角进行切割。与纯水射流相比，磨料水射流主要是通过磨料颗粒侵蚀材料，切割能力强大成百上千倍。二者都有其用武之地。纯水射流可切割软质材料，而磨料水射流则切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷。最常用的磨料是石榴石。高压水射流切割技术之所以能够迅速地在实践中得到应用和关注，是与其具备鲜明的技术特点，能够满足日益增长的社会生产需求分不开的，与其他诸如机械切割、火焰切割、激光切割、等离子切割相比，高压水射流切割具有其独特的优点：(1)加工范围广。可以加工不同材质的工件，可以加工某些难以用传统加工方法切割的材料，几乎不受被切割材料的限制：(2)加工能力强。可切断180Inm厚的钢板．250IIlm厚的钛板，470层每层厚达65n埘的石墨环氧树脂合成板等；(3)无接触切割。水射流属于点切割，切割反作用力极小，不会产生附加应力变形，对于薄壁零件的切割十分有利：(4)冷加工方式。由于水本身就是切割工具和最佳冷却液，因此切割过程中所产生的热量绝大部分被迅速带走，不产生热变形和金相组织变化，因此可以有效地进行热敏材料、易燃易爆材料和易变性材料的切割，如军事和消防中的水射流切割排爆；(5)便于实现一机多能和自动化、数控化。高压水射流是全方位点切割器，无须打孔，可以在任一点切割出复杂形状，因此程序化和数控操作十分便利。另外采用CAD／CAM控制加工，可以达到高精度，重复加工能力强；(6)材料利用率高。切割缝隙(纯水切割的切口约为.1-1.1mm，磨料水射流的切口约为O．8～1．8mm)及切割边缘都很小，切割可以精确控制，因此样板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一块材料，减少废料；(7)应用灵活、适用广泛。高压水射流的最终执行机构是切割头，其余均为辅助单元。因此，利用高压软管将切割头和辅助设备分开，可以远距离、独立、灵活地使用。国外商业应用中已经有缘壁切割机、机器人除锈、清洗等设备，从高空到水下都可以应用：(8)卫生、环保。因为是湿切割，比较清洁卫生，可以切食品、药物、器官等，也可以避免某些粉末材料产生灰尘，如石膏、石棉、纤维、纸张等，尤其适用于有防火要求的作业场合；(9)切口质量好。切口表面平整光滑，棱边无毛刺，切割速度快。在切割过程中，完全可以作为某些工件的最终工序。水切割加工优点甚多，但也有局限之处，目前有待克服、改进或解决的问题主要有：(1)切割进给速度相对较慢。比火焰切割慢10-100倍，因而成本较高；(2)固定投资大。进口一台比较复杂完善的系统约需l0-60万美元不等，国产设备亦需30-40万元；(3)喷嘴磨损严重。一般的碳化钨喷嘴其寿命只有2-4h，蓝宝石5-100h，红宝石50-lO0h，钻石800-2000h，因而加工成本较高；2.2加工应用众多的切割手段中，只有水射流切割属于冷态切割，直接利用加磨料水射流的动能对金属进行切削而达到切割目的，切割过程中无化学变化，具有对切割材质理化性能无影响，无热变形，切口窄，精度高，切面光滑，清洁无污染等优点，可加工传统加工及其它加工方法无法或难于加工的材料，如特种钢板(图1)、玻璃、陶瓷、复合材料(图2)、反光材料、化纤、热敏感材料。随着人们对水射流切割技术了解的进一步加深，市场逐渐认识到水切割技术在金属切割行业的独特优势。以激光切割为例进行比较，激光虽然在切割速度方面要远远优于水切割，但一般而言激光无法切割大于16mm的金属板，而且激光切割材料的周边仍有一定的热影响区，水射流切割金属材料厚度一般可达50mm以上，并且对材料无任何影响，再加上水射流对切割材料没有限制。综合这些因素，很多原先选择激光或其它切割手段的用户转而选用水射流切割机。图2.1水射流切割圆锥齿轮图2.2水射流切割厚钢板其典型应用如下：(1)切割金属的粗糙度达1．6um，切割精度达±0．10mm，可用于精密成形切割；(2)专用于有色金属和不锈钢的切割中有着独到之处，无反光影响和边缘损失；(3)复合材料、复合的金属、不同熔点的金属复合体与非金属的一次成形切割；(4)低熔点及易燃材料的切割，如纸、皮革、橡胶(图5)尼龙、毛毡、木材、炸药等材料；(5)特殊的场地和环境下切割：水下、有可燃气体环境；(6)高硬度和不可溶的材料切割：石材、玻璃、陶瓷、硬质合金、金刚石等。2.3新技术在水射流应用在金属切割行业中，追求高质量，高效率的直接成形加工，是目前国际上的发展趋势，“水射流切割机正是针对这种需求而在相关的技术应用上不断创新。2.3.1高精度的数控机床随着包括精密滚珠丝杆，伺服电机，谐振减速单元等技术的出现，机床可以达到更高的位置精度，反向间隙补偿，重复定位精度的提高，机床制造厂商将更大的精力投入到分析机床几何误差产生的原因，通过采用球杆测量仪和激光干涉仪等高精度测量器具检测机床几何精度并建立误差映射表来给予精度修正，以此制造高精度机床。2.3.2大功率超高压系统提高水切割的能量，将提高切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割机的压力和最大输出流量成为影响切割能力的主要参数。目前，国际上对此也在做进一步地研究和试验，试验证明，当压力达到700MPa以上时，也可以用清水切割薄钢板和较硬的复合材料，这样进一步提高增压器的压力，可大大提高水切割机的切割能力。另一方面，在同等的压力之下，提高射流的流量，即加大射流的功率也一样可提高切割能力，因此而产生多增压器并联技术：在对现有系统不做大改动的提下，采用多增压器并联技术(图2.3)，即将两个或多个高压发生器并联使用，可以很方便地提高增压器的输出流量，采用大口径喷嘴进行切割，这样水射流有效切割能量更大，切割效果更好。图2.3并联增压系统2．3五轴水切割技术一自校正切割众所周知，激光、气体等离子、射流等切割手段，由于能量梯度的作用，切缝越深时(距喷嘴越远)，切割能力越差，所形成的切割面往往不是垂直于工件表面的，称之为切割斜度。虽然通过提高切割能量或是降低切割速度可以部分降低切割斜度，但是依然存在不能垂直的问题。国际上已有商用产品。其原理是通过在原有的三轴XYZ平台上再增加两个旋转轴，实现刀头的任意摆动，利用预先在系统中设置的斜度模型，通过对切割轨迹的实时计算，再考虑被切割工件的材料和厚度进行修改，在切割过程中不断的摆动切割头，使得切割出来的工件达到完美的无斜度的状态。（如图2.4）图2.42.4结合最新的CAM软件为大辐度地提高“水刀”的切割效果，引进了先进的水切割专用NEWCAM软件，CAD模块具有模块化编程，自动排版套料，如图lO所示jCAM模块具有拐角自动减速，切断自动减速等特性。通过在拐角处与切断点降低程序速度，解决水切割因水射流的滞后效应引起的拐角过切现象与程序结束点无法切断的情况，有效地提高辅助设计、切割效果的质量和效率。第三章工艺参数的影响3.1喷射压力微磨料浆体射流加工时，不同喷射压力(6、8、10、12、14，单位：MPa)对工件加工后的工件显微形状、工件去除质量、孔深、孔径影响结果见图3.1和图3.2所示。图3.13.1.1实验结果分析(1)对孔型的影响：由加工孔的正面、侧面显微照片(见图3．2(a))可以看出，随着压力的升高，孔的正面破碎深度明显增加，不过整体上孔的圆度变化不大。压力的增加，在喷嘴直径突变处浆体获得的速度越大，即浆体的动能越大，这样碰撞在工件上，由动能转变而来的压力能越大，即射流对工件的打击力越大。孔型的变化除了压力的影响外，还受喷嘴的刚度和耐磨性的影响。因为本实验采用的四号半不锈钢针头，受射流的反溅力和急速喷出的浆体的磨损双重作用，喷嘴磨损严重，孔的破碎面是偏向一个方向的。（2)对孔径、孔深的影响：由图3．2(a)和(b)可以看出，当压力高于1OMPa时，孔径随着压力的升高而明显变大。这是因为压力增加时，一方面单位面积上磨料粒子的动能增大，打击力提高，另一个方面喷嘴内的浆体流图3.2喷射压力对钻孔影响动状态从层流变为紊流，射流发散严重，射流冲蚀面积变大，故当压力处于6～12MPa时，孔深受压力升高的影响程度比孔径大一些，但当压力高于l2MPa时，孔深的增长速度变慢。这也可以用水龙头的水流现象来解释。当水龙头拧开一点的时候，流出的水是细且比较直的层流，但随着水龙头拧大，流出的水急剧涌出，水流发散越厉害是同一个原因。3.2喷射时间微磨料浆体射流加工时，不同喷射时间(15、20、25、30、35，单位：S)对工件加工后的显微形状、工件去除质量、钻孔深度、钻孔直径影响结果见图3.3图3.3图3.4喷射时间对钻孔影响实验结果分析如下：(1)对孔型的影响：由加工孔的正面、侧面显微照片(见图3.4(a))可以看出：当时间超过25s时，孔的正面破碎深度明显增加，且圆度明显变差；且根据对30s和35s的孔正面图的显微观察发现，有部分还是呈现较好的圆形，所以圆度变差主要是不锈钢针头的磨损加剧的缘故。(2)对孔径、孔深的影响：由图3.4(a)和(b)可以看出，孔径随着喷射时间的增加而增加，且增加速度先慢后快；孔深随喷射时间的增长趋势近乎成线性关系。这是因为石英玻璃的初始表面光滑，当喷射时间较短时，溅射在石英玻璃表面的射流易向四面八方反溅，故孔径增加缓慢；但当孔深扩大到接近射流的发散段时，射流一次冲击工件后，孔内壁反溅，从孔内对孔径进行二次加工，故当时间超过30s后，孔径和孔深增加都变快。4．1．3喷射靶距微磨料浆体射流加工时，不同喷射靶距(1、2、3、4、5，单位：ram)对工件加工后的显微形状、工件去除质量、钻孔深度、钻孔直径影响结果见图3.5和图3.6所示。图3.5图3.6喷射靶距对钻孔的影响实验结果分析如下(1)对孔型的影响：由加工孔的正面、侧面显微照片(见图3.6(a))可以看出：喷射靶距越大，射流易在工件表面产生浅而宽的凹坑；当喷射靶距为lmm时，工件与针头底部间相隔较近，由工件表面反溅起的射流对喷嘴进行冲击磨损，导致喷嘴磨损严重，因此加工出来的孔正面图变型及破碎最厉害。五个靶距的加工顺序是2mm、4mm、1mm、3mm、5mm，孔的正面图表明了不锈钢针头的磨损程度。(2)对孔径、孔深的影响：由图3.6(a)和(b)可以看出，孔径随着喷射靶距的增加而先减少再增加，且增加速度先慢后快；孔深随喷射靶距的增加先增加再近乎成线性减少。靶距为lmm的与2mm的相比，孔径增大，孔深减小，主要原因一是靶距越小，射流对工件表面的打击力越大，玻璃产生裂纹所需的时间越短；二是反溅射流产生的二次冲击导致喷嘴孔径变大；三是虽然两者都是使用射流核心段进行加工，由于石英玻璃的初始表面光滑，打击力越大的射流反溅越厉害，故仅在石英玻璃的浅表面处加工，相当于扩孔。当靶距大于2mm后，射流开始使用发散段进行加工，故孔径开始变大；而靶距的增大导致射流打击力变弱，孔深逐渐减少。3.4磨料浓度微磨料浆体射流加工时，不同磨料浓度(即磨料与水的质量比，分别为118．5、148．5、166．2、191．1、213．4，单位：g／L)对工件加工后的显微形状、工件去除质量、钻孔深度、钻孔直径影响结果见图3.7和图3.8所示。(1)对孔型的影响：由加工孔的正面、侧面显微照片(见图3.8(a))可以看出：磨料浓度的增加，对孔的圆度影响不大；但不同磨料浓度所产生对孔的打击力不一样，这可由孔的侧面图看出。148．5g／L和166．2g／L对应的侧面图较通透；166．2g／L对应的孔侧面有点歪斜，这是由于不锈钢针管在加工过程中由于刚度不足歪斜的缘故。(2)对孔径、孔深的影响：由图3.8(a)和(b)可以看出，磨料浓度增加，孔径缓慢增加，原因是磨料浓度增大，针头孔径变大。孔深随磨料浓度的增加先呈线性增加再减少，且减少趋势为先快后慢。图3.7图3.8磨料浓度对钻孔的影响3.5工艺参数影响总结通过单因素实验研究了微磨料浆体射流在厚度为6mm的石英玻璃上钻孔时喷射压力、喷射时间、喷射靶距、磨料浓度4个工艺参数和钻孔效果(正面图、侧面图、孔径、孔深、材料去除质量)之间的关系。结论如下：(1)四个工艺参数对钻孔的效果的影响，都包含了四号半不锈钢针头钻孔过程中的磨损影响。喷射压力、喷射时间和磨料浓度增加时，不锈钢针头磨损越厉害，