磨料水射流切割断面质量的研究.pdf

维普资讯 第 19卷第 5期 机械设计与研究 V01．19No．5 2003年 10月 MachineDesignandResearch Oct．，2003 文章编号 ：1006—2343(2003)05—054—03 磨料水射流切割断面质量 的研 究 杨 林， 张凤华， 唐川林 (株洲工学院 水射流研究所，株洲 412008) 摘 要 ：磨料水射流 (AWJ)在难加工材料切割 中得到广泛应用，但 由于切割断面存在斜条纹 限制 了AWJ的应 用。研究 了射流压力和切割速度对塑性和脆性材料切割断面质量的影响规律 ，通过对 AWJ切割机理和切割过程 的分析 ，探讨 了AWJ切割断面的形貌特征及其形成机理 ，认为是射流断面磨料动能的分布不均和射流的偏转滞后 造成 了A I切割断面斜条纹和 曲线及尖 角处的尖端 ，可以通过喷头摆动进给和切割速度补偿两种控制设计 方案 来 实现 AWJ的高效切 割 。 关键词：水射流 ；磨料射流 ；切割 ；断面质量 中图分类号 ：FH16 文献标识码 ：A 磨料水射流 (AbrasiveWaterjet，AWJ)是在高速连续水 因此 ，AWJ的切割能力主要由磨料参数 (材料 、形状、流量和 射流中加入磨料颗粒形成的高能磨料射流束 ，对材料具有极 粒度)和磨料动能大小决定的，其切割效果受工件材料性能 、 强的冲蚀和磨削作用 ，而不改变材料的力学、物理和化学性 射流系统参数 (磨料参数 、射流压力 、混合腔、水喷嘴及磨料 能 ，近年来在材料的切割、铣削和车削等加工 中应用 日趋成 喷嘴参数)和机械系统参数 (切割角度、速度、靶距 、执行机构 熟 。AWJ是唯一的冷态高能束切割技术 ，被认为是世纪优 精度)等众多因素影响。 先发展 的主流切割技术 。 高速磨料粒子对材料有两种破坏作用 ，一种是磨料对材 AWJ切割主要不足在于其存在粗糙斜条纹 ，通常采取 料冲击 、磨削的直接塑性破坏作用 ，另一种是磨料冲击材料 减小切割速度来保证切割质量，不能充分发挥其加工潜力 。 所产生的微破裂脆性破坏作用 ，实际上 ，AWJ切割任何材料 高精度和智能化是 目前 AWJ设备的发展方向，如何在保证 都存在这两种作用机理 ，只是其中一种作用 占优。 切割质量的前提下提高切割效率一直是 AWJ研究的热点， 1．2 AWJ切割过程及断面特征 众多学者对此进行 了大量的研究 1【-8]，但由于高速固液两相 虽然不同材料、不同工艺参数 的AWJ所产生的切割断 流的复杂性 ，AWJ切割是一个受 多因素影响 的复杂随机过 面形貌有所不 同，但都存在共同的特征 ：切割断面上部较光 程 ，目前还没有能较好地适应 AWJ切割特点的控制 系统 ，切 滑 ，下部为越来越明显 的斜条纹，未切穿时断面底部还存在 割质量主要还依赖于操作者的经验来保证 。 明显的凹坑区，如图 2所示 。根据 HaShish【_2对 AWJ切 割 1 AWJ切割机理、过程及断面质量 轨迹的可视化研究结果 ，一个切割段可分为初始段、稳定段 及结束段 ，如图3所示 ，切割断面 由上至下可分为切割磨削 1．1 AWJ切割机理 区、变形磨削区和反射冲蚀区。 如图 1所示 ，从水喷嘴喷出的高速水射流束在混合腔内 切割初始射流达到了最大切割深度 ，图