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文章编号10032079420040320048202 高压水射流切割技术和磨料水射流切割技术的机理分析与研究顾承珠,贺云花山东科技大学,山东泰安271121 摘要分析了水射流切割技术和磨料水射流切割技术的切割过程,列出了切割时的切割参数,定性分析了磨料水射流的切割机理和磨料水射流切割的主要相关规律。关键词水射流切割;磨料水射流切割;切割机理中图号 TG48文献标识码 B 1 水射流WJ切割技术如图1所示,水射流切割技术是用高压高速的水射流对工件表面进行材料切割的技术。 “水压切割机” 就是利用的这一技术。为了获得高压水射流, 管嘴的孔径被开为011～014 mm。为了得到充足的能量,压力要求达到400 MPa ,喷射速度要求达到 900 mΠs ,液体是通过1个压力泵来达到所需压力的。喷头部分由1个喷管和1个珠宝喷嘴组成,容器由优质钢制成;喷嘴则由红宝石、蓝宝石或金刚石制成。金刚石喷嘴用的时间最长但是成本也最高。过滤系统用来分离切屑。水射流切割技术中重要的是聚脂类液体,这种性质的液体可以使水射流保持连续性,水射流切割技术中的重要参数有补偿距离、喷嘴孔径、水压和进给速度。补偿距离指的是喷嘴与工件表面间的距离,通常情况下该距离应使水射流在喷射到工件表面前的发散程度最小,一般控制在 312 mm。喷嘴孔径的大小直接影响切割的精度。工件越薄,要求的精度越高,孔径应越小。切割较厚的工件时,要求有高密度、高压力的水射流。切割进给速度指的是喷嘴沿切割路径移动的速度,一般在 5～500 mmΠs之间,大小取决于工件材料的性质和厚度。水射流切割通常是由计算机里的程序和工业机器人控制和操纵喷嘴来实现的。图1 水射流切割 Fig. 1 Water jet cutting 水射流切割能够有效地在平板材料比如塑料、纺织品、地板材料以及地毯、皮革、硬纸板材料上切割出狭长的切口。根据在三维方向上切割工件的不规则性,比如切割和修剪装配前的自动仪表盘,在水射流喷嘴上安装了许多机器网格作为切割工具。在这些应用中,水射流切割的优点是不会像其他的机械加工或热加工那样划伤或烧伤工件的表面,同时因为狭长的切割口会将材料消耗降至最低,也没有环境污染,并且整个过程因采用了数字控制或工业机器人,自动化程度较高。水射流切割技术的局限性是不适合切割脆性材料比如玻璃 , 因为在切割的过程中容易爆裂。 2 磨料水射流AWJ切割技术当利用水射流切割金属零件时,为了使切割有效进行,必须往磨料水射流中添加磨料磨粒。这个过程称为磨料水射流切割,AWJ是磨料粒子与高速水速互相混合而成的液固两相高能束流。由于AWJ 是一种冷态的单点动能能源,对材料具有极强的冲蚀作用,并在冲蚀过程中不改变材料的力学、物理和化学性能,因此适于切割热敏、压敏、脆性、塑性和复合性等各种性质的材料,而且具有独特的切割效果和显著的技术经济效益。进入20世纪90年代以来,AWJ切割与激光切割、等离子弧切割等现代切割技术,正在形成互补并进的发展趋势。添加磨料磨粒必须改变许多控制参数,从而使整个过程变得复杂。在添加过程中需要控制的参数有磨料类型、磨粒大小和流速。常用的磨料有氧化铝、碳化硅和石榴石一种矽酸盐矿物 ; 磨粒尺寸通常在60～ 120目之间。添加磨粒到水射流的速度应当控制在射出喷嘴后大约0123 kgΠmin。与水射流切割保持相同的参数有喷嘴直径、水压和补偿距离。喷嘴孔径在0125～0163 mm之间。 3 磨料水射流的切割机理 AWJ切割过程是射流与材料之间的相互作用过程。在一定的切割进给速度下,磨料射流的一部分以恒定的速度射向材料;另一部分则随着射入深度增加切割效力减弱,于是切割面沿进给方向出现弯曲。弯曲切割面轴线与原射流轴线之间的角 84 煤矿机械 2004年第3期文章编号10032079420040320049203 变质处理M2高速钢的组织和性能研究宋绪丁长安大学工程机械学院,陕西西安710064 摘要用Y- K- Na对M2高速钢进行复合变质处理,研究了变质处理对M2高速钢组织和性能的影响。结果表明,M2铸造高速钢经Y- K- Na复合变质处理后,组织明显细化,共晶碳化物由网状分布变为块状和团球状,冲击韧性提高7017 ,耐磨性也明显提高,各项力学性能接近锻造 M2高速钢的水平。关键词铸造M2高速钢;变质处理;韧性;耐磨性中图号 TG142 ; TG15618文献标识码 A 1 前言高速钢是含有大量W、Mo、Cr、V等合金元素,具有二次硬化特性的耐磨、耐热工具钢,已在切削工具、冷热模具以及其他要求耐热、耐磨的各种工具或结构零件中广泛采用。由于高速钢中含有大量的网状共晶碳化物,脆性大,传统的消除方法是通过高温反复轧制或锻造,将铸锭中的网状共晶碳化物打碎。因锻造比的限制,对大尺寸铸坯芯部的碳化物则无法打碎,在锻造后的组织中经常出现带状碳化物偏析。由于晶界网状共晶碳化物的存在,锻造时易产生开度,从射流进入材料处逐渐增大,磨料射流也就沿进给相反方向偏转得越来越多。由于磨粒自身惯性较大,并不随水射流载体偏转,因而导致磨粒与水射流分离和磨粒在局部过分集中冲蚀。磨粒加速度越大,分离折射角越大,集中冲蚀就越剧烈。磨料集中冲蚀使得沿切割面的磨削量明显增加,从而在切割面上形成阶梯。在形成阶梯的过程中,阶梯以上的射流偏转角度不断增大,使射流越发偏离切割面,阶梯以下的磨削量则越来越小,且仅限于在局部继续维持磨削过程。从阶梯以下到阶梯与射流方向垂直为止,切割面形状在不断变化,此刻磨粒冲蚀的密度最大。随着切割进给,切割面沿进给方向重新转变为平滑切割磨削,上述的阶梯形成和由平滑切割磨削过渡到变形冲蚀磨削的过程又重新开始,即进入切割的循环过程。在切割循环过程中,整个切割面继续转变为行程间隔。由于磨料射流在切割过程中的偏转近似弧线,所以沿进给方向形成了弧形波纹间隔的切割断面。AWJ切割是一种流态磨削,磨料水射流随着对材料切割深度的增加,出现偏转和分离。材料断面上部为平滑切割磨削区,下部为变形冲蚀磨削区,断面形貌受过程参量等的影响而呈周期性循环变化。 4 磨料水射流切割的主要相关规律 1切割深度随水压、磨料硬度和切割次数的提高而增加,随切割速度的提高而减小,与靶距、磨料供给量和磨料粒度存在最佳值关系。2切口宽度与切割速度存在最佳值关系,最佳切速约为最高切速的1Π5。对花岗岩材料的冲蚀量随靶距约在100 mm以内的增大而增加。靶距在2～5 mm范围内, 对金属材料的冲蚀量最大。3磨料水射流对材料的切断面积速度,随材料破坏能量值的增大而减小。 4磨料水射流工业性切割的适宜参量为水压120 ～300 MPa ,靶距2～5 mm ,60目天然磨料,磨料供给量0125～016 kgΠmin ,一次切断,切割速度由材料性能、厚度和断面质量要求而定。参考文献 [1]国家自然科学基金委员会.先进制造技术基础[M].北京高等教育出版社;德国施普林格出版社,1999. [2]盛晓敏.先进制造技术[M].北京机械工业出版社. 作者简介顾承珠1962 - ,山东曲阜人,山东科技大学西校区机械系副教授,硕士,主要从事机械制造专业的教学与科研工作. Tel 0538 - 8496453. 收稿日期2003212224 The analysis and study of the mechanism of water jet cutting and abrasive water jet cutting GU Cheng-zhu, HE Yun-hua The Science and Technology University of Shandong ,Tai’an 271021 ,China Abstract This paper analyzes the cutting process of water jet cutting and abrasive water jet cutting ,demonstrates the cut2 ting parameters for cutting ,analyzes the cutting principle and related regulars of abrasive water jet cutting in quality. Key wordswater jet cutting; abrasive jet cutting; cutting principle 94 2004年第3期煤矿机械