磨料水射流切割工艺参数的实验研究

３ 实验研究
３．１ 射流压力对切割深度的影响
实 验 中 射 流 压 力 ｐ 分 别 取 ４、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、９、 １０ＭＰａ 十个等级。其他实验条件为： 切割速度 ｖ 为 ０．４８ｍ／ｍｉｎ，靶 距 Ｌ 为 ３５ｍｍ， 磨 料 流 量 Ｑ 为 ６．６ｋｇ／ｍｉｎ， 磨 料 粒 径 Ｄ 为 ０．２１２ｍｍ， 材料取 Ｃ３ 试块。射流压力与切割深度的实验值及回 归曲线如图 ２ 所示。
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中图分类号： ＴＧ６６４ 文献标识码： Ａ
１ 引言
磨料水射流（ Ａｂｒａｓｉｖｅ Ｗａｔｅｒｊｅｔ， ＡＷＪ） 是 高 压 水 射 流 技 术 的 一个分支， 它是以高压水射流为载体， 将磨料粒子与水射流混和 加速后实现对物料的作用。影响磨料水射流切割深度的工艺参 数很多， 其切割机理较为复杂， 目前还尚未形成统一的理论。通 过大量实验研究， 人们普遍认为影响磨料射流切割深度的因素 主要有动力参数的射流压力与喷嘴直径、切割参数的进给速度 与 靶 距 、磨 料 参 数 的 磨 料 流 量 与 磨 料 粒 径 等 。［１－３］以 磨 料 水 射 流 切割混凝土为例， 考 察 射 流 压 力 、进 给 速 度 、靶 距 、磨 料 流 量 、磨 料粒径和材料性能等工艺参数对最大切割深度 （ 以下简称为切 割深度） 的影响。
尺寸对加工表面质量影响则较为明显， 磨料尺寸越大， 加工面越
粗糙。因此， 对于磨料参数主要考虑磨料粒度和磨料流量对切
割深度的影响。
３．２．１ 磨料粒径对切割深度的影响
实 验 中 磨 料 粒 径 Ｄ 分 别 取 ０．１８０、０．２１２、０．２５０、０．３００、 ０．３５５、０．４２５、０．５００、０．６００、０．７１０、０．８５０ｍｍ 十 个 等 级 。 其 他 实 验 条件为： 压力 ｐ 为 ６ＭＰａ， 切割 速 度 ｖ 为 ０．９１ｍ／ｍｉｎ， 靶 距 Ｌ 为
磨料水射流切割工艺参数的实验研究
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阴 妍 鲍久圣 段 雄（ 中国矿业大学 机电工程学院， 徐州 ２２１００８）
Ｅｘｐｅ ｒｉｍｅ ｎｔａ ｌ ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｏｆ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｉｎｇ ｐａ ｒａ ｍｅ ｔｅ ｒｓ ｉｎ ａ ｂｒａ ｓ ｉｖｅ ｗａ ｔｅ ｒ ｊｅ ｔ ｃｕｔｔｉｎｇ
１２０ｍｍ， 磨料流量 Ｑ 为 ４．０ｋｇ／ｍｉｎ， 材料取 Ｃ３ 试块。磨料粒径与 切割深度关系的实验值及 Ｄ－ Ｈ 回归曲线如图 ３ 所示。
图 ３ 表 明 中 等 粒 径 的 磨 粒 （０．５００ｍｍ）比 细 （０．１８０ｍｍ 或 更 细）和粗（０．８５０ｍｍ 或更粗）的磨粒效果好。这是因为决定被切 割
Ｎｏ． ４ Ａｐｒ．２００７
机械设计与制造
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切割深度 （Ｈ ｍｍ）
１３０ １２０ １１０ １００ ９０ ８０ ７０ ６０
０
２
４
６
８
１０
磨料流量 Ｑ（ｋｑ／ｍｉｎ）
图 ４ 磨料流量与切割深度的关系 （“×”点为实验值，“－ － － － ”为回归拟合曲线）
２ 实验条件
切割系统： 实验采用的前混合磨料射流数控切割系统见图１。 切割材料： 泡沫混凝土试块 Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５。
＊ 来稿日期： ２００６－ ０９－ ２７
５ ６
７ ４
３
１
Ｄ２
８ ９
１０
１１
ＰＣ
图 １ 前混合磨料射流系统简图 １．水泵 ２．电机 ３．单向阀 ４．安全阀 ５．压力表 ６、７．球形截止阀
８５ ８０ ７５ ７０ ６５ ６０ ５５
切割深度 （Ｈ ｍｍ） 切割深度 （Ｈ ｍｍ）
１５０
５０
０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ ０．９
磨料粒径 Ｄ（ｍｍ）
１００
图 ３ 磨料粒径与切割深度的关系
５０wenku.baidu.com
（“×”点为实验值，“－ － － － ”为回归拟合曲线）
０
２
４
６
８
１０
１２
８．磨料罐 ９．混合腔 １０．喷嘴 １１．数控系统 检测手段： 切口的深度用刻度探针和游标卡尺沿切口每 ５ 毫米测量一次， 取其平均值作为测量的切割深度。 整个切割实验采用一次切割法， 并且使磨料射流从试件的
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阴 妍等： 磨料水射流切割工艺参数的实验研究
第４期
边缘切入， 以防止射流反溅影响切割质量。在实验过程中， 只改 加速， 而且对混凝土的冲击频率也较高， 但由于其质量轻， 最终
关键词： 磨料水射流； 切割深度； 工艺参数 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｉｎ ＡＷＪ ｃｕｔｔｉｎｇ， ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｅａｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ． Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＡＷＪ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔ． ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ＡＷＪ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｔｅｒｊｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｍｏｖｉｎｇ ｓｐｅｅｄ， ｔａｒｇｅｔ ｓｐａｃｅ， ｆｌｕｘ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ａｂｒａｓｉｖｅ， ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ＇ｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｊｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｉｎｅａｒｌｙ， ｇｒｏｗｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ｏｆ ａｂｒａｓｉｖｅ ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｎｇｅ， ｆｉｒｓｔｌｙ ａｄｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ａｂｒａｓｉｖｅ， ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｄｅｃａｙｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｓｐｅｅｄ， ｈａｓ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｔａｒｇｅｔ ｓｐａｃｅ， ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＡＷＪ ； Ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ； Ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ
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第４期 ２００７ 年 ４ 月
文章编号： １００１－ ３９９７（２００７）０４－ ０１０７－ ０３
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
射流压力 ｐ（ＭＰａ）
图 ２ 射流压力与切割深度的关系
（“×”点为实验值，“－ － － － ”为回归拟合曲线）
３．２ 磨料参数对切割深度的影响
磨料射流之所以表现出巨大的切割能力， 其最重要的原因
就在于射流中含有 高 硬 度 、高 耐 磨 性 的 磨 料 颗 粒 。 硬 度 低 的 磨
料切削能力低， 磨料性质对加工表面质量的影响不明显， 而磨料
实 验 中 磨 料 流 量 Ｑ 分 别 取 ０．５、１．６、２．４、３．１、４．０、５．２、６．６、 ７．０、７．７、８．８ｋｇ／ｍｉｎ 十个等级。其他实验条件为： 压力 ｐ 为 ８ＭＰａ， 切 割 速 度 ｖ 为 １．２６ｍ／ｍｉｎ， 靶 距 Ｌ 为 ９０ｍｍ， 磨 料 粒 径 Ｄ 为 ０．８５０ｍｍ， 材料取 Ｃ３ 试块。磨料流量与切割深度关系的实验值 及 Ｑ－ Ｈ 回归曲线如图 ４ 所示。
水射流的喷射压力是影响水射流切割的一个重要参数， 它 决定了射流对材料的破坏能力。在一定的喷嘴尺寸和结构下， 水压主要影响到射流的速度， 水压越大， 水射流的速度就越高， 其动能也越大， 磨粒也能获得更大的动能， 射流切割能力增加， 因此， 能够达到的切深就越大。在特定的条件下， 存在最小临界 值， 当水压小于该值时， 射流不具有切割能力， 将图 ２ 的压力 － 切 深关系曲线延伸到与压力坐标轴相交， 就得到了最小切割压力。
材料破坏能力的是磨料水射流总的打击力和磨粒的微切削作
用， 以及磨料水射流的冲蚀作用。当磨料浓度一定时， 粒径越小，
射流中总的颗粒数越多。小颗粒的质量小， 容易被加速， 而大颗
粒则难以被加速。当磨料射流中的颗粒粒径较小时， 虽容易被
３．２．２ 磨料流量对切割深度的影响
对于一定粒径的磨料射流来讲， 磨料流量反映了射流中磨 料颗粒数量的多少， 影响到对材料的冲击频率， 因此它对切割深 度也必然会产生影响。
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慢，导致其切割能力下降，所以粒径太大时，切割深度也会减小。 另一方面， 磨料颗粒是有锋利棱角的粒子， 把特别细的磨粒尺寸 增大时， 磨粒的锋利程度也会增加， 对混凝土的微切削作用的冲 蚀能力都增加， 使得切割深度增加； 而当磨粒尺寸增大到一定数 值时， 再增加磨粒尺寸， 磨料粒子太大， 表面相对较光滑， 锋利程 度减小， 对混凝土的微切削作用和冲蚀能力都有所减弱， 也会使 得 切 割 深 度 减 小 。综 合 这 两 方 面 的 原 因 ，必 然 存 在 着 一 个 最 佳 的 粒径值，既使射流中具有足够多的颗粒数，又使得颗粒获得足够 大的动能，从而保证最有效地切割混凝土。
变其中一个工艺参数， 而其他参数保持不变， 根据得出的实验数 获得的动能也小， 因此对混凝土的冲蚀能力较弱， 此时的切割深
据画出每个工艺参数对切割深度的影响规律曲线图， 分析该参 度也就较小； 反之， 在磨料浓度一定时， 随着粒径增大， 射流中的
数单独变化对切割深度的影响。
颗粒数减少， 而且由于惯性及流体阻力的作用，大颗粒的加速减
ＹＩＮ Ｙａｎ， ＢＡＯ Ｊｉｕ－ ｓｈｅｎｇ， ＤＵＡＮ Ｘｉｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＣＵＭＴ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）
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【摘要】磨料水射流切割中影响切割深度的因素很多， 各工艺参数的选择和合理搭配对切割结 果有很大影响， 并且难以用精确的数学模型来描述。以磨料水射流切割混凝土为例， 考察了射流压 力、进给速度、靶距、磨料流量、磨料粒径和材料性能等工艺参数对最大切割深度的影响。结果表明： （ １） 切割深度与射流压力呈线性增长关系；（ ２） 在一定范围内切割深度随磨料流量增加而增加， 但当 磨料流量达到一定值后， 切割深度随流量增加反而下降；（ ３） 切割深度随磨料粒径的增加呈先增加 后减小的规律， 存在一极值点；（ ４） 切割深度随切割速度的增加呈指数衰减；（ ５） 存在一最佳靶距， 超 过这个界限值时， 随着靶距的增大， 切割深度急剧减小；（ ６） 混凝土试件抗压强度的抗压强度越大， 切割深度越小。
图 ４ 表明， 磨料流量对切割深度有很大影响。它们的关系 曲线是一个凸曲线， 也就是说， 对应着最大切割深度存在一个最 佳磨料流量的选用范围。刚开始增加磨料流量时， 切割深度增 大， 曲线呈上升趋势。这是因为磨料流量增大， 单位时间内由磨 料喷嘴流出的磨料个数增多， 对混凝土冲击频率增强， 混凝土破 坏程度加深。但受磨料水喷嘴直径的限制， 磨料流量有一个界限 值。超过这个界限值， 射流中磨料颗粒的密度太大， 拥挤的磨料 颗粒将导致磨粒之间产生干涉， 使得冲击的有效次数下降。磨料 水射流具有的总能量是由设备确定的一个固定值， 磨料颗粒过 多， 单个磨料颗粒具有的动能减小， 使得磨料流速相对降低。由 于流动性能降低， 流出喷嘴时的阻力损失增大， 颗粒与颗粒之间 的碰撞加剧， 导致射流能量的损失增大， 从而减弱了磨料颗粒对 混凝土的冲击能力。所以随着磨料流量增大到一定值后， 再增加 磨料流量， 切割深度反而会减小， 曲线呈下降趋势。