不同金属材料在磨料水射流加工时的可加工性的试验研究

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磨料水射流(AWJ)是高能水束与磨料粒子相混合形成的液固两相介质高能束流。AWJ切割就是利用高速水射流束带动磨料粒子，通过磨料粒子对材料表面的冲击和磨削作用使材料去除，形成切缝。因为该系统具有许多独特的优点，系统也较简单，因此得到了较快的发展和应用。磨料水射流技术已广泛应用于石油、飞机制造、汽车制造、建筑工程等行业 J。

不同金属材料在切削的时候会有不同的可切割性 。会有容易”切割，即在很高的速度条件下都可以切穿；也有很难”切割的材料，即需要收稿日期： 2012-11-27基金项目： 教育部科学技术研究重点项 目(03026)很慢的切割速度才能将其切穿。

本文将粉碎过程的能量分析引入水射流切割过程的分析，得出不同材料切割难易程度的原因。并通过试验得出不同材料的可切割性特征参数。

2 磨料水射流切割过程中的能量转化后混合磨料射流：高压水从水喷嘴高速射出，在射流束周围形成负压，将周围的磨料和空气带人射流束中，并经过混砂管喷出，形成磨料射流 (见图 1)。

8 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013高压 嘴图1 后t昆合磨料射流切割原理磨料射流切割过程主要是以磨料的动能冲击材料表面，通过撞击、划擦(Hashisi)将切割缝表面材料去除，以形成切缝 。所以，转化为磨料动能的才是实际上对切割有意义的能量 。

根据能量守恒的原理，磨料射流中粒子的能量与切缝中去除的材料的体积成正比8 J，则有：E。kvhv。 (1)hv E。/(J ) (2)式中 k --系数h--切割深度，m- - 切口宽度，rn- - 切割头运动速度，m/s根据式(2)可知切割深度和切割速度的乘积为- 与切口宽度和粒子能量相关的函数。下面讨论粒子能量和切口宽度与切割参数之间的函数关系。

3 切口宽度的试验研究3.1 试验设备试验采用OMAX55 100磨料水射流切割机。

表 1 切割基本参数水喷嘴直径 d 磨料喷嘴直径 D 磨料粒度 S 磨料流量(mm) (mm) (ram) (kg，/min)O.35 0.75 0.15 0.33注 ：切割磨料为 榴石3.3 试验结果在不同的切割压力下切割厚度为 14ram的304不锈钢，调整切割速度以刚刚切穿为准。以便取得完整的切口宽度分布(见图2)。不同压力下的切口平均宽度见表 2。

表 2 切口平均宽度与切割压力的关系切割压力(kPa) 平均切缝宽度(mm)30 O.50440 0.4855 0.434(a)压力55kPa (b)压力 40kPa图2 不同压力下的切口轮廓通过表 2可以看出切口宽度是 P的函数，即： I厂(P) (3)式中 P--系统压力，Pa4 磨料粒子所含的能量根据流体力学原理，水喷嘴处的液体能量为：Ⅳ ： P (2/p ) (4)式中 Ⅳ"--水喷嘴处的射流总能量 ，wd--水喷嘴直径，mmP --水密度，kg/m根据动量守恒原理，粒子具有的能量为：E ÷ j：( - )z Mop1 -.-， (5) ( -- ) (5)M M 8 p”式中 E。--射流中粒子的动能，wM。--磨料粒子的质量流量 ，ks/s- - 通过水喷嘴的质量流量，kg/s- - 混合后的磨料射流速度，m/s d 孚d (zip )丁1 (6)式中 --水喷嘴处的射流速度，m/s将式(6)代人式(5)，则粒子能量为 P的函数：E。g(P) (7)2013年第41卷第5期 流 体 机 械 9则将式(3)、(7)代入式(2)可得：hvc貉 ㈩ 。

从上式可知，在相同材料，P不变的情况下切割深度和切割速度的乘积为-常量。

5 k 的讨论根据波兰优罗茨夫工业大学的学者们通过研究磨料水射流切割的切屑发现。切割区内微小裂纹的扩展则占据了材料破碎脱离过程的主导地位 J。所以磨料水射流去除材料过程可以看成在磨料粒子高速冲击摩擦下，切缝表层材料微裂纹扩展粉碎脱落的过程。

根据粉碎原理，外力作用于物体使之破碎，产生新表面，外力作用的功用于客服物料内聚力，并有-部分转化为新生表面积上的表面能 J。

设单位表面积的表面能(即比表面能)为 ，使表面积增加cL4，对体系所做的功即增大的那部分表面积 的表面能 ydA。

根据上述原理，不同材料在粉碎的过程中，由于比表面能不同以及形成的颗粒大小不同，所以消耗的能量也不同。在相同的冲击条件下，比表面能只与材料材质有关，形成的粒子大小与材料内部的微裂痕分布有关，也是与材料本身有关的参数。所以可以认为在其他切割参数不变的情况下，k 是与材料本身有关的参数。所以式 (8)在相同压力下不同材料的 不同。

6 不同材料的切割能力试验6.1 试 验 目的总结不同材料在切割过程中切割参数之间的关系。

6.2 试验设备及试验参数试验采用 OMAX55100型后混合磨料射流切割机，试验参数见表 1。

6.3 试验过程分别将316不锈钢、铝合金6061在不同切割压力下切割到不同厚度，记录其切割速度，结果如图3所示。

6.4 试验结果铝和不锈钢在切割压力、不同切割深度时的切割速度如图4所示。

O0.00 7.5O 15.Oh(mm)图 3 不同压力下切割深度和切割速度的关系毒 40000O.0O 7.5O 15.Oh(mm)图4 不同压力下切割深度与切割速度的乘积分布根据式(8)可知在特定材质特定压力情况下，切割深度和切割速度的乘积为常数，图4为不同切割压力下切割深度与切割速度乘积的关系。

由图4可见，不同压力下都基本为-定值，与式(8)表达的相吻合。

通过观察上图的结果，提取切割速度与切割深度的乘积除以压力的1.5次方，可得图5。

2lh(mm)图5 不同材料切割时 /P 的值分布通过图5可知由于材质不同导致k 的值不同，则式(8)可简化为：10 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013hv，KP (9)且 K是与材料有关的系数，可以用来定义材料的可加工性， 值越大则材料越容易加工。比如上述两种材料其中铝 6061的 。19.8，不锈钢316的K3 6.5。

7 结论(1)通过能量原理得出相同切割压力下切割速度和切割深度的乘积为定值，并通过实验进行了验证；(2)通过推导和实验总结得出切割过程中切割速度与切割深度的乘积与切割压力的1.5次方成正比；(3)通过粉碎原理分析，得出不同材质切割难易的原因，并通过实验验证；(4)引入了可切割性系数K，理论和实验表明K值越大，可切割性越好， 值越小，可切割性越差。并且通过实验得出了铝 6061和不锈钢 316的 值。

根据上述分析，可以通过-些简单的实验结果，得出不同材料的K值，以预测切割这种材料过程中切割参数之间的关系。