摘要:本文對高壓水射流中混入的磨料,以及在切割石材http://www.stonebuy.com/過程中磨料參數的選擇進行了試驗研究,并對磨料水射流的切割機理進行了分析,探討了磨料參數的變化對切割石材http://www.stonebuy.com/的影響。
關鍵詞:磨料參數石材http://www.stonebuy.com/切割水射流
1前言
磨料水射流切割加工技術,是現代較為先進的切割加工方法。從1983年在美國首次獲得該項技術專利,并開發出相應的磨料水射流切割系統后,到目前為止也僅有20多年的歷史。但該技術由于具有許多獨特的優點,系統也較為簡單,故得到了較快的發展和應用。目前,磨料水射流切割技術在美國得到了快速發展,無論是在應用范圍,還是技術水平等方面,都處于世界領先地位。現今在美國的飛機制造業、汽車制造業、建筑工程公司等,都廣泛地利用了水切技術。
我國從20世紀80年代研制磨料水射流切割技術與設備,并于1986年由成都飛機制造公司研究所率先在國內完成了組裝、調試、試切加工等研究工作,填補了該技術在國內的空白。近年來,南京理工大學也研制了高壓水射流切割裝置,用于切割金屬材料和非金屬材料。國內部分科研院所、高等院校也都在理論和實踐進行了研究和探索。由此可見,該技術的發展勢頭,方興未艾。
2磨料水射流系統簡介
磨料水射流系統主要由磨料射流噴頭、磨料供給系統、高壓泵站、噴嘴等幾大部分組成。磨料水射流是以壓力水為載體,磨料顆粒被高壓水射流加速運動,由于磨料顆粒質量比水大,而又具有鋒利的棱角。因此,磨料水射流對物料的沖擊力和磨削力較同等條件下的純水射流要大得多。此外,磨料在水射流中是不連續的,由磨料粒子組成的高速粒子流對被切材料能產生高頻沖擊作用,所以磨料水射流的切割能力較高。 中國http://www.stonebuy.com石材http://www.stonebuy.com/網-www.stonebuy.com-石材http://www.stonebuy.com/機械http://www.stonebuy.com/machine/
影響磨料水射流的切割能力因素較多,但主要有磨料參數、水力參數、射流工作參數、被切割材料的力學性能參數等。磨料水射流混合的磨料在切割加工過程中起到了90%以上的切割作用。所以,研究磨料參數對石材http://www.stonebuy.com/的切割能力的影響有一定的實際意義。
2.1磨料水射流中的磨料供給系統
磨料供給系統主要由磨料調節系統、磨料切割頭構成,此外,該系統還包括高壓硬管和撓性管、管接頭、旋轉接頭及其他有關的元件。磨料流量系統由磨料倉、磨料、磨料流量閥和輸送管組成。磨料倉設計成倒錐形,內部裝有網篩,這樣可以保證磨料供給通暢,不易堵塞。磨料流量閥的作用是打開或關閉、并且調解磨料流量、同時它還能排出管路中的水分。該系統如圖1所示。料切割裝置包括混合室、氣控光導閥、高壓閥組件、磨料噴嘴、水噴嘴等。
在切割式高壓水經人造藍寶石噴嘴小孔進入切割頭混合室,這使混合室中將產生真空,利用其負壓把磨料吸進混合室,在室中磨料與水射流混合,然后經混合管,形成磨料水射流。
1一磨料倉;2一上蓋;3-磨料篩網;4一磨料調節閥5一磨料輸送接口;6一支架;7一凈化氣路接口;8一控制空氣接口
圖1磨料供給系統
2.2磨料水射流的混合機理
后混合式高壓磨料水射流,其磨料的混合機理較為復雜,但主要有三個原因是磨料能夠混人水射流的動力。(1)磨料倉中磨料的料高產生的重力因素。該因素的作用主要是起到把磨料不斷填入混合室的動力;(2)高速水射流產生的真空卷吸作用。這是磨料能夠靠近水射流的主要動力。(3)水射流對磨料的沖刷作用使其紊流流動。磨料能夠混人水射流,這三個因素中卷吸作用是其主要因素。由小孔噴射的水射流,按射流的理論,它必然對周圍的流體產生一個吸力,形成一個三維流場。磨料一旦混人水射流,受水射流的作用力開始加速,其加速過程可用一個小球體在一個恒流場中的受力狀態來描述。根據流體力學理論中斯托克斯公式,球體在以v為速度的流體作用下受到的作用力為:
公式(1)的作用力一般小于實際作用力,即使如此,小球也可在較短的時間內達到流體的速度。
3磨料參數對切割深度的影響
3.1不同磨料對切割深度的影響
為研究磨料參數對石材http://www.stonebuy.com/切割深度的影響關系,實驗時選擇靶距L=3mm,噴嘴橫移速度。v=5mm/min ,壓力P=Z10MPa切割試驗條件,對櫻花紅花崗石和將軍紅花崗石石材http://www.stonebuy.com/進行切割加工。實驗時選用的磨料為硅砂、石榴石、金剛砂,粒度為80目,其特性見表1。
由圖2可知,磨料水射流切割石材http://www.stonebuy.com/時,磨料的硬度對切割能力影響較大。在切割石材http://www.stonebuy.com/的加工中,磨料的硬度大,切割深度將有所增加。這是因為磨料射流切割脆性材料,其物料的主要破壞形式是沖蝕破壞,在壓力一定的情況下,磨料的流量一定,磨料硬度越高,其強度越好,而沖蝕能力越強。從三種硬度不同的磨料所達到的切深來看,磨料的硬度大,其切割的深度有顯著增加的趨勢。但是,在實際的切割加工中,也要考慮磨料的來源、價格、以及對磨料噴嘴壽命的影響。所以,在選擇磨料時,應盡量采用硬度較低、粒徑較小的磨料。此外,還必須適當控制磨料的流量,使切割的速度與磨料噴嘴的使用壽命相協調,盡力提高磨料噴嘴的使用壽命。
3.2磨料流量對切割深度的影響
選擇靶距L=5mm,噴嘴橫移速度V=50mm/min ,磨料為80目的石榴石,對櫻花紅花崗石和將軍紅花崗石進行切行切割試驗。所得結果如圖3所示。由文獻(3]的切割深度公式可知切割深度是磨料流量的函數,是一個凸曲線,存在一個最佳磨料流量的選擇范圍。由圖3分析可知,增大磨料流量會增加切割深度,但由于受磨料噴嘴直徑等因素的制約,磨料流量的增大有一個界限值。超過界限值,磨料顆粒在噴嘴處發生擁擠、阻塞,導致顆粒之間相互產生干涉,使沖擊物料的有效次數下降,而且磨料流速相對降低,沖擊作用力也相對降低、減弱。所以磨料流量增大到一定值以后,再增加磨料流量,切割深度不再提高,反而會減小。中國http://www.stonebuy.com石材http://www.stonebuy.com/網-www.stonebuy.com-磨料磨具
3.3磨料粒度對切割深度的影響
在壓力P=210MPa,橫移速度V=5mm/min的切割條件下,選用不同粒度的石榴石對A1203工程陶瓷進行切割試驗,所得到的試驗結果可用圖4描述。分析圖中的曲線表明,中等粒度的磨料粒度為80目的比細粒度(100目)或更細的磨料切割效果好些,同時比較更粗糙的磨料(如16目或更粗的磨料)切割效果好。從公式(1)可知磨料粒徑越大,作用力也越大,對物料的打擊力也應越大。但這是在準靜態條件下,磨料顆粒假設是圓球形的條件下。但事實上磨料顆粒是有棱角的粒子。當磨料粒度增大、磨料顆粒的外形表面相對較光滑,切割刀刃的棱角減小,故切割能力有所下降,切割深度減小。決定被切割材料的破壞能力的總打擊力Fm與單位面積有關,即壓強P=Fm/A,當磨料粒徑減小時打擊力Fm增加。所以壓強增大,破壞能力增加,切割深度加大。當磨料顆粒尺寸增大到一定數值時,再增加磨料顆粒尺寸,接觸面積A就比打擊力Fm增大的顯著。因此,壓強P相對減小。
4結論
磨料水射流所選擇的磨料以及磨料參數的改變,對切割石材http://www.stonebuy.com/的深度有著一定的影響。不同的磨料由于硬度的不同對其切割的石材http://www.stonebuy.com/切割深度有所不同。磨料硬度越大,其切割深度也越大。但為了延長磨料噴嘴的使用壽命,在選擇磨料時,不易選擇硬度太大的磨料。磨料流量對切割深度有一定的影響,并存在一個最佳磨料流量的選擇范圍。在切割硬質石材http://www.stonebuy.com/時磨料流量選擇Q=1.36kg/min,切割效果較好。磨料粒度對切割深度有一定的影響。在切割石材http://www.stonebuy.com/時存在一個最佳磨料粒度值.即80目的石榴石。磨料的粒徑變化對打擊力有變化,但用上述的部分理論公式還不能完全解釋清楚。由此可見,磨料射流的混合機理理論在切割石材http://www.stonebuy.com/等方面有待進一步深人研究。
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