磨料水射流微槽加工的實(shí)驗(yàn)研究

程用泉，郭春海，張希平，張文武，茹浩磊

（1.中國科學(xué)院材料與工程技術(shù)研究所，浙江 寧波 315000；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030000）

磨料水射流微槽加工的實(shí)驗(yàn)研究

程用泉2，郭春海1，張希平1，張文武1，茹浩磊1

（1.中國科學(xué)院材料與工程技術(shù)研究所，浙江 寧波 315000；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030000）

根據(jù)散熱片加工要求和磨料水射流的加工特點(diǎn)，以10 mm厚的T2紫銅板為試驗(yàn)材料，研究了切割速度，重復(fù)割切次數(shù)對(duì)切割深度的影響關(guān)系，利用聚焦顯微鏡對(duì)切割深度和切割斷面質(zhì)量進(jìn)行檢測，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于特定的材料，合理而有效的工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的切割深度。而且，重復(fù)切割在增加切深的同時(shí)也有效的提高了切割斷面的切割質(zhì)量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合模型，成功地在紫銅板上加工出8 mm深，槽壁粗糙度Ra＜6.3μm的微槽。

水射流技術(shù)；磨料水射流；切割深度；微槽加工

現(xiàn)今，隨著社會(huì)中電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，散熱器已經(jīng)成為電子產(chǎn)品中不可或缺的配件了?，F(xiàn)在市場上的散熱器主要有鋁擠壓、切削、鋁壓鑄、焊接等工藝加工而成。鋁擠式散熱片鰭片形狀相對(duì)簡單，無法獲得很大的瘦長比。切削而成的散熱器多數(shù)需要人工參與或自動(dòng)化控制，成本較高。鋁壓鑄而成的散熱器表面流紋及氧化渣過多，會(huì)降低熱傳導(dǎo)效果，而且模具壽命較短，成本高。焊接而成的散熱器焊接處存在介面阻抗，一旦結(jié)合度不高，嚴(yán)重影響散熱片性能，而且控制焊接著率難度較高檢驗(yàn)不易。另外，加工成本較高［1～2］。為適應(yīng)散熱器的發(fā)展要求，探尋一種新的散熱片的加工工藝是很有必要的。

磨料水射流技術(shù)是一項(xiàng)新型的冷加工技術(shù)。隨著水射流技術(shù)的發(fā)展，磨料水射流（AWJ）正在成為一種繼激光束、電子束、等離子體束之后的新一代環(huán)保型高能束技工技術(shù)。它具有介質(zhì)成本低、清潔、環(huán)境友好、對(duì)被加工材料無選擇性、無熱損傷等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于高硬度、高脆性、難加工材料的切割加工，如不銹鋼、陶瓷、玻璃等。該技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［3～6］。

目前，水射流廣泛應(yīng)用于切割、清洗、修邊和打孔等方面，其中水射流技術(shù)在切割應(yīng)用方面最為普遍。國內(nèi)外對(duì)AWJ切割的研究主要集中在切割機(jī)理、規(guī)律和斷面特征等方面。宋擁政等對(duì)磨料水射流切割機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究［7］，認(rèn)為AWJ 切刻過程主要是通過磨拉對(duì)材料的周期性切刻磨削和變形磨削完成；楊林等試驗(yàn)研究了磨料水射流切割斷面形貌特征，通過對(duì)AWJ切割機(jī)理和切割過程的分析，認(rèn)為是射流斷面磨料動(dòng)能的分布不均和射流的偏轉(zhuǎn)滯后造成了AWJ切割斷面斜條紋和曲線及尖角處的尖端， 可以通過噴頭擺動(dòng)進(jìn)給和切割速度補(bǔ)償兩種控制設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)AWJ的高效切割［8］。國內(nèi)外在微槽加工方面的研究才剛剛起步，主要是由于水射流自身的屬性，極大地限制了磨料水射流的發(fā)展。磨料水射流具有水的柔性特征，很難對(duì)切割深度進(jìn)行很精確地控制。D.S.Srinivasu等建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨料水射流切割深度預(yù)測模型［9］；雷玉勇等通過改進(jìn)設(shè)備，改變磨料流量獲得不同的切割深度，實(shí)現(xiàn)了微磨料水射流車削、磨削、銑削、雕刻等三維加工［6］。

本文在已有研究的基礎(chǔ)之上，試驗(yàn)研究了磨料水射流中切割速度、重復(fù)切割次數(shù)對(duì)切割深度的影響規(guī)律，并進(jìn)行了曲線擬合，同時(shí)分析了切割斷面質(zhì)量。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在100 mm×100 mm×10 mm的T2紫銅板上成功的加工出了Ra＜6.3 μm，槽深8 mm的微槽。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)研究中，在保證加工質(zhì)量前提下，磨料水射流微槽加工工藝的技術(shù)難點(diǎn)主要是切割深度的控制。

從水射流現(xiàn)有的科學(xué)理論知識(shí)中可知，材料厚度一定時(shí)，切割速度越慢，切割斷面質(zhì)量越好，切割深度越大；水壓力增大，水射流速度提高，動(dòng)能增大，磨料所獲得的動(dòng)能也增大，射流的切割能力增強(qiáng)，靶件材料收到的沖擊力也增大，切割深度增大［5～10］。在磨料水射流眾多工藝參數(shù)中，切割速度是唯一一個(gè)與切割時(shí)間有關(guān)的參數(shù)，反映了水射流對(duì)靶件材料的沖擊時(shí)間。為保證加工零件的精度和加工質(zhì)量，需要對(duì)噴嘴在加工過程中進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，同時(shí)，要根據(jù)切割材料的屬性、材料厚度、切割圖案的復(fù)雜程度和磨料水射流的工藝參數(shù)，對(duì)切割速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制［3］。在其它切割參數(shù)確定的情況下，切割速度的準(zhǔn)確控制是問題的關(guān)鍵。

近十幾年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多專用的磨料水射流數(shù)控系統(tǒng)。通常是用戶利用CAD/CAM軟件和三維軟件生成加工模型，輸入零件模型生成數(shù)控代碼，也可以人工編輯CNC代碼程序，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)入的CNC代碼控制噴嘴行刀路線，從而完成零件的加工。磨料水射流加工工藝流程如圖1。

本試驗(yàn)中采用的試驗(yàn)設(shè)備是數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)水刀，該設(shè)備主要包括四個(gè)基本組成部分：切割平臺(tái)機(jī)械部分，如自動(dòng)供砂設(shè)備和切割平臺(tái)等；高壓發(fā)生器部分，如增壓泵、蓄能器等；電氣部分和軟件部分。其中，電氣部分主要包括對(duì)超高壓發(fā)生器控制和切割平臺(tái)數(shù)控兩大部分。切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

2 試驗(yàn)條件

在工程中，為了切割一定深度的切槽，有兩種方法選用。一是以較慢的移動(dòng)速度一次切割；一是以較快的速度重復(fù)切割多次完成。日本學(xué)者研究了除切割速度不同外，其他參數(shù)相同時(shí)，重復(fù)切割消耗的能量較少［11］。

本研究采用重復(fù)切割法進(jìn)行試驗(yàn)，主要對(duì)切割速度、切割次數(shù)對(duì)切深的影響關(guān)系進(jìn)行單因素試驗(yàn)。單因素中其他參數(shù)為定值，數(shù)值如表2。

圖1 磨料水射流加工工藝流程圖

表1 磨料水射流切割機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)

表2 單因素試驗(yàn)的固定參數(shù)值

考慮到是散熱器的加工工藝的試驗(yàn)研究，紫銅具有良好的導(dǎo)熱和加工性能。選用100 mm×100 mm×10 mm的T2紫銅作為試驗(yàn)材料，其成分組成如表3所示。根據(jù)射流設(shè)備性能和安全要求，設(shè)備運(yùn)行速度不宜高于3 000 mm/min，故切割速度V分別取3 000 mm/min，2 500 mm/min，2 000 mm/min，1 500 mm/min以及1 000 mm/min。重復(fù)切割次數(shù)N分別為1，2，3，4，5，6，7，8。在設(shè)計(jì)好所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)之后，然后在CAD環(huán)境下對(duì)圖案進(jìn)行描繪，最后借助CAM進(jìn)行磨料水射流切割頭走刀路徑規(guī)劃和數(shù)控編程，獲得切割加工數(shù)控代碼，機(jī)床按照指定的數(shù)控程序完成加工。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表3 T2紫銅中元素組成及含量 %

圖2 不同速度下重復(fù)切割不同次數(shù)切割斷面

3.1 切割速度對(duì)切割深度的影響

用共聚焦顯微鏡觀察不同速度下重復(fù)切割不同次數(shù)切割端面如圖2，并利用共聚焦顯微鏡對(duì)切割深度H進(jìn)行測量，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制切割深度與切割深度的曲線如圖3。

圖2（a）中可看出，在本試驗(yàn)中，當(dāng)其他條件一定時(shí)，切割速度為1 000 mm/min，重復(fù)切割6次，10 mm厚的T2紫銅板被切穿。

由圖3可知，切割深度隨著進(jìn)給速度的增大而減小。這是因?yàn)?，?dāng)切割速度較小時(shí)，射流與工件的作用時(shí)間較長，磨料粒子在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)加工材料的打擊次數(shù)多，工件收到的沖擊力大，切割深度較深。當(dāng)切割速度為3 000 mm/min時(shí)，重復(fù)切割一次仍能保持一定的切割深度，當(dāng)切割速度進(jìn)一步增大時(shí)，切割深度的減小趨于緩慢，最終切割深度固定在某一范圍之內(nèi)，這是由于磨料水射流對(duì)材料的初始破壞發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)。從圖3 可知，對(duì)于紫銅材料，切割速度為1 000 mm/min，水壓為320 MPa時(shí)，切割深度達(dá)1.22 mm。對(duì)于鋁合金和鑄鐵等金屬材料，相同的切割速度可以達(dá)到更大的切割深度。

從以上分析可知，可以通過某種數(shù)學(xué)模型來表示切割速度與切割深度的關(guān)系，即：采用某種特定型式的函數(shù)來表示試驗(yàn)所得的切割速度和切割深度之間存在的函數(shù)關(guān)系。在本試驗(yàn)中，當(dāng)切割次數(shù)一定時(shí)，該擬合模型的表達(dá)式如下：

圖3 切割速度對(duì)切割深度的影響

H=k1Vk2+k3

式中：H是切割深度；V是切割速度；k1，k2，k3是模型擬合參數(shù)。對(duì)于某組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及選定的擬合模型，可以通過Origin軟件進(jìn)行曲線擬合，本擬合選取單次切割的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線如圖4，切割速度與切割深度的函數(shù)關(guān)系為：

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線圖

圖5 切割次數(shù)對(duì)切割深度的影響

H=2.5197×106×V-2.16332+0.29635

由擬合曲線可知，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為離散，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)全部參與擬合，其相關(guān)系數(shù) ，擬合效果良好。表達(dá)式很好的表示出了其物理意義，很好的反映了切割速度對(duì)切割深度的影響趨勢。由上擬合曲線函數(shù)可知，切割深度收斂于0.3 mm。

3.2 切割次數(shù)對(duì)切割深度的影響

根據(jù)試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，繪制切割次數(shù)與切割深度的曲線如圖5。

從圖5中很容易知道，切割速度提高，切割深度減小。當(dāng)?shù)谝淮吻懈钪?，第二次沿原切縫切割時(shí)，切割深度增量減少。隨著切割次數(shù)的增多，切深增量有明顯減少的趨勢。不難分析出，當(dāng)重復(fù)切割次數(shù)足夠時(shí)，再增加切割次數(shù)，切割深度基本保持不變。這是因?yàn)?，隨著切割的重復(fù)次數(shù)增加，實(shí)際靶距也跟著增大，進(jìn)行切割的部分磨料粒子的能量也跟著下降。當(dāng)實(shí)際靶距到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，射流對(duì)工件基本沒有切割作用。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線圖

根據(jù)分析，當(dāng)切割速度為一定時(shí)，考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散型較大且數(shù)據(jù)點(diǎn)不多，采用三次多項(xiàng)式對(duì)其曲線進(jìn)行擬合，曲線擬合模型為：

H=a0+a1N+a2N2+a3N3

式中：H是切割深度；N是切割次數(shù)；a1，a2，a3，a4是模型擬合參數(shù)。對(duì)V=1 500 mm/min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，經(jīng)過擬合之后，擬合函數(shù)表達(dá)式為：

H=0.00909×N3-0.12257×N2+1.22829×N-0.48783

擬合曲線如圖6所示，該曲線擬合的相關(guān)系數(shù) ，擬合效果很好，但是此曲線擬合模型缺乏通用性，當(dāng)切割速度為1 500 mm/min時(shí)，可以很好的表征切割次數(shù)對(duì)切割深度的影響。

3.3 切割斷面質(zhì)量分析

當(dāng)切割速度為1 000 mm/min，重復(fù)切割6次時(shí)，10 mm厚的紫銅板切穿。取切割5次時(shí)的切割斷面圖如圖7（a）。在共聚焦顯微鏡放大倍數(shù)1 000的情況下，切割斷面圖如圖7（b），切割斷面輪廓圖如圖8。

從圖7（a）可看出，切割速度為1 000 mm/min，重復(fù)切割5次時(shí)，斷面處較為光滑，沒有出現(xiàn)明顯的波紋狀條紋。當(dāng)重復(fù)切割多次時(shí)，部分磨料粒子進(jìn)行切割，大部分的磨料粒子進(jìn)行拋光作用，從而使切割斷面粗糙度良好。用共聚焦顯微鏡對(duì)切割斷面粗糙度進(jìn)行測量如圖8。為盡量減小由于測量帶來的誤差，沿著斷面射流方向依次取五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域測量三次，測得的粗糙度Ra=4.4 μm，切割質(zhì)量完全滿足加工要求。

圖7 切割斷面圖

圖8 切割斷面掃描輪廓圖

由圖3可知，當(dāng)切割速度為1 000 mm/min時(shí)，重復(fù)切割5次時(shí)切深約為8 mm，且切割斷面滿足要求。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和擬合曲線方程預(yù)測結(jié)果，取以材料進(jìn)行樣件加工，加工條件為：切割速度1 000 mm/min，重復(fù)切割五次，靶距約為3 mm，水壓力320 MPa，傾斜角度0°，磨料為80#的石榴石。根據(jù)射流直徑，微槽間的距離為1.2 mm為宜。切割微槽效果如圖9。

4 結(jié)語

本試驗(yàn)研究中采用重復(fù)切割技術(shù)，單因素試驗(yàn)法，以紫銅為試驗(yàn)材料，研究了切割速度對(duì)切割深度的影響，并且建立了切割速度，切割次數(shù)對(duì)切割深度的影響擬合曲線，為工藝參數(shù)的選擇上提供了一定的依據(jù)。從加工質(zhì)量上來看，切槽斷面質(zhì)量滿足要求，但是加工工件的端面顯示切槽的深度不一致。分析其原因可能是水射流自身的滯后屬性造成的。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于特定的材料，磨料水射流有效的工藝參數(shù)的控制能夠?qū)崿F(xiàn)不同的切割深度。另外還表明，應(yīng)用磨料水射流進(jìn)行微槽加工、銑削是完全可以實(shí)現(xiàn)的，但是在

圖9 樣品效果圖

精度方面有待加強(qiáng)。本試驗(yàn)為散熱器的磨料水射流加工工藝提供了試驗(yàn)依據(jù)。

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（P-03）

Experimental study of abrasive waterjet micro grooving

TG66

1009-797X（2015）22-0116-6

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.045

程用泉（1989-），中北大學(xué)與中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，主要從事超高壓磨料水射流工藝及其應(yīng)用研究。

2015-09-02