高分子添加劑對磨料水射流切面錐度影響的研究*

裴江紅　胡　東

(①重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；②湖南工業(yè)大學(xué)水射流實驗室，湖南 株洲 412008)

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高分子添加劑對磨料水射流切面錐度影響的研究*

裴江紅①胡東②

(①重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；②湖南工業(yè)大學(xué)水射流實驗室，湖南 株洲 412008)

通過高分子添加劑磨料水射流和磨料水射流切割大理石的對比實驗，測試了在不同工況下切割端面的切面錐度。實驗結(jié)果表明：相同工況下，高分子添加劑磨料射流較磨料水射流能減小切割端面切面錐度，當高分子添加劑濃度過低或過高時(本實驗為300 ppm和500 ppm)，會零星出現(xiàn)切面錐度大于磨料水射流切面錐度狀況；不同濃度高分子添加劑磨料射流對切割端面錐度影響不一，存在最優(yōu)濃度，實驗為400 ppm；相同走刀速度下，高分子添加劑磨料射流和磨料水射流端面切面錐度均隨靶距的增加而增大。

切面錐度；高分子添加劑；磨料射流；靶距；走刀速度

自1983年第一臺商用磨料水射流切割機問世以來，磨料水射流因其具有切割效率高、可以切割任何材料、幾乎無切削熱、切口表面幾乎不存在機械應(yīng)力和應(yīng)變、切割反作用力小、對環(huán)境無影響等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、采礦和造紙等行業(yè)[1]。經(jīng)過30多年的研究，目前磨料水射流切割正向智能化、多維切割方向發(fā)展。但磨料水射流切割相對于常見的剛性切割屬于軟切割，因自身的特點，致使切割表面會出有切面錐度、切割前沿與后拖量、鼓形、表面粗糙度值較大等特點，影響了磨料水射流更廣泛的應(yīng)用[2]。目前解決這一難題的常規(guī)思路首先是建立先進的切割數(shù)學(xué)模型，其次是在切割數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上編寫先進的智能數(shù)控軟件，實現(xiàn)對切割頭的多維控制以達到切割補償。為此國內(nèi)外學(xué)者對切割數(shù)學(xué)模型進行了大量的研究，著名的有1963 年Bitter提出了塑性材料受沖蝕的切削變形模型；1969 年Tilly提出的二次沖蝕模型；Zeng和Kim1996年建立的磨料射流銑削模型；Westk?mper 與Henning 在2000 年合作研究了磨料射流輪廓加工的模型；2010 年，Axinte、Srinivasu 等對磨料射流在90°角下切縫進行了研究，建立了一個幾何模型[3-5]；國內(nèi)長沙礦冶研究院、中國石油大學(xué)、重慶大學(xué)、南京大學(xué)，湖南工業(yè)大學(xué)等高校和科研院所的科研人員在這方面也做出重要貢獻。由于影響切縫表面質(zhì)量的因素非常多，成因也非常復(fù)雜，目前還沒有適合所有切割工況的通用切割模型，多是建立在實驗基礎(chǔ)上得到的半經(jīng)驗或經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。射流的結(jié)構(gòu)特性是影響切割質(zhì)量最重要的因素，所以一切改變射流結(jié)構(gòu)特性的方法將最終影響到切割質(zhì)量。根據(jù)這一思路并結(jié)合筆者前期調(diào)研，本文將高分子添加劑加入到磨料水射流，從實驗角度分析了其對切面錐度影響關(guān)系，得到了添加了高分子添加劑的磨料水射流可以減小切面錐度，提高切割質(zhì)量的結(jié)論。

1　實驗條件、方法及效果

1.1實驗平臺

本實驗所采用的切割系統(tǒng)是某公司生產(chǎn)的龍門式高壓后混合磨料水射流切割機。如圖1所示。工作行程1 800 mm×2 000 mm,工作壓力0～450 MPa,最大行進速度下的運動精度±0.025 mm。

該系統(tǒng)由運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和磨料供給系統(tǒng)四部分組成。運動系統(tǒng)通過伺服電動機直接驅(qū)動切割頭、立柱等部件，實現(xiàn)切割過程中所需運動軌跡；控制系統(tǒng)由液壓伺服驅(qū)動裝置和電子控制裝置組成，實現(xiàn)對液壓油的開啟、關(guān)閉、增壓缸的換向等；增壓系統(tǒng)由高壓油泵、水泵、過濾器、增壓器、儲能器和其他輔件組成，實現(xiàn)將低壓水轉(zhuǎn)換為高壓水；磨料供給系統(tǒng)由砂箱、砂閥和輸砂管組成，實現(xiàn)切割過程中磨料的供給。

1.2實驗材料及參數(shù)

切割材料：大理石，厚度20 mm；磨料：石榴石，粒度80目，密度(3.8～4.1)×103kg/m3；高分子添加劑：聚丙烯酰胺(PAM)，分子量1 200萬；高分子添加劑濃度：分別為300 ppm、400 ppm、500 ppm；水噴嘴直徑0.3 mm；混砂管直徑0.89 mm，長度76 mm；切割角度90°(噴頭垂直于工件表面)；數(shù)顯游標卡尺：量程200 mm,分辨率0.01 mm；數(shù)顯電子天平：最大稱量為200 g，靈敏度為0.01 g，穩(wěn)定時間<3 s，工作環(huán)境5～35 ℃。

1.3實驗方法

本實驗切面錐度采用切縫上下表面寬度差的一半與切割深度的比值進行定義(圖2)由于影響切面錐度的因素很多，如噴嘴結(jié)構(gòu)、射流壓力、磨料流量、走刀速度、靶距等，受實驗時間的限制，本實驗在射流切割壓力250 MPa、磨料流量0.35 kg/min條件下進行，在不同走刀速度和靶距的射流切割實驗。

在整個實驗過程中，共分為兩大部分，首先是磨料水射流切割和添加了高分子添加劑的磨料水射流切割大理石實驗；其次是測量在兩種不同切割條件下切割材料的切面錐度。

(1)水射流切割

磨料采用干式自吸式供給，即通過混合腔內(nèi)負壓吸入。磨料流量大小通過調(diào)節(jié)砂閥開孔徑大小控制。水射流切割大理石的實驗過程中采用了以下組合方式：切割頭走刀速度范圍50～300 mm/min，每次以50 mm/min速度間隔遞增，共6種走刀速度；靶距范圍4～12 mm，每次以2 mm間距遞增，共5種靶距。首先通過磨料水射流完成切割實驗，開始前，首先將大理石安放在切割平臺并固定，調(diào)節(jié)切割機壓力250 MPa,磨料流量0.35 kg/min，根據(jù)6種不同走刀速度和5種不同靶距的組合方式，按照設(shè)計切割路線完成所有組合方式下(共30種)切割實驗；然后，利用電子天平和聚丙烯酰胺溶質(zhì)配制濃度為1 000 ppm母液，用自來水將濃度為1 000 ppm母液分別稀釋成濃度為300 ppm、400 ppm和500 ppm的3種高分子添加劑溶液備用。為使母液與自來水混合均勻，在稀釋母液時應(yīng)不斷的攪拌，稀釋后的溶液應(yīng)靜置40 min以上。最后將濃度為300 ppm、400 ppm和500 ppm的3種高分子添加劑溶液分別加入到水箱，重復(fù)以上磨料水射流切割實驗步驟。為使實驗數(shù)據(jù)準確可靠，減少實驗誤差影響，每組實驗均重復(fù)3次。

射流切割材料過程中，有“切割加速-切割穩(wěn)定-切割減速”3個階段，為使數(shù)據(jù)檢測點位于切割穩(wěn)定階段，切割的長度不能少于50 mm；切割脆性材料時，如切割間距過窄，會造成切塊斷裂，所以相鄰切縫之間的距離必須大于5 mm。

(2)錐度測量

利用數(shù)顯游標卡尺完成切縫上下表面寬度和深度測量。

2　實驗結(jié)果與分析

根據(jù)以往經(jīng)驗，切割大理石類型的脆性材料時，當射流的壓力過高時易造成切割材料表面的斷裂，故本實驗選用射流的切割壓力為250 MPa。

2.1磨料水射流切面錐度隨靶距和走刀速度變化關(guān)系

圖3表明，磨料水射流切割大理石切面錐度的變化趨勢隨走刀速度和靶距的變化各不相同，相同走刀速度下切面錐度隨靶距的增加而增加；相同靶距情況下切面錐度隨走刀速度的增加變化規(guī)律各不相同，不同靶距下對應(yīng)最小切面錐度的走刀速度不同。靶距為4 mm、走刀速度為200 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度6.60°；靶距為6、8 mm，走刀速度為300 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度分別為7.71°、8.31°；靶距為10 mm、12 mm，走刀速度為250 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度分別為9.94°、10.63°。究其原因在于，切面錐度的大小由切縫上下表面寬度差及切割材料的厚度決定，切割實驗過程中切割材料的厚度為一定值，此時影響切面錐度大小的因素就轉(zhuǎn)化為影響切縫上下寬度的因素，在切割壓力、磨料流量和走刀速度固定的情況下，靶距就成為影響切縫寬度的重要因素。由國際水射流界公認的水射流結(jié)構(gòu)圖可知，當射流一離開噴嘴后沿射流中心線方向，可分為初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段和消散段，初始段內(nèi)的射流核心區(qū)呈順錐分布射流內(nèi)邊界層和外邊界層呈倒錐分布，在清、水磨料射流切割過程中，磨料微粒分布射流核心區(qū)和內(nèi)外邊界層中，其通過被水射流加速，將水的勢能轉(zhuǎn)換為磨料的動能參與切削過程，此時可以形象地認為是一把切削刃呈倒錐形狀的刨刀在進行刨削加工，當靶距越大時，切削刃的寬度越大致使切縫上表面的寬度越大，切縫下表面的寬度越小(磨料射流切割屬軟切割，隨切削深度的增加，磨料微粒的動能將發(fā)生衰減所致)；相同靶距情況下切面錐度隨走刀速度增加的變化規(guī)律各不相同的原因在于，磨料水射流切割過程中，磨料不可能全部進入核心區(qū)，部分磨料通過多次在內(nèi)壁和射流束間碰撞得以加速實現(xiàn)切割，一離開噴嘴后這部分磨料分布在射流內(nèi)外邊界層之間，造成磨料在射流斷面的能量分布不均，整體上呈中間高兩邊低分布[6]，不同射流斷面能量分布不一(靶距不同，射流斷面也不同)，這就導(dǎo)致隨著走刀速度的增加使得單位時間里內(nèi)外邊界層內(nèi)參與切削的有效磨料數(shù)量減少，致使切縫上下表面的寬度逐漸減小，但隨著走刀速度的增加切割材料上下表面切縫寬度大小變化率不一(推測其原因可能在于，泵壓不穩(wěn)、磨料流量不恒定造成同一射流斷面磨料分布雖整體上呈中間高兩邊低分布，但實際分布情況卻隨時都在變化)，致使出現(xiàn)了在不同靶距對應(yīng)最小切面錐度的走刀速度不一。

2.2不同濃度高分子添加劑磨料水射流切面錐度隨靶距和走刀速度變化關(guān)系

圖4不同濃度高分子添加劑磨料水射流切面錐度隨靶距和走刀速度變化關(guān)系

從圖4可以看出，不同濃度高分子添加劑磨料水射流切割，在相同走刀速度下，具有相同的變化趨勢，切面錐度均隨靶距的增加而增大，這一變化規(guī)律與磨料水射流切割類似；相同靶距下，切面錐度隨走刀速度的變化規(guī)律隨高分子添加劑濃度的不同而不同。當高分子添加劑濃度為300 ppm，靶距為4、6、8 mm時，在走刀速度為250 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度分別為6.02°、7.79°、8.57°；靶距為10、12 mm，走刀速度為300 mm/min條件下時，對應(yīng)最小切面錐度分別為8.77°、9.67°。高分子添加劑濃度為400 ppm，當靶距為4 mm、在走刀速度為150 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度為6.15°；靶距為6、8、10、12 mm、在走刀速度為300 mm/min時，分別對應(yīng)最小切面錐度為7.09°、8.21°、8.51°、9.15°。高分子濃度為500 ppm，當鞍距分別為4、6、8、10、12 mm，均在走刀速度為300 mm/min時，對應(yīng)最小切面錐度分別為6.46°、7.89°、9.07°、9.12°、10.43°。通過分析以上不同濃度高分子添加劑、靶距和走刀速度下對應(yīng)的最小切面錐度數(shù)值表明：較低濃度高分子添加劑(本實驗為300 ppm)在小靶距(本實驗靶距為4、6、8 mm)時最小切面錐度對應(yīng)的走刀速度小于大靶距(本實驗靶距為10、12 mm)時最小切面錐度對應(yīng)的走刀速度；隨著高分子添加劑濃度的增加，最小切面錐度對應(yīng)的走刀速度趨向一致達到300 mm/min；相同靶距和走刀速度條件下，高分子添加劑濃度過低或過高時(本實驗為300 ppm和500 ppm)，零星出現(xiàn)了切面錐度小于清水磨料射流切面錐度情況；高分子添加劑濃度為400 ppm時，切面錐度均小于對應(yīng)磨料水射流切割條件下切面錐度。這表明存在最優(yōu)高分子添加劑濃度，本實驗為400 ppm，這也說明適當濃度高分子添加劑的加入有利于減小切割表面錐度。究其原因，這是由于在磨料射流中加入一定的高分子添加劑使得射流中水的拉伸粘度增加。當流體靜止時，高分子以卷曲或纏繞的形態(tài)存在于流體中；流體高速運動過程中，高分子以鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài)存在于流體中，因高分子鏈的強度遠大于流體分子鏈強度，使得流體與周圍動量交換減小，流動阻力減小表現(xiàn)為流體的集束性增強。但同時高分子添加劑的加入，溶液的粘滯力增大，粘滯引起的阻力也相應(yīng)變大，宏觀表現(xiàn)為出口動壓力和流量系數(shù)降低。所以最終的切面錐度是粘滯引起的阻力和高分子鏈結(jié)構(gòu)引起的減阻綜合作用的結(jié)果。

3　結(jié)語

(1)高分子添加劑磨料射流較清水磨料射流能減小切割端面切面錐度。

(2)高分子添加劑濃度大小是影響切割端面切面錐度的重要因素，存在最優(yōu)高分子添加劑濃度，本實驗為400 ppm。

(3)相同走刀速度下，高分子添加劑射流和清水磨料射流端面切面錐度隨靶距的變化規(guī)律相同。

[1]Adnan Akkurt. The effect of material type and plate thickness on drilling time of abrasive water jet drilling process[J]. Materials and Design,2009(30):810-815.

[2]馮曉春，關(guān)硯聰，孫連祥. 磨料水射流切割石材加工表面質(zhì)量的試驗研究[J]. 機械工程師，2012(7)：83-85.

[3]楊敏官,王育立,康燦,等. 磨料水射流偏擺切割模型及模型[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2009,30(6):587-590.

[4]張仕進,吳逾強,王舒,等. 高壓水射流切割誤差試驗方法的研究[J].新型工業(yè)化,2014,(1):51-54.

[5]蔡書鵬,白璐,胡東. 減阻劑對后混合磨料水射流切割質(zhì)量的影響[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,28(2):12-15.

[6]楊林,張鳳華,唐川林. 超高壓磨料水射流切割質(zhì)量的實驗研究[J].制造技術(shù)與機床,2004(5):72-75.

(編輯譚弘穎)

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·名詞解釋·

轉(zhuǎn)塔車床轉(zhuǎn)塔車床也叫六角車床。機床上具有回轉(zhuǎn)軸線與主軸軸線垂直或傾斜的轉(zhuǎn)塔刀架，另外還帶有橫刀架。刀架上安裝多把刀具，在工件一次裝夾中，由工人依次使用不同刀具完成多種車削工序。它適用于成批生產(chǎn)中加工形狀較復(fù)雜的工件。

Experimental study on cutting taper by high polymeric additives abrasive water jet

PEI Jianghong①, HU Dong②

(①Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120，CHN;②The Modern Jetting Department, Hunan Technology University, Zhuzhou 412008,CHN)

By the cutting marble experiment between abrasive water jet and polymeric additives abrasive water jet, measured the cutting taper of the kerf in the different station. The experiment shows that polymeric additives abrasive water jet can reduce the cutting taper than abrasive water jet, and when the polymer additive concentration is too low or too high(the concentration is 300 ppm and 500 ppm in this experiment ), the cutting taper is smaller sporadically under abrasive water jet than polymeric additives abrasive jet. The polymeric additive concentration have different influence on surface roughness, and the optimal concentration is 400ppm in this experiment. Under the same feeding speed, the cutting taper increases with the increase of the target distance by means of polymer additives abrasive jet or abrasive water jet.

cutting taper; polymeric additive; abrasive water jet; target distance; feeding speed

TD421.5+9; TV131;TH137

B

裴江紅，男，1973年生，博士研究生，副教授，教務(wù)處副處長，主要研究方向為射流理論及應(yīng)用。

2015-10-27)

160533

重慶市科委自然科學(xué)基金計劃項目(cstc2012jjA00004)； 重慶市教委科學(xué)研究項目(KJ122102)