前混合磨料射流加工系統(tǒng)噴頭的設(shè)計(jì)

文/黃東 鄒紅亮，吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

早在上世紀(jì)30年代，歐美發(fā)達(dá)國家就利用水射流技術(shù)切割煤層和采掘礦石，但是水射流系統(tǒng)需要消耗大量的能源，比能耗高，經(jīng)濟(jì)性較低，因此在水中加入微細(xì)磨料粉末將單一的水射流發(fā)展為磨料射流，加工能力與效率大幅度提升，比能耗也隨之大幅降低，經(jīng)濟(jì)性突出。到上世紀(jì)90年代，磨料射流在微細(xì)特種加工領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，尤其是刻蝕玻璃、陶瓷等脆性材料有突出的優(yōu)勢，也廣泛用于機(jī)械加工、醫(yī)療及其他科技領(lǐng)域。

1 前混合磨料射流加工系統(tǒng)的提出背景

磨料射流加工技術(shù)目前應(yīng)用最廣泛的是后混合系統(tǒng)，后混合磨料射流的原理是文丘里效應(yīng)。工作原理是高壓氣源產(chǎn)生的高壓高速氣流分流為兩部分，一部分通過高壓軟管進(jìn)入噴頭系統(tǒng)的混合腔，由于擴(kuò)散和卷吸作用在混合腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，形成負(fù)壓；另一部分將磨料箱中混合均勻的水與磨料的混合物壓入混合腔。在實(shí)際應(yīng)用中，后混合磨料射流系統(tǒng)當(dāng)噴嘴直徑小于1mm時(shí)系統(tǒng)工作困難甚至無法工作，原因是噴嘴與系統(tǒng)連接處過多，高壓氣流能量損失嚴(yán)重，并且二級(jí)噴嘴直徑太小，長徑比大，導(dǎo)致液阻很大，射流不能從噴嘴噴出，反而從進(jìn)磨料口噴出，因此后混合系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工，需要改變系統(tǒng)工作原理，進(jìn)一步縮小噴嘴直徑，形成微細(xì)射流束，使得磨料射流在微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用變成現(xiàn)實(shí)。

2 前混合磨料射流加工系統(tǒng)的原理

前混合式磨料射流系統(tǒng)，從根本上改變了后混合式磨料射流系統(tǒng)運(yùn)用文丘里效應(yīng)的原理。磨料箱設(shè)置在高壓氣源和噴頭系統(tǒng)之間，在高壓磨料射流形成前，將磨料粉末先和水在磨料箱中均勻混合形成漿液，然后高壓氣源產(chǎn)生的高壓氣體通過系統(tǒng)中的高壓管路進(jìn)入磨料箱，直接推動(dòng)磨料漿液從噴頭系統(tǒng)的小尺寸終極噴嘴噴出，形成微細(xì)小尺寸磨料射流。前混合式磨料射流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，高壓氣體能量損失較小，射流束能獲得更大的動(dòng)能，從而使前混合式磨料射流的能量傳輸效率顯著提高，比能耗降低，加工能力顯著增強(qiáng)。圖1是前混合磨料射流切割裝置。

圖1 前混合磨料射流切割裝置

3 前混合磨料射流加工噴頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因?yàn)楣ぷ髟淼母淖?，前混合射流噴頭系統(tǒng)終極噴嘴直徑可縮小到Φ0.2-0.3mm，實(shí)現(xiàn)微細(xì)射流束的生成。考慮到射流束噴出時(shí)液阻過大，必須將終極噴嘴的總長度減小到8-10mm，如圖2所示是噴頭系統(tǒng)示意圖。終極噴嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)決定最終的工作效果，必須保證高速流動(dòng)的磨料漿液從大橫截面積的管路順利進(jìn)入微細(xì)噴嘴噴嘴的過程穩(wěn)定而順利，所以終極噴嘴前半部分設(shè)計(jì)成錐孔，后半部分是微細(xì)通孔，直徑從Φ4-5mm逐漸過渡到Φ0.2-0.3mm，既能保證磨料漿液順利進(jìn)入終極噴嘴，又不至于出現(xiàn)橫截面積急劇收縮而發(fā)生脈沖現(xiàn)象，形成自激振蕩。其中L是個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，叫做準(zhǔn)直管長度，數(shù)值必須合理。根據(jù)噴嘴的長度和直徑以及積累的經(jīng)驗(yàn)，L的長度在4-5mm比較理想。前混合式磨料射流系統(tǒng)目前在工業(yè)上未能廣泛推廣應(yīng)用的主要原因一是射流束高速工作，磨料具有鋒利的棱角，對(duì)噴嘴具有極強(qiáng)的磨損劃擦效應(yīng)，噴嘴很快報(bào)廢，所以不能使用普通材料，噴嘴的材料必須是硬質(zhì)合金或者其他超硬耐磨物質(zhì)；二是磨料箱中磨料漿液的填補(bǔ)比較麻煩，系統(tǒng)工作時(shí)間取決于磨料箱的體積。另外整個(gè)系統(tǒng)的密封性必須得到保證且極其重要，在管路的連接處以及噴頭系統(tǒng)各部分零件的結(jié)合處必須使用密封圈密封墊，管螺紋和普通螺紋的結(jié)合處必須使用聚四氟乙烯膠帶纏繞螺紋后再擰緊。

圖2 前混合磨料射流系統(tǒng)噴頭

4 可能出現(xiàn)的問題及解決方法

因?yàn)榻K極噴嘴直徑很小，只有Φ0.2-0.3mm，系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)因噴嘴堵塞而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓無法工作，解決噴嘴的堵塞的方法是保證系統(tǒng)正常工作的重要因素。如遇堵塞出現(xiàn)，可利用線切割加工的銅絲來解決，銅絲的直徑是Φ0.2mm，如果堵塞物是密封螺紋用的聚四氟乙烯膠帶或者高壓管內(nèi)一些磨損脫落的膠皮碎屑等物質(zhì)，將銅絲燒紅后從終極噴嘴的小孔反向插入，聚四氟乙烯生膠帶或者膠皮碎屑遇到燒紅的銅絲會(huì)立刻融化，解決堵塞。

5 結(jié)語

前混合磨料射流系統(tǒng)在根本上改變了后混合磨料射流系統(tǒng)的工作原理，解決了一系列不足，使得磨料射流技術(shù)在微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。前混合磨料系統(tǒng)的噴頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是核心要素，因?yàn)楣ぷ髟淼母淖儯瑖婎^系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化與簡化，加工制造方便，經(jīng)濟(jì)性顯著，該技術(shù)如果與脈沖射流技術(shù)相結(jié)合，則對(duì)陶瓷、硬質(zhì)合金等超硬物質(zhì)的拋光加工變成可能。