磨料参数对石材切割能力的影响

    关键词：磨料参数石材

    1、前言

    磨料水射流切割加工技术，是现代较为先进的切割加工方法。从1983年在美国首次获得该项技术专利，并开发出相应的磨料水射流切割系统后，到目前为止也仅有20多年的历史。但该技术由于具有许多独特的优点，系统也较为简单，故得到了较快的发展和应用。目前，磨料水射流切割技术在美国得到了快速发展，无论是在应用范围，还是技术水平等方面，都处于世界领先地位。现今在美国的飞机制造业、汽车制造业、建筑工程公司等，都广泛地利用了水切技术。

    我国从20世纪80年代研制磨料水射流切割技术与设备，并于1986年由成都飞机制造公司研究所率先在国内完成了组装、调试、试切加工等研究工作，填补了该技术在国内的空白。近年来，南京理工大学也研制了高压水射流切割装置，用于切割金属材料和非金属材料。国内部分科研院所、高等院校也都在理论和实践进行了研究和探索。由此可见，该技术的发展势头，方兴未艾。

    2、磨料水射流系统简介

    磨料水射流系统主要由磨料射流喷头、磨料供给系统、高压泵站、喷嘴等几大部分组成。磨料水射流是以压力水为载体，磨料颗粒被高压水射流加速运动，由于磨料颗粒质量比水大，而又具有锋利的棱角。因此，磨料水射流对物料的冲击力和磨削力较同等条件下的纯水射流要大得多。此外，磨料在水射流中是不连续的，由磨料粒子组成的高速粒子流对被切材料能产生高频冲击作用，所以磨料水射流的切割能力较高。

    影响磨料水射流的切割能力因素较多，但主要有磨料参数、水力参数、射流工作参数、被切割材料的力学性能参数等。磨料水射流混合的磨料在切割加工过程中起到了90%以上的切割作用。所以，研究磨料参数对石材的切割能力的影响有一定的实际意义。

    2.1磨料水射流中的磨料供给系统

    磨料供给系统主要由磨料调节系统、磨料切割头构成，此外，该系统还包括高压硬管和挠性管、管接头、旋转接头及其他有关的元件。磨料流量系统由磨料仓、磨料、磨料流量阀和输送管组成。磨料仓设计成倒锥形，内部装有网筛，这样可以保证磨料供给通畅，不易堵塞。磨料流量阀的作用是打开或关闭、并且调解磨料流量、同时它还能排出管路中的水分。该系统如图1所示。料切割装置包括混合室、气控光导阀、高压阀组件、磨料喷嘴、水喷嘴等。

    在切割式高压水经人造蓝宝石喷嘴小孔进入切割头混合室，这使混合室中将产生真空，利用其负压把磨料吸进混合室，在室中磨料与水射流混合，然后经混合管，形成磨料水射流。

    2.2磨料水射流的混合机理

    后混合式高压磨料水射流，其磨料的混合机理较为复杂，但主要有三个原因是磨料能够混人水射流的动力。(1)磨料仓中磨料的料高产生的重力因素。该因素的作用主要是起到把磨料不断填入混合室的动力;(2)高速水射流产生的真空卷吸作用。

这是磨料能够靠近水射流的主要动力。(3)水射流对磨料的冲刷作用使其紊流流动。磨料能够混人水射流，这三个因素中卷吸作用是其主要因素。由小孔喷射的水射流，按射流的理论，它必然对周围的流体产生一个吸力，形成一个三维流场。磨料一旦混人水射流，受水射流的作用力开始加速，其加速过程可用一个小球体在一个恒流场中的受力状态来描述。根据流体力学理论中斯托克斯公式，球体在以v为速度的流体作用下受到的作用力为：

    公式(1)的作用力一般小于实际作用力，即使如此，小球也可在较短的时间内达到流体的速度。

    3、磨料参数对切割深度的影响

    3.1不同磨料对切割深度的影响

    为研究磨料参数对石材切割深度的影响关系，实验时选择靶距L=3mm，喷嘴横移速度。v=5mm/min,压力P=Z10MPa切割试验条件，对樱花红花岗石和将军红花岗石石材进行切割加工。实验时选用的磨料为硅砂、石榴石、金刚砂，粒度为80目。

    磨料水射流切割石材时，磨料的硬度对切割能力影响较大。在切割石材的加工中，磨料的硬度大，切割深度将有所增加。这是因为磨料射流切割脆性材料，其物料的主要破坏形式是冲蚀破坏，在压力一定的情况下，磨料的流量一定，磨料硬度越高，其强度越好，而冲蚀能力越强。从三种硬度不同的磨料所达到的切深来看，磨料的硬度大，其切割的深度有显著增加的趋势。但是，在实际的切割加工中，也要考虑磨料的来源、价格、以及对磨料喷嘴寿命的影响。所以，在选择磨料时，应尽量采用硬度较低、粒径较小的磨料。此外，还必须适当控制磨料的流量，使切割的速度与磨料喷嘴的使用寿命相协调，尽力提高磨料喷嘴的使用寿命。

    3.2磨料流量对切割深度的影响

    选择靶距L=5mm,喷嘴横移速度V=50mm/min,磨料为80目的石榴石，对樱花红花岗石和将军红花岗石进行切行切割试验。所得结果如图3所示。由文献(3]的切割深度公式可知切割深度是磨料流量的函数，是一个凸曲线，存在一个最佳磨料流量的选择范围。由图3分析可知，增大磨料流量会增加切割深度，但由于受磨料喷嘴直径等因素的制约，磨料流量的增大有一个界限值。超过界限值，磨料颗粒在喷嘴处发生拥挤、阻塞，导致颗粒之间相互产生干涉，使冲击物料的有效次数下降，而且磨料流速相对降低，冲击作用力也相对降低、减弱。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，反而会减小。

    3.3磨料粒度对切割深度的影响

    在压力P=210MPa,横移速度V=5mm/min的切割条件下，选用不同粒度的石榴石对A1203工程陶瓷进行切割试验，所得到的试验结果可用图4描述。分析图中的曲线表明，中等粒度的磨料粒度为80目的比细粒度(100目)或更细的磨料切割效果好些，同时比较更粗糙的磨料(如16目或更粗的磨料)切割效果好。从公式(1)可知磨料粒径越大，作用力也越大，对物料的打击力也应越大。但这是在准静态条件下，磨料颗粒假设是圆球形的条件下。但事实上磨料颗粒是有棱角的粒子。当磨料粒度增大、磨料颗粒的外形表面相对较光滑，切割刀刃的棱角减小，故切割能力有所下降，切割深度减小。