大厚径比平面圆孔水切割加工工艺方法研究

2015-03-09李玉辰胡顺玺申育敏李继光天津航天长征火箭制造有限公司天津300462

军民两用技术与产品 2015年15期

李玉辰胡顺玺申育敏李继光（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

大厚径比平面圆孔水切割加工工艺方法研究

李玉辰胡顺玺申育敏李继光
（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

摘要大厚径比平面圆孔主要为运载火箭蒙皮及其它小钣金件的铆钉孔，其孔径及圆度要求较高。针对大厚径比平面圆孔的结构及公差要求，通过不同的工艺试验，确定了影响加工稳定性的主要因素，进而分析确定了水切割加工工艺参数，确定了加工方案，最终达到了大厚径比平面圆孔的加工要求。

关键词水切割，孔加工，进给率，刀具补偿值

1 水切割技术简介

水切割技术出现于20世纪80年代，是新一代切割技术的代表之一，经过30年左右的发展，现已在航空、航天、船舶、机械等制造业领域，以及石油化工、火工品制造等领域得到了广泛应用。水切割技术利用高压水射流对材料进行切割，属于冷态高能切割。使用水射流切割技术切割金属材料时，需混合砂粒等磨料，压力一般需控制在380MPa左右，水射流速度约为音速的2～3倍；切割非金属材料（如玻璃、陶瓷等）时，压力一般需控制在150MPa左右，切口尺寸约为0.8mm～1mm。与传统切割工艺相比，水切割技术对材料几乎无限制性，无热效应，且切口质量较高，特别适用于高温合金、非金属材料、陶瓷等材料的切割。

图1　水切割设备图

2 大厚径比平面圆孔加工方法对比

大厚径比平面圆孔是指材料厚度（b）与圆孔直径（a）比大于1的孔，如图2所示。其主要精度要求为位置公差（由设备精度保证）和形状公差（圆度及孔径精度）。由于其厚径比大于1，许多切割工艺均不能完全满足加工要求。例如，数控步冲切割技术受刀具上模强度的限制，无法加工厚径比大于1的孔。激光切割技术受设备结构限制，在加工大厚径比圆孔时，精度难以保证。机械加工技术（如钻削加工等）受生产效率及孔位置精度限制，在工程实用性方面存在不足。线切割工艺技术虽可以实施加工，且精度较高，但存在生产效率较低等缺点，难以在实际生产中大范围应用。

图2　大厚径比平面圆孔示意图

3 大厚径比平面圆孔水切割加工方法

3.1 工艺方法

普通圆孔切割采用从孔内引线，一次切割的方法，即水射流在引线长度范围内切透材料后再自然过渡到圆孔切割路径，一次切割即可完成加工。大厚径比平面圆孔由于孔径较小且材料厚度较大，如引线在孔内，则可能导致因引线范围过小，无法完全切透材料即开始切割圆孔的现象。因此，大厚径比平面圆孔的切割需采用引线与圆孔切割路径一致的方式，进行2次切割，即无引线2次切割。大厚径比平面圆孔的加工流程为：水射流之间在圆孔切割路径上开始切割，在完成1次切割后，再沿圆孔路径进行第2次切割。如仅进行1次切割会导致圆孔路径切割不完全，材料上下表面存在孔径偏差，且该偏差会随材料厚度的增大而进一步增大，故需进行第2次切割，在保证圆孔路线切割完全的情况下，对之前的切割路线进行修补，提高切口质量，减小材料上下表面的孔径偏差，1次切割与2次切割试验件的对比如图3所示。

3.2 工艺参数

水切割技术中涉及的工艺参数主要包括切割压力、水及磨粒配比、进给速度、刀具补偿值等，各项工艺参数的设定均会对切割质量产生影响。

图3　一次切割与二次切割对比图

由于材料及设备限制，切割压力、水及磨粒配比等参数与普通圆孔切割相同，仅进给速度及刀具补偿值存在区别。

3.2.1 进给速度

进给速度即切割刀头的运行速度。由于水射流冲击切割材料时，水射流受材料内部的横向反作用力，会出现“甩尾”现象，导致材料上下表面切割路径存在偏差，特别是切割转角部位更为明显。对于大厚径比平面圆孔，进给速度主要影响其圆度。进给速度过快，会导致孔不圆；进给速度过慢，会影响生产效率。因此，进给速度值的设定尤为重要。不同进给速度设定试验件成孔形态对比图如图4所示。图中试验孔的进给速度从左向右逐步提高，具体参数详见表1。

图4　不同进给速度加工的试验件成孔形态对比图

表1　进给速度数据统计表

3.2.2 刀具补偿值

刀具补偿值是所有切割技术均涉及的重要参数，在水切割技术中，其主要受水射流直径影响。采用水切割技术切割圆孔时，在刀具补偿值为“0”的情况下，水射流中心沿切割路径运行完成切割工作，获得的圆孔直径比需求直径小1个水射流直径，即“真实孔径”+“水射流直径”=“需求孔径”。为了消除该现象，需设定刀具补偿值（理论值）为水射流直径的50%。但在实际生产中，受限于材料内部对水射流的纵向反作用力，实际刀具补偿值与理论值之间存在偏差。此外，由于大厚径比平面圆孔加工方法需进行2次切割，在进行第1次切割时，水射流受材料内部的双面作用，而在第2次切割时，由于孔内部材料已经脱落或即将脱落，水射流仅受材料内部的单面作用，故2次切割与1次切割的刀具补偿值也存在差异。

刀具补偿值的设定对产品的孔径精度具有较大影响。刀具补偿值与孔径成反比例关系。不同刀具补偿值加工的试验件的成孔形态对比图如图5所示。图中，试验孔的刀具补偿值从左向右逐步提高，具体参数详见表2。