高分子添加剂对磨料水射流切面锥度影响的研究*

裴江红　胡　东

(①重庆工业职业技术学院，重庆 401120；②湖南工业大学水射流实验室，湖南 株洲 412008)



高分子添加剂对磨料水射流切面锥度影响的研究*

裴江红①胡东②

(①重庆工业职业技术学院，重庆 401120；②湖南工业大学水射流实验室，湖南 株洲 412008)

通过高分子添加剂磨料水射流和磨料水射流切割大理石的对比实验，测试了在不同工况下切割端面的切面锥度。实验结果表明：相同工况下，高分子添加剂磨料射流较磨料水射流能减小切割端面切面锥度，当高分子添加剂浓度过低或过高时(本实验为300 ppm和500 ppm)，会零星出现切面锥度大于磨料水射流切面锥度状况；不同浓度高分子添加剂磨料射流对切割端面锥度影响不一，存在最优浓度，实验为400 ppm；相同走刀速度下，高分子添加剂磨料射流和磨料水射流端面切面锥度均随靶距的增加而增大。

切面锥度；高分子添加剂；磨料射流；靶距；走刀速度

自1983年第一台商用磨料水射流切割机问世以来，磨料水射流因其具有切割效率高、可以切割任何材料、几乎无切削热、切口表面几乎不存在机械应力和应变、切割反作用力小、对环境无影响等优点而被广泛应用于航空航天、机械、采矿和造纸等行业[1]。经过30多年的研究，目前磨料水射流切割正向智能化、多维切割方向发展。但磨料水射流切割相对于常见的刚性切割属于软切割，因自身的特点，致使切割表面会出有切面锥度、切割前沿与后拖量、鼓形、表面粗糙度值较大等特点，影响了磨料水射流更广泛的应用[2]。目前解决这一难题的常规思路首先是建立先进的切割数学模型，其次是在切割数学模型的基础上编写先进的智能数控软件，实现对切割头的多维控制以达到切割补偿。为此国内外学者对切割数学模型进行了大量的研究，著名的有1963 年Bitter提出了塑性材料受冲蚀的切削变形模型；1969 年Tilly提出的二次冲蚀模型；Zeng和Kim1996年建立的磨料射流铣削模型；Westk?mper 与Henning 在2000 年合作研究了磨料射流轮廓加工的模型；2010 年，Axinte、Srinivasu 等对磨料射流在90°角下切缝进行了研究，建立了一个几何模型[3-5]；国内长沙矿冶研究院、中国石油大学、重庆大学、南京大学，湖南工业大学等高校和科研院所的科研人员在这方面也做出重要贡献。由于影响切缝表面质量的因素非常多，成因也非常复杂，目前还没有适合所有切割工况的通用切割模型，多是建立在实验基础上得到的半经验或经验模型。射流的结构特性是影响切割质量最重要的因素，所以一切改变射流结构特性的方法将最终影响到切割质量。根据这一思路并结合笔者前期调研，本文将高分子添加剂加入到磨料水射流，从实验角度分析了其对切面锥度影响关系，得到了添加了高分子添加剂的磨料水射流可以减小切面锥度，提高切割质量的结论。

1　实验条件、方法及效果

1.1实验平台

本实验所采用的切割系统是某公司生产的龙门式高压后混合磨料水射流切割机。如图1所示。工作行程1 800 mm×2 000 mm,工作压力0～450 MPa,最大行进速度下的运动精度±0.025 mm。

该系统由运动系统、控制系统、增压系统和磨料供给系统四部分组成。运动系统通过伺服电动机直接驱动切割头、立柱等部件，实现切割过程中所需运动轨迹；控制系统由液压伺服驱动装置和电子控制装置组成，实现对液压油的开启、关闭、增压缸的换向等；增压系统由高压油泵、水泵、过滤器、增压器、储能器和其他辅件组成，实现将低压水转换为高压水；磨料供给系统由砂箱、砂阀和输砂管组成，实现切割过程中磨料的供给。

1.2实验材料及参数

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；高分子添加剂：聚丙烯酰胺(PAM)，分子量1 200万；高分子添加剂浓度：分别为300 ppm、400 ppm、500 ppm；水喷嘴直径0.3 mm；混砂管直径0.89 mm，长度76 mm；切割角度90°(喷头垂直于工件表面)；数显游标卡尺：量程200 mm,分辨率0.01 mm；数显电子天平：最大称量为200 g，灵敏度为0.01 g，稳定时间<3 s，工作环境5～35 ℃。

1.3实验方法

本实验切面锥度采用切缝上下表面宽度差的一半与切割深度的比值进行定义(图2)由于影响切面锥度的因素很多，如喷嘴结构、射流压力、磨料流量、走刀速度、靶距等，受实验时间的限制，本实验在射流切割压力250 MPa、磨料流量0.35 kg/min条件下进行，在不同走刀速度和靶距的射流切割实验。

在整个实验过程中，共分为两大部分，首先是磨料水射流切割和添加了高分子添加剂的磨料水射流切割大理石实验；其次是测量在两种不同切割条件下切割材料的切面锥度。

(1)水射流切割

磨料采用干式自吸式供给，即通过混合腔内负压吸入。磨料流量大小通过调节砂阀开孔径大小控制。水射流切割大理石的实验过程中采用了以下组合方式：切割头走刀速度范围50～300 mm/min，每次以50 mm/min速度间隔递增，共6种走刀速度；靶距范围4～12 mm，每次以2 mm间距递增，共5种靶距。首先通过磨料水射流完成切割实验，开始前，首先将大理石安放在切割平台并固定，调节切割机压力250 MPa,磨料流量0.35 kg/min，根据6种不同走刀速度和5种不同靶距的组合方式，按照设计切割路线完成所有组合方式下(共30种)切割实验；然后，利用电子天平和聚丙烯酰胺溶质配制浓度为1 000 ppm母液，用自来水将浓度为1 000 ppm母液分别稀释成浓度为300 ppm、400 ppm和500 ppm的3种高分子添加剂溶液备用。为使母液与自来水混合均匀，在稀释母液时应不断的搅拌，稀释后的溶液应静置40 min以上。最后将浓度为300 ppm、400 ppm和500 ppm的3种高分子添加剂溶液分别加入到水箱，重复以上磨料水射流切割实验步骤。为使实验数据准确可靠，减少实验误差影响，每组实验均重复3次。

射流切割材料过程中，有“切割加速-切割稳定-切割减速”3个阶段，为使数据检测点位于切割稳定阶段，切割的长度不能少于50 mm；切割脆性材料时，如切割间距过窄，会造成切块断裂，所以相邻切缝之间的距离必须大于5 mm。

(2)锥度测量

利用数显游标卡尺完成切缝上下表面宽度和深度测量。

2　实验结果与分析

根据以往经验，切割大理石类型的脆性材料时，当射流的压力过高时易造成切割材料表面的断裂，故本实验选用射流的切割压力为250 MPa。

2.1磨料水射流切面锥度随靶距和走刀速度变化关系

图3表明，磨料水射流切割大理石切面锥度的变化趋势随走刀速度和靶距的变化各不相同，相同走刀速度下切面锥度随靶距的增加而增加；相同靶距情况下切面锥度随走刀速度的增加变化规律各不相同，不同靶距下对应最小切面锥度的走刀速度不同。靶距为4 mm、走刀速度为200 mm/min时，对应最小切面锥度6.60°；靶距为6、8 mm，走刀速度为300 mm/min时，对应最小切面锥度分别为7.71°、8.31°；靶距为10 mm、12 mm，走刀速度为250 mm/min时，对应最小切面锥度分别为9.94°、10.63°。究其原因在于，切面锥度的大小由切缝上下表面宽度差及切割材料的厚度决定，切割实验过程中切割材料的厚度为一定值，此时影响切面锥度大小的因素就转化为影响切缝上下宽度的因素，在切割压力、磨料流量和走刀速度固定的情况下，靶距就成为影响切缝宽度的重要因素。由国际水射流界公认的水射流结构图可知，当射流一离开喷嘴后沿射流中心线方向，可分为初始段、转折段、基本段和消散段，初始段内的射流核心区呈顺锥分布射流内边界层和外边界层呈倒锥分布，在清、水磨料射流切割过程中，磨料微粒分布射流核心区和内外边界层中，其通过被水射流加速，将水的势能转换为磨料的动能参与切削过程，此时可以形象地认为是一把切削刃呈倒锥形状的刨刀在进行刨削加工，当靶距越大时，切削刃的宽度越大致使切缝上表面的宽度越大，切缝下表面的宽度越小(磨料射流切割属软切割，随切削深度的增加，磨料微粒的动能将发生衰减所致)；相同靶距情况下切面锥度随走刀速度增加的变化规律各不相同的原因在于，磨料水射流切割过程中，磨料不可能全部进入核心区，部分磨料通过多次在内壁和射流束间碰撞得以加速实现切割，一离开喷嘴后这部分磨料分布在射流内外边界层之间，造成磨料在射流断面的能量分布不均，整体上呈中间高两边低分布[6]，不同射流断面能量分布不一(靶距不同，射流断面也不同)，这就导致随着走刀速度的增加使得单位时间里内外边界层内参与切削的有效磨料数量减少，致使切缝上下表面的宽度逐渐减小，但随着走刀速度的增加切割材料上下表面切缝宽度大小变化率不一(推测其原因可能在于，泵压不稳、磨料流量不恒定造成同一射流断面磨料分布虽整体上呈中间高两边低分布，但实际分布情况却随时都在变化)，致使出现了在不同靶距对应最小切面锥度的走刀速度不一。

2.2不同浓度高分子添加剂磨料水射流切面锥度随靶距和走刀速度变化关系

图4不同浓度高分子添加剂磨料水射流切面锥度随靶距和走刀速度变化关系

从图4可以看出，不同浓度高分子添加剂磨料水射流切割，在相同走刀速度下，具有相同的变化趋势，切面锥度均随靶距的增加而增大，这一变化规律与磨料水射流切割类似；相同靶距下，切面锥度随走刀速度的变化规律随高分子添加剂浓度的不同而不同。当高分子添加剂浓度为300 ppm，靶距为4、6、8 mm时，在走刀速度为250 mm/min时，对应最小切面锥度分别为6.02°、7.79°、8.57°；靶距为10、12 mm，走刀速度为300 mm/min条件下时，对应最小切面锥度分别为8.77°、9.67°。高分子添加剂浓度为400 ppm，当靶距为4 mm、在走刀速度为150 mm/min时，对应最小切面锥度为6.15°；靶距为6、8、10、12 mm、在走刀速度为300 mm/min时，分别对应最小切面锥度为7.09°、8.21°、8.51°、9.15°。高分子浓度为500 ppm，当鞍距分别为4、6、8、10、12 mm，均在走刀速度为300 mm/min时，对应最小切面锥度分别为6.46°、7.89°、9.07°、9.12°、10.43°。通过分析以上不同浓度高分子添加剂、靶距和走刀速度下对应的最小切面锥度数值表明：较低浓度高分子添加剂(本实验为300 ppm)在小靶距(本实验靶距为4、6、8 mm)时最小切面锥度对应的走刀速度小于大靶距(本实验靶距为10、12 mm)时最小切面锥度对应的走刀速度；随着高分子添加剂浓度的增加，最小切面锥度对应的走刀速度趋向一致达到300 mm/min；相同靶距和走刀速度条件下，高分子添加剂浓度过低或过高时(本实验为300 ppm和500 ppm)，零星出现了切面锥度小于清水磨料射流切面锥度情况；高分子添加剂浓度为400 ppm时，切面锥度均小于对应磨料水射流切割条件下切面锥度。这表明存在最优高分子添加剂浓度，本实验为400 ppm，这也说明适当浓度高分子添加剂的加入有利于减小切割表面锥度。究其原因，这是由于在磨料射流中加入一定的高分子添加剂使得射流中水的拉伸粘度增加。当流体静止时，高分子以卷曲或缠绕的形态存在于流体中；流体高速运动过程中，高分子以链状结构形态存在于流体中，因高分子链的强度远大于流体分子链强度，使得流体与周围动量交换减小，流动阻力减小表现为流体的集束性增强。但同时高分子添加剂的加入，溶液的粘滞力增大，粘滞引起的阻力也相应变大，宏观表现为出口动压力和流量系数降低。所以最终的切面锥度是粘滞引起的阻力和高分子链结构引起的减阻综合作用的结果。

3　结语

(1)高分子添加剂磨料射流较清水磨料射流能减小切割端面切面锥度。

(2)高分子添加剂浓度大小是影响切割端面切面锥度的重要因素，存在最优高分子添加剂浓度，本实验为400 ppm。

(3)相同走刀速度下，高分子添加剂射流和清水磨料射流端面切面锥度随靶距的变化规律相同。

[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]冯晓春，关砚聪，孙连祥. 磨料水射流切割石材加工表面质量的试验研究[J]. 机械工程师，2012(7)：83-85.

[3]杨敏官,王育立,康灿,等. 磨料水射流偏摆切割模型及模型[J]. 江苏大学学报：自然科学版,2009,30(6):587-590.

[4]张仕进,吴逾强,王舒,等. 高压水射流切割误差试验方法的研究[J].新型工业化,2014,(1):51-54.

[5]蔡书鹏,白璐,胡东. 减阻剂对后混合磨料水射流切割质量的影响[J].湖南工业大学学报,2014,28(2):12-15.

[6]杨林,张凤华,唐川林. 超高压磨料水射流切割质量的实验研究[J].制造技术与机床,2004(5):72-75.

(编辑谭弘颖)

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·名词解释·

转塔车床转塔车床也叫六角车床。机床上具有回转轴线与主轴轴线垂直或倾斜的转塔刀架，另外还带有横刀架。刀架上安装多把刀具，在工件一次装夹中，由工人依次使用不同刀具完成多种车削工序。它适用于成批生产中加工形状较复杂的工件。

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

裴江红，男，1973年生，博士研究生，副教授，教务处副处长，主要研究方向为射流理论及应用。

2015-10-27)

160533

重庆市科委自然科学基金计划项目(cstc2012jjA00004)； 重庆市教委科学研究项目(KJ122102)