前混合磨料射流加工系统喷头的设计

文/黄东 邹红亮，吉林电子信息职业技术学院机械工程学院

早在上世纪30年代，欧美发达国家就利用水射流技术切割煤层和采掘矿石，但是水射流系统需要消耗大量的能源，比能耗高，经济性较低，因此在水中加入微细磨料粉末将单一的水射流发展为磨料射流，加工能力与效率大幅度提升，比能耗也随之大幅降低，经济性突出。到上世纪90年代，磨料射流在微细特种加工领域得到迅速发展，尤其是刻蚀玻璃、陶瓷等脆性材料有突出的优势，也广泛用于机械加工、医疗及其他科技领域。

1 前混合磨料射流加工系统的提出背景

磨料射流加工技术目前应用最广泛的是后混合系统，后混合磨料射流的原理是文丘里效应。工作原理是高压气源产生的高压高速气流分流为两部分，一部分通过高压软管进入喷头系统的混合腔，由于扩散和卷吸作用在混合腔内产生一定的真空度，形成负压；另一部分将磨料箱中混合均匀的水与磨料的混合物压入混合腔。在实际应用中，后混合磨料射流系统当喷嘴直径小于1mm时系统工作困难甚至无法工作，原因是喷嘴与系统连接处过多，高压气流能量损失严重，并且二级喷嘴直径太小，长径比大，导致液阻很大，射流不能从喷嘴喷出，反而从进磨料口喷出，因此后混合系统无法实现微细加工，需要改变系统工作原理，进一步缩小喷嘴直径，形成微细射流束，使得磨料射流在微细加工领域的应用变成现实。

2 前混合磨料射流加工系统的原理

前混合式磨料射流系统，从根本上改变了后混合式磨料射流系统运用文丘里效应的原理。磨料箱设置在高压气源和喷头系统之间，在高压磨料射流形成前，将磨料粉末先和水在磨料箱中均匀混合形成浆液，然后高压气源产生的高压气体通过系统中的高压管路进入磨料箱，直接推动磨料浆液从喷头系统的小尺寸终极喷嘴喷出，形成微细小尺寸磨料射流。前混合式磨料射流系统结构简单，高压气体能量损失较小，射流束能获得更大的动能，从而使前混合式磨料射流的能量传输效率显著提高，比能耗降低，加工能力显著增强。图1是前混合磨料射流切割装置。

图1 前混合磨料射流切割装置

3 前混合磨料射流加工喷头系统的设计

因为工作原理的改变，前混合射流喷头系统终极喷嘴直径可缩小到Φ0.2-0.3mm，实现微细射流束的生成。考虑到射流束喷出时液阻过大，必须将终极喷嘴的总长度减小到8-10mm，如图2所示是喷头系统示意图。终极喷嘴的设计参数决定最终的工作效果，必须保证高速流动的磨料浆液从大横截面积的管路顺利进入微细喷嘴喷嘴的过程稳定而顺利，所以终极喷嘴前半部分设计成锥孔，后半部分是微细通孔，直径从Φ4-5mm逐渐过渡到Φ0.2-0.3mm，既能保证磨料浆液顺利进入终极喷嘴，又不至于出现横截面积急剧收缩而发生脉冲现象，形成自激振荡。其中L是个很关键的参数，叫做准直管长度，数值必须合理。根据喷嘴的长度和直径以及积累的经验，L的长度在4-5mm比较理想。前混合式磨料射流系统目前在工业上未能广泛推广应用的主要原因一是射流束高速工作，磨料具有锋利的棱角，对喷嘴具有极强的磨损划擦效应，喷嘴很快报废，所以不能使用普通材料，喷嘴的材料必须是硬质合金或者其他超硬耐磨物质；二是磨料箱中磨料浆液的填补比较麻烦，系统工作时间取决于磨料箱的体积。另外整个系统的密封性必须得到保证且极其重要，在管路的连接处以及喷头系统各部分零件的结合处必须使用密封圈密封垫，管螺纹和普通螺纹的结合处必须使用聚四氟乙烯胶带缠绕螺纹后再拧紧。

图2 前混合磨料射流系统喷头

4 可能出现的问题及解决方法

因为终极喷嘴直径很小，只有Φ0.2-0.3mm，系统工作时可能出现因喷嘴堵塞而导致系统瘫痪无法工作，解决喷嘴的堵塞的方法是保证系统正常工作的重要因素。如遇堵塞出现，可利用线切割加工的铜丝来解决，铜丝的直径是Φ0.2mm，如果堵塞物是密封螺纹用的聚四氟乙烯胶带或者高压管内一些磨损脱落的胶皮碎屑等物质，将铜丝烧红后从终极喷嘴的小孔反向插入，聚四氟乙烯生胶带或者胶皮碎屑遇到烧红的铜丝会立刻融化，解决堵塞。

5 结语

前混合磨料射流系统在根本上改变了后混合磨料射流系统的工作原理，解决了一系列不足，使得磨料射流技术在微细加工领域的应用得以实现。前混合磨料系统的喷头系统的设计是核心要素，因为工作原理的改变，喷头系统设计实现了优化与简化，加工制造方便，经济性显著，该技术如果与脉冲射流技术相结合，则对陶瓷、硬质合金等超硬物质的抛光加工变成可能。