基于超高压磨料水射流的材料铣削加工技术及试验研究

任启乐，王永强，陈正文，韩彩红，张 的，曲玉栋

（合肥通用机械研究院有限公司 通用机械复合材料技术安徽省重点实验室，合肥 230031）

0 引言

超高压磨料水射流是在压力200 MPa以上的水射流束中引入细磨料颗粒，磨料在超高压水射流带动加速下具备了相当的动能，因而大大提高了水射流冲蚀、去除材料的能力。近年来，结合数控机床技术，超高压磨料水射流被广泛用于水切割，适用于各类材料，具有无热变形、无粉尘污染等优点［1-2］。目前主要集中于对各类材料的水切割工艺及设备技术研究、以超高压磨料水射流技术对相关材料工件表面的抛光及强化处理技术研究等［3-4］。

超高压磨料水切割是利用“磨料射流线”切透材料，水切割加工的零部件具有轮廓尺寸精度高、切割面质量高的特点。基于上述特点，通过控制水切割材料的切削深度，可以将水切割技术拓展运用于铣削成型零部件，对于难处理材料零部件的加工、特殊型槽的铣削成型都具有应用前景。然而，将超高压磨料水射流由“线切割”转变为“面铣削”，关键难点在于改变磨料水射流的射流型式及移动路径、控制切削深度与铣削宽幅等技术参数。尽管超高压磨料水射流技术与数控机床技术融合发展，但现有技术仍然是以超高压磨料水射流“线切割”穿透切除材料，难以实现“面铣削”部分去除材料。本文从超高压磨料水射流铣削加工技术机理和影响因素研究出发，开展了相关材料的磨料水射流铣削加工型槽试验，为超高压磨料水射流技术拓展应用领域提供借鉴。

1 超高压磨料水射流铣削加工技术机理

1.1 超高压磨料水切割技术原理

水射流是一种孔口（狭缝）出流流动现象，典型的水射流形态结构包括初始段、转折段、基本段及消散段等特征阶段［5］如图1所示。初始段和转折段的流速和能量密度很高，从转折段开始至基本段、消散段的射流形状开始向外扩散、射流流速逐步降低，因而初始段主要被用于引入磨料形成水切割应用。

图1 基于理论与实验的水射流结构Fig.1 Water jet structure based on theory and experiment

超高压磨料水切割是利用“磨料射流线”在待加工材料上建立入刀口，结合“磨料射流线”的横移，切向和法向地磨削和冲击材料；由于侧向力小且无热聚效应，水切割不会对断面产生变形及裂纹。水切割设备以多轴联动水切割机为主，控制“磨料射流线”的移动轨迹和移动速度；泵机组产生的水射流压力是水切割的关键工况参数之一，超过门限压力的磨料水射流具备切割材料的能力［6-7］。

1.2 超高压磨料水射流铣削技术原理及影响因素

1.2.1 技术原理

相对于超高压磨料水切割，超高压磨料水射流铣削技术首先须形成由“微细磨料射流”转变的“宽幅磨料射流”，通过加快“磨料射流线”的移动速度将“切透”材料转变为“不切透”材料，并规划“磨料射流线”移动轨迹和循环重复次数，最终实现水射流铣削成型零部件的轮廓尺寸、深度和平整度，如图2所示。

图2 超高压水射流铣削矩形槽原理Fig.2 Schematic diagram of ultra-high pressure abrasive water jet milling of rectangular groove

1.2.2 影响因素

磨料颗粒被引入超高压水射流并加速后从磨料喷嘴喷射出，从而具备了冲蚀材料的动能。水射流流速vw、磨料颗粒的流速vm及动能Em表达式为：

一般来说，当磨料颗粒的动能大于去除材料的体积能时，即实现磨料水射流铣削材料的功能。通过式（3）～（5）可知，超高压磨料水射流铣削材料的体积量与磨料水射流的压力、移动速度、单次切削宽幅、铣削时间等主要因素关联。

此外，超高压磨料水射流铣削成型一定深度及形状的材料型槽时，还应考虑：（1）“磨料射流线”既要保持冲蚀材料的打击力，还要使“磨料射流线”发散转变为“宽幅磨料射流”，提升铣削效率；（2）为避免发散的“宽幅磨料射流”铣削型槽时干涉型槽的外边缘表面，应增加与型槽尺寸相同的贴合模具；（3）保持“宽幅磨料射流”垂直作用于材料型槽表面，避免因倾斜角度而使“磨料射流线”冲蚀型槽的边缘槽面；（4）“宽幅磨料射流”采取逐层快速铣削以保证材料型槽铣削的平整度，避免“磨料射流线”长时间驻留而破坏材料表面。

2 超高压磨料水射流铣削加工试验方案

2.1 试验装置

本文前期已研制WJQG37-B型超高压水射流加工中心作为超高压磨料水射流铣削加工试验装置，由超高压增压器系统（泵机组）、超高压磨料铣削刀头、五轴联动龙门机床、工件装夹工作台、数控系统及供砂设备等部件组成，如图3所示。试验装置的主要性能参数见表1，设计压力最高500 MPa。门机床上的超高压铣削刀头，引入磨料颗粒形成超高压磨料水射流；五轴联动龙门机床控制铣削刀头的运动轨迹，工件装夹工作台负载材料工件与铣削刀头匹配运动，实现超高压磨料水射流铣削成型。

图3 超高压磨料水射流铣削加工试验装置及铣削刀头Fig.3 Ultra high pressure abrasive water jet milling test device and milling cutter head

表1 超高压磨料水射流铣削加工试验装置的技术参数Tab.1 Technical parameters of ultra-high pressure abrasive water jet milling test device

与传统水切割机的区别在于：（1）铣削刀头以扇形结构磨料喷嘴实现“宽幅磨料射流”如图3所示，通过更换磨料喷嘴型式即可将水刀头互换为磨料水切割头；（2）增加工件装夹工作台，并赋予往复运动和旋转运动自由度，使铣削刀头相对工件的移动速度更快。

2.2 磨料水射流铣削加工试验方案

由于超高压磨料水切割是以“微细磨料射流”来确保切缝足够小，以“微细磨料射流”用于磨料水射流铣削加工时，铣削面容易呈“条纹”状而难以达到质量要求，且铣削效率慢。本文以设计的扇形结构磨料喷嘴组成超高压磨料水射流铣削刀头，开展“宽幅磨料射流”的铣削加工试验，验证超高压磨料水射流铣削加工技术原理，分析横移速度、水射流压力、铣削时间等关键因素对不同材料铣削效果的影响程度。具体试验方案如下：

（1）选取不锈钢材料及陶瓷材料的铣削型槽为研究对象，为磨料铣削刀头给定磨料流量为0.5 kg/min；

（2）结合不锈钢材料待铣削型槽的轮廓形状，首先改变铣削刀头移动轨迹和增设贴合模具，分析适宜于磨料水射流铣削加工的铣削刀头移动及作业形式；

（3）然后铣削刀头采取不同的横移速度、水射流压力等参数，结合铣削时间和铣削路径重复次数的变化，分析对不锈钢材料型槽铣削深度的影响规律，铣削深度尺寸采取卡尺测量已铣削表面与未铣削表面之间的垂直距离，选取靠近型槽边缘及中心至少5个测量点的均值作为铣削深度；

（4）最后在上述试验的基础上，总结磨料水射流铣削材料型槽的工况参数，针对不锈钢材料和陶瓷材料，分析完成特定型槽的磨料水射流铣削加工试验，观察和分析铣削成型效果。

2.3 试验用磨料及工件材料

石榴石是磨料水切割最常用的磨料，具有硬度适中、理化性能稳定、粒度和晶型均匀等特点。磨料水射流铣削加工试验采用粒度80#的石榴石磨料，莫氏硬度为7.5，微观表现为颗粒状和带有不规则棱角［10］，其化学成分构成见表2。磨料水射流铣削成型的工件材料为304不锈钢和Al2O3陶瓷。工件材料的室温力学性能见表3，4。

表2 80#石榴石磨料的化学成分Tab.2 Chemical composition of 80# garnet abrasive

表3 304不锈钢（06Cr19Ni10）的化学成分Tab.3 Chemical composition of 304 stainless steel（06Cr19Ni10）

表4 Al2O3陶瓷的化学成分Tab.4 Chemical composition of Al2O3 ceramics

3 试验结果分析

3.1 铣削刀头移动及作业形式对铣削效果的影响

运用超高压磨料水射流铣削刀头加工型槽时，以型槽形状设计和规划铣削刀头的移动轨迹，并循环重复移动轨迹实现逐层铣削材料，铣削试验效果如图4所示。从图中可以看出：（1）以型槽形状规划水射流铣削刀头移动轨迹时，铣削面出现“条纹”状，原因在于铣削刀头沿轨迹移动时，“宽幅磨料射流”会因铣削刀头移动转变方向而变成“窄幅射流”甚至是“微细射流”；（2）铣削面存在“凹坑”，原因在于作用在铣削面内的磨料水射流铣削刀头在“起刀点”或“停刀点”时，磨料水射流因定点冲蚀造成对铣削面的破坏；（3）由于磨料水射流的向外扩散效应，型槽外边缘表面受到磨料水射流的冲蚀。

图4 无贴合模具的磨料水射流铣削不锈钢材料型槽Fig.4 Abrasive water jet milling of stainless steel groove without matching mould

针对上述试验情况，在材料待加工型槽上增加金属的贴合模具如图5所示，模具内孔形状及尺寸与加工型槽吻合；由于使用了贴合模具，将铣削刀头移动轨迹调整为连续直线运动如图6所示，每趟直线运动后间隔下移进入下一趟直线运动，两趟直线运动之间的间隔将根据铣削刀头的“磨料射流宽幅”确定，使磨料射流完全覆盖铣削面；铣削刀头的“起刀点”或“停刀点”位于铣削面外（贴合模具上）。铣削刀头循环重复上述移动轨迹实现逐层铣削材料，铣削试验效果如图6所示，从中可见磨料水射流铣削型槽底面平整、无“凹坑”、外边缘没有被磨料冲蚀。

图5 金属材料的贴合模具（菱形槽）Fig.5 Matching mould made of metal material（diamond groove）

图6 带贴合模具的磨料水射流铣削不锈钢材料型槽Fig.6 Abrasive water jet milling of stainless steel groove with matching mould

3.2 铣削工况参数对铣削效果的影响

以外形尺寸40 mm×40 mm、内角60°的不锈钢材料菱形槽铣削成型为例，超高压磨料水射流铣削刀头以压力300 MPa按照连续直线轨迹运动，在磨料流量不变的情况下，铣削刀头以不同的移动速度分别进行铣削，图7为不锈钢材料菱形槽的铣削深度变化情况。

图7 不同移动速度下的铣削不锈钢材料型槽深度Fig.7 Groove depth of milling stainless steel material at different moving speeds

从图中可以看出：（1）铣削刀头的移动速度越慢，磨料水射流作用于材料表面的时间越长，铣削成型不锈钢材料菱形槽的深度越深；（2）随着铣削刀头循环重复连续直线轨迹运动的次数增加，铣削成型不锈钢材料菱形槽的深度越深，即铣削刀头相对于材料的逐层铣削。

超高压磨料水射流铣削刀头以1 000 mm/min的横移速度按照连续直线轨迹运动，在磨料流量不变的情况下，以不同的超高压磨料水射流压力分别进行铣削，图8示出了不锈钢材料菱形槽的铣削深度变化情况。从图中可以看出：（1）随着超高压磨料水射流压力的增加，磨料水射流冲蚀材料的能力增强，铣削成型不锈钢材料菱形槽的深度越深；（2）对于不锈钢材料，压力从260 MPa增加至300 MPa时，铣削型槽深度增加明显，但压力从300 MPa增加至320 MPa时，铣削型槽深度增加有限。

图8 不同压力下的铣削不锈钢材料型槽深度Fig.8 Groove depth of milling stainless steel material under different pressures

3.3 不同材料型槽的磨料水射流铣削加工效果

利用前述的磨料水射流铣削成型方法，通过控制铣削关键工况参数，对不锈钢材料（压力300 MPa、移动速度1 000 mm/min、重复次数4次、铣削深度3.40 mm）和陶瓷材料（压力380 MPa、移动速度500 mm/min、重复次数4次、铣削深度3.62 mm）分别铣削成型特殊型槽，铣削试验效果如图9，10所示，型槽的外形尺寸和质量良好。

图9 铣削成型不锈钢材料菱形槽和U型槽Fig.9 Milling diamond groove and U-shaped groove of formed stainless steel material

图10 铣削成型陶瓷材料菱形槽和U型槽铣削Fig.10 Milling diamond groove and U-shaped groove of ceramic materials

4 结论

（1） 采用260～400 MPa的扇形结构磨料喷嘴组成超高压磨料水射流铣削刀头，由此形成的扇形磨料射流并相对于材料工件重复循环移动，结合符合待加工型槽轮廓形状的贴合模具，可以实现控制切削深度的磨料水射流铣削成型技术，拓展了超高压磨料水射流技术应用领域。

（2） 通过超高压磨料水射流铣削加工试验发现，增加铣削刀头循环重复移动轨迹的次数，降低铣削刀头移动速度，提高磨料水射流压力，都会增加磨料水射流铣削成型材料型槽深度。对不锈钢材料和陶瓷材料，铣削刀头分别采用压力260～300 MPa、移动速度 500～1 000 mm/min 和压力380 MPa、移动速度500 mm/min等工况参数时，特殊型槽的铣削加工效果良好。