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        后混合磨料水射流切割系統(tǒng)的研究

        2013-07-18 06:07:06胡東夏志華唐川林
        機(jī)床與液壓 2013年19期
        關(guān)鍵詞:水射流單向閥磨料

        胡東,夏志華,唐川林

        (湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖南株洲412008)

        后混合磨料射流 (AWJ)切割技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型的加工方法。它具有無熱變形及熱變質(zhì)、作用力小、加工柔性高、無塵、適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì),特別適合切割熱敏、壓敏、脆性、超硬等難加工材料[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)金屬、石材、玻璃、陶瓷等材料的切割應(yīng)用日益普及,AWJ將優(yōu)先發(fā)展成為21世紀(jì)的主流切割技術(shù)。其原理及砂水混合機(jī)制如圖1和2所示。工作壓力極高,一般在100~400 MPa之間。高壓水通過水噴嘴 (一級(jí)寶石噴嘴)形成高速流束,由于射流束擴(kuò)散作用和對(duì)周圍空氣的卷吸作用,在混合腔內(nèi)形成一定的真空度,使磨料箱與混合腔之間形成一定的壓力差,磨料在壓力差的作用下,通過氣力 (干式供料方式)或水力 (濕式供料方式)被輸送到混合腔,磨料以很低的初始速度與高速水射流相互接觸,由于高速水射流的邊界層的紊動(dòng)擴(kuò)散作用與被吸磨料發(fā)生動(dòng)量交換,使磨粒加速,之后通過磨料噴嘴(即二級(jí)噴嘴)噴出而形成磨料水射流[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前水射流可切割加工500多種軟硬不同的材料,這一數(shù)字幾乎包括了所有目前應(yīng)用中的材料。由此可見,水射流切割加工有著廣泛的應(yīng)用前景。

        圖2 后混合式磨料噴嘴

        由于后混合磨料射流切割技術(shù)發(fā)展歷程較短,且系統(tǒng)工作壓力過高,需要頻繁更換高壓密封件,因而在可靠性方面稍顯欠缺。另外,由于高速水射流具有一定的剛性,不能使磨料與高速水射流進(jìn)行充分的紊動(dòng)混合,磨料幾乎無可能進(jìn)入射流中心,使得磨料顆粒的速度較低且濃度分布不均勻,切割面存在條紋,明顯降低了水介質(zhì)對(duì)磨料的能量傳輸效率[4-6]。而且,后混合方式下其磨料箱經(jīng)常受到堵管和回水的困擾,雖然大地水刀采用氣泵供砂技術(shù)解決了上述問題,但需增加額外的泵源及投資,提高了經(jīng)濟(jì)成本。針對(duì)于此,作者在某公司生產(chǎn)的高壓水射流切割機(jī)(型號(hào)IE-B)基礎(chǔ)上做了適當(dāng)改進(jìn),以期增強(qiáng)其工作性能,主要提高增壓器動(dòng)密封性能以及磨料箱的可靠性。

        1 磨料水射流切割機(jī)工作原理及組成

        高壓水射流加工技術(shù)的基本工作原理是運(yùn)用液體增壓原理,通過特定的傳能裝置 (增壓器或高壓泵)將動(dòng)力源 (電動(dòng)機(jī))的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成水的壓力能,具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴后,再將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能,從而形成高速水射流,噴射到工件表面,當(dāng)水射流沖擊被切工件時(shí),動(dòng)能又重新轉(zhuǎn)變成作用于材料上的壓力能,若壓力能超過材料的破壞強(qiáng)度時(shí),即可切斷材料,達(dá)到去除材料的加工目的。因而高壓水射流又常被稱為高速水射流[7-8]。

        圖3 磨料水射流切割機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        經(jīng)高壓泵泵出的高壓水通過水噴嘴而形成高速水射流束,由于水射流束對(duì)周圍空氣的卷吸作用,在磨料混合腔內(nèi)形成一定的真空度,從而使磨料和混合腔之間的供料管產(chǎn)生一定的壓力差。磨料在自重和壓力差的共同作用下通過氣力運(yùn)輸而被抽吸進(jìn)入混合腔內(nèi),并與水射流發(fā)生紊流振動(dòng)擴(kuò)散與摻混,再通過磨料噴嘴而形成磨料射流[9]。

        磨料水射流切割機(jī)的總體構(gòu)成方案如圖3所示。

        2 主要部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

        2.1 往復(fù)式增壓器

        2.1.1 增壓器工作原理

        增壓器將進(jìn)入單向閥的低壓水由幾兆帕增加至幾百兆帕,以用于水射流切割。其工作原理是基于力學(xué)平衡原理 (如圖4所示),若活塞 (柱塞)做勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng),則活塞低、高壓端受力相同,但由于低壓油腔活塞的橫截面積為高壓水腔柱塞橫截面積的數(shù)十倍,因而兩端壓強(qiáng)差值也達(dá)幾十倍。分析高壓水射流切割機(jī) (型號(hào)IE-B)可知,往復(fù)式增壓器的增壓比的計(jì)算式為:m=(D2-d2)/d2,此系統(tǒng)m=24∶1,由于油泵額定壓力為20 MPa,因而可推算出系統(tǒng)高壓水最高可達(dá)480 MPa。

        圖4 往復(fù)式增壓器工作原理

        2.1.2 增壓器的設(shè)計(jì)

        增壓器為磨料水射流切割機(jī)最為關(guān)鍵的部件,如圖5所示。

        圖5 往復(fù)式增壓器組成

        其主體部分由單向閥、高壓缸以及活塞桿組成(油缸略畫)。由于活塞桿與高壓缸端部一側(cè)為動(dòng)密封,且承受高達(dá)幾百兆帕的壓力,因而使得密封件失效較快,需要頻繁更換,對(duì)于設(shè)備維護(hù)極為不便。傳統(tǒng)的密封方法 (見圖6(a))采用活塞桿與高壓密封組件 (密封含)相互擠壓包容,但由于活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中易產(chǎn)生偏斜,使得擠壓力不均勻,因而造成密封含內(nèi)圈某一側(cè)受擠壓力較大,產(chǎn)生發(fā)熱及磨損現(xiàn)象,最終導(dǎo)致密封件失效。為解決此問題,作者對(duì)高壓缸端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),即在其與活塞桿相連側(cè)加工一內(nèi)槽,并加以銅墊片,以保證活塞桿與密封含的同軸度,如圖6(b)。經(jīng)試驗(yàn)證明,改進(jìn)后的密封方法其壽命提高約8%,而且可以防止密封含被活塞桿慣性帶入油缸端蓋一側(cè),導(dǎo)致拆卸不便。

        圖6 往復(fù)式增壓器改進(jìn)示意圖

        在增壓系統(tǒng)中,單向閥 (圖7)的作用也至關(guān)重要,且由于高低壓水的轉(zhuǎn)換也較易失效,因而在設(shè)計(jì)工作中需謹(jǐn)慎。其工作原理為:當(dāng)高壓缸中的活塞桿右移,缸體內(nèi)水壓快速下降,低壓水則由單向閥下端進(jìn)入后沿管路頂開閥墊進(jìn)入高壓缸。當(dāng)活塞桿左移時(shí),缸內(nèi)流體由于閥墊受堵急速增壓,并由螺釘中心孔排至高壓管路,完成增壓。實(shí)際工作時(shí)由于閥墊左端平整,且偶爾會(huì)出現(xiàn)閥墊右端卡在端蓋內(nèi)空中的現(xiàn)象,因而實(shí)難獲得高效、可靠的工作性能,且也會(huì)造成閥墊壽命降低。另外,在設(shè)備運(yùn)行過程中,時(shí)常會(huì)聽到清脆的撞擊聲,顯然該聲音是由于閥墊受高壓水作用時(shí)撞擊閥體所產(chǎn)生的。針對(duì)于此,作者將閥墊左端部分設(shè)計(jì)為半球狀,而將與之接觸的閥體部分改進(jìn)為錐孔狀。顯然,該密封效果顯著由于前者。試驗(yàn)表明:改進(jìn)后的水壓提高了約4%~6%,且之前的撞擊聲也消失,這說明該結(jié)構(gòu)能有效改善切割機(jī)工作性能。

        圖7 單向閥結(jié)構(gòu)

        2.2 磨料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        現(xiàn)有磨料供給系統(tǒng) (圖8(a))主要由磨料箱、繼電器、閥桿、閥錐以及錐座組成。當(dāng)切割過程需要磨料時(shí),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),繼電器吸合,閥桿帶動(dòng)閥錐上移,受自重及負(fù)壓的雙重作用,磨料通過閥錐與錐座的縫隙流出并向噴嘴移動(dòng),在混砂管內(nèi)與高速流體混合摻混,形成磨料射流;當(dāng)不需要磨料時(shí),電磁閥斷電,閥桿在彈簧的作用下復(fù)位下移,直至與錐座緊密接觸,阻止磨料輸送。該系統(tǒng)雖能保證磨料穩(wěn)定供給,但難以防止回水問題,給生產(chǎn)加工帶來極大不便,因?yàn)樵谇懈钸^程中一旦回水,則磨料輸送停止,導(dǎo)致材料破損,尤以切割大理石、玻璃等脆性材料最為突出。而且回水后,整個(gè)磨料箱都要吹干,重新填裝,嚴(yán)重影響加工效率。另外,該系統(tǒng)水壓一旦確定,則磨料流量一定,后期研究中技術(shù)人員雖然設(shè)置了節(jié)流片,但不能實(shí)現(xiàn)砂量的連續(xù)控制。

        針對(duì)于此,作者及其課題組進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的磨料供給系統(tǒng)如圖8(b)所示。

        圖8 磨料供給系統(tǒng)

        其工作原理為:高壓開啟后,繼電器得電,閥芯帶動(dòng)閥錐右移封住小孔,閥體正下端中心孔受噴嘴的作用產(chǎn)生負(fù)壓,磨料在其作用下由閥體上部磨料箱流入磨料輸送管,繼而沿管進(jìn)入噴嘴,形成磨料射流;當(dāng)停止磨料供給時(shí),繼電器斷電,閥芯在彈簧作用下復(fù)位,空氣進(jìn)入閥體下端小孔 (靠左),并由與閥錐接觸的小孔進(jìn)入中心孔,這樣使得負(fù)壓消失,磨料供給停止。

        將繼電器水平放置后,閥芯右端的閥錐未與磨料直接接觸,避免了磨損,而且避免了前者關(guān)不死的情況。更重要的是采用該方法可以有效避免回水,當(dāng)回水發(fā)生時(shí),水沿著磨料輸送管回流至中心孔,再由中心孔左側(cè)小孔 (此時(shí)閥錐與小孔分離)排出,防止水回流至磨料箱。另外,閥體右端設(shè)置了調(diào)節(jié)閥,通過旋動(dòng)其中閥芯,可以實(shí)現(xiàn)磨料流量的有效控制。試驗(yàn)表明:采用改進(jìn)后的磨料系統(tǒng)后,閥錐使用壽命顯著提高,回水問題基本得到解決,極大提高了切割機(jī)的工作性能。

        3 結(jié)論

        超高壓水射流切割具有高能、冷態(tài)、易割的特點(diǎn)。因此,它可以對(duì)各種軟、硬件材料進(jìn)行任意切割。這種方法與傳統(tǒng)的機(jī)械、火焰切割法以及近幾年發(fā)展的等離子、激光切割相比,有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。加之此法能方便配合數(shù)控加工,以及在環(huán)保上的優(yōu)勢(shì),近年來,它已成為切割技術(shù)中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。

        經(jīng)改進(jìn)后的磨料水射流切割機(jī)解決了原有設(shè)備密封性能差、可靠性低、維護(hù)成本高等多方面的問題。通過改進(jìn)增壓系統(tǒng)部分零部件結(jié)構(gòu),降低了活塞桿與高壓缸內(nèi)密封組件的磨損,增強(qiáng)了密封件的使用壽命。另外,對(duì)單向閥的改進(jìn)提高了高壓缸內(nèi)水壓,并避免了其內(nèi)部零件的碰撞。較原有磨料供給系統(tǒng),新方案降低了磨損,避免了回水,還能連續(xù)調(diào)節(jié)砂量,具有較好的應(yīng)用前景。

        【1】楊林,唐川林,張鳳華.高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].洗凈技術(shù),2004,2(1):9 -14.

        【2】張運(yùn)琪.美國(guó)水射流切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].高壓水射流,1994,合刊(49):44 -54.

        【3】斯旺遜R K.水驅(qū)動(dòng)的磨料水射流切割時(shí)磨料顆粒速度的研究[J].高壓水射流,1989(1):40-44.

        【4】馬水仙.采用射流沖擊加工獲得表面粗糙性[J].國(guó)外金屬加工,2001(1):47-49.

        【5】李光榮.后混合磨料射流噴頭設(shè)計(jì)中的若干問題[J].礦業(yè)科學(xué)技術(shù),2001(4):28-31.

        【6】侯健,韓育禮.超高壓磨料水射流切割系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2000,21(3):253 -256.

        【7】王明波,王瑞和.磨料水射流工藝控制過程研究進(jìn)展[J].潤(rùn)滑與密封,2005(6):204 -207.

        【8】趙永贊,吳玉厚,富大偉.后混合磨料水射流切割石材的特性[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):29 -32.

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