曾永龍，陳奎生，王建民，劉念

(1. 武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北武漢430080;2. 武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430080)

高硅鋼片具有良好的磁性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于變壓器鐵芯和大型電機(jī)的制造。目前已研究成功含硅6.5%的高硅鋼片。隨著硅含量的增加，硅鋼片的硬度也隨之升高，但高硅鋼片在室溫下很脆，這就對其加工性能產(chǎn)生了重大影響。從加工性能考慮，目前常用的切割技術(shù)主要有沖剪、激光切割和電火花切割等。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且有良好機(jī)加工性能的斷面，用戶一般采用小沖剪間隙進(jìn)行沖剪，但高硅鋼易氧化生銹，在其表面形成氧化膜，結(jié)果導(dǎo)致硅鋼用戶沖片用的模具變得容易損壞。或者加熱至300 ～500 ℃溫?zé)釠_剪，高硅鋼導(dǎo)熱性低，鋼帶冷卻和加熱時(shí)容易發(fā)生內(nèi)裂。激光切割屬于熱加工，存在著熱影響區(qū)(HAZ)、熱變形與熱變性等。在目前，如需要用高硅鋼板構(gòu)成有高強(qiáng)度要求的零件時(shí)，為了避免沖剪裂紋，不得不采用電火花加工，但電火花機(jī)受加工電流、脈寬等參數(shù)影響，大幅度降低了加工速度，加工效率較低。

水切割設(shè)備主要是利用超高壓技術(shù)可以把水加壓到250 ～600 MPa，然后再通過內(nèi)孔直徑約0.3 ～0.4 mm 的噴嘴噴射形成速度為800 ～1 000 m/s 的高速射流，屬于冷態(tài)切割，無熱變形，用于切割鋼板等材料。對常規(guī)厚度的板材，水切割可進(jìn)行高精度的任意曲線的切割加工，切割面質(zhì)量好，成品率高，無須二次加工。同時(shí)，水切割能很好地解決一些熔點(diǎn)高、合金、復(fù)合材料等特殊材料的切割加工。高壓水射流破壞材料的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，作者介紹了高壓水射流系統(tǒng)工作原理，探討了切割高硅鋼片類脆性材料的影響因素，為合理設(shè)置切割壓力提供了參考。

1 水射流切割系統(tǒng)組成及工作原理

水射流切割是利用高壓水通過孔徑約0.3 ～0.4 mm 的噴嘴，高速度帶動(dòng)固體顆粒切割目標(biāo)物的一種加工方法。

圖1 是水射流切割系統(tǒng)工作原理。系統(tǒng)主要由低壓油系統(tǒng)、增壓器、給水系統(tǒng)、蓄能器、噴嘴系統(tǒng)、供砂系統(tǒng)等組成。低壓油系統(tǒng)是高壓水切割機(jī)的主要?jiǎng)恿υ?。由電?dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵，油泵通過過濾器從油箱吸入液壓油，通過單向閥、油路管進(jìn)入電液換向閥，同時(shí)也與電磁溢流閥連通，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。給水系統(tǒng)是切割水的來源。自來水通過過濾器凈化，使其雜質(zhì)直徑小于10 μm，通過增壓泵使其壓力達(dá)到0.45 MPa 以上，由壓力軟管導(dǎo)入并經(jīng)進(jìn)水單向閥而進(jìn)入往復(fù)式增壓器兩端的高壓缸內(nèi)。低壓油推動(dòng)增壓器活塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過柱塞面積比將從給水系統(tǒng)來的水壓縮形成高壓水，經(jīng)出水單向閥并經(jīng)蓄能器穩(wěn)壓后進(jìn)入切割頭噴嘴。當(dāng)高壓水液體在經(jīng)過特制的噴嘴小孔時(shí)，將會(huì)形成具有很高速度的水射流，這種高速射流的動(dòng)能和部分壓力能，在高壓水射流后端通過混合管將砂粒進(jìn)行加速、夾帶、混合后流出而形成砂粒與高壓水的固液混合物，即射流砂粒。高速射流砂粒本身具有較高的剛性，射流作用于鋼板表面時(shí)，碰撞產(chǎn)生極高的沖擊，破壞鋼板表面原有結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，產(chǎn)生的沖擊壓力如果超過材料的抗拉強(qiáng)度，即可切斷材料。

圖1 水射流切割系統(tǒng)組成原理

2 高硅鋼片切割沖蝕模型

切割高硅鋼片脆性材料時(shí)，高速射流顆粒直接噴射到材料表面發(fā)生彈性為主的碰撞。高硅鋼片受沖擊力后容易斷裂，斷口形貌呈粒狀，AES 斷口分析證明:為典型的晶間斷裂，多數(shù)情兄下沿晶斷裂屬于脆性斷裂。高速射流本身具有較高的剛性，射流作用于物鋼板表面時(shí)，碰撞產(chǎn)生極高的沖擊，破壞鋼板表面原有結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，其破壞作用過程及機(jī)制極其復(fù)雜。實(shí)際水射流切割生產(chǎn)不僅與射流作用條件有關(guān)，而且與切割材料的性質(zhì)密切相關(guān)。大致可以分為兩大類:塑性破壞和脆性破壞。從加工過程中所需能量角度來看，產(chǎn)生脆性斷裂所需的能量大于產(chǎn)生塑性變形所需能量。由于硬脆材料的塑性變形區(qū)較小，當(dāng)射流砂粒與加工材料接觸時(shí)，在沖擊力較大的情況下，工件容易產(chǎn)生脆性斷裂。在沖擊力小于脆性斷裂所需能量的情況下，材料在射流砂粒沖擊應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性流動(dòng)。因而，通過對射流砂粒沖擊力大小的控制可實(shí)現(xiàn)對高硅鋼片硬脆性材料的塑性加工。

對連續(xù)射流，噴嘴流道為圓管形結(jié)構(gòu)，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)間應(yīng)用伯努利方程，忽略兩點(diǎn)之間的高度差，可得射流砂粒的初始速度:

式中:k 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);p 為射流壓力(MPa)。

射流砂粒用等效理想圓球來代替，如圖2 所示，假定射流砂粒的沖擊速度v 完全轉(zhuǎn)換成彈性能F'(t)，在射流砂粒壓入到切割材料的最大深度h時(shí)，以所貯存的彈性能來計(jì)算最大沖擊力。

圖2 射流砂粒壓入切割材料平面的赫茲接觸

在射流砂粒對鋼板材料的沖擊過程中，若不計(jì)射流砂粒的重力作用，則射流砂粒的運(yùn)動(dòng)可以由牛頓第二定律和赫茲方程來描述:

式中:m、R、ρ 分別為球形射流砂粒質(zhì)量、半徑和密度;z 為壓痕深度;μ0、E0分別為射流砂粒的泊松比和彈性模量;μ1、E1分別為鋼板材料的泊松比和彈性模量。

聯(lián)立方程(1)、(2)得:

將初始條件(3)代入式(4)得:

射流砂粒侵入切割材料過程中，隨著壓入深度的增加，射流砂粒壓進(jìn)速度逐漸減小，直到速度為0時(shí)，壓痕深度最大，即dz/dt=0 時(shí)，壓縮深度最大:

將式(6)代入式(2)，可以得到速度為v 的射流砂粒對切割鋼板材料的最大沖擊力為:

由此可以看出，射流砂粒切割鋼板時(shí)產(chǎn)生的最大沖擊力與射流砂粒的密度ρ、半徑R 和射流壓力p 存在著密切的關(guān)系。通常水切割設(shè)備安裝完成后，射流砂粒的密度和顆粒大小參數(shù)不容易更換，但可以通過調(diào)整射流壓力大小來改變射流砂粒切割鋼板時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，以“磨削”切割的方式進(jìn)行加工，也就讓高硅鋼板的塑性加工成為可能。

3 切割實(shí)驗(yàn)

在高硅鋼片切割沖蝕模型研究的基礎(chǔ)上，利用水射流切割設(shè)備對高硅鋼片進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)條件:噴嘴口徑為0.3 mm，磨料為粒度為80 目石榴砂，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，靶距3 ～5 mm，切割速度3 mm/s，噴嘴與靶物表面垂直打擊，切割靶物為高硅鋼片試件，尺寸為200 mm ×100 mm ×1.5 mm。通過控制器來對水壓在50 ～400 MPa 范圍內(nèi)進(jìn)行增減切割。當(dāng)射流切割系統(tǒng)壓力50 ～120 MPa 時(shí)，切割斷面質(zhì)量差，高硅鋼板不能完全切穿;當(dāng)射流切割系統(tǒng)壓力在200 ～300 MPa 時(shí)，切割斷面質(zhì)量明顯改善，切口表面光潔，切割壓力對切割表面粗糙度影響如圖3 所示;當(dāng)射流切割系統(tǒng)壓力大于300 MPa 時(shí)，切割斷面存在較多裂紋，高硅鋼板極易被切碎。

圖3 切割壓力對材料表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

分析高壓水射流系統(tǒng)組成及工作原理，研究高硅鋼片脆性材料的切割機(jī)制，建立射流砂粒切割沖蝕材料過程模型，分析受沖擊區(qū)的應(yīng)力對切割加工高硅鋼片類脆性材料的影響。在此基礎(chǔ)上，對高硅鋼片進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:水射流對高硅鋼片類脆性材料具有良好的切割效果和獨(dú)特優(yōu)勢。

【1】楊勁松，謝建新，周成.6.5%Si 高硅鋼的制備工藝及發(fā)展前景［J］.功能材料，2003，34(3):244 －246.

【2】汪慶華，李福援，萬宏強(qiáng).磨料水射流裝置特性試驗(yàn)研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2005(10):43 －45.

【3】薛勝雄.高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

【4】高壓水射流技術(shù)譯文集［M］.王曉敏，等，譯.北京:煤炭工業(yè)出版社，1982.

【5】LABUS T J.Fluid Jet Technology:Fundamemals and Applicacion［C］//Lonis:WITA，1995.

【6】GENE G Y. A Pulsation-Free Fluid Pressure Inrensifier［C］. Proceedings of the 9th American Waterjet Conference，Dearborn，1997.

【7】伍妍菲.陶瓷等脆硬板材的磨粒水射流(AWJ)切割技術(shù)［J］.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(2):13 －17.

【8】陳明，傅仕偉，候鍵，等.超高壓磨料射流切割噴嘴裝置研制及其應(yīng)用［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1997(4):31 －36.

【9】董志勇.射流力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.