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)械自動化學(xué)院,湖北武漢430080)
高硅鋼片具有良好的磁性等優(yōu)點,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?;蛘呒訜嶂?00 ~500 ℃溫?zé)釠_剪,高硅鋼導(dǎo)熱性低,鋼帶冷卻和加熱時容易發(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,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,水切割能很好地解決一些熔點高、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動態(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。
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)的主要動力源。由電動機(jī)帶動油泵,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)。低壓油推動增壓器活塞左右往復(fù)運(yùn)動,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,將會形成具有很高速度的水射流,這種高速射流的動能和部分壓力能,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,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
切割高硅鋼片脆性材料時,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,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,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。因而,通過對射流砂粒沖擊力大小的控制可實現(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)外兩點間應(yīng)用伯努利方程,忽略兩點之間的高度差,可得射流砂粒的初始速度:
式中:k 為經(jīng)驗常數(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,以所貯存的彈性能來計算最大沖擊力。
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,若不計射流砂粒的重力作用,則射流砂粒的運(yùn)動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,壓痕深度最大,即dz/dt=0 時,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。
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)行了切割實驗。
實驗條件: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,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,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,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
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)行了切割實驗,實驗結(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特優(yōu)勢。
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