趙漫漫，黃濤濤，何雪明

（1.無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，無(wú)錫 214028；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫 214122；3.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無(wú)錫 214122)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，金屬材料和制品一直占據(jù)著重要的地位，但是傳統(tǒng)的金屬材料加工方法，容易產(chǎn)生熱變形、刀具磨損以及能量損失過(guò)大等問題。磨料水射流技術(shù)[1]作為一種新興冷態(tài)加工技術(shù)，與傳統(tǒng)加工方法相比，不存在熱影響區(qū)、熱變形、接觸應(yīng)力，具有加工材料廣泛、穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、柔性高、無(wú)刀具磨損以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)45#進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)，探究磨料水射流加工參數(shù)對(duì)銑削表面質(zhì)量的影響，為磨料水射流銑削加工其他材料提供參考。

在磨料水射流銑削加工方面，國(guó)內(nèi)外研究較少。周大鵬等[2]研究了各種材料應(yīng)用水射流加工的可加工性。彭家強(qiáng)等[3]對(duì)磨料水射流銑削對(duì)金屬材料的去除力和去除模型進(jìn)行了研究，為金屬的銑削加工和切削去除分析提供了理論借鑒。王軍等[4]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)塑料的水射流切割工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了主要加工參數(shù)對(duì)切割效率、切割斷面粗糙度、切縫寬度的影響關(guān)系。Messelink等[5]利用磨料水射流對(duì)球面工件進(jìn)行了精銑光整加工，證明了磨料水射流用于精加工的可行性，并且發(fā)現(xiàn)磨粒的鋒利性及其動(dòng)能一同決定了材料去除效率。Massimiliano Barletta等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了磨料水射流的流速、磨粒粒徑與工件的表面加工質(zhì)量和材料去除效果的關(guān)系。

1 磨料水射流銑削加工材料去除機(jī)制

1.1 單顆磨粒撞擊材料過(guò)程

單顆磨粒撞擊工件表面，會(huì)依次發(fā)生彈性變形、塑性變形、裂紋擴(kuò)展以及切屑脫落過(guò)程，如圖1(a)所示。

1）彈性變形階段——磨粒以一定速度撞擊在工件表面，磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行擠壓，金屬材料首先發(fā)生彈性變形；

2）塑性變形階段——磨料持續(xù)擠壓，材料晶體發(fā)生位移，發(fā)生塑性變形；

3）裂紋擴(kuò)展階段——金屬多晶體中的微裂紋受到磨粒作用時(shí)，晶體發(fā)生滑移，微裂紋不斷擴(kuò)展以及產(chǎn)生新的裂紋；

4）切屑脫落階段——當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定程度，在外部壓力作用下， 部分材料從工件表面脫離，形成切屑。

1.2 單顆磨粒微切削過(guò)程

磨粒接觸工件表面后，除了會(huì)因磨粒撞擊造成切削脫落外，還會(huì)在剪切力的作用下，發(fā)生微切削。與切削類似，磨粒的棱相當(dāng)于刀刃，工件在磨粒的作用下先發(fā)生塑性變形，當(dāng)超過(guò)材料塑性變形極限時(shí)，便會(huì)發(fā)生塑性流變，工件材料會(huì)如同刨削一般，脫落工件，形成切屑，如圖1(b)所示。

圖1 單顆磨粒材料去除示意圖

磨料水射流銑削過(guò)程即無(wú)數(shù)磨粒同時(shí)作用于工件表面，通過(guò)撞擊與微切削，工件表面材料得以去除。所以，其材料去除機(jī)制也有兩種：塑性流變?nèi)コ按嘈詳嗔讶コ?/p>

脆性斷裂去除，即磨粒以較高的沖擊動(dòng)能作用在工件表面后，工件表面在磨粒的撞擊擠壓作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋在擠壓力的作用下不斷擴(kuò)散、碎裂后形成切屑；塑性流變?nèi)コ?，即磨粒撞擊工件后，發(fā)生微切削，如同刨削加工般刮擦工件表面，從而去除材料。

在磨料水射流加工過(guò)程中，隨著磨料射流不斷沖蝕工件表面，表面“凸峰”被去除，表面逐漸光滑，此時(shí)磨粒對(duì)表面的微切削作用逐漸變?nèi)?，以擠壓作用為主。

2 磨料水射流銑削加工表面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)

磨料水射流銑削加工，即通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)，降低其銑削性能，使得射流不射穿工件，在工件表面去除一定量的材料，從而達(dá)到表面精銑及成形銑削加工的目的。銑削加工參數(shù)對(duì)磨料水射流銑削加工質(zhì)量影響很大。加工時(shí)，如果以去除材料為目的，如圖2(a)所示，此時(shí)加工深度大，表面粗糙度卻很高；如果以表面質(zhì)量為目的，如圖2(b)所示，此時(shí)加工深度很小，但表面質(zhì)量較高。因此為了保證既有很高的材料去除率和加工深度，又有好的加工表面質(zhì)量，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步的分析和深入研究。如圖3所示，為磨料水射流銑削加工圖。

圖2 磨料水射流銑削加工效果

圖3 磨料水射流銑削加工圖

本文使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為大地水刀公司生產(chǎn)的DWJ3020-BB-X5型五自由度高壓磨料水射流龍門加工機(jī)床。磨料采用80目石榴石，工件材料采用45#，噴嘴直徑為0.10mm，入射角為90°。以單因素分析法，分析磨料水射流銑削加工時(shí)主要加工參數(shù)靶距S、噴嘴移動(dòng)速度v、射流壓力p、橫向進(jìn)給量L、銑削次數(shù)n對(duì)銑削表面加工質(zhì)量的影響。表1為磨料水射流表面銑削單因素實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)五個(gè)主要加工參數(shù)分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析其對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響。

表1 磨料水射流表面銑削單因素實(shí)驗(yàn)方案

2.1 靶距S對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響

根據(jù)表1中第一組實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)工件表面進(jìn)行磨料水射流銑削加工。圖4為銑削表面加工深度以及粗糙度隨靶距S的變化。

圖4 靶距S與加工表面質(zhì)量的關(guān)系

如圖4(a)所示，隨著靶距S的增大，加工深度逐漸下降；而表面粗糙度隨著靶距S的增大逐漸降低，后趨于穩(wěn)定，但當(dāng)靶距S超過(guò)一臨界值時(shí)，加工深度不足以去除工件原始表面缺陷，難以滿足表面銑削要求，表面粗糙度大大增大，如圖4(b)所示。所以靶距S在磨料水射流銑削加工中存在一范圍，使得加工表面粗糙度最低，且趨于穩(wěn)定；靶距S超過(guò)或低于此范圍，加工表面粗糙度均會(huì)增大。

2.2 噴嘴移動(dòng)速度v對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響

根據(jù)表1中第二組實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)工件表面進(jìn)行磨料水射流銑削加工。圖5為銑削表面加工深度以及表面粗糙度隨噴嘴移動(dòng)速度v的變化。

圖5 噴嘴移動(dòng)速度v與銑削表面質(zhì)量的關(guān)系

如圖5(a)所示，隨著噴嘴移動(dòng)速度v的增大，加工深度在逐漸減??；表面粗糙度值先降低，后在很大一段范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，如圖5(b)所示。當(dāng)v超過(guò)一臨界值時(shí)，粗糙度值急劇提升。所以，磨料水射流銑削加工時(shí)，噴嘴移動(dòng)速度v存在一適用范圍，v過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致加工表面粗糙度上升。噴嘴移動(dòng)速度v在適用范圍內(nèi)，加工深度滿足表面銑削要求，即足以去除工件表面輕微凹坑、裂紋等時(shí)，噴嘴移動(dòng)速度v對(duì)加工深度有影響，但對(duì)加工表面粗糙度影響并不明顯。

2.3 射流壓力p對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響

根據(jù)表1中第三組實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)工件表面進(jìn)行磨料水射流銑削加工。圖6為銑削表面加工深度以及表面粗糙度隨射流壓力p的變化。

圖6 射流壓力與銑削表面質(zhì)量的關(guān)系

如圖6(a)所示，隨著射流壓力p的增大，加工深度在逐漸增大；而加工表面粗糙度值先減小，后趨于穩(wěn)定，再增大，如圖6(b)所示。與噴嘴移動(dòng)速度v對(duì)加工表面粗糙度的影響相同，射流壓力p也存在一適用范圍使得加工表面粗糙度趨于穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)，射流壓力p只對(duì)加工深度h有影響，所以要根實(shí)際據(jù)加工要求選擇合適的加工參數(shù)。

2.4 橫向進(jìn)給量L對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響

根據(jù)表1中第四組實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)工件表面進(jìn)行磨料水射流銑削加工。圖7為銑削加工深度及表面粗糙度隨橫向進(jìn)給量L的變化。

圖7 橫向進(jìn)給量與銑削表面質(zhì)量的關(guān)系

如圖7所示，橫向進(jìn)給量L在一定范圍內(nèi)對(duì)銑削表面粗糙度影響不大，但會(huì)影響加工深度，橫向進(jìn)給量L越小，加工深度越大；當(dāng)橫向進(jìn)給量L大于一臨界值時(shí)，加工深度不再受橫向進(jìn)給量L的影響，即相鄰軌跡間不再存在重疊區(qū)域，表面粗糙度值卻急劇增大，因?yàn)橄噜徿壽E間材料去除不充分。

2.5 銑削次數(shù)n對(duì)磨料水射流銑削表面質(zhì)量的影響

根據(jù)表1中第五組實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)工件表面進(jìn)行銑削加工。圖8為加工深度及表面粗糙度隨銑削次數(shù)n的變化。

如圖8所示，第一次銑削后表面粗糙度Ra5.036um，這是因?yàn)楣ぜ急砻娲嬖谌毕葺^大，第一次銑削加工深度只有1.02mm，難以去除工件原始表面固有缺陷，如輕微凹坑、裂紋等，第二次銑削后粗糙度明顯降低，表面粗糙度Ra3.228um，后續(xù)幾次銑削加工表面粗糙度趨于穩(wěn)定，粗糙度Ra穩(wěn)定在1.970～2.133um之間。

綜上所述，每加工一次，均會(huì)去除一定材料，加工深度與銑削次數(shù)n成正比，如圖8(a)所示；多次重復(fù)銑削加工可以降低表面粗糙度值，但降低至一定程度后，銑削表面粗糙度趨于穩(wěn)定，銑削次數(shù)n對(duì)表面粗糙度不再有影響，如圖8(b)所示。

圖8 銑削次數(shù)n與銑削表面質(zhì)量的關(guān)系

3 結(jié)論

1）本文在分析磨料水射流銑削加工材料去除機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)45#材料的磨料水射流銑削加工表面質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了磨料水射流靶距S、噴嘴移動(dòng)速度v、射流壓力p、橫向進(jìn)給量L、銑削次數(shù)n等加工參數(shù)對(duì)銑削表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

2）加工時(shí)，如果以去除材料為目的，應(yīng)選擇較高射流壓力、近靶距、慢噴嘴移動(dòng)速度；如果以得到較好的表面粗糙度為目的，應(yīng)選擇較低射流壓力、遠(yuǎn)靶距、高噴嘴移動(dòng)速度。