雷凱濤,張遼遠(yuǎn),關(guān)惠予

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 110159)

近年來,隨著高壓水磨料射流[1]的興起,傳統(tǒng)的手工、酸洗除銹等方式已經(jīng)不能滿足科學(xué)發(fā)展的需求,所以高壓水磨料射流技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。根據(jù)磨料的引入方式不同,高壓水磨料射流可以分為前混合式磨料射流[2]和后混合式磨料射流[3]。針對(duì)后混合式磨料射流,科研人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,取得了突破性成果。

Leach等[4]通過大量的實(shí)驗(yàn)證明了噴嘴收斂角在13°時(shí)所形成的射流收斂性最好,沖蝕效果最佳。董星等[5]對(duì)后混合式水射流噴丸噴頭外流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明,外流連續(xù)相水的軸向速度和軸向動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)具有顯著對(duì)稱性,最大軸向速度和軸向動(dòng)壓強(qiáng)均出現(xiàn)在射流軸線上，其值隨噴丸壓力的增加而增大,隨噴丸靶距的增加而減小。潘崢正等[6]對(duì)后混合式磨料水射流的切割性能進(jìn)行了研究,以固液兩相流理論為基礎(chǔ),通過FLUENT模塊對(duì)噴嘴內(nèi)磨料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和數(shù)值分析，以聚焦管內(nèi)的單個(gè)顆粒為研究對(duì)象,優(yōu)化了傳統(tǒng)的顆粒相控制模型,獲得磨料顆粒在噴嘴內(nèi)基本的運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)于后混合式磨料射流技術(shù)仍存在一些問題。后混合磨料系統(tǒng)在加工精度、加工效率、加工能力等方面有待提高;對(duì)于后混合式磨料射流的流變特性、流場(chǎng)特性和本構(gòu)方程等各項(xiàng)研究較少,對(duì)后混合式磨料射流流過噴嘴、射流與磨料混合、磨料加速、射流與大氣的相互干擾、磨料顆粒沖擊對(duì)材料的侵蝕和噴嘴移動(dòng)速度對(duì)材料的體積去除率等也研究的較少。

張成光等[7]提出了一種新型后混式磨料水射流系統(tǒng),是對(duì)傳統(tǒng)后混合式磨料水射流系統(tǒng)的重大改進(jìn)和發(fā)明；采用FLUENT對(duì)所提出的新型噴射系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真,并通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其流場(chǎng)仿真的正確性,為新型后混合式磨料水射流系統(tǒng)的研制提供了理論基礎(chǔ)。本文在此理論基礎(chǔ)上,將后混合式磨料引入方式進(jìn)行改進(jìn),用濕磨料代替干磨料,并控制磨料的濃度和流量,對(duì)線材表面進(jìn)行去除效率實(shí)驗(yàn)。

1 后混合式干濕磨料射流的工作原理和特點(diǎn)

1.1 后混合式干磨料的工作原理和特點(diǎn)

后混合式高壓水磨料射流中磨料與水的混合是在高壓水噴出后進(jìn)行的,并與水射流發(fā)生紊動(dòng)擴(kuò)散和摻混,再通過磨料噴嘴噴出,從而形成高壓水磨料射流[8]。工作原理如圖1 所示。

后混合式高壓水磨料射流特點(diǎn)是磨料對(duì)高壓水噴嘴的磨損較輕,可連續(xù)作業(yè);但磨料顆粒的速度較低且濃度分布不均勻,明顯降低了水介質(zhì)對(duì)磨料的能量傳輸效率,而且只能使用干磨料[9]。

1.2 后混合式濕磨料的工作原理和特點(diǎn)

后混合式濕磨料高壓水磨料射流中磨料與水先進(jìn)行一定濃度的配比,在磨料箱內(nèi)通過攪拌機(jī)攪拌均勻,然后通過磨料泵將混合好的磨料抽出,通過磨料流量閥的控制,使混合好的磨料勻速的進(jìn)入混合腔,改善了固液兩相介質(zhì)的混合效果,使得與水混合后的磨料再與高壓水進(jìn)行充分的紊動(dòng)混合,提高了水介質(zhì)對(duì)磨料的能量傳輸效率，保護(hù)了寶石噴嘴,防止磨損,濕磨料能回收重復(fù)利用。工作原理如圖2所示。

圖1 后混合高壓水干磨料射流原理圖

1.磨料箱;2.磨料閥;3.磨料噴嘴;4.高壓水噴嘴;5.流量調(diào)節(jié)閥;6.高壓泵;7.水箱

圖2 新型后混合高壓水濕磨料射流原理圖

1.攪拌機(jī);2.磨料箱;3.磨料泵;4.磨料流量調(diào)節(jié)閥;5.磨料噴嘴;6.高壓水噴嘴;7.流量調(diào)節(jié)閥;8.高壓泵;9.水箱

2 噴頭的作用及結(jié)構(gòu)

噴頭是水射流的發(fā)生元件,是高壓水射流切割、除銹除磷的執(zhí)行元件；主要功能是將高壓水中的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,使磨料粒子獲得較高的速度與良好的射流特性。圓形噴嘴射流聚集能量較好,射流打擊力大,且加工簡(jiǎn)單,所以采用圓形噴嘴對(duì)線材表面進(jìn)行處理效果更好。噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖

1.高壓進(jìn)水管;2.砂管;3.O型圈;4.磨料聚焦管;5.壓緊螺母;6.聚焦管夾頭;7.噴頭體;8.混和室;9.寶石噴嘴

3 線材表面去除效率的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)線材表面進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)中,所用材料為直徑6mm的45號(hào)鋼線材；加工過程中線材勻速移動(dòng),速度為20mm/s；噴頭在對(duì)線材的處理過程中,去除的面積能達(dá)到線材表面積的1/4,按照理論計(jì)算,每小時(shí)對(duì)線材的去除面積能達(dá)到0.339m2；但實(shí)際加工過程中由于線材直線度不夠、磨料分布不均勻、射流流量有所波動(dòng)等導(dǎo)致線材表面有少部分氧化皮不能完全去除,所以達(dá)不到理想值,故線材的表面去除效率越接近0.339m2/h,效率就越高。實(shí)驗(yàn)時(shí),每次加工1min,加工3次,測(cè)量去除面積,求得平均去除效率值。

4 磨料質(zhì)量百分濃度對(duì)線材表面去除效率的影響

4.1 磨料質(zhì)量百分濃度對(duì)線材表面去除效率的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與條件

進(jìn)行磨料質(zhì)量百分濃度對(duì)線材表面去除效率的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)中高壓泵的壓力設(shè)定為30MPa,流量為80L/min；所用的高壓管道直徑為16mm,寶石噴嘴直徑為0.45mm,磨料聚焦管直徑為1.5mm、長(zhǎng)度為76mm,磨料流量為20mL/s；噴嘴對(duì)線材的入射角度為水平向下傾斜45°,噴嘴距線材 30mm；采用直徑為6mm的45號(hào)鋼線材為加工材料,加工過程中線材勻速移動(dòng),速度為20mm/s；采用80目的石榴石砂[10],其中磨料的質(zhì)量百分濃度分別為40%、50%、60%、70%。

4.2 磨料質(zhì)量百分濃度對(duì)線材表面去除效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn),得到線材表面去除效率在不同磨料質(zhì)量百分濃度下的顯微圖如圖4所示。

圖4 線材表面去除效率在不同磨料質(zhì)量百分濃度下的顯微圖

圖4a表明,當(dāng)磨料的質(zhì)量濃度為40%時(shí),材料去除效果不明顯,觀察到表面有很多零散分布的黑色斑點(diǎn),說明其中的氧化皮和銹層去除的很少。當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度為50%時(shí),圖4b中的黑色斑點(diǎn)明顯減少,能觀察到氧化皮和銹層除去和未除去的部分,說明線材的表面去除效率增高。當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度為60%時(shí),圖4c的黑色陰影幾乎消失,此時(shí)線材表面的去除效果特別明顯,基本能達(dá)到完全去除氧化皮和銹層的效果。當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度為70%時(shí),可以從圖4d中觀察到又出現(xiàn)少量的黑色斑點(diǎn),這說明又有少部分的氧化皮和銹層沒有去除。

通過線材表面去除效率在不同磨料質(zhì)量百分濃度下的顯微圖4測(cè)得,磨料質(zhì)量百分濃度分別為40%、50%、60%、70%時(shí),去除效率分別為0.205m2/h、0.265m2/h、0.331m2/h、0.278m2/h。由此得到線材表面去除效率在不同磨料質(zhì)量百分濃度下的變化曲線圖如圖5所示。

由圖5中可以發(fā)現(xiàn)，并不是磨料的質(zhì)量濃度越大越好,當(dāng)磨料質(zhì)量的濃度較小時(shí),線材表面的去除效率隨著磨料質(zhì)量百分濃度的增加而增大；但當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度增加到60%后,隨著磨料質(zhì)量百分濃度繼續(xù)增大,線材表面的去除效率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 線材表面去除效率在不同磨料質(zhì)量百分濃度下的變化曲線

隨著磨料質(zhì)量百分濃度的增加,射流中的磨粒增多,使得對(duì)工件碰撞剪切的次數(shù)增多,從而增加了去除速率。但當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度太大時(shí),射流中磨粒間的彼此碰撞幾率增大,減小了與線材表面的碰撞幾率,使得線材去除效率下降。此外,磨料質(zhì)量百分濃度過大,進(jìn)入沙管中的磨粒太多且進(jìn)入的不均勻,使得磨粒不能及時(shí)隨著高壓水流射出,造成沙管堵塞,磨料隨射流噴射的不均勻,使得對(duì)線材表面的去除效率下降,去除效果不穩(wěn)定。因此,磨料質(zhì)量百分濃度一般取60%為最佳。

5 磨料流量對(duì)線材表面去除效率的影響

5.1 磨料流量對(duì)線材表面去除效率的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與條件

磨料流量對(duì)線材表面去除效率的實(shí)驗(yàn)中，將高壓泵的壓力設(shè)定為30MPa,流量為80L/min；所用的高壓管道直徑為16mm,寶石噴嘴直徑為0.45mm,磨料聚焦管直徑為1.5mm、長(zhǎng)度為76mm；磨料質(zhì)量百分濃度為60%,噴嘴對(duì)線材的入射角度為水平向下傾斜45°,噴嘴距線材 30mm；采用直徑為6mm的45號(hào)鋼線材為加工材料,加工過程中線材勻速移動(dòng),速度為20mm/s；采用80目的石榴石砂,在磨料流量取10mL/s、15mL/s、20mL/s、25mL/s的條件下,對(duì)線材表面進(jìn)行處理。

5.2 磨料流量對(duì)線材表面去除效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn),得到線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖如圖6所示。

圖6 線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖

圖6a表明,當(dāng)磨料流量為10mL/s時(shí),能觀察到線材表面有明顯的大量黑色陰影,線材表面只有少量的氧化皮和銹層被除去,此時(shí)的去除量很少。當(dāng)磨料流量為15mL/s時(shí),圖6b中的黑色陰影明顯的減少,說明線材的表面去除效率增大。當(dāng)磨料流量為20mL/s時(shí),圖6c中的黑色陰影幾乎消失,此時(shí)線材表面的去除效果特別明顯,能達(dá)到完全去除氧化皮和銹層的效果。當(dāng)磨料流量為25mL/s時(shí),從圖6d中觀察到陰影面積又增多,線材表面的去除面積較少。

通過線材表面去除效率在不同磨料流量下的顯微圖6測(cè)得,磨料流量分別為10mL/s、15mL/s、20mL/s、25mL/s時(shí),去除效率分別為0.186m2/h、0.257m2/h、0.334m2/h、0.296m2/h。由此得到線材表面去除效率在不同磨料流量下的變化曲線圖如圖7所示。

圖7線材表面去除效率在不同磨料流量下的變化曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨料流量較小時(shí),線材表面的去除效率隨著磨料流量的增加而增大,但達(dá)到一定流量時(shí),線材表面的去除效率會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

當(dāng)磨料流量不斷增加,進(jìn)入沙管的水和磨粒增多,作用于線材表面的磨料顆粒相應(yīng)增多,氧化皮和銹層受到的剪切碰撞作用增強(qiáng),磨粒磨損加大,線材表面的去除效率增大;隨著磨料流量逐漸增大,由于沙管的孔徑太小,大量的水和磨料不僅降低了射流的速度,而且阻礙高壓水噴射出來,導(dǎo)致射流壓力降低,流量減少,從而導(dǎo)致磨粒相互間的剪切碰撞作用減弱,磨損減輕,使得磨粒作用于線材表面的能量降低,對(duì)銹層的去除效率也降低。同時(shí),流量的增加導(dǎo)致部分磨粒反彈,使得流量無法對(duì)線材表面產(chǎn)生沖蝕作用，對(duì)線材表面的去除效率明顯減小。

其次,磨料的流量太大,水和磨粒在沙管中的堆積,造成沙管堵塞,射流不能噴射出來,使得對(duì)線材表面的去除面積減少,達(dá)不到均勻的將線線材表面的氧化皮和銹層去除。其中磨粒粒度過大也容易導(dǎo)致砂管堵塞,而且會(huì)加大對(duì)線材表面的磨損,造成如凹坑一樣的損傷,所以采用80目的石榴石砂。磨粒的速度太大會(huì)造成線材表面損傷嚴(yán)重；速度太小所產(chǎn)生的打擊力不夠,對(duì)線材表面達(dá)不到均勻去除的效果。磨粒的速度與射流的壓力和流量有關(guān),所以壓力控制為30MPa,流量控制為80L/min。 噴嘴的入射角度對(duì)線材表面的去除效率影響較小,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,噴嘴對(duì)線材的入射角度為水平向下傾斜45度最佳。

6 干磨料與濕磨料在各自最優(yōu)參數(shù)下的加工對(duì)比分析

干磨料和濕磨料在各自最優(yōu)參數(shù)下對(duì)線材表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)處理,各自的最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

表1 磨料與濕磨料對(duì)線材表面處理的各自參數(shù)

實(shí)驗(yàn)得到線材表面在干磨料和濕磨料處理后的顯微圖如圖8所示。

圖8 干磨料與濕磨料對(duì)線材表面處理的顯微圖

濕磨料與干磨料在各自最優(yōu)參數(shù)下,都能達(dá)到對(duì)線材表面幾乎完全去除的效果,從圖8a中可觀察到，干磨料處理后的線材表面形貌有很明顯的凹坑,粗糙度值大；從圖8b中可以看出，濕磨料處理后的線材表面形貌良好,粗糙度值小。

7 結(jié)論

(1)去除效率隨著磨料質(zhì)量百分濃度的增加先增加后減少，當(dāng)磨料質(zhì)量百分濃度增加到60%時(shí)為最佳。

(2)去除效率隨著磨料流量先增加后減少,在磨料流量為20mL/s時(shí)為最優(yōu)。

(3)后混合式濕磨料的加工方法不僅保護(hù)了噴嘴,磨料能回收重復(fù)利用,而且加工后的線材表面形貌更加完好。