任啟樂，王永強，陳正文，韓彩紅，張 的，曲玉棟

（合肥通用機械研究院有限公司 通用機械復合材料技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

超高壓磨料水射流是在壓力200 MPa以上的水射流束中引入細磨料顆粒，磨料在超高壓水射流帶動加速下具備了相當?shù)膭幽埽蚨蟠筇岣吡怂淞鳑_蝕、去除材料的能力。近年來，結(jié)合數(shù)控機床技術(shù)，超高壓磨料水射流被廣泛用于水切割，適用于各類材料，具有無熱變形、無粉塵污染等優(yōu)點［1-2］。目前主要集中于對各類材料的水切割工藝及設備技術(shù)研究、以超高壓磨料水射流技術(shù)對相關(guān)材料工件表面的拋光及強化處理技術(shù)研究等［3-4］。

超高壓磨料水切割是利用“磨料射流線”切透材料，水切割加工的零部件具有輪廓尺寸精度高、切割面質(zhì)量高的特點?；谏鲜鎏攸c，通過控制水切割材料的切削深度，可以將水切割技術(shù)拓展運用于銑削成型零部件，對于難處理材料零部件的加工、特殊型槽的銑削成型都具有應用前景。然而，將超高壓磨料水射流由“線切割”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊驺娤鳌保P(guān)鍵難點在于改變磨料水射流的射流型式及移動路徑、控制切削深度與銑削寬幅等技術(shù)參數(shù)。盡管超高壓磨料水射流技術(shù)與數(shù)控機床技術(shù)融合發(fā)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍然是以超高壓磨料水射流“線切割”穿透切除材料，難以實現(xiàn)“面銑削”部分去除材料。本文從超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)機理和影響因素研究出發(fā)，開展了相關(guān)材料的磨料水射流銑削加工型槽試驗，為超高壓磨料水射流技術(shù)拓展應用領域提供借鑒。

1 超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)機理

1.1 超高壓磨料水切割技術(shù)原理

水射流是一種孔口（狹縫）出流流動現(xiàn)象，典型的水射流形態(tài)結(jié)構(gòu)包括初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段及消散段等特征階段［5］如圖1所示。初始段和轉(zhuǎn)折段的流速和能量密度很高，從轉(zhuǎn)折段開始至基本段、消散段的射流形狀開始向外擴散、射流流速逐步降低，因而初始段主要被用于引入磨料形成水切割應用。

圖1 基于理論與實驗的水射流結(jié)構(gòu)Fig.1 Water jet structure based on theory and experiment

超高壓磨料水切割是利用“磨料射流線”在待加工材料上建立入刀口，結(jié)合“磨料射流線”的橫移，切向和法向地磨削和沖擊材料；由于側(cè)向力小且無熱聚效應，水切割不會對斷面產(chǎn)生變形及裂紋。水切割設備以多軸聯(lián)動水切割機為主，控制“磨料射流線”的移動軌跡和移動速度；泵機組產(chǎn)生的水射流壓力是水切割的關(guān)鍵工況參數(shù)之一，超過門限壓力的磨料水射流具備切割材料的能力［6-7］。

1.2 超高壓磨料水射流銑削技術(shù)原理及影響因素

1.2.1 技術(shù)原理

相對于超高壓磨料水切割，超高壓磨料水射流銑削技術(shù)首先須形成由“微細磨料射流”轉(zhuǎn)變的“寬幅磨料射流”，通過加快“磨料射流線”的移動速度將“切透”材料轉(zhuǎn)變?yōu)椤安磺型浮辈牧?，并?guī)劃“磨料射流線”移動軌跡和循環(huán)重復次數(shù)，最終實現(xiàn)水射流銑削成型零部件的輪廓尺寸、深度和平整度，如圖2所示。

圖2 超高壓水射流銑削矩形槽原理Fig.2 Schematic diagram of ultra-high pressure abrasive water jet milling of rectangular groove

1.2.2 影響因素

磨料顆粒被引入超高壓水射流并加速后從磨料噴嘴噴射出，從而具備了沖蝕材料的動能。水射流流速vw、磨料顆粒的流速vm及動能Em表達式為：

一般來說，當磨料顆粒的動能大于去除材料的體積能時，即實現(xiàn)磨料水射流銑削材料的功能。通過式（3）～（5）可知，超高壓磨料水射流銑削材料的體積量與磨料水射流的壓力、移動速度、單次切削寬幅、銑削時間等主要因素關(guān)聯(lián)。

此外，超高壓磨料水射流銑削成型一定深度及形狀的材料型槽時，還應考慮：（1）“磨料射流線”既要保持沖蝕材料的打擊力，還要使“磨料射流線”發(fā)散轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩挿チ仙淞鳌?，提升銑削效率；?）為避免發(fā)散的“寬幅磨料射流”銑削型槽時干涉型槽的外邊緣表面，應增加與型槽尺寸相同的貼合模具；（3）保持“寬幅磨料射流”垂直作用于材料型槽表面，避免因傾斜角度而使“磨料射流線”沖蝕型槽的邊緣槽面；（4）“寬幅磨料射流”采取逐層快速銑削以保證材料型槽銑削的平整度，避免“磨料射流線”長時間駐留而破壞材料表面。

2 超高壓磨料水射流銑削加工試驗方案

2.1 試驗裝置

本文前期已研制WJQG37-B型超高壓水射流加工中心作為超高壓磨料水射流銑削加工試驗裝置，由超高壓增壓器系統(tǒng)（泵機組）、超高壓磨料銑削刀頭、五軸聯(lián)動龍門機床、工件裝夾工作臺、數(shù)控系統(tǒng)及供砂設備等部件組成，如圖3所示。試驗裝置的主要性能參數(shù)見表1，設計壓力最高500 MPa。門機床上的超高壓銑削刀頭，引入磨料顆粒形成超高壓磨料水射流；五軸聯(lián)動龍門機床控制銑削刀頭的運動軌跡，工件裝夾工作臺負載材料工件與銑削刀頭匹配運動，實現(xiàn)超高壓磨料水射流銑削成型。

圖3 超高壓磨料水射流銑削加工試驗裝置及銑削刀頭Fig.3 Ultra high pressure abrasive water jet milling test device and milling cutter head

表1 超高壓磨料水射流銑削加工試驗裝置的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of ultra-high pressure abrasive water jet milling test device

與傳統(tǒng)水切割機的區(qū)別在于：（1）銑削刀頭以扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴實現(xiàn)“寬幅磨料射流”如圖3所示，通過更換磨料噴嘴型式即可將水刀頭互換為磨料水切割頭；（2）增加工件裝夾工作臺，并賦予往復運動和旋轉(zhuǎn)運動自由度，使銑削刀頭相對工件的移動速度更快。

2.2 磨料水射流銑削加工試驗方案

由于超高壓磨料水切割是以“微細磨料射流”來確保切縫足夠小，以“微細磨料射流”用于磨料水射流銑削加工時，銑削面容易呈“條紋”狀而難以達到質(zhì)量要求，且銑削效率慢。本文以設計的扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴組成超高壓磨料水射流銑削刀頭，開展“寬幅磨料射流”的銑削加工試驗，驗證超高壓磨料水射流銑削加工技術(shù)原理，分析橫移速度、水射流壓力、銑削時間等關(guān)鍵因素對不同材料銑削效果的影響程度。具體試驗方案如下：

（1）選取不銹鋼材料及陶瓷材料的銑削型槽為研究對象，為磨料銑削刀頭給定磨料流量為0.5 kg/min；

（2）結(jié)合不銹鋼材料待銑削型槽的輪廓形狀，首先改變銑削刀頭移動軌跡和增設貼合模具，分析適宜于磨料水射流銑削加工的銑削刀頭移動及作業(yè)形式；

（3）然后銑削刀頭采取不同的橫移速度、水射流壓力等參數(shù)，結(jié)合銑削時間和銑削路徑重復次數(shù)的變化，分析對不銹鋼材料型槽銑削深度的影響規(guī)律，銑削深度尺寸采取卡尺測量已銑削表面與未銑削表面之間的垂直距離，選取靠近型槽邊緣及中心至少5個測量點的均值作為銑削深度；

（4）最后在上述試驗的基礎上，總結(jié)磨料水射流銑削材料型槽的工況參數(shù)，針對不銹鋼材料和陶瓷材料，分析完成特定型槽的磨料水射流銑削加工試驗，觀察和分析銑削成型效果。

2.3 試驗用磨料及工件材料

石榴石是磨料水切割最常用的磨料，具有硬度適中、理化性能穩(wěn)定、粒度和晶型均勻等特點。磨料水射流銑削加工試驗采用粒度80#的石榴石磨料，莫氏硬度為7.5，微觀表現(xiàn)為顆粒狀和帶有不規(guī)則棱角［10］，其化學成分構(gòu)成見表2。磨料水射流銑削成型的工件材料為304不銹鋼和Al2O3陶瓷。工件材料的室溫力學性能見表3，4。

表2 80#石榴石磨料的化學成分Tab.2 Chemical composition of 80# garnet abrasive

表3 304不銹鋼（06Cr19Ni10）的化學成分Tab.3 Chemical composition of 304 stainless steel（06Cr19Ni10）

表4 Al2O3陶瓷的化學成分Tab.4 Chemical composition of Al2O3 ceramics

3 試驗結(jié)果分析

3.1 銑削刀頭移動及作業(yè)形式對銑削效果的影響

運用超高壓磨料水射流銑削刀頭加工型槽時，以型槽形狀設計和規(guī)劃銑削刀頭的移動軌跡，并循環(huán)重復移動軌跡實現(xiàn)逐層銑削材料，銑削試驗效果如圖4所示。從圖中可以看出：（1）以型槽形狀規(guī)劃水射流銑削刀頭移動軌跡時，銑削面出現(xiàn)“條紋”狀，原因在于銑削刀頭沿軌跡移動時，“寬幅磨料射流”會因銑削刀頭移動轉(zhuǎn)變方向而變成“窄幅射流”甚至是“微細射流”；（2）銑削面存在“凹坑”，原因在于作用在銑削面內(nèi)的磨料水射流銑削刀頭在“起刀點”或“停刀點”時，磨料水射流因定點沖蝕造成對銑削面的破壞；（3）由于磨料水射流的向外擴散效應，型槽外邊緣表面受到磨料水射流的沖蝕。

圖4 無貼合模具的磨料水射流銑削不銹鋼材料型槽Fig.4 Abrasive water jet milling of stainless steel groove without matching mould

針對上述試驗情況，在材料待加工型槽上增加金屬的貼合模具如圖5所示，模具內(nèi)孔形狀及尺寸與加工型槽吻合；由于使用了貼合模具，將銑削刀頭移動軌跡調(diào)整為連續(xù)直線運動如圖6所示，每趟直線運動后間隔下移進入下一趟直線運動，兩趟直線運動之間的間隔將根據(jù)銑削刀頭的“磨料射流寬幅”確定，使磨料射流完全覆蓋銑削面；銑削刀頭的“起刀點”或“停刀點”位于銑削面外（貼合模具上）。銑削刀頭循環(huán)重復上述移動軌跡實現(xiàn)逐層銑削材料，銑削試驗效果如圖6所示，從中可見磨料水射流銑削型槽底面平整、無“凹坑”、外邊緣沒有被磨料沖蝕。

圖5 金屬材料的貼合模具（菱形槽）Fig.5 Matching mould made of metal material（diamond groove）

圖6 帶貼合模具的磨料水射流銑削不銹鋼材料型槽Fig.6 Abrasive water jet milling of stainless steel groove with matching mould

3.2 銑削工況參數(shù)對銑削效果的影響

以外形尺寸40 mm×40 mm、內(nèi)角60°的不銹鋼材料菱形槽銑削成型為例，超高壓磨料水射流銑削刀頭以壓力300 MPa按照連續(xù)直線軌跡運動，在磨料流量不變的情況下，銑削刀頭以不同的移動速度分別進行銑削，圖7為不銹鋼材料菱形槽的銑削深度變化情況。

圖7 不同移動速度下的銑削不銹鋼材料型槽深度Fig.7 Groove depth of milling stainless steel material at different moving speeds

從圖中可以看出：（1）銑削刀頭的移動速度越慢，磨料水射流作用于材料表面的時間越長，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深；（2）隨著銑削刀頭循環(huán)重復連續(xù)直線軌跡運動的次數(shù)增加，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深，即銑削刀頭相對于材料的逐層銑削。

超高壓磨料水射流銑削刀頭以1 000 mm/min的橫移速度按照連續(xù)直線軌跡運動，在磨料流量不變的情況下，以不同的超高壓磨料水射流壓力分別進行銑削，圖8示出了不銹鋼材料菱形槽的銑削深度變化情況。從圖中可以看出：（1）隨著超高壓磨料水射流壓力的增加，磨料水射流沖蝕材料的能力增強，銑削成型不銹鋼材料菱形槽的深度越深；（2）對于不銹鋼材料，壓力從260 MPa增加至300 MPa時，銑削型槽深度增加明顯，但壓力從300 MPa增加至320 MPa時，銑削型槽深度增加有限。

圖8 不同壓力下的銑削不銹鋼材料型槽深度Fig.8 Groove depth of milling stainless steel material under different pressures

3.3 不同材料型槽的磨料水射流銑削加工效果

利用前述的磨料水射流銑削成型方法，通過控制銑削關(guān)鍵工況參數(shù)，對不銹鋼材料（壓力300 MPa、移動速度1 000 mm/min、重復次數(shù)4次、銑削深度3.40 mm）和陶瓷材料（壓力380 MPa、移動速度500 mm/min、重復次數(shù)4次、銑削深度3.62 mm）分別銑削成型特殊型槽，銑削試驗效果如圖9，10所示，型槽的外形尺寸和質(zhì)量良好。

圖9 銑削成型不銹鋼材料菱形槽和U型槽Fig.9 Milling diamond groove and U-shaped groove of formed stainless steel material

圖10 銑削成型陶瓷材料菱形槽和U型槽銑削Fig.10 Milling diamond groove and U-shaped groove of ceramic materials

4 結(jié)論

（1） 采用260～400 MPa的扇形結(jié)構(gòu)磨料噴嘴組成超高壓磨料水射流銑削刀頭，由此形成的扇形磨料射流并相對于材料工件重復循環(huán)移動，結(jié)合符合待加工型槽輪廓形狀的貼合模具，可以實現(xiàn)控制切削深度的磨料水射流銑削成型技術(shù)，拓展了超高壓磨料水射流技術(shù)應用領域。

（2） 通過超高壓磨料水射流銑削加工試驗發(fā)現(xiàn)，增加銑削刀頭循環(huán)重復移動軌跡的次數(shù)，降低銑削刀頭移動速度，提高磨料水射流壓力，都會增加磨料水射流銑削成型材料型槽深度。對不銹鋼材料和陶瓷材料，銑削刀頭分別采用壓力260～300 MPa、移動速度 500～1 000 mm/min 和壓力380 MPa、移動速度500 mm/min等工況參數(shù)時，特殊型槽的銑削加工效果良好。