花煜昌,劉力紅,杜鵬

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

0 前言

鋼材是應(yīng)用較為廣泛的一種金屬材料，其優(yōu)質(zhì)的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造使其在各領(lǐng)域充分嶄露頭角。鋼的表面質(zhì)量是衡量鋼材優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，表面粗糙度是確定表面質(zhì)量的一個(gè)基本因素。在加工鋼的過(guò)程中，需要合理地控制加工方法、工藝特性和加工參數(shù)等影響因素。磨料水射流切割是一種非常有用的非常規(guī)冷態(tài)切割技術(shù)；它是一種非接觸式加工方式，由于磨料粒子的引入，水射流的工作能力得到了極大的提升。根據(jù)磨料的引入方式，磨料水射流分為前混合磨料水射流和后混合磨料水射流。

研究人員對(duì)后混合磨料水射流切割鋼材表面粗糙度的特點(diǎn)和機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，已有研究表明鋼表面粗糙度主要受切割參數(shù)的影響。隨著壓力供給設(shè)備提供的壓力的增加，后混合磨料的切割能力變得越來(lái)越強(qiáng),這是由于切割壓力使得磨料粒子獲得了較高的速度,攜帶較大動(dòng)能的磨料粒子射向鋼材，鋼材在高頻率高能量的沖擊下會(huì)發(fā)生斷裂。QIANG等研究了后混合磨料水射流加工不銹鋼的切割速度和能量利用率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著切割壓力的提升，射流速度呈線(xiàn)性增加，并且磨料粒子的尺寸對(duì)射流速度和能量利用率沒(méi)有顯著的影響。由于在切割的過(guò)程中，噴嘴需要通過(guò)移動(dòng)來(lái)切割材料，因此BARABAS和DEACONESCU通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了后混合磨料水射流切割速度和切割靶距對(duì)奧氏體不銹鋼表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:表面粗糙度隨著切割速度和切割靶距的增大而增大。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索可以看出，對(duì)后混合磨料水射流切割鋼材的表面粗糙度研究已經(jīng)較為充分，而對(duì)于前混合磨料水射流切割鋼材的表面粗糙度研究較少。因此，本文作者選擇廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)中的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼作為研究對(duì)象，使用前混合磨料水射流切割進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論不同參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，并建立射流參數(shù)與表面粗糙度的回歸預(yù)測(cè)方程。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

前混合磨料水射流切割實(shí)驗(yàn)裝置主要由高壓泵組、PAJ20/50前混合磨料水射流發(fā)生裝置、三維數(shù)控機(jī)床和控制臺(tái)組成。經(jīng)過(guò)過(guò)濾的清水在高壓泵驅(qū)動(dòng)的增壓器中升壓,并經(jīng)過(guò)高壓軟管被輸送至磨料罐內(nèi)，與磨料在罐底混合腔內(nèi)均勻混合并送至數(shù)控機(jī)床上的水切割刀頭，在控制臺(tái)的操控下完成預(yù)設(shè)路徑的切割加工。前混合磨料水射流切割裝置的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 前混合磨料水射流切割裝置主要性能參數(shù)

開(kāi)展前混合磨料水射流切割實(shí)驗(yàn)研究，使用的石榴石是粒度為80目(直徑為0.172 mm)、摩氏硬度為7.5、密度3.5～4.3 g/cm的鎂鐵榴石(實(shí)驗(yàn)使用密度為3.7 g/cm)，具有較好的切割效果。選用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用前混合磨料水射流切割Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)主要切割參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)切割壓力、噴嘴出口直徑、切割靶距和切割速度的正交試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 切割參數(shù)

由于Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的切面寬度是10 mm，因此將測(cè)量區(qū)域分成3個(gè)部分，如圖1所示。從切割深度為2 mm處開(kāi)始，等距間隔3 mm為一區(qū)域；切面的長(zhǎng)度為100 mm，等距分成10份測(cè)量，即可求得任一切割深度表面粗糙度的平均值。使用固定裝置將切塊固定，使切面保持水平，使用SRM-1(D)型高精度粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)切割后的3個(gè)不同表面質(zhì)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示。

圖1 表面粗糙度測(cè)量方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

前混合磨料水射流由于磨料的引入極大地增強(qiáng)了水射流的工作能力，影響工作能力的3個(gè)本質(zhì)因素為：磨料流量、磨料速度和磨料能量。前混合磨料水射流切割Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要受磨料流量和磨料能量的影響。

磨料粒子以流體為載體進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)流體速度的影響可以忽略不計(jì)，流體在噴嘴出口的速度可由以下公式計(jì)算：

(1)

流體的速度只受切割壓力影響，磨料粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不考慮粒子間的相互作用，因此在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的條件下，磨料粒子在不同出口直徑的噴嘴出口處速度相同。射流流量可由以下公式計(jì)算：

(2)

射流流量受?chē)娮斐隹谥睆胶颓懈顗毫Φ挠绊?，并且與噴嘴出口直徑成二次方影響，因此噴嘴出口直徑對(duì)磨料流量的影響程度大于切割壓力。

2.1 噴嘴出口直徑對(duì)表面粗糙度的影響

在實(shí)驗(yàn)中選用了3種出口直徑不同的圓錐收縮型噴嘴，其實(shí)驗(yàn)規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 不同噴嘴出口直徑下的表面粗糙度

圖2為在不同噴嘴出口直徑下，整個(gè)切面粗糙度平均值變化規(guī)律。可以看出：3條曲線(xiàn)的變化規(guī)律表征不同噴嘴出口直徑對(duì)表面粗糙度影響的差異，表面粗糙度整體上隨著噴嘴出口直徑的增大而減??；隨著噴嘴出口直徑的增大，磨料流量增大，單位時(shí)間內(nèi)磨料粒子與切削表面的作用頻率增加，磨削得更加充分，從而有效減小表面粗糙度。從圖2中還觀察出，隨著噴嘴出口直徑增大，表面粗糙度的變化幅度在減小。這是由于隨著噴嘴出口直徑的增大，射流束直徑增大，其外層因與噴嘴內(nèi)壁碰撞導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的粒子對(duì)射流束內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響較小，因而射流束的穩(wěn)定性較高，產(chǎn)生的表面粗糙度較小。從射流切割的角度分析，磨料射流的工作流程大致分為兩個(gè)部分：(1)切斷材料；(2)磨削切口表面。磨料流量決定這兩個(gè)階段的工作效果。單位時(shí)間內(nèi)磨料粒子對(duì)靶材的沖擊頻率越高，越容易使材料接觸部分產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，破壞材料的完整性，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，使材料更容易被切斷；磨料粒子的直徑為0.172 mm，較為細(xì)小，單位時(shí)間內(nèi)磨料流量大的射流束就相當(dāng)于一張高目“砂紙”，對(duì)切口表面進(jìn)行高頻磨削，減小表面粗糙度?；谶@種原因圖2中的規(guī)律是符合客觀事實(shí)的。由于使用噴嘴出口直徑為1.14 mm的噴嘴切割鋼所獲得的表面質(zhì)量較高，因此對(duì)使用此種噴嘴條件下的各切割參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2 切割深度和切割靶距對(duì)表面粗糙度的影響

采用圖1的測(cè)量方法，研究噴嘴出口直徑為1.14 mm條件下的各切割深度和切割靶距對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

圖3為不同切割深度條件下，各切割深度表面粗糙度平均值變化規(guī)律，可以看出表面粗糙度與切割深度呈正相關(guān)關(guān)系；圖4為不同切割靶距條件下，整個(gè)切面粗糙度平均值變化規(guī)律圖，可以看出表面粗糙度與切割靶距呈正相關(guān)關(guān)系。切割靶距和切割深度之和實(shí)際上是噴嘴出口到測(cè)量點(diǎn)的切割距離，隨著切割距離的增加，射流束直徑隨之增加，其計(jì)算公式如下：

圖3 不同切割深度下的表面粗糙度(噴嘴出口直徑1.14 mm)

圖4 不同切割靶距下的表面粗糙度(噴嘴出口直徑1.14 mm)

(3)

其中：是射流徑向位移。

射流束直徑隨著切割距離的增大而增大，磨料粒子的體積密度隨之降低，磨料粒子與切口表面的作用頻率隨之也降低，導(dǎo)致其磨削效果減弱，使表面粗糙度增大。從公式(2)和(3)可以得出噴嘴出口直徑對(duì)表面粗糙度的影響比重大于切割靶距和切割深度。

2.3 切割壓力對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在噴嘴出口直徑為1.14 mm的條件下，共使用了4種切割壓力，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 不同切割壓力下的表面粗糙度(噴嘴出口直徑1.14 mm)

圖5為不同切割壓力條件下，整個(gè)切面粗糙度平均值變化規(guī)律圖，可以看出：隨著切割壓力的增加，切口表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大而整體減小的規(guī)律。當(dāng)切割壓力增大時(shí)，流體和磨料粒子速度同時(shí)增大，磨料流量增加，使得磨料粒子與切口表面的磨削頻率增加，從而減小了表面粗糙度；當(dāng)切割壓力過(guò)高時(shí)，鋼板和機(jī)床格柵的振動(dòng)效應(yīng)增加，產(chǎn)生振動(dòng)和位移，破壞了鋼板在格柵上的穩(wěn)定性，使得切口表面粗糙度增大。

2.4 切割速度對(duì)表面粗糙度的影響

在噴嘴出口直徑為1.14 mm的條件下，共使用了4種切割速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同切割速度下的表面粗糙度(噴嘴出口直徑1.14 mm)

圖6為不同切割速度條件下，整個(gè)切面粗糙度平均值變化規(guī)律圖?？梢钥闯觯罕砻娲植诙入S著切割速度的增加而增大。當(dāng)切割速度增加時(shí)，磨料粒子與切口表面的作用時(shí)間減少，磨削作用減弱，表面粗糙度增大。

4幅表面粗糙度變化規(guī)律圖中，圖中的數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)并沒(méi)有與總結(jié)的規(guī)律完全契合。這是由于在前混合磨料水射流中，射流束的穩(wěn)定性處于波動(dòng)狀態(tài)，影響射流穩(wěn)定性的因素主要有3個(gè)：(1)振動(dòng)。增壓泵和數(shù)控機(jī)床之間主要用高壓軟管連接，在增壓過(guò)程中，曲軸增壓泵振動(dòng)劇烈，即使有減振設(shè)施，但是其振動(dòng)幅度依然肉眼可見(jiàn)，尤其在切割壓力較高時(shí)，其振動(dòng)更為劇烈；振動(dòng)通過(guò)高壓軟管傳遞給流體，從而影響射流的穩(wěn)定性；鋼板和機(jī)床格柵在射流束的沖擊下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響鋼板在格柵上的穩(wěn)定性。(2)流體狀態(tài)。流體在高壓軟管內(nèi)部的流動(dòng)屬于層流狀態(tài)，在噴嘴內(nèi)部流體的狀態(tài)發(fā)生改變，由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，兩種流動(dòng)狀態(tài)混合在一起，增加了流體的不穩(wěn)定性。(3)磨料粒子形狀。磨料粒子并不是球形，而是有多棱角的多面體，形狀各異，導(dǎo)致其在流體中的流動(dòng)狀態(tài)不同，使得其運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。從宏觀角度上觀察到射流束的形狀始終保持不變，從微觀角度上觀察，射流束的內(nèi)部狀態(tài)總是發(fā)生細(xì)微的變化，導(dǎo)致射流束的穩(wěn)定性在不斷變化。

以上3種影響因素導(dǎo)致了射流束的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總是會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，使得實(shí)際結(jié)果與理想分析結(jié)果產(chǎn)生一定偏差，但這種現(xiàn)象也更加符合客觀邏輯。

此次實(shí)驗(yàn)中可以得出，磨料流量對(duì)表面粗糙度的影響大于磨料能量。磨料流量由切割壓力和噴嘴出口直徑共同決定，這是整個(gè)前混合管道內(nèi)部的因素所引起的；磨料能量主要由切割速度決定，這是系統(tǒng)之外的原因，并且切割速度相對(duì)于射流速度非常小。因此，由內(nèi)因引起的改變大于外因。

3 建立回歸預(yù)測(cè)方程

前混合磨料水射流切割Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼的表面粗糙度研究屬于精密加工，因此在做預(yù)測(cè)模型建立時(shí)使用出口直徑為1.14 mm的噴嘴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，共有144組數(shù)據(jù)。從前文的表面粗糙度變化規(guī)律圖中可知，表面粗糙度與各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)呈非線(xiàn)性關(guān)系。利用Python編程語(yǔ)言，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取100組(70%)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，余下的44組(30%)數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)中的非線(xiàn)性回歸算法建立多個(gè)表面粗糙度的非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程，經(jīng)過(guò)比較選擇了預(yù)測(cè)效果最優(yōu)的二次非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程，其模型評(píng)估指標(biāo)數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 性能評(píng)估參數(shù)

從表4中可以看出:二次非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程在數(shù)據(jù)有噪聲點(diǎn)的情況下，擬合了81.17%的數(shù)據(jù)，增加了模型的穩(wěn)定性，提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；并且表面粗糙度二次非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程的平均誤差為7.99%。方程式參數(shù)如表5所示。

表5 二次非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程參數(shù)

其方程式如下：

=-0047 5+0005 7+0021 0+

0132 8+0001 5+0003 8-0000 5-

0005 2-0004 0+0000 2-0010 6-

0000 07+0000 9+0004 7+0276 9

(4)

公式中自變量前的系數(shù)表征其影響權(quán)重以及影響正負(fù)關(guān)系:切割壓力與表面粗糙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；切割靶距、切割速度以及切割深度和表面粗糙度呈正相關(guān)關(guān)系，并且四者的影響權(quán)重的主次關(guān)系依次為：切割深度、切割壓力、切割速度、切割靶距。公式中呈現(xiàn)的規(guī)律與圖3—圖6中的規(guī)律是相符合的，表明預(yù)測(cè)方程符合客觀邏輯，是準(zhǔn)確的。

從圖7可以看出:擬合方程能夠預(yù)測(cè)每一個(gè)輸入樣本的輸出值，并且在最優(yōu)擬合參數(shù)的作用下無(wú)限減小與真實(shí)值之間的誤差，使建立的方程不僅能夠適用于測(cè)試集，對(duì)未知結(jié)果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依舊有較好的預(yù)測(cè)能力，即使有噪聲點(diǎn)存在的請(qǐng)況下，擬合方程也會(huì)貼合，以提高對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

圖7 表面粗糙度擬合曲線(xiàn)

圖8是二次非線(xiàn)性擬合預(yù)測(cè)方程的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的殘差高斯分布(Gaussian Distribution)，圖中的概率密度函數(shù)為殘差滿(mǎn)足高斯分布～(-0.000 159,0.080 368)密度函數(shù)在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的面積比為99.31%，表明取任一殘差分布在(-0.241,0.24)的概率為99.31%。高斯分布以概率的形式表征了殘差的分布規(guī)律，通過(guò)殘差的高斯分布情況，可以知道建立的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高。

圖8 殘差高斯分布圖

(5)

4 結(jié)論

以Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼為前混合磨料水射流切割研究對(duì)象，對(duì)射流參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中切割壓力、噴嘴出口直徑、切割靶距、切割速度和切割深度是影響表面粗糙度的直接可控因素；承載這些射流參數(shù)的本質(zhì)因素是磨料粒子和流體，它們將這些射流參數(shù)的作用效果轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與鋼材接觸的瞬間發(fā)生劇烈的能量交換，鋼材在無(wú)法承受的巨大能量作用下發(fā)生斷裂，從而切斷鋼材。這些巨大的能量來(lái)源于影響表面粗糙度內(nèi)因的磨料流量和磨料能量，磨料流量大且作用時(shí)間長(zhǎng)能有效降低表面粗糙度。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備的振動(dòng)、流體的狀態(tài)和磨料粒子的形狀對(duì)射流的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在可控范圍內(nèi)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，實(shí)際操作中難以構(gòu)建理想實(shí)驗(yàn)條件。

通過(guò)非線(xiàn)性回歸算法建立了一個(gè)二次非線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)方程數(shù)學(xué)模型，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，模型具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理通過(guò)借助Python語(yǔ)言和非線(xiàn)性算法，能夠有效利用數(shù)據(jù)建立高性能的數(shù)學(xué)模型，得出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，且具有一定的指導(dǎo)參考意義。