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磨料水射流等現代切割技術的研究與分析

  • 2010-2-10 16:16:36
  • 來源:中國鍛壓協會
  • 點擊次數:
作 者:宋擁政
關 鍵 詞:鈑金,水射流切割
文獻摘要:磨料水射流切割是上世紀80年代中期在國際上進入實用階段的新興技術,經過不斷發展,已與激光切割、等離子切割技術,互為補充,并行不悖,共同成為了板材(含管材)切割的主流技術。
  磨料水射流切割是上世紀80年代中期在國際上進入實用階段的新興技術,經過不斷發展,已與激光切割、等離子切割技術,互為補充,并行不悖,共同成為了板材(含管材)切割的主流技術。磨料水射流、激光和等離子均為高能束流,具有對物料進行能量集束作用的特性,通過高能束流與物料表面保持特定距離下的相對移動,可以實現物料的切割分離。磨料水射流切割為冷切割,激光、等離子切割為熱切割,彼此的切割機制有較大差異,應用對象也有所不同,在板材(含管材)切割生產中,需要了解這些差異和特點。但是,由于涉及因素的多面性和復雜性,以及實驗研究條件的局限性等,關于磨料水射流切割與激光、等離子切割的比較分析的應用基礎研究較少。本文基于筆者的相關科研工作及相關技術文獻,闡述磨料水射流及激光、等離子的切割原理和工藝特點,在切割對象、切割性能、斷面性質和切割總成本方面對這三種切割技術進行比較分析,并由此闡明磨料水射流對板材切割所具有的適應性、合理性和經濟性。
 
切割原理
  磨料水射流切割原理
  磨料水射流是磨料粒子與高速流動的水束互相混合而形成的液固兩相介質射流。
  磨料水射流的工作原理如圖1所示。水介質在超高水壓pg作用下,通過固定節流孔dn形成三倍于音速的高速水射流。并在混合腔內產生一定真空度,以便抽吸磨料進入混合腔,磨料與高速水流在混合腔內紊動混合,再通過混合管dm聚集形成磨料水射流。
 
圖1 磨料水射流切割原理
pg≤400MPa MAbr=200-500g/min dm=0.7-2mm dn≤0.4mm
  磨料水射流是一種動能能源。在磨料水射流中,水射流作為載體使磨料通過混合管加速,磨料將極大地提高射流的功率密度。當載有巨大動能的磨料水射流噴射到被加工表面上,所產生的沖擊力超過被加工材料的抗壓強度時,材料就被分割開來。磨料水射流切割塑性材料是一種犁溝磨削過程,切割脆性材料則是一種沖蝕斷裂過程。
激光、等離子切割原理
  激光是一種光能能源。激光切割是以經過聚焦的具有極高能量密度(107~108W/cm2)的細小光束,對處于焦點面上的材料進行照射,使其迅速熔融、蒸發,并由光束同軸噴出的輔助氣體幫助燃燒,吹掃熔渣,實現切斷的一種高速、高精度的切割方法。
等離子是一種電能能源。等離子切割是利用電弧高度壓縮產生的等離子高溫(200000C以上),將被切金屬迅速熔融,并由高速粒子流(300m/s)沖刷和吹除熔化的金屬。
 
磨料水射流切割與激光、等離子切割的比較分析
工藝特點
  磨料水射流切割與激光、等離子切割都是點切割,具有以下相同的特點:
①可以作為單點刀具,易于實現數控(NC)、計算機數控(CNC)自動化,且易于結合到柔性加工系統(FMS)中。②為無接觸加工,不需要昂貴的模具。③能夠進行全方位切割和復雜、細微形狀切割。④編程簡便,可群組排樣,切割產能高。⑤減少加工工序或后序切削量。⑥切割力小,夾具簡單,可從材料邊緣起切。⑦對多種材料有高的切割速度。⑧切割質量高,切縫窄。⑨運動控制系統與執行機構相似,一定條件下可通用,執行機構可以是單軸、雙軸或多軸。
  激光、等離子切割同屬熱加工,磨料水射流切割屬于冷加工。熱切割加工存在的熱影響區(HAZ)、熱變性與熱變形、熱切割的局限性,以及熱切割產生的其他弊端等不利因素,在采用磨料水射流切割時將被消除或減少。而激光切割的熱影響區比等離子切割要小,一般情況下可以忽略不計。
  需要指出的是,激光、等離子和磨料水射流雖同為高能束流,但各自束流的形態、密度和能量焦點存在差異。激光束短而密集且能量集中;離子束稍長、密集,能量比較集中;磨料水射流流束較長,能量集中在混合管出口端的初始段,此后的束流沿軸向擴散能量減弱。因此,在切割管材時,切割剩余的磨料水射流會損傷對著的管材內壁。

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