特种加工论文

特种加工 课程论文 1 高压水射流切割技术高压水射流切割技术 机械设计制造及其自动化 09 2 班 号 摘要摘要 高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法 具有传统切割方式难以比拟的优点 本文回 顾了其原理和发展历史 介绍了其在工业 航天和医学等方面的应用 对水压 流速 射流直径 直径 扩散率以及磨料等切割参数对高压水射流切割的加工质量的影响进行了讨论 并对国外新的研究方 法和结果进行了介绍 为优化工艺 改善加工质量提供了借鉴 关键词关键词 高压 水切割 磨料 Abstract Abstract Recent development and investigation of high pressure water jet WJ cutting technology were reviewed The principle and history of WJ were provide to illustrate the advantages of the technology Its applications in industrial and surgery were described The parameters which affect cutting quality were discussed including pressure veloerity of flow water diameter and abrasive ect Based on the introduction of international research method and results some suggestions were given to improve the precision and surface roughness Keyword High pressure Water Jet Cutting Abrasive 一 水射流切割的起源 很久以来人们就学会了利用水来生产 然而 作为一项独立而完整的加工技术 高压水射流 WJ 磨料水射流 AWJ 的产生却是最近三十年的事 利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪 七十年代左右 用来开采金矿 剥落树皮 直到二战期间 飞机运行中 雨蚀 使雷达舱破坏这一 现象启发了人们思维 直到本世纪五十年代 高压水射流切割的可能性才源于苏联 但第一项切割 技术专利却在美国产生 即 1968 年由美国密苏里大学林学教授诺曼 弗兰兹博士获得 20 世纪 60 年代初期的探索实验阶段 主要应用于低压水射流采矿 60 年代末至 70 年代初的基础设备研制和攻坚阶段 主要研制高压泵 增压器和高压管件 及推广高压水射流清洗技术 70 年代初至 80 年代初的工业实验及工业应用阶段 大量的高压水射流采煤机 切割机和 清洗机相继问世并进行工业实验 特种加工 课程论文 2 80 年代以来是高压水射流迅速发展阶段 主要特点是高压水射流的研究进一步深化 磨 料水射流 磨料射流 空化射流和自激震荡射流等新型射流技术发展迅速 在最近十多年里 水射流 WJ AWJ 切割技术和设备有了长足进步 其应用遍及工业生产和人们生 活各个方面 许多大学 公司和工厂竞相研究开发 新思维 新理论 新技术不断涌现 形成了一 种你追我赶的势头 目前已有 3000 多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用 尤其是在 航空航天 舰船 军工 核能等高 尖 难技术上更显优势 已可切割 500 余种材料 其设备年增 长率超过 20 二 高压水射流加工系统构工作原理 由于速度越快物体具有的动能就越大 水在高压下就获得了巨大的动能 由于水流很细 所以 再接触物体时动能转化成的弹力的作用点十分集中 转化而来的弹力十分巨大 足以断石分金 加 入砂质磨料后 先在水加工作用下使得物体接触水加工的部位发生形变 一部分淹没剂就会与物体 发生摩擦 进而加速切割物体的能力和速度 因为加入砂质磨料后 水流的质量增大 高速水流具 有的动能就更大 在流速相同的情况下对外做功的本领就更大 从而切割能力大大提高 水射流加工是利用超高压技术可以把普通的自来水加压到250 400Mpa压力 然后再通过内孔直 径约0 15 0 35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800 1000m s的高速射流 俗称其为水箭 该水箭具 有很高的能量 可用来切割软基性材料 如果再在水箭中加入适量的磨料则几乎可以用来切割所有 的软硬材料 图1为非淹没连续自由射流的水动力学结构 它是由射流初始段和主体段构成 初始 段包括等速核和混合区 而主体段则为棍合区 混合区是由不同速度的异种流体介质 水 和空气混合而成 可见 只有等速核是单一的水介质 而且淹没和消失在混合介质之中 等 速核是能量密集的主流 混合介质则通过动量交换 从等速核获得动能 而且占据射流主要部分 二者都具有对靶体材料冲击加载的破坏作用 而等速核动能更大 是切割最有效的射程区段 因而 切割靶距通常选在这个范围内 图2是射流在靶体表面的流动图形 区段 是射流上游 即喷嘴内部的流动 区段 是图一 所表示的射流段 区段 则是射流与靶面接触后的状态 高压水射流基本原理归之为 运用液体增压原理 通过特定的装置 增压口或高压泵 将动 力源 电动机 的机械能转换成压力能 具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴 又一换能装置 再将 压力能转变成动能 从而形成高速射流 WJ 因而又常叫高速水射流 特种加工 课程论文 3 高压水射流系统见图 3 主要由增压系统 供水系统 增压恒压系统 喷嘴管路系统 数控工 作台系统 集水系统及水循环处理系统等构成 图3 高压水射流系统图 增压系统低压油 10 30MPa 推动大活塞往复来回移动 其方向由换向阀自动控制 供水系统对水先进行净化处理 并加入防锈添加剂等 然后由供水泵打出低压水从单向阀进入 高压缸 增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分 增压器的高压获得原理如图4所示 即利用大 小活塞面积之差来实现 理论上 A APAPPP A AAA 大 大油小水水油 小 增压比为大活塞与小活塞面积之比 一般为10 1 20 1 由此增压器输出的高压水可达 100 750MPa 由于水在400MPa时压缩率可达12 因此活塞走过1 8个行程后才有高压水输出 活 特种加工 课程论文 4 塞到达终点时 换向阀自动改变方向 进而推动大活塞反向行进 此时高压水会在另一端输出 如 果将这个高压水直接送进喷嘴 那么喷嘴出来的水的射流压力会是脉动的 这会对管路系统产生周 期震荡 为了获得稳定的高压水射流 常在增压器和喷嘴回路之间设置一个蓄能器 来消除水压脉 动 达到恒压的目的 图4 增压器获得高压 高速射流本身具有较高的刚性 在与靶物碰撞时 产生极高的冲击动压 P VC 和涡流的形成 从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区 有时可能为负值 因而高压水射流表面 上虽为圆柱模型 而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分 刚性高的部分产生的冲击动压使传播 时间也减少 增大了冲击强度 宏观上看起快速楔劈作用 而低刚度部分相对于高刚度部分形成了 柔性空间 起吸屑 排屑作用 这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向 锯刀 加工 高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程 对脆性材料 如岩石 等主要是以裂纹破坏及 扩散为主 而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则 即一旦材料中某点的法向拉应力达到或 超过某一临界值 y时 该点即发生断裂 根据弹塑性力学 动态断裂强度与静态断裂强度相比要 高出一个数量级左右 主要是因为动态应力作用时间短 材料中裂纹来不及发展 因而这个动态断 裂不仅与应力有关 还与拉伸应力的作用时间相关 三 加工特点及与其他加工方式比较 由于水射流也是一种高能束流射线 所以可以进行灵活柔软的加工 在进行NC切割时 喷 嘴的位置极为重要 如果喷射方向与断面相垂直 就可以得到与切割路线无关的均匀切口 切割加 工可从任意位置开始 到任意位置结束 这是其它机械加工方法所达不到的 因此 这种方法可以 特种加工 课程论文 5 适用于任何不规则表面形状的加工 与使用热的 机械的加工方法不同 在加工点处温度很低 因此对加工件的热应力极小 不会引起其表层组织的变化 可以在易燃 易爆 有毒的多种危险场所作业 安全可靠 由于使用水作为加工介质 辅助材料的管理十分方便 喷孔直径相当小 水的用量不大 作为工具的射流束是不会变钝的 喷嘴寿命也相当长 在高速流体力学作用下 水射流能够与多种化学 物理作用相复合 若流量控制大到某种 程度 就能在加工的同时 顺利地排除切屑 因而具有清洗作用 这在粉尘严重之外 更能显示其 优越性 当使用细小喷嘴时 加工件上承受的作用力极小 能顺利的切割质地柔软的材料 如橡胶 纸 木头 石棉 复合材料等 和容易变形的构件 如飞机蒙皮的蜂窝夹层 海绵构造等 四 水射流切割的应用范围 由于这项技术的独特优点和先进性 加之所消耗的主要是水和磨料 均为价廉源广的物料 磨 料常用石榴石 石英砂 氧化铝 河沙 炉渣 铁渣等 平均每吨几百元 而且消耗量不大 目前 国外已用它切割 500 多种材料 遍及国民经济各部门 几乎无处不能应用 在美国 几乎没有一 个飞机制造厂 汽车制造厂 建筑部门 矿业部门不采用这项技术的 除用它切断材料外 还可用 来破碎 清洗 目前正在研究作为一种 水刀 对超硬材料进行车削 钻削 铣削等机加工 已 基本取得成功 我国汽车工业 已有百余家企业 年产逾百万辆 但迄今尚未采用这项新技术 与国外有较大 差距 它可柔性化切割汽车上多种材料 对加速改型换代 降低造价 是最方便的手段 造船业需 要切割大批钢板以及船体所需的多种材料 用此技术取代传统的热切割 不但质量好 还可大大改 善劳动条件 修船业采用它 可切割所有各种材料 一机多用 我国正在大兴土木 大批旧房要拆除 新房要装修 用它可切断混凝土构件及各种材料 没有 灰尘 无坚不摧 我国盛产石材 大理石 花岗岩开采加工企业数以万计 采用这项技术 可方便而有效地在石 材板上随意开孔 切曲线和花纹 也可雕刻成型 对贵重的玛瑙 翡翠 石英 金刚石等 则可精 切加工 对陶瓷 玻璃 玻璃钢 石棉板 石膏板等 都可以切出平整光滑的切口 医疗方面 可用来 骨科截肢 无针注射 切除病变肝区 击碎结石等 特种加工 课程论文 6 用它进行水下作业 如切割沉船 钻井平台 海底电缆 航标 水下工程结构等 更是它独能 为之的特长 用它还可采矿 开挖隧道 石油钻井 水利施工 市政建设等 五 水射流切割的几个趋势 提高水射流加工机的可靠性和寿命 尤其是其中关键零部件高压泵 高压软管 接头和喷 嘴的寿命 故要采取一系列防磨损的措施 能使高压泵和阀体的寿命达到6000h 喷嘴的寿命达到 2000h 优化工艺参数 进一步提高效率 减少磨料消耗和降低能耗 以利于成本更有竞争力 发展智能化控制 使工艺参数能在加工过程中自适应调整 以提高加工精度 用于制作有 一定精度要求的零件 达到其技术经济效果可与等离子体和激光加工相媲美的程度 不断扩大水射流加工的应用范围 由二维的切割和去毛刺加工发展到孔加工和三维型面的 加工 美国的Flow国际公司和OMAX公司生产的水射流加工机床的控制系统均备有内置的CAD CMA 便于对复杂轮廓加工的编程和操作 同时还能根据加工件的材料及板材厚度 自动提供最佳的切 割工艺参数 有利于该项工艺的推广 高压水射流加工与其他加工方法的比较 高压水射流加工与激光切割比较 激光切割设备的投资较大 目前大多用于薄钢板 部分非金属材料的切割 切割速度较快 精 度较高 但激光切割时在切缝处会引起弧痕并引起热效应 另外对有些材料激光切割不理想 如铝 铜等有色金属 合金 尤其是对较厚金属板材的切割 切割表面不理想 甚至无法切割 水切割投 资小 运行成本低 切割材料范围广 效率高 操作维修方便 水切割与等离子切割比较 等离子切割有明显的热效应 精度低 切割表面不容易再进行二次加工 水切割属于冷态切割 无 热变形 切割面质量好 无须二次加工 如需要也很容易进行二次加工 水切割与线切割比较 对金属的加工 线切割有更高的精度 但速度很慢 有时需要用其它方法另外穿孔 穿丝才能 进行切割 而且切割尺寸受到很大局限 水切割可以对任何材料打孔 切割 切割速度快 加工尺 寸灵活 水切割与其它切割方法比较 对一些金属零件可采取冲剪工艺方法 效率高 速度快 但需要特定的模具和刀具 水切割 特种加工 课程论文 7 与该切割方法相比柔性好 可随时进行任意形状工件的切割加工 尤其在材料厚 硬度高等情况下 冲剪工艺将很难或无法实现 而用水切割方法则较为理想 火焰切割也是金属领域常用的切割工艺 切割的厚度范围非常大 但与水切割相比其热效应明显 切割表面质量和精度较差 另外水切割能 很好地解决一些熔点高 合金 复合材料等特殊材料的切割加工 在玻璃 石材 陶瓷等切割加工行业 传统的方法是用金刚石刀具进行切 锯 铣等 切割的 厚度范围非常大 速度较快 但对常规厚度的板材 水切割可进行高精度的任意曲线的切割加工 成品率高 降低生产成本 且大大提高加工产品的附加值 六 结束语 高压水射流加工技术是一门先进的特种加工方