后混合磨料水射流切割系統的研究

胡東，夏志華，唐川林

(湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲412008)

后混合磨料射流 (AWJ)切割技術是近幾十年發展起來的一種新型的加工方法。它具有無熱變形及熱變質、作用力小、加工柔性高、無塵、適應性廣等優勢，特別適合切割熱敏、壓敏、脆性、超硬等難加工材料［1－2］。目前，國內金屬、石材、玻璃、陶瓷等材料的切割應用日益普及，AWJ將優先發展成為21世紀的主流切割技術。其原理及砂水混合機制如圖1和2所示。工作壓力極高，一般在100～400 MPa之間。高壓水通過水噴嘴 (一級寶石噴嘴)形成高速流束，由于射流束擴散作用和對周圍空氣的卷吸作用，在混合腔內形成一定的真空度，使磨料箱與混合腔之間形成一定的壓力差，磨料在壓力差的作用下，通過氣力 (干式供料方式)或水力 (濕式供料方式)被輸送到混合腔，磨料以很低的初始速度與高速水射流相互接觸，由于高速水射流的邊界層的紊動擴散作用與被吸磨料發生動量交換，使磨粒加速，之后通過磨料噴嘴(即二級噴嘴)噴出而形成磨料水射流［3］。據不完全統計，目前水射流可切割加工500多種軟硬不同的材料，這一數字幾乎包括了所有目前應用中的材料。由此可見，水射流切割加工有著廣泛的應用前景。

圖2 后混合式磨料噴嘴

由于后混合磨料射流切割技術發展歷程較短，且系統工作壓力過高，需要頻繁更換高壓密封件，因而在可靠性方面稍顯欠缺。另外，由于高速水射流具有一定的剛性，不能使磨料與高速水射流進行充分的紊動混合，磨料幾乎無可能進入射流中心，使得磨料顆粒的速度較低且濃度分布不均勻，切割面存在條紋，明顯降低了水介質對磨料的能量傳輸效率［4－6］。而且，后混合方式下其磨料箱經常受到堵管和回水的困擾，雖然大地水刀采用氣泵供砂技術解決了上述問題，但需增加額外的泵源及投資，提高了經濟成本。針對于此，作者在某公司生產的高壓水射流切割機(型號IE-B)基礎上做了適當改進，以期增強其工作性能，主要提高增壓器動密封性能以及磨料箱的可靠性。

1 磨料水射流切割機工作原理及組成

高壓水射流加工技術的基本工作原理是運用液體增壓原理，通過特定的傳能裝置 (增壓器或高壓泵)將動力源 (電動機)的機械能轉換成水的壓力能，具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴后，再將壓力能轉變成動能，從而形成高速水射流，噴射到工件表面，當水射流沖擊被切工件時，動能又重新轉變成作用于材料上的壓力能，若壓力能超過材料的破壞強度時，即可切斷材料，達到去除材料的加工目的。因而高壓水射流又常被稱為高速水射流［7－8］。

圖3 磨料水射流切割機系統總體結構

經高壓泵泵出的高壓水通過水噴嘴而形成高速水射流束，由于水射流束對周圍空氣的卷吸作用，在磨料混合腔內形成一定的真空度，從而使磨料和混合腔之間的供料管產生一定的壓力差。磨料在自重和壓力差的共同作用下通過氣力運輸而被抽吸進入混合腔內，并與水射流發生紊流振動擴散與摻混，再通過磨料噴嘴而形成磨料射流［9］。

磨料水射流切割機的總體構成方案如圖3所示。

2 主要部件的改進設計

2.1 往復式增壓器

2.1.1 增壓器工作原理

增壓器將進入單向閥的低壓水由幾兆帕增加至幾百兆帕，以用于水射流切割。其工作原理是基于力學平衡原理 (如圖4所示)，若活塞 (柱塞)做勻速往復運動，則活塞低、高壓端受力相同，但由于低壓油腔活塞的橫截面積為高壓水腔柱塞橫截面積的數十倍，因而兩端壓強差值也達幾十倍。分析高壓水射流切割機 (型號IE-B)可知，往復式增壓器的增壓比的計算式為:m=(D2－d2)/d2，此系統m=24∶1，由于油泵額定壓力為20 MPa，因而可推算出系統高壓水最高可達480 MPa。

圖4 往復式增壓器工作原理

2.1.2 增壓器的設計

增壓器為磨料水射流切割機最為關鍵的部件，如圖5所示。

圖5 往復式增壓器組成

其主體部分由單向閥、高壓缸以及活塞桿組成(油缸略畫)。由于活塞桿與高壓缸端部一側為動密封，且承受高達幾百兆帕的壓力，因而使得密封件失效較快，需要頻繁更換，對于設備維護極為不便。傳統的密封方法 (見圖6(a))采用活塞桿與高壓密封組件 (密封含)相互擠壓包容，但由于活塞桿在往復運動過程中易產生偏斜，使得擠壓力不均勻，因而造成密封含內圈某一側受擠壓力較大，產生發熱及磨損現象，最終導致密封件失效。為解決此問題，作者對高壓缸端部結構進行了改進，即在其與活塞桿相連側加工一內槽，并加以銅墊片，以保證活塞桿與密封含的同軸度，如圖6(b)。經試驗證明，改進后的密封方法其壽命提高約8%，而且可以防止密封含被活塞桿慣性帶入油缸端蓋一側，導致拆卸不便。

圖6 往復式增壓器改進示意圖

在增壓系統中，單向閥 (圖7)的作用也至關重要，且由于高低壓水的轉換也較易失效，因而在設計工作中需謹慎。其工作原理為:當高壓缸中的活塞桿右移，缸體內水壓快速下降，低壓水則由單向閥下端進入后沿管路頂開閥墊進入高壓缸。當活塞桿左移時，缸內流體由于閥墊受堵急速增壓，并由螺釘中心孔排至高壓管路，完成增壓。實際工作時由于閥墊左端平整，且偶爾會出現閥墊右端卡在端蓋內空中的現象，因而實難獲得高效、可靠的工作性能，且也會造成閥墊壽命降低。另外，在設備運行過程中，時常會聽到清脆的撞擊聲，顯然該聲音是由于閥墊受高壓水作用時撞擊閥體所產生的。針對于此，作者將閥墊左端部分設計為半球狀，而將與之接觸的閥體部分改進為錐孔狀。顯然，該密封效果顯著由于前者。試驗表明:改進后的水壓提高了約4%～6%，且之前的撞擊聲也消失，這說明該結構能有效改善切割機工作性能。

圖7 單向閥結構

2.2 磨料供給系統的設計

現有磨料供給系統 (圖8(a))主要由磨料箱、繼電器、閥桿、閥錐以及錐座組成。當切割過程需要磨料時，數控系統發出信號，繼電器吸合，閥桿帶動閥錐上移，受自重及負壓的雙重作用，磨料通過閥錐與錐座的縫隙流出并向噴嘴移動，在混砂管內與高速流體混合摻混，形成磨料射流;當不需要磨料時，電磁閥斷電，閥桿在彈簧的作用下復位下移，直至與錐座緊密接觸，阻止磨料輸送。該系統雖能保證磨料穩定供給，但難以防止回水問題，給生產加工帶來極大不便，因為在切割過程中一旦回水，則磨料輸送停止，導致材料破損，尤以切割大理石、玻璃等脆性材料最為突出。而且回水后，整個磨料箱都要吹干，重新填裝，嚴重影響加工效率。另外，該系統水壓一旦確定，則磨料流量一定，后期研究中技術人員雖然設置了節流片，但不能實現砂量的連續控制。

針對于此，作者及其課題組進行了改進，改進后的磨料供給系統如圖8(b)所示。

圖8 磨料供給系統

其工作原理為:高壓開啟后，繼電器得電，閥芯帶動閥錐右移封住小孔，閥體正下端中心孔受噴嘴的作用產生負壓，磨料在其作用下由閥體上部磨料箱流入磨料輸送管，繼而沿管進入噴嘴，形成磨料射流;當停止磨料供給時，繼電器斷電，閥芯在彈簧作用下復位，空氣進入閥體下端小孔 (靠左)，并由與閥錐接觸的小孔進入中心孔，這樣使得負壓消失，磨料供給停止。

將繼電器水平放置后，閥芯右端的閥錐未與磨料直接接觸，避免了磨損，而且避免了前者關不死的情況。更重要的是采用該方法可以有效避免回水，當回水發生時，水沿著磨料輸送管回流至中心孔，再由中心孔左側小孔 (此時閥錐與小孔分離)排出，防止水回流至磨料箱。另外，閥體右端設置了調節閥，通過旋動其中閥芯，可以實現磨料流量的有效控制。試驗表明:采用改進后的磨料系統后，閥錐使用壽命顯著提高，回水問題基本得到解決，極大提高了切割機的工作性能。

3 結論

超高壓水射流切割具有高能、冷態、易割的特點。因此，它可以對各種軟、硬件材料進行任意切割。這種方法與傳統的機械、火焰切割法以及近幾年發展的等離子、激光切割相比，有其獨特的優點。加之此法能方便配合數控加工，以及在環保上的優勢，近年來，它已成為切割技術中發展最快的產業之一。

經改進后的磨料水射流切割機解決了原有設備密封性能差、可靠性低、維護成本高等多方面的問題。通過改進增壓系統部分零部件結構，降低了活塞桿與高壓缸內密封組件的磨損，增強了密封件的使用壽命。另外，對單向閥的改進提高了高壓缸內水壓，并避免了其內部零件的碰撞。較原有磨料供給系統，新方案降低了磨損，避免了回水，還能連續調節砂量，具有較好的應用前景。

【1】楊林，唐川林，張鳳華.高壓水射流技術的發展及應用［J］.洗凈技術，2004，2(1):9 －14.

【2】張運琪.美國水射流切割技術發展現狀［J］.高壓水射流，1994，合刊(49):44 －54.

【3】斯旺遜R K.水驅動的磨料水射流切割時磨料顆粒速度的研究［J］.高壓水射流，1989(1):40－44.

【4】馬水仙.采用射流沖擊加工獲得表面粗糙性［J］.國外金屬加工，2001(1):47－49.

【5】李光榮.后混合磨料射流噴頭設計中的若干問題［J］.礦業科學技術，2001(4):28－31.

【6】侯健，韓育禮.超高壓磨料水射流切割系統試驗研究［J］.兵工學報，2000，21(3):253 －256.

【7】王明波，王瑞和.磨料水射流工藝控制過程研究進展［J］.潤滑與密封，2005(6):204 －207.

【8】趙永贊，吳玉厚，富大偉.后混合磨料水射流切割石材的特性［J］.河北理工學院學報，2002，24(2):29 －32.