減阻劑對后混合磨料水射流切割質量的影響

蔡書鵬，白 璐，胡 東

（湖南工業大學 水射流研究所，湖南 株洲 412007）

減阻劑對后混合磨料水射流切割質量的影響

蔡書鵬，白 璐，胡 東

（湖南工業大學 水射流研究所，湖南 株洲 412007）

通過在后混合磨料水射流中加入聚丙烯酰胺切割大理石，測量切割工件的切縫寬度和切割表面的粗糙度來分析減阻劑對后混合磨料水射流切割質量的影響。試驗結果表明：減阻劑對射流束有集束作用，同等條件下減阻劑磨料射流要比常規磨料射流的切縫窄，而且減阻劑使切割斷面粗糙度減小，使切割質量提高。試驗中，隨著減阻劑質量分數的增加，切割質量得到提高。

減阻劑；后混合磨料水射流；粗糙度；切割質量

0 引言

水射流切割是一種對環境友好的冷態高能切割技術，該技術的不足之處是切割表面存在粗糙條紋，從而影響切割斷面質量。對于后混合式磨料水射流切割，其磨料以較低的初始速度進入混合腔，不能與射流充分混合，磨料顆粒得不到很好的加速，經噴嘴噴射出的磨料速度不高，明顯降低了射流束對工件斷面的沖蝕，直接影響工件的切割質量[1]。在水中加入聚合物減阻劑，是提高其射流性能的一種重要途徑。李兆鳴等人[2]在水中加入聚合物，研究了聚合物對錐形噴嘴射流湍流特性的影響；楊永印等人[3]基于PIV技術就聚丙烯酰胺對淹沒漿體射流的影響進行了探索性研究；劉小健等人[4]采用磨料漿體切割機床探討了高聚物對射流切割的影響。以上研究只是針對減阻劑對前混合磨料射流切割性能的影響，但在后混合磨料射流切割中加入高聚物減阻劑還未見報道。由于減阻劑具有減小漿體顆粒與純水流體微團之間的摩擦阻力的作用，因此在后混合磨料射流切割中加入高聚物減阻劑，有望進一步提高水射流的切割能力和切割質量。

本文通過在后混合磨料水射流中加入聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM），對大理石工件進行切割試驗，測量出不同工作參數下其切縫寬度及切斷面粗糙度，并與未加入減阻劑PAM的試驗結果進行比較，分析PAM對其切割質量的影響。

1 試驗

1.1 試驗設備與材料

切割機為深圳力源科技有限公司生產的龍門式高壓磨料后混合式水射流切割機；粗糙度測量采用德國霍梅爾公司生產的T8000 RC粗糙度輪廓儀；噴嘴為0.89mm磨料噴嘴；磨料為粒度80目的石榴石磨料；工件材料為18mm厚的大理石板，其密度為2970～3070kg/m3，耐壓強度為2500～2600kPa；減阻劑是分子量為1200萬的聚丙烯酰胺。

1.2 試驗方法

溶液配制：利用電子稱稱取一定質量的聚丙烯酰胺溶質，并用自來水（水溫為10℃）配制成質量分數為0.1%的母液，然后放入已知溶劑質量的桶中稀釋成所需濃度的稀溶液，靜置40min以上。

試驗參數設置：切割壓力250MPa，磨料流量0.35kg/min，切割速度50～300mm/min，射流靶距4mm。分別采用質量分數為0.03%, 0.04%, 0.05%的聚丙烯酰胺稀溶液和純水對工件進行切割試驗。

采用切縫寬度與斷面粗糙度來評價切割質量。切割斷面粗糙度測量位置（h），選擇離切口頂部分別為3, 6, 9, 12, 15mm處，如圖1所示。為保證測量精度，在試驗過程中，對每組被測件進行至少3次重復測量，測量取樣長度為30mm。

圖1 切割斷面粗糙度測量位置Fig.1 The measuring position of roughness on cutting surface

采用電子游標卡尺測量切縫寬度，每條切縫選取10個以上的測量點，取測量結果的平均值作為被測件的切縫寬度。切縫寬度測量點如圖2所示。

圖2 切縫寬度測量點Fig.2 The measuring point of kerf width

2 試驗結果分析

2.1 減阻劑對大理石板切縫的影響

Rehbinder通過理論分析并用試驗修正得到的壓力與切深及切寬的關系[5]為

式中：P0為射流作用在工件表面上的壓力，Pa；

H為切割深度，m；

D為切割寬度，m。

射流對試樣切割，試樣消耗的功率[5]為

式中：P1為射流穿過試樣的壓差，Pa；

A為試樣斷面面積，m2；

U為試樣上壓力直線下降流速，m·s-1。

噴嘴出口射流速度[5]為

PG為噴嘴出口壓差，Pa。

設噴嘴出口射流切割工件時無能量損耗，將式（2）與式（3）代入能量守恒方程中，求得關于粘度與切割寬度的關系為

式中：D0為射流束直徑，m；

K為滲透率，m2；

根據式（4）計算得到切縫寬度與流體動力粘度的變化趨勢如圖3所示。

由圖3可知，當流體的動力粘度增加時，切縫寬度減小，隨著減阻劑質量分數的增加，流體的粘度增加，切縫寬度相應減小。

圖3 切縫寬度與流體動力粘度的關系曲線Fig.3 Relation of the kerf width and dynamic viscosity of the fluid

圖4給出了減阻劑質量分數不同時，磨料水射流切割中走刀速度與大理石板切縫的關系。

圖4 切縫寬與切割速度的關系Fig.4 Relation of the kerf width and the cutting speed

由圖4可以看出，走刀速度增加，切縫寬度減小，與常規磨料水射流切割趨勢一致。但是在走刀速度相同情況下，加入減阻劑的切縫比常規的切縫要窄，這是由于射流流體中加入一定量的高分子減阻劑，在某種程度上增加了水的拉伸粘度。當流體靜止時，高分子是以卷曲或纏繞的形態存在于流體中；當流體高速流動時，高分子就會以鏈狀形態隨流體一起運動。流體的粘性力遠小于高分子鏈的強度，高分子鏈使流體與周圍的動量交換減弱，宏觀上表現為射流集束性加強。而且減阻劑的加入通過改變其內部湍流結構抑制了小尺度渦的增加，減小了流體中由于小尺度渦而引起的能量耗散，對流體的輸運有促進作用。

2.2 減阻劑對大理石板切斷面質量的影響

當走刀速度為150mm·min-1時，圖5給出了減阻劑不同質量分數下切斷面上5個不同點位（h）表面粗糙度值的變化。

在后混合磨料水射流中，磨料是在射流形成之后加入的，其噴嘴射流軸心速度最高，磨料只能依靠重力和卷吸作用以較低的速度進入射流中，磨料和水不能進行充分混合，磨料顆粒得不到很好的加速。而減阻劑的加入抑制了小渦的產生，使大尺度渦加強，經過噴嘴時的射流對磨料的卷吸作用加強，磨料獲得的能量增大，對工件的打擊力也增大。

圖5 不同質量分數下粗糙度值隨測量位置的變化Fig.5 Theroughness value varying with measuring position at different mass fraction

根據流體力學中的斯托克斯公式，磨料在速度為v的流體中受到的作用力[1]為

d為球體（假設磨料為球體）直徑，m；

由式（5）可以看出，流體粘度越大，磨料的作用力越大，獲得的能量也越大，對工件的打擊力也就越大。從圖5中明顯可以看出，相同濃度下，隨測點位置的下降，粗糙度值增加；但是相同測點位置下，減阻劑質量分數越大，粗糙度值越小。由于切割深度主要取決于射流動能，隨著切深的增加，射流對材料的去除作用相應減弱。減阻劑的加入對管道內的流動有減阻作用，使射流出口速度增加，動能增加。與常規磨料射流相比，加入減阻劑后，在相同切深時，對工件的沖蝕作用、沖蝕機會增加，使該處粗糙度值減小。而且減阻劑對磨料有包被與纏繞作用，使磨料粒子的直徑增加。由式（5）可知，球體直徑增加，作用力增大，對工件的打擊力就會增加。實際上磨料并非為球形，有一定的棱角，磨料之間相互摩擦也會損失一部分動能，減阻劑對磨料的包被作用減少了磨料之間的的摩擦，使磨料的動能損失減少。

圖6給出了測點為3mm處不同質量分數下，切斷面粗糙度值與走刀速度的關系。走刀速度是影響切割質量的重要參數，它反映了工件與射流的作用時間。從圖6可以的看出，隨著走刀速度的增大，粗糙度值也增大，這與文獻[6]的結果一致。走刀速度較小時，射流與工件作用時間較長，水楔作用較明顯，切割容易進行，但是走刀速度太低影響工作效率。走刀速度過快相應的磨料與工件的作用時間短，單位時間內射流對工件的沖蝕次數少，致使工件斷面粗糙條紋增加。減阻劑的加入增加了射流對工件的沖蝕機會，減少了粗糙條紋的產生。在混合腔內高速水流束表面張力很大，有部分磨料粒子不易進入射流中心而是分散在射流表面，所以進入射流中心與射流充分混合的磨料數量相對較小，造成磨料粒子對工件斷面的沖蝕機會較小。減阻劑的加入使射流的粘度增大，射流束速度增加，卷吸作用加強，進入射流中心與射流混合的磨料粒子相應增加，參與切割與沖蝕的磨料粒子增加，磨料對工件的沖蝕機會也增加。在圖6中可以看到，采用減阻劑磨料射流時工件的粗糙度值比常規磨料射流的小。

圖6 切斷面粗糙度隨切割速度的變化Fig.6 The roughness value varyingwith cutting speed

3 結論

比較采用減阻劑磨料射流與常規磨料射流的切割工件的切縫以及切斷面粗糙度值，可得以下結論：

1）添加高分子減阻劑（聚丙烯酰胺）后對射流束有集束作用。同等條件下，減阻劑磨料射流比常規磨料射流的切縫窄，減阻劑質量分數為0.03%～0.05%時，隨質量分數的增加，切縫變窄。

2）減阻劑的加入，使切割斷面的粗糙度值減小，且隨質量分數的增加，粗糙度值減小。

3）后混合磨料水射流中加入一定量的減阻劑能提高大理石工件的切割質量，減阻劑質量分數為0.03%～0.05%時，隨質量分數的增加，切割質量提高。

[1] 張昊宇，李 輝，劉 震，等. 高壓水射流切割效能研究[J]. 機械研究與應用，2008，21(5)：15-16. Zhang Haoyu，Li Hui，Liu Zhen，et al. Study of the Cutting Efficiency of High Pressure Water Jet[J]. Mechanical Research & Application，2008，21(5)：15-16.

[2] 李兆鳴，劉成文. 高分子添加劑射流結構特性的試驗研究[J]. 鉆井液與完井液，1999，16(6)：1-3. Li Zhaomin，Liu Chengwen. An Experimental Investigation of the Structure Characteristics of Additive Jets[J]. Drilling Fluid and Completion Fluid，1999，16(6)：1-3.

[3]楊永印，王瑞和，周衛東. PAM對磨料漿體射流速度的影響規律研究[J]. 石油鉆探技術，2001，29(1)：4-6. Yang Yongyin，Wang Ruihe，Zhou Weidong. Study on the Effect of PAM on Abrasive Jet Flow[J]. Petroleum Drilling Techniques，2001，29(1)：4-6.

[4] 劉小健，俞 濤. 磨料漿體射流切割中添加劑的性能及試驗研究[J]. 現代制造工程，2005(6)：53-55. Liu Xiaojian，Yu Tao. The Studies on Polyacrylamide Applications in Abrasive Jet Cutting[J]. Modern Manufacturing Engineering，2005(6)：53-55.

[5] 李曉紅，盧義玉，向文英. 水射流理論及在礦業工程中的應用[M]. 重慶大學出版社，2007：192-194. Li Xiaohong，Lu Yiyu，Xiang Wenying. Water Jet Theory and Its Application in Mining Engineering[M]. Chongqing University Press，2007：192-194.

[6] 馮曉春，關硯聰，孫連祥. 磨料水射流切割石材加工表面質量的試驗研究[J]. 機械工程師，2012(7)：83-85. Feng Xiaochun，Guan Yancong，Sun Lianxiang. The Effect of Processing Parameters on Surface Quality of Stone with AWJ Cutting[J]. Mechanical Engineer，2012(7)：83-85.

（責任編輯：鄧光輝）

Effect of Drag Reducer on the Cutting Quality of Post Mixed Abrasive Jet

Cai Shupeng，Bai Lu， Hu Dong
（Research Institute of Water Jet，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

By means of cutting marble plate by the post mixed abrasive jet with additives PAM and measuring the kerf width and the cutting surface roughness, explores the effect of drag reducer on the jet cutting quality. The experiment result indicates that the drag reducer has contracting effect on jet beams, the kerf of the abrasive jet with drag reducer is narrower than that of common abrasive jet under the same conditions, and the jet with the drag reducer can reduce the roughness of cutting surface and improve the cutting quality. In the test, the cutting quality is improved with the increasing of drag reducer mass fraction.

drag reducer；post mixed abrasive jet；roughness；cutting quality

TP69

A

1673-9833(2014)02-0012-04

2013-11-08

湖南省自然科學基金資助項目（13JJ9032）

蔡書鵬（1963-），男，河北遷安人，湖南工業大學教授，博士，主要從事水流動減阻方面的研究，

E-mial：windowscsp@sina.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.003