大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法研究

李玉辰 胡順璽 申育敏 李繼光（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法研究

李玉辰 胡順璽 申育敏 李繼光
（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

摘 要大厚徑比平面圓孔主要為運載火箭蒙皮及其它小鈑金件的鉚釘孔，其孔徑及圓度要求較高。針對大厚徑比平面圓孔的結構及公差要求，通過不同的工藝試驗，確定了影響加工穩(wěn)定性的主要因素，進而分析確定了水切割加工工藝參數，確定了加工方案，最終達到了大厚徑比平面圓孔的加工要求。

關鍵詞水切割，孔加工，進給率，刀具補償值

1 水切割技術簡介

水切割技術出現于20世紀80年代，是新一代切割技術的代表之一，經過30年左右的發(fā)展，現已在航空、航天、船舶、機械等制造業(yè)領域，以及石油化工、火工品制造等領域得到了廣泛應用。水切割技術利用高壓水射流對材料進行切割，屬于冷態(tài)高能切割。使用水射流切割技術切割金屬材料時，需混合砂粒等磨料，壓力一般需控制在380MPa左右，水射流速度約為音速的2～3倍；切割非金屬材料（如玻璃、陶瓷等）時，壓力一般需控制在150MPa左右，切口尺寸約為0.8mm～1mm。與傳統(tǒng)切割工藝相比，水切割技術對材料幾乎無限制性，無熱效應，且切口質量較高，特別適用于高溫合金、非金屬材料、陶瓷等材料的切割。

圖1　水切割設備圖

2 大厚徑比平面圓孔加工方法對比

大厚徑比平面圓孔是指材料厚度（b）與圓孔直徑（a）比大于1的孔，如圖2所示。其主要精度要求為位置公差（由設備精度保證）和形狀公差（圓度及孔徑精度）。由于其厚徑比大于1，許多切割工藝均不能完全滿足加工要求。例如，數控步沖切割技術受刀具上模強度的限制，無法加工厚徑比大于1的孔。激光切割技術受設備結構限制，在加工大厚徑比圓孔時，精度難以保證。機械加工技術（如鉆削加工等）受生產效率及孔位置精度限制，在工程實用性方面存在不足。線切割工藝技術雖可以實施加工，且精度較高，但存在生產效率較低等缺點，難以在實際生產中大范圍應用。

圖2　大厚徑比平面圓孔示意圖

3 大厚徑比平面圓孔水切割加工方法

3.1 工藝方法

普通圓孔切割采用從孔內引線，一次切割的方法，即水射流在引線長度范圍內切透材料后再自然過渡到圓孔切割路徑，一次切割即可完成加工。大厚徑比平面圓孔由于孔徑較小且材料厚度較大，如引線在孔內，則可能導致因引線范圍過小，無法完全切透材料即開始切割圓孔的現象。因此，大厚徑比平面圓孔的切割需采用引線與圓孔切割路徑一致的方式，進行2次切割，即無引線2次切割。大厚徑比平面圓孔的加工流程為：水射流之間在圓孔切割路徑上開始切割，在完成1次切割后，再沿圓孔路徑進行第2次切割。如僅進行1次切割會導致圓孔路徑切割不完全，材料上下表面存在孔徑偏差，且該偏差會隨材料厚度的增大而進一步增大，故需進行第2次切割，在保證圓孔路線切割完全的情況下，對之前的切割路線進行修補，提高切口質量，減小材料上下表面的孔徑偏差，1次切割與2次切割試驗件的對比如圖3所示。

3.2 工藝參數

水切割技術中涉及的工藝參數主要包括切割壓力、水及磨粒配比、進給速度、刀具補償值等，各項工藝參數的設定均會對切割質量產生影響。

圖3　一次切割與二次切割對比圖

由于材料及設備限制，切割壓力、水及磨粒配比等參數與普通圓孔切割相同，僅進給速度及刀具補償值存在區(qū)別。

3.2.1 進給速度

進給速度即切割刀頭的運行速度。由于水射流沖擊切割材料時，水射流受材料內部的橫向反作用力，會出現“甩尾”現象，導致材料上下表面切割路徑存在偏差，特別是切割轉角部位更為明顯。對于大厚徑比平面圓孔，進給速度主要影響其圓度。進給速度過快，會導致孔不圓；進給速度過慢，會影響生產效率。因此，進給速度值的設定尤為重要。不同進給速度設定試驗件成孔形態(tài)對比圖如圖4所示。圖中試驗孔的進給速度從左向右逐步提高，具體參數詳見表1。

圖4　不同進給速度加工的試驗件成孔形態(tài)對比圖

表1　進給速度數據統(tǒng)計表

3.2.2 刀具補償值

刀具補償值是所有切割技術均涉及的重要參數，在水切割技術中，其主要受水射流直徑影響。采用水切割技術切割圓孔時，在刀具補償值為“0”的情況下，水射流中心沿切割路徑運行完成切割工作，獲得的圓孔直徑比需求直徑小1個水射流直徑，即“真實孔徑”+“水射流直徑”=“需求孔徑”。為了消除該現象，需設定刀具補償值（理論值）為水射流直徑的50%。但在實際生產中，受限于材料內部對水射流的縱向反作用力，實際刀具補償值與理論值之間存在偏差。此外，由于大厚徑比平面圓孔加工方法需進行2次切割，在進行第1次切割時，水射流受材料內部的雙面作用，而在第2次切割時，由于孔內部材料已經脫落或即將脫落，水射流僅受材料內部的單面作用，故2次切割與1次切割的刀具補償值也存在差異。

刀具補償值的設定對產品的孔徑精度具有較大影響。刀具補償值與孔徑成反比例關系。不同刀具補償值加工的試驗件的成孔形態(tài)對比圖如圖5所示。圖中，試驗孔的刀具補償值從左向右逐步提高，具體參數詳見表2。

圖5　不同刀具補償值加工的試驗件成孔形態(tài)對比圖

表2　刀具補償值數據統(tǒng)計表

綜上所述，在掌握進給速度及刀具補償值的最佳參數后，經過正交試驗法，獲得了大厚徑比平面圓孔的最佳加工參數，加工產品滿足精度要求。產品局部形態(tài)如圖6所示。

圖6　產品局部形態(tài)圖

4 結 論

大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法相較于其它切割方法具有明顯優(yōu)勢，但為了保證孔加工精度（圓度、孔徑），需設定合適的工藝參數（進給速度、刀具補償值等）。本文通過對工藝方法及工藝參數的研究，驗證了大厚徑比平面圓孔水切割加工工藝方法的可行性，為大厚徑比平面圓孔加工提供了新的思路與解決方案。

參考文獻

1 黃業(yè)平, 郭為中, 高峰. 水切割技術回顧與展望[C]. 中國機構與機器科學應用國際會議（2009 CCAMMS）論文集, 2009: 21～22, 27

2 胡勝成, 韓萍. 水射流切割技術及其應用[J]. 金屬加工熱加工, 2014, (6): 61～63

3 徐禮龍. 超高壓水射流切割速度優(yōu)化方法研究[D]. 江蘇大學, 2012

4 齊忠霞. 五坐標水切割中的刀具補償方法[J]. 工藝與裝備, 2009, (4): 70～72, 75