磨料水射流車削陶瓷材料的模型研究

鄧宇鋒

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，江蘇 無錫　214153)

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磨料水射流車削陶瓷材料的模型研究

鄧宇鋒

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，江蘇 無錫214153)

摘要：工程陶瓷材料在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應用，由于工程陶瓷具有硬度大、脆性高、斷裂韌性低等特點，其加工工藝性很差，極易產(chǎn)生細小裂紋和應力集中現(xiàn)象，影響陶瓷零件的綜合性能及使用壽命。文章在研究磨料水射流單磨粒沖蝕機理的基礎(chǔ)上，對氧化鋁陶瓷材料應用磨料水射流進行車削加工，并建立車削陶瓷材料的深度模型。最后，進行磨料水射流車削實驗，實驗結(jié)果表明，該模型具有很高的可靠性。

關(guān)鍵詞：磨料水射流；工程陶瓷；數(shù)學模型；車削加工

0引言

工程陶瓷材料(氧化鋁、氧化鋯等)具有高硬度、高強度、耐腐蝕、耐磨、隔熱、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，在軍事、航空航天、原子能、空間技術(shù)及制造等領(lǐng)域的應用日益廣泛[1]。但是，由于工程陶瓷材料的高硬度、高脆性及低斷裂韌性等固有屬性，其加工工藝性比其他材料差很多，在機械加工過程中極易產(chǎn)生細小的裂痕和應力集中現(xiàn)象，從而導致陶瓷零件的疲勞強度降低，影響陶瓷零件的綜合性能和使用壽命[2]。

磨料水射流加工技術(shù)作為一種非傳統(tǒng)的冷加工技術(shù)，近20多年來得到了迅速發(fā)展[3]。相對于其他的傳統(tǒng)加工技術(shù)而言，它具有無熱影響區(qū)、無工具磨損、反作用力小、加工范圍廣、加工柔性高、綠色環(huán)保以及操作簡單[4]等優(yōu)點。在精密、微細加工領(lǐng)域，磨料水射流加工技術(shù)對高硬度、高脆性等難加工材料精密、微細加工的精度不斷提高，擁有廣闊的應用前景。目前，磨料水射流加工技術(shù)作為一項新興的新型的加工技術(shù)而被專家學者廣泛研究。在對陶瓷材料的磨料水射流加工研究方面，萬慶豐等[5]建立了工程陶瓷材料磨料水射流鉆削加工的理論模型，分析了影響鉆削深度和表面粗糙度的工藝參數(shù)。張沙等[6]對高硬脆材料的切割機理進行了研究，建立了切割沖蝕模型，并沖擊區(qū)的應力進行了分析。Dittrich等[7]通過實驗研究得出，磨料水射流加工可有效應用于陶瓷等硬脆材料的加工中，且影響加工質(zhì)量的主要工藝參數(shù)為噴射壓力P、磨料流量ma和噴頭橫移速度u。他們主要是通過切削機理、工藝過程及有限元方法等方面的探索，對磨料水射流切割、磨削及鉆削等加工方式進行了大量研究，取得了輝煌的成果。但是，對于陶瓷材料的磨料水射流車削加工方面的研究還相當少，有待進一步充實。

本文在研究磨料水射流單磨粒沖蝕機理的基礎(chǔ)上，建立了氧化鋁陶瓷材料的磨料水射流車削深度模型，并通過實驗進行了驗證，驗證結(jié)果表明，該模型具有很高的可靠性。

1磨料水射流加工系統(tǒng)及加工原理

磨料水射流一般是由增壓器、貯液蓄能器、孔徑很小的噴嘴、機器臂、水平工作臺以及控制裝置組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

貯液蓄能器安裝在增壓器和噴嘴之間以達到恒壓的目的。控制系統(tǒng)通過設定程序來控制水平工作臺或者噴嘴的運動，目前以5軸和6軸的數(shù)控系統(tǒng)為主，可以實現(xiàn)對復雜外形結(jié)構(gòu)的加工。

1.高壓水入口 2.水噴嘴 3.磨料 4.混合管 5.保護管 6.射流束 7.工件材料

圖1磨料水射流結(jié)構(gòu)簡圖

水流通過增壓器增壓到高壓狀態(tài)，經(jīng)過水噴嘴噴射出來，形成高速射流。磨料顆粒由于壓力差被吸入混合管與水射流混合，并通過高速水射流加速，最終形成高速磨料水射流。射流束以極高的速度沖擊在工件表面，引起材料上沖擊點的應力場應力高速集中并迅速變化，產(chǎn)生塑性變形、脆性斷裂以及微切削，從而實現(xiàn)材料的去除。

2磨料水射流加工材料去除模型

2.1磨料水射流沖擊材料去除

相關(guān)專家研究發(fā)現(xiàn)，磨料水射流中的磨粒沖擊到工件表面導致其所產(chǎn)生的磨損變形分為兩類：一種是由于磨料射流沖擊工件造成的沖擊變形磨損，另一種是由于磨料射流沖擊工件造成的剪切變形磨損。為了進一步研究磨料射流對工件造成的沖擊變形，BOBERT研究發(fā)現(xiàn)磨料水射流對工件產(chǎn)生的沖擊影響主要呈現(xiàn)出凹坑現(xiàn)象，其主要是由于磨料水射流的沖擊而產(chǎn)生的沖擊變形磨損。為了對該磨料進行分析，可簡化為如下模型，一個剛性磨料小球垂直撞擊到工件表面，剛性小球和工件表面相比較非常小，故可以假設工件的表面無限大。

圖2　單顆粒磨粒沖擊光滑表面示意圖

如圖2所示，磨料顆粒小球的半徑為R，磨料顆粒撞擊工件表面的速度為VP，對工件產(chǎn)生的撞擊力為P以及撞擊深度為λ，對工件產(chǎn)生撞擊所導致的凹坑的半徑為r。

根據(jù)相關(guān)文獻得出粒子間的彈性接觸模型理論，由該模型可以得出磨料粒子沖擊工件表面所產(chǎn)生深度λ的受如下因素影響。

(1)

上式中，v1為磨料粒子材料的泊松比；v2為工件材料的泊松比；E1為磨料粒子材料的彈性模量；E2為工件材料的彈性模量。

由上式可得：

(2)

根據(jù)磨料水射流的運動學方程：

mvpdvp=-Pvp

(3)

將式(3)帶人式(2)中，并求解得到λ的等式：

(4)

聯(lián)立式(3)、(4)可知：

(5)

由赫茲彈性彈性理論知，工件在磨料水射流沖擊力為P的作用下產(chǎn)生的凹坑半徑為：

(6)

磨料水射流沖擊工件，并使其表面材料隨著磨料粒子的持續(xù)沖擊而去除，從而形成凹坑，凹坑的體積為：

(7)

在實際加工過程中，磨料水射流沖擊工件，其材料的去除量并不完全等于凹坑的體積，主要因為工件材料在受到?jīng)_擊時會伴隨著彈性變形，則工件表面實際材料去除量為V1。

V1=ζπλ2r

(8)

式中，V1為工件材料因磨料沖擊作用而產(chǎn)生實際去除量；ζ為工件材料受沖擊時變形的磨損系數(shù)。

將式(4)和(6)帶入(8)中，可得：

(9)

磨料水射流中的磨料沖擊到工件表面，其能量呈現(xiàn)出以射流中心為圓心，沿著半徑方向逐漸遞減，并且呈軸對稱分布，即磨料粒子的速度和沖擊角度在離中心距離相等處都一樣。故按照磨料水射流沖擊的角度可以分為如下三種情況：水平?jīng)_擊、垂直沖擊以及任意角度沖擊，如圖3b所示。

在磨料水射流沖擊工件時，磨料沖擊工件并使其表面材料得到去除，該過程磨料的速度主要取決于垂直工件表面的速度，因此細長軸類塑性材料因磨料射流而產(chǎn)生的變形磨損的去除量為:

(10)

式中，α為磨料水射流沖擊工件的角度。

(a)磨粒的分布示意圖

(b)磨粒的沖擊方式示意圖

該模型中所獲得的磨料水射流沖擊工件產(chǎn)生沖擊深入和凹坑半徑是基于工件表面光滑以及磨料粒子時球形等假設條件計算得出的，然而在實際加工過程中，工件表面常常凹凸不平、磨料粒子也常常有一定的菱角，故需要對以上獲得的沖擊深度和凹坑半徑進行修正，修正后的表達式為：

(11)

(12)

式中，δ為磨料水射流中粒子的圓度相關(guān)因子。

磨料水射流中粒子沖擊有粗糙峰的表面使工件產(chǎn)生的沖擊深度大于沖擊光滑表面所產(chǎn)生的深度，磨粒沖擊有粗糙峰的表面的凹坑半徑和接觸角小于其沖擊光滑表面。并發(fā)現(xiàn)，磨料水射流對更容易破壞有粗糙峰的表面，然而由于粗糙峰表面通常凹凸不平，不能簡單的用接觸圓的半徑代替其對工件表面產(chǎn)生的凹坑大小。所以，往往需要應用沖擊所產(chǎn)生的深度替代凹坑半徑，則工件受磨料水射流沖擊而產(chǎn)生的材料去除量為：

(13)

令

則式(13)可進一步化解為：

(14)

由式(14)知，磨粒的速度和沖擊角度對工件表面材料的去除量影響最大，磨粒半徑和圓度因子對對工件表面材料的去除量影響次之，磨粒的密度對工件表面材料的去除量影響最小。

2.2磨料水射流加工剪切磨損去除模型

磨料水射流沖擊工件，工件除了受到磨粒的沖擊磨損外，還受到磨粒的剪切變形磨損。根據(jù)相關(guān)文獻知磨料水射流對塑性材料產(chǎn)生剪切變形磨損。該模型的簡化示意圖如圖3所示，磨料水射流中的磨粒以速度vp和沖擊角度α沖擊工件表面，在磨料和工件撞擊過程中，假設磨料為剛性，則磨料對塑性材料工件產(chǎn)生的剪切磨損為：

(15)

式中，V2為工件材料因剪切變形磨損量；m為磨料粒子的質(zhì)量；α為磨料水射流沖擊角度；p為磨料水射流沖擊工件表面材料產(chǎn)生的應力。

相關(guān)學者通過試驗發(fā)現(xiàn)，工件材料因磨粒沖擊作用而產(chǎn)生的材料去除量的理論值和試驗值存在一定的差距，該值與工件表面的凹凸情況有關(guān)。文獻中相關(guān)的結(jié)論知剪切變形磨損量小于實際去除量，故需要對上述剪切模型進行修正，進一步得出：

(16)

2.3磨料水射流加工的材料去除模型

磨料水射流沖擊工件時，工件材料在磨粒的作用下不僅受到?jīng)_擊磨損還受到剪切磨損，故磨料水射流對工件材料產(chǎn)生總的去除量：

V=V1+V2

(17)

將式(15)、(17)帶入式(18)中，得出：

V=

(18)

3實驗驗證

為了驗證上文提出的氧化鋁陶瓷的磨料水射流車削深度與一些主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型的準確性，設計了大量氧化鋁陶瓷材料的磨料水射流車削實驗，如圖4所示。

圖4　磨料水射流車削陶瓷材料實驗

實驗選用半徑為10mm的氧化鋁陶瓷軸作為車削工件，射流磨料選用80#石榴石，噴嘴直徑為2mm。其他工藝參數(shù)設置如表1所示。

表1　磨料水射流車削實驗參數(shù)設置

實驗數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)的對比如圖5所示。

圖5　車削深度的實驗和預測數(shù)據(jù)對比

由圖5可以看出，車削深度的實驗值與車削深度模型的預測值有很高的一致性。由于磨料水射流加工的影響因素非常多，預測值與實驗值不可能完全一致。通過計算發(fā)現(xiàn)，各預測值與實驗值的誤差均在10%以內(nèi)，由此可以得出，該深度模型具有很高的可靠性。

4結(jié)論

工程陶瓷材料在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應用，由于工程陶瓷具有硬度大、脆性高、斷裂韌性低等特點，其加工工藝性很差，極易產(chǎn)生細小裂紋和應力集中現(xiàn)象，影響陶瓷零件的綜合性能及使用壽命。磨料水射流加工可以有效地保證陶瓷材料的工藝性，提高其綜合性能及使用壽命。

本文在研究磨料水射流單磨粒沖蝕機理的基礎(chǔ)上，建立了氧化鋁陶瓷材料的磨料水射流車削深度模型，經(jīng)過實驗驗證，該模型具有很高的可靠性，有效地反映了磨料水射流車削深度與各主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

[參考文獻]

[1] 《高技術(shù)新材料要覽》編輯委員會.高技術(shù)新材料要覽[M].北京:中國科學技術(shù)出版社,1993.

[2] 葛宰林,江親瑜.現(xiàn)代陶瓷及表面超精密加工[J].大連大學學報,2003,24(6):24-28.

[3]MazurkiewiczM.AManufacturingToolforaNewCentury[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2000:112-118.

[4]LutterveltCA.Ontheselectionofmanufacturingmethodsillustratedbyanoverviewofseparationtechniquesforsheetmaterials[J].AnnalsoftheCIRP,1989,38(2):587-607.

[5] 萬慶豐,雷玉勇,陳林.磨料水射流鉆削工程陶瓷試驗研究[J].液壓氣動與密封,2013(8):10-13.

[6] 張沙,龔烈航.前混合磨料水射流切割脆性材料研究[J].潤滑與密封，2011,36(3):97-104.

[7]DittrichM,DixM,KuhlM,etal.ProcessAnalysisofWaterAbrasiveFineJetStructuringofCeramicSurfacesviaDesignofExperiment[J].ProcediaCIRP，2014,14:442-447.

[8]LawnBR,EvansAG,MarshallDB.Elastic/PlasticIndentationDamageinCeramics:TheMedian/RadialCrackSystem[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety，1980,63:574-581.

[9]MarshallDB,LawnBR,EvansAG.Elastic/PlasticIndentationDamageinCeramics:TheLateralCrackSystem[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety，1982,65:561-566.

[10]KoePPelBJ,SubhashG.CharacteristicsofResidualPlasticZoneunderStaticandDynamicVickersIndentations[J].Wear，1999,224:56-67.

[11]AntonRJ,SubhashG.DynamicVickersIndentationofBrittleMaterials[J].Wear,2000,239:27-35.

[12]AehtsniekM,GeelhoedPF,HoogstrateAM,etal.ModellingandEvaluationoftheMicroAbrasiveBlastingProcess[J].Wear,2005,259(l-6):84-94.

[13]MomberAW,KovacevicR.PrincipleofAbrasiveWaterJetMachining[M].London:Springer-VerlagLondonLtd.,1998.

[14]HashishM.PredictionModelsforAWJMachiningOperations,Proceedingsof7thAmericanWaterJetConference[A].Seattle,Washington,1993:205-216.

(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0034-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.010

收稿日期：2015-08-25；修回日期：2015-10-12

作者簡介：鄧宇鋒(1981—)，男，江蘇無錫人，江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向為CAD/CAM/CAE、機械制造技術(shù)，(E-mail)dengyufeng1981@yeah.net。

中圖分類號：TH16；TG662

文獻標識碼：A

Study on Ceramic Materials Model of Abrasive Water Jet Machining

DENG Yu-feng

(DepartmentofElectricalEngineering,JiangsuCollegeofInformationTechnology,WuxiJiangsu214153,China)

Abstract：Engineering ceramic materials has been widely used in aerospace and other fields,but its processing technology is very poor,easy to produce tiny cracks and stress concentration phenomenon which affect the overall performance of ceramic parts and service life because of its high hardness,high brittleness and low fracture toughness.On the basis of theoretical research,this paper used the abrasive water jet to process the alumina ceramic material,and established the abrasive water jet cutting depth model of alumina ceramic materials.Finally,this paper carries on the abrasive water jet cutting experiment,the results show that the model has high reliability.

Key words：abrasive water jet;engineering ceramics;mathematical model;turning