磨料水射流銑削加工表面質量的研究

趙漫漫，黃濤濤，何雪明

（1.無錫機電高等職業技術學校，無錫 214028；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122；3.江南大學 機械工程學院，無錫 214122)

0 引言

在現代工業生產活動中，金屬材料和制品一直占據著重要的地位，但是傳統的金屬材料加工方法，容易產生熱變形、刀具磨損以及能量損失過大等問題。磨料水射流技術[1]作為一種新興冷態加工技術，與傳統加工方法相比，不存在熱影響區、熱變形、接觸應力，具有加工材料廣泛、穩定性好、質量高、柔性高、無刀具磨損以及綠色環保等優點，逐漸在各行各業得到廣泛應用。本文通過對45#進行銑削加工實驗，探究磨料水射流加工參數對銑削表面質量的影響，為磨料水射流銑削加工其他材料提供參考。

在磨料水射流銑削加工方面，國內外研究較少。周大鵬等[2]研究了各種材料應用水射流加工的可加工性。彭家強等[3]對磨料水射流銑削對金屬材料的去除力和去除模型進行了研究，為金屬的銑削加工和切削去除分析提供了理論借鑒。王軍等[4]對玻璃纖維增強塑料的水射流切割工藝進行了試驗研究，分析了主要加工參數對切割效率、切割斷面粗糙度、切縫寬度的影響關系。Messelink等[5]利用磨料水射流對球面工件進行了精銑光整加工，證明了磨料水射流用于精加工的可行性，并且發現磨粒的鋒利性及其動能一同決定了材料去除效率。Massimiliano Barletta等[6]通過實驗研究了磨料水射流的流速、磨粒粒徑與工件的表面加工質量和材料去除效果的關系。

1 磨料水射流銑削加工材料去除機制

1.1 單顆磨粒撞擊材料過程

單顆磨粒撞擊工件表面，會依次發生彈性變形、塑性變形、裂紋擴展以及切屑脫落過程，如圖1(a)所示。

1）彈性變形階段——磨粒以一定速度撞擊在工件表面，磨粒對工件表面進行擠壓，金屬材料首先發生彈性變形；

2）塑性變形階段——磨料持續擠壓，材料晶體發生位移，發生塑性變形；

3）裂紋擴展階段——金屬多晶體中的微裂紋受到磨粒作用時，晶體發生滑移，微裂紋不斷擴展以及產生新的裂紋；

4）切屑脫落階段——當裂紋擴展至一定程度，在外部壓力作用下， 部分材料從工件表面脫離，形成切屑。

1.2 單顆磨粒微切削過程

磨粒接觸工件表面后，除了會因磨粒撞擊造成切削脫落外，還會在剪切力的作用下，發生微切削。與切削類似，磨粒的棱相當于刀刃，工件在磨粒的作用下先發生塑性變形，當超過材料塑性變形極限時，便會發生塑性流變，工件材料會如同刨削一般，脫落工件，形成切屑，如圖1(b)所示。

圖1 單顆磨粒材料去除示意圖

磨料水射流銑削過程即無數磨粒同時作用于工件表面，通過撞擊與微切削，工件表面材料得以去除。所以，其材料去除機制也有兩種：塑性流變去除及脆性斷裂去除。

脆性斷裂去除，即磨粒以較高的沖擊動能作用在工件表面后，工件表面在磨粒的撞擊擠壓作用下產生裂紋，裂紋在擠壓力的作用下不斷擴散、碎裂后形成切屑；塑性流變去除，即磨粒撞擊工件后，發生微切削，如同刨削加工般刮擦工件表面，從而去除材料。

在磨料水射流加工過程中，隨著磨料射流不斷沖蝕工件表面，表面“凸峰”被去除，表面逐漸光滑，此時磨粒對表面的微切削作用逐漸變弱，以擠壓作用為主。

2 磨料水射流銑削加工表面質量實驗

磨料水射流銑削加工，即通過調整加工參數，降低其銑削性能，使得射流不射穿工件，在工件表面去除一定量的材料，從而達到表面精銑及成形銑削加工的目的。銑削加工參數對磨料水射流銑削加工質量影響很大。加工時，如果以去除材料為目的，如圖2(a)所示，此時加工深度大，表面粗糙度卻很高；如果以表面質量為目的，如圖2(b)所示，此時加工深度很小，但表面質量較高。因此為了保證既有很高的材料去除率和加工深度，又有好的加工表面質量，需要通過實驗進一步的分析和深入研究。如圖3所示，為磨料水射流銑削加工圖。

圖2 磨料水射流銑削加工效果

圖3 磨料水射流銑削加工圖

本文使用的實驗設備為大地水刀公司生產的DWJ3020-BB-X5型五自由度高壓磨料水射流龍門加工機床。磨料采用80目石榴石，工件材料采用45#，噴嘴直徑為0.10mm，入射角為90°。以單因素分析法，分析磨料水射流銑削加工時主要加工參數靶距S、噴嘴移動速度v、射流壓力p、橫向進給量L、銑削次數n對銑削表面加工質量的影響。表1為磨料水射流表面銑削單因素實驗方案，對五個主要加工參數分別進行單因素試驗，分析其對磨料水射流銑削表面質量的影響。

表1 磨料水射流表面銑削單因素實驗方案

2.1 靶距S對磨料水射流銑削表面質量的影響

根據表1中第一組實驗方案，對工件表面進行磨料水射流銑削加工。圖4為銑削表面加工深度以及粗糙度隨靶距S的變化。

圖4 靶距S與加工表面質量的關系

如圖4(a)所示，隨著靶距S的增大，加工深度逐漸下降；而表面粗糙度隨著靶距S的增大逐漸降低，后趨于穩定，但當靶距S超過一臨界值時，加工深度不足以去除工件原始表面缺陷，難以滿足表面銑削要求，表面粗糙度大大增大，如圖4(b)所示。所以靶距S在磨料水射流銑削加工中存在一范圍，使得加工表面粗糙度最低，且趨于穩定；靶距S超過或低于此范圍，加工表面粗糙度均會增大。

2.2 噴嘴移動速度v對磨料水射流銑削表面質量的影響

根據表1中第二組實驗方案，對工件表面進行磨料水射流銑削加工。圖5為銑削表面加工深度以及表面粗糙度隨噴嘴移動速度v的變化。

圖5 噴嘴移動速度v與銑削表面質量的關系

如圖5(a)所示，隨著噴嘴移動速度v的增大，加工深度在逐漸減小；表面粗糙度值先降低，后在很大一段范圍內保持穩定，如圖5(b)所示。當v超過一臨界值時，粗糙度值急劇提升。所以，磨料水射流銑削加工時，噴嘴移動速度v存在一適用范圍，v過大或過小均會導致加工表面粗糙度上升。噴嘴移動速度v在適用范圍內，加工深度滿足表面銑削要求，即足以去除工件表面輕微凹坑、裂紋等時，噴嘴移動速度v對加工深度有影響，但對加工表面粗糙度影響并不明顯。

2.3 射流壓力p對磨料水射流銑削表面質量的影響

根據表1中第三組實驗方案，對工件表面進行磨料水射流銑削加工。圖6為銑削表面加工深度以及表面粗糙度隨射流壓力p的變化。

圖6 射流壓力與銑削表面質量的關系

如圖6(a)所示，隨著射流壓力p的增大，加工深度在逐漸增大；而加工表面粗糙度值先減小，后趨于穩定，再增大，如圖6(b)所示。與噴嘴移動速度v對加工表面粗糙度的影響相同，射流壓力p也存在一適用范圍使得加工表面粗糙度趨于穩定，在此范圍內，射流壓力p只對加工深度h有影響，所以要根實際據加工要求選擇合適的加工參數。

2.4 橫向進給量L對磨料水射流銑削表面質量的影響

根據表1中第四組實驗方案，對工件表面進行磨料水射流銑削加工。圖7為銑削加工深度及表面粗糙度隨橫向進給量L的變化。

圖7 橫向進給量與銑削表面質量的關系

如圖7所示，橫向進給量L在一定范圍內對銑削表面粗糙度影響不大，但會影響加工深度，橫向進給量L越小，加工深度越大；當橫向進給量L大于一臨界值時，加工深度不再受橫向進給量L的影響，即相鄰軌跡間不再存在重疊區域，表面粗糙度值卻急劇增大，因為相鄰軌跡間材料去除不充分。

2.5 銑削次數n對磨料水射流銑削表面質量的影響

根據表1中第五組實驗方案，對工件表面進行銑削加工。圖8為加工深度及表面粗糙度隨銑削次數n的變化。

如圖8所示，第一次銑削后表面粗糙度Ra5.036um，這是因為工件原始表面存在缺陷較大，第一次銑削加工深度只有1.02mm，難以去除工件原始表面固有缺陷，如輕微凹坑、裂紋等，第二次銑削后粗糙度明顯降低，表面粗糙度Ra3.228um，后續幾次銑削加工表面粗糙度趨于穩定，粗糙度Ra穩定在1.970～2.133um之間。

綜上所述，每加工一次，均會去除一定材料，加工深度與銑削次數n成正比，如圖8(a)所示；多次重復銑削加工可以降低表面粗糙度值，但降低至一定程度后，銑削表面粗糙度趨于穩定，銑削次數n對表面粗糙度不再有影響，如圖8(b)所示。

圖8 銑削次數n與銑削表面質量的關系

3 結論

1）本文在分析磨料水射流銑削加工材料去除機制的基礎上，對45#材料的磨料水射流銑削加工表面質量進行了實驗研究，得出了磨料水射流靶距S、噴嘴移動速度v、射流壓力p、橫向進給量L、銑削次數n等加工參數對銑削表面加工質量的影響規律。

2）加工時，如果以去除材料為目的，應選擇較高射流壓力、近靶距、慢噴嘴移動速度；如果以得到較好的表面粗糙度為目的，應選擇較低射流壓力、遠靶距、高噴嘴移動速度。