熱力輔助對磨料射流切割45鋼表面質量的影響

謝淮北，王 巖，崔 松，袁帥偉

（安徽理工大學 機械工程學院，淮南 232001）

0 引言

常溫狀態下45鋼采用氧乙炔切割方法會導致金屬斷面產生粘渣和裂紋[1]，如果溫度控制不準確，還會造成工件“過燒”現象，導致金屬切割斷面表面粗糙度低。采用激光切割方法切割常溫狀態下45鋼會使金屬斷面產生切口波紋和掛渣等現象[2]，嚴重制約金屬切割斷面表面粗糙度的提高。采用磨料水射流切割技術方法切割常溫狀態下45鋼，由于斷面磨料的動能分布不均勻和水射流的偏轉滯后[3]，在切割斷面會產生很明顯的斜條紋[4]，影響了切割斷面的粗糙度。

水射流技術是一種以水為能量載體并對材料進行加工的方法[5]。前混合磨料射流技術廣泛應用于煤巖鉆孔[6]、材料表面除銹[7]及金屬或非金屬材質切割[8,9]等方面。隨著新技術的應用，磨料射流的品種多樣化，如脈沖射流、電化學射流、電磁射流和納米顆粒膠體射流等[10]。李根生等[11]研究了高壓水射流和化學方法復合解 堵的新工藝，朱自成[12]建立銑削除冰模型，開展了熱力射流融除冰試驗研究。葉菁[13]等人利用微波加熱技術對礦石進行加熱，加速礦石內部產生裂紋，提高礦石的易磨性，得到輔助粉碎效果。鐘華棟[14]等人研究了不同射流比r（0≤r≤6.69）下橫向射流對加熱平板對流換熱效率的影響。張凱[15]等人研究了噴涂工藝中微納米顆粒在等離子體湍射流中流場與顆粒之間的輸運現象，優化了噴工藝參數。

本工作基于45鋼（140mm×30mm×5mm）研究了給定條件下，運用均布法，采用熱力輔助手段和水射流切割技術，依據光切原理[16]，測量45鋼切割斷面表面粗糙度波峰數值和波谷數值，探討45鋼切割斷面表面粗糙度波峰數值和波谷數值變化曲線的影響，還對各組內不同編號中45鋼切割斷面表面粗糙度波峰與波谷之間差值變化曲線的影響進行了研究，為磨料水射流在熱場作用下耦合切割金屬作業提供基礎資料。

1 試驗方法與過程

將前混合磨料射流切割裝置的噴嘴固定在二維數控操作臺執行座上，調節噴嘴與格柵網支撐框之間的靶距，噴嘴移動速度為100mm/min，前混合磨料射流切割的工作壓強25MPa。在箱式電阻爐內將45鋼試件（140mm×30mm×5mm）加熱至650℃后開始保溫，保溫時間達到要求后，使試件的各部位溫度均勻。將試件轉移到二維數控操作臺格柵網支撐框上，迅速固定試件的位置，并使噴嘴與試件之間的切割靶距5mm，進行熱力輔助切割試驗，本試驗裝置的工作原理圖如圖1 所示。

2 試驗方案設計

圖1 熱力輔助切割試驗工作原理圖

試驗是在熱力輔助作用下，采用磨料水射流切割切割45號鋼試件。根據射流切割原理及經驗，選取影響磨料射流切割的4個主要因素：切割靶距、移動速度、溫度、噴嘴壓強。為了獲得更加準確的試驗結果，減少磨料射流切割過程中水的汽化作用對試件溫度的影響，減少試件本身的溫度與射流介質之間熱交換，保證試件盡量在短時間內保持一定的溫度范圍，試驗加工的切割行程相對較短，增設試驗切割行程參數。試驗按照表1的參數進行試驗，根據45號鋼試件切割斷面表面特性異同，分析熱力輔助對45號鋼切割斷面的影響。

表1 熱力輔助切割試驗參數

3 試驗測量結果與分析

根據水射流切割原理和已布置的切割試驗參數進行熱力輔助切割試驗，得到不同切割效果的試件斷面，切割斷面采用電荷耦合器件高倍相機搭建的顯微鏡進行觀測，如圖2所示。

圖2 電荷耦合器件相機觀測圖像

采用均布法方法，依據光切原理（加一個參考文獻關于說明光切法分析系統的）測量被切割試件表面粗糙度RZ的值，測量試件表面粗超度波峰和表面粗超度波谷圖像如圖3～圖5所示。

圖3 第一組波峰和波谷測量結果圖

從圖3可以看出，在熱力輔助作用下，采用磨料水射流切割切割3號45鋼試件的表面粗超度波峰和表面粗超度波谷變化較大，但是整體各組折線趨于平緩，只有極少數折線波動范圍較大。4號45鋼試件表面粗糙度部分波峰數值在20μm以下， 且其波谷數值可以達到10μm。圖3(a)中，其他7組45鋼試件表面粗糙度波峰數值均在20μm～50μm之間。圖3(b)中，除7號和3號45鋼試件的表面粗糙度部分波谷數值在30μm以上，其他幾組45鋼試件表面粗糙度波谷數值在10μm～30μm之間。

從圖4可以看出，圖4(a)中，3號、5號和9號45鋼試件的表面粗超度部分波峰數值超過45μm，部分試件的表面粗超度部分波峰數值低至15μm。圖4(b)中，3號45鋼試件的表面粗超度波谷數值超過35μm，并且還有上漲趨勢，部分45鋼試件的表面粗超度波谷數值低至5μm。可以得出：在同樣條件下，45鋼試件的表面粗超度波峰數值范圍為20μm～50μm，其表面粗超度波谷數值范圍為10μm～30μm，這與圖3的到的結果基本一致。值得注意的是：圖4中45鋼試件的表面粗超度部分波峰數值和部分波谷數值超出得出的范圍。

圖4 第二組波峰和波谷測量結果圖

圖5 第三組波峰和波谷測量結果圖

為了獲得更加準確的45鋼試件的表面粗超度波峰和波谷的范圍，選用10組數據分別測得試件的波峰數值和波谷數值。從圖5(a)可以看出，1號、4號、5號和10號45鋼試件的表面粗超度部分波峰數值超過55μm，部分試件的表面粗超度部分波峰數值低至15μm。從圖5(b)可以看出，1號、2號、3號、4號和9號3號45鋼試件的表面粗超度波谷數值超過35μm，部分波谷數值甚至超過50μm，部分45鋼試件的表面粗超度波谷數值低至5μm。

綜上所述，得出如下規律：在噴嘴移動速度為100mm/min，前混合磨料射流切割的工作壓強25MPa。45鋼試件保溫至650℃后噴嘴與試件之間的切割靶距5mm的條件下，得到45鋼試件表面粗糙度波峰數值范圍為20μm～50μm，其表面粗糙度波谷數值范圍為10μm～35μm。試件表面粗糙度也存在部分波峰數值超出50μm，這是因為試件與試件之間的金相組織存在差異性，試件在受到高溫作用，使試件產生局部“過燒”現象，其金相組織發生變化，造成試件的表面粗糙度波峰數值不斷上探，試件表面粗糙度也存在部分波谷數值低于5μm，因為試件被以較高的速率噴射磨料水射流沖擊，試件與磨料水射流之間的溫度相差比較大，產生熱交換作用比較強，并且試件在“擬淬火”狀態下，試件表面硬度提高，試件切割斷面受磨料水射流中磨料的打磨作用，使試件斷面趨于平整。這也是獲得波峰數據和波谷數據折現圖像趨于平緩的原因之一。

以第三組試件表面粗糙度波峰數值與波谷數值為參考依據，得出每組內不同編號對應的波峰與波谷之間的差值Rz（μm），如圖6所示。

圖6 各組內不同編號波峰與波谷之間的差值

從圖6可以看出，各組內不同編號的波峰與波谷之間的差值變化較大，但在大部分數值在5μm～10μm之間，這說明熱力輔助作用下，采用前混合磨料射流切割45鋼金屬斷面表面粗糙度趨于平整，這比常溫狀態下45鋼的金屬斷面質量表面粗糙度要高。由于在一些高溫環境下，試件的力學性能、變形行為和斷裂機理等都呈現出不同特征。在磨料水射流和熱力輔助作用下試件受到冷熱耦合沖蝕，試件處于高度狀態下，表面溫度過高，試件在進行磨料射流切割過程中發生汽化現象，試件表面覆蓋一層蒸汽膜，將試件與液體淬火介質隔開，只能通過蒸汽膜傳遞熱量，冷卻速度較慢。試件處于水淬狀態下，雖然試件也受到磨料磨粒的撞擊與磨削作用，但試件表面的硬度增加，不僅水射流的水楔作用被減弱，而且對磨料射流的撞擊與磨削作用也在一定程度上有所減弱。在其他參數不變的情況下，熱力輔助作用下的切割試件要比常溫下的切割試件需要的工作壓力要高。同等條件下，采用熱力輔助切割45鋼的切割能力相對有所下降。

4 結語

本文采用熱力輔助條件下，運用前混合磨料射流切割45鋼，通過測量45鋼斷面表面粗糙度波峰與波谷數值，對測量結果進行對比分析，得出：在噴嘴移動速度為100mm/min，前混合磨料射流切割的工作壓強為25MPa，45鋼試件保溫至650℃后噴嘴與試件之間的切割靶距5mm的條件下，得到45鋼試件表面粗糙度波峰數值范圍為20μm～50μm，其表面粗糙度波谷數值范圍為10μm～35μm。

通過分析各組內不同編號的波峰與波谷之間的差值變化，得出各組內不同編號的波峰與波谷之間的差值多數位于5μm～10μm之間。這表明：熱力輔助作用下，采用前混合磨料射流切割45鋼金屬斷面表面粗糙度趨于平整，這比常溫狀態下45鋼的金屬斷面質量表面粗糙度要高。

由于45鋼處于高溫狀態下進行磨料射流切割，試件在“擬淬火”狀態下，試件表面硬度提高，在其他參數不變的情況下，熱力輔助作用下的切割試件要比常溫下的切割試件需要的工作壓力要高。同等條件下，采用熱力輔助切割45鋼的切割能力相對有所下降。

通過分析，可以得出，熱力輔助在熱射切割45鋼獲得的金屬斷面質量中占重要影響地位，且本文中僅涉及45鋼金屬斷面質量，并未涉及45鋼金屬斷面金相組織的變化帶來的影響，不能完全表征熱力輔助對射流切割機制及結果的影響程度，有待進一步試驗驗證。