前混合磨料射流加工系統之光整加工試驗研究

張 丹 鄒紅亮

(吉林電子信息職業技術學院機械工程學院，吉林 吉林 132021)

0 引言

磨料射流加工系統的原理是利用高速磨料射流束產生巨大動能以及磨料自身具有的鋒利棱角沖擊被加工材料表面產生細小碎屑[1]，對材料進行沖蝕磨損，完成尺寸加工或光整加工[2]。后混合磨料射流系統采用文丘里效應進行工作，且噴頭系統結構復雜，導致終極噴嘴的尺寸難以縮小到Φ1mm以下，故無法在微細加工領域中應用[3]。

1 前混合磨料射流光整試驗加工系統的原理和制作

前混合式磨料射流系統極大簡化了噴頭系統，噴頭系統終極噴嘴直徑縮小至Φ0.2～0.3mm，實現微細射流束，從而使前混合式磨料射流的能量傳輸效率顯著提高，加工能力與加工范圍顯著增強。圖1中電控柜作為系統的動力源連接高壓氣泵，高壓氣泵產生的高壓氣體通過高壓軟管進入磨料箱，推動磨料漿液從噴頭系統的微細噴嘴噴出，形成高壓高速微細磨料射流束，沖擊工件完成加工。圖2是用于光整加工試驗的簡易原理性樣機。

1.電控柜 2.高壓氣泵 3.高壓軟管 4.球閥 5.磨料箱 6.噴頭系統 7.工件 8.夾具 9.工作臺 10.防護罩 11.水管 12.磨料過濾箱

圖1前混合磨料射流光整試驗加工系統

圖2 前混合磨料射流光整試驗加工系統簡易原理性樣機

2 前混合磨料射流光整加工試驗設計與實施

2.1 試驗設計

噴嘴處射流束流速越高，加工效果越好，效率也越高，所以終極噴嘴處的流速影響最終加工效果，是磨料射流系統最關鍵的參數。本試驗測量噴嘴處的磨料流流速是平均流速，而不是瞬時速度，就這一點而言，存在一定的偏差。

磨料箱內的磨料漿液在高壓氣體的推動下以高速從微細噴嘴中噴出。設加工時間為T，磨料箱內的磨料漿液可等價為底面積S，體積為W的細長液柱，根據液柱的高度H=W/S及磨料流在噴嘴處的平均流速v=H/T，可得：v=W/ST。

本試驗系統磨料箱的內徑為Φ60mm，高度為440mm，終極噴嘴直徑為Φ0.2mm，經計算得H=39600m。經過對比，射流束在不同壓強下的平均速度如表1所示。

表1 磨料流在不同壓強下的平均速度

試驗數據可以看出：當壓強不同時，射流束的平均流速也不同。這一結果不僅為后續試驗提供了數據支持，也為闡述加工機理提供了依據。試驗選用的金屬材料為Q235鋼板和普通Ly10鋁板。

2.2 試驗實施

2.2.1 Q235鋼板的光整加工試驗研究

試驗選取Q235鋼板為加工材料進行壓強單因素試驗，磨料的濃度是20%的粒度為w1的AL2O3，每次加工時間為60s，氣體壓強以2MPa的差距從10MPa逐漸降低到2MPa，加工前Q235鋼板經過普通砂紙打磨后，表面粗糙度均為Ra0.2，使用精度為0.1mg的精密光電分析天平稱鋼板質量。表2記錄了金屬去除量和表面粗糙度的變化數據，圖3是根據試驗數據繪制的材料去除量與表面粗糙度數值變化趨勢坐標圖。

表2 Q235鋼板壓強單因素光整試驗加工數據

2.2.2 鋁板的光整試驗研究

選取Ly10鋁板為加工材料進行壓強單因素試驗，磨料的濃度是20%的粒度為w1的Al2O3，每次加工時間為60s，氣體壓強從6MPa逐漸降低到2MPa，加工前Ly10鋁板經過普通砂紙打磨后，測表面粗糙度，都均是Ra0.35，使用精度為0.1mg的精密光電分析天平稱鋁板質量，表3記錄金屬去除量和表面粗糙度得試驗數據，圖4是試驗數據繪制的材料去除量與表面粗糙度數值隨氣體壓強變化的趨勢圖。

圖3 氣體壓強變化時Q235鋼板去除量與表面粗糙度的變化曲線

表3 Ly10鋁板加工數據

圖4氣體壓強變化時Ly10鋁板去除量與表面粗糙度的變化曲線

可以看出：鋼板與鋁板的變化規律極為相似：當氣體壓強逐漸升高時，材料的去除量增加，表面粗糙度數值減小。B曲線比較陡峭，說明隨著氣體壓強的升高，材料的去除量變化顯著；A曲線呈緩慢下降趨勢，說明氣體壓強越大，表面粗糙度值就越小，材料光整后表面就越光滑。

結合表1中數據及試驗數據可知：氣體壓強越高，射流束噴出的速度也越快，磨料束的動能以速度平方的極量增加，沖擊工件時動量的變化也越明顯，根據沖量定理可知，射流束給予材料的沖擊力也越大，試驗數據與理論完全吻合。

3 加工機理解釋與分析

選取光整加工前后的鋼板、鋁板，使用光電顯微鏡放大400倍后拍攝表面形貌，如圖5～圖10所示。

圖5 鋼板光整前×400表面

圖6 2MPa壓強×400表面

圖7 10MPa壓強×400表面

圖8 鋁板光整前×400表面

圖9 2MPa壓強×400表面

圖10 6MPa壓強×400表面

從圖中可以看到工件加工后有被射流束沖蝕后留下的點蝕坑，這是磨料顆粒直接撞擊表面材料所形成的，材料產生塑性變形最終脫落。同時表面還留有不是很明顯的擦痕，擦痕的形成是射流束是以45°的角度對材料進行光整加工，磨料顆粒在材料表面產生了劃擦和磨削作用，也就是犁削作用。當壓強升高時，工件表面也出現了點蝕坑和犁痕，還有較多黑色區域，這里可能發生了鏟削作用留下的鏟痕。所以磨料射流光整加工對材料的沖蝕主要有三類：一是點蝕坑；二是犁削；三是鏟削。

4 結語

本文使用前混合磨料射流加工系統噴射的微細射流束，對Q235鋼板和Ly10鋁板進行了氣體壓強單因素光整加工試驗。根據試驗的數據及試驗后拍攝的放大照片，得出氣體壓強是決定加工效果的核心因素，對材料的去除量和表面粗糙度都有很大的影響。