低溫輔助磨料水射流切割不銹鋼的試驗研究*

楊 帆 劉力紅 杜 鵬 孫慶斌 田 雨 董超超

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

傳統(tǒng)的加工方法切割不銹鋼、鈦合金等難加工金屬的效果并不理想，如車削、鉆削和銑削等常用機加工方法，都使用鋒利的刃口刀具，通過剪切變形去除工件上的材料。然而，這些工藝對難加工材料有極大的限制，具體表現(xiàn)為刀具易磨損、切削熱量大、表面加工質(zhì)量不穩(wěn)定、切削效率低等[1]。磨料水射流加工工藝極大程度上解決了這些問題，但也由于切割斷面上磨料的動能分布不均勻，在材料的切割斷面產(chǎn)生較深的溝壑，且磨料粒子與不銹鋼金屬高速撞擊形成的高溫使加工局部產(chǎn)生粘性，增了切割斷面的粗糙度[2]。基于此，提出1種低溫輔助磨料水射流切割方法，以降低加工過程中產(chǎn)生的溫度和粘性，提升難加工金屬的表面切割質(zhì)量。

本文對低溫輔助磨料水射流切割不銹鋼進行正交試驗研究，共設計8組試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，通過對比分析不同因素水平試驗下的不銹鋼斷面粗糙度，研究低溫輔助對磨料水射流切割不銹鋼的影響，找出低溫下不同晶相結(jié)構(gòu)與磨料水射流切割質(zhì)量之間的規(guī)律，為低溫下磨料水射流切割高強度金屬提供一定的參考依據(jù)。

1 低溫對不銹鋼性能的影響

低溫下，金屬一般會產(chǎn)生無明顯塑性變形而脆性斷裂的現(xiàn)象，即“冷脆”。金屬的晶體結(jié)構(gòu)與其在低溫下產(chǎn)生脆性斷裂的傾向之間存在一定的關系。晶格為體心立方的金屬隨著溫度下降會有脆性斷裂的傾向,而晶格為面心立方的金屬則不變脆[10]。

故本次正交試驗選用兩種具有代表性的難加工不銹鋼，分別是304奧氏體不銹鋼和430鐵素體不銹鋼。304奧氏體不銹鋼具有面心立方晶格，在低溫環(huán)境下不變脆，430鐵素體不銹鋼具有體心立方晶格，在低溫環(huán)境下斷裂的傾向大大提高[11]。

2 試驗方案

2.1 試驗原理

本試驗通過對比低溫輔助與普通狀態(tài)下磨料水射流切割不銹鋼的粗糙度，分析低溫輔助對磨料水射流切割不銹鋼材料表面質(zhì)量的影響。

本試驗依托安徽理工大學高壓水射流實驗室的高壓前混合磨料水射流試驗平臺進行，如圖1[12]。

工作原理如圖2所示，在每進行一組低溫輔助切割實驗時，先將靶物浸入液氮中冷卻30 min，用數(shù)顯溫度計測量其溫度為-196 ℃，因為將靶物從液氮中取出后，溫度會急劇上升，故提前啟動高壓水泵，將實驗參數(shù)設置完畢后，立刻將靶物移至模具上，同時增加水泵壓力至設定壓力，打開砂閥，運行設定程序進行切割工作，以減小溫度升高對試驗結(jié)果的影響。經(jīng)試驗測定，將靶物從液氮中取出至進行加工，這段時間為5 s，數(shù)顯溫度計示數(shù)為-168 ℃，故試驗溫度為-168 ℃。

2.2 試驗材料與參數(shù)

本試驗所選用304奧氏體不銹鋼和430鐵素體不銹鋼作為試驗材料，為方便試驗，選用規(guī)格都為250 mm×30 mm×5 mm的不銹鋼，其含量成分如表1所示。

表1 不銹鋼含量成分表

按照前混合磨料水射流的經(jīng)驗，選用如表2所示的試驗參數(shù)，并對其進行驗證試驗[13-17]。

醫(yī)護人員根據(jù)蕁麻疹患者發(fā)病機理不同，可以分不同的護理措施。風寒型蕁麻疹患者宜采用有規(guī)律的飲食起居和生活習慣進行臨床護理，再配以姜湯等祛濕祛風寒。

表2 試驗參數(shù)表

2.3 參數(shù)驗證試驗

選用304不銹鋼對正交試驗所選取的壓強、橫移速率及溫度等參數(shù)進行驗證試驗，其結(jié)果如表3所示。

表3 驗證試驗表

由試驗2、3可知，混合水平正交試驗的壓力應從25 MPa開始，由試驗3、4、5可知橫移速率取7 cm/min較好，試驗6、7、8證明了試驗的起始壓力的可行性。

2.4 正交試驗

根據(jù)磨料水射流切割的原理和經(jīng)驗，本試驗選取影響磨料水射流切割的3個主要因素:切割壓力、溫度和材料。設A、B、C分別代表切割壓力、溫度、材料，對A進行4水平實驗，B、C進行2水平實驗，如表4所示。按混合水平正交試驗表L8(41×22)設計安排8組試驗，試驗方案如表5所示[18]。

表4 因素水平表

表5 試驗方案

2.5 結(jié)果測量

將磨料水射流切割獲得的試件分別用標簽紙貼好，并標明試件序號，箭頭所指側(cè)面為切割斷面。如圖3所示。

切割斷面采用SRM系列表面粗糙度測量儀進行測量，測量結(jié)果如表6所示。

表6 測量結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

選用Excel軟件對測量結(jié)果進行分析，因為A因素有4個水平，每個水平出現(xiàn)2次，所以A因素的ki=Ki/2(i表示水平號)，其他因素的ki=Ki/4。對于極差R,因為對于A因素，K1、K2、K3、K4分別是各指標值之和，而對于B、C兩個因素，K1、K2分別是4個指標值之和，所以只有根據(jù)平均值ki求出的極差才有可比性，即R=max{ki}-min{ki}。由于本次正交試驗的各因素之間沒有交互作用,故可以通過極差R的大小來判斷各因素的影響程度大小，極差最大的一列即為對試驗結(jié)果影響最大的因素。對于優(yōu)方案的選取，因為本試驗以粗糙度作為評價金屬切割表面質(zhì)量的指標，故粗糙度越小，則該方案越優(yōu)。具體分析結(jié)果如表7所示[19-20]。

表7 試驗結(jié)果分析

由于RB>RC>RA，所以各個因素的主次順序為B(溫度)、C(材料)、A(壓力)。

在本次試驗中，選用粗糙度作為測量不銹鋼表面質(zhì)量的指標，故指標越小越好，所以選擇每個因素的平均值ki中最小的平均值對應的水平作為優(yōu)方案，由于:

B因素：k2

C因素：k1

A因素：k3

所以優(yōu)方案為：B2C1A3，即溫度-168 ℃，304不銹鋼，壓強35 MPa。

以因素水平為橫坐標，粗糙度Ra為縱坐標，得到如圖4所示的趨勢圖。

從趨勢圖4中可看出，當壓力為35 MPa、溫度為-168 ℃、材料選用304不銹鋼時，磨料水射流切割不銹鋼得到的斷面粗糙度最小，即最優(yōu)方案：B2C1A3。從圖4中還可以看出，在給定范圍內(nèi)，隨著射流壓力的增加，粗糙度先減小后增大，在35 MPa時取最小值；隨著溫度的，粗糙度，低溫下切割不銹鋼的表面質(zhì)量遠遠高于常溫；又因為不銹鋼元素含量的不同，304奧氏體不銹鋼的粗糙度優(yōu)于430鐵素體不銹鋼。

將對趨勢圖4的分析與常溫下磨料水射流切割不銹鋼的經(jīng)驗進行比較，可以看出，低溫輔助磨料水射流切割隨著射流壓力不同、溫度的變化以及金相組織不同等多因素耦合，導致低溫輔助磨料水射流切割的機理復雜程度大大提高，特別是溫度的變化對磨料水射流切割不銹鋼產(chǎn)生了巨大影響，故低溫輔助磨料水射流切割的機理還有待進一步深度研究。

4 結(jié)語

(1)由參數(shù)驗證試驗可知，304不銹鋼在低溫狀態(tài)下壓力達到15 MPa可切穿，常溫狀態(tài)下壓力達到25 MPa可切穿，故304不銹鋼在低溫狀態(tài)下比常溫狀態(tài)下更易加工。

(2)通過正交試驗易知，在低溫狀態(tài)下磨料水射流切割不銹鋼的表面質(zhì)量優(yōu)于常溫狀態(tài)。

(3)磨料水射流切割不銹鋼的因素影響程度由大到小為溫度、材料、壓力，得出優(yōu)方案為溫度-168 ℃、材料選用304不銹鋼、壓強35 MPa。

(4)根據(jù)試驗推測，其他條件相同低溫輔助水射流切割情況下，面心立方晶格金屬的表面切割質(zhì)量優(yōu)于體心立方晶格的金屬。這有待進一步研究。