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磨料水射流等现代切割技术的研究与分析

  • 2010-2-10 16:16:36
  • 来源:中国锻压协会
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作 者:宋拥政
关 键 词:钣金,水射流切割
文献摘要:磨料水射流切割是上世纪80年代中期在国际上进入实用阶段的新兴技术,经过不断发展,已与激光切割、等离子切割技术,互为补充,并行不悖,共同成为了板材(含管材)切割的主流技术。
断面性质
(1)锥度
  三种切割方法的切速越高,切口上宽下窄约严重。一般情况下,激光切割切口上下约差0.2mm,磨料水射流切割相差约在1.5mm以内,等离子切割相差约在3mm左右。
磨料水射流采用最佳速度(约为最高切速的1/5)时,可以得到几乎平直的切断面(图5)。慢速时则因射流扩散导致切口上下变宽。
图5 磨料水射流切割面锥度
(材质  铝;板厚10mm;水压250MPa;dn =0.33mm;dm=1.0mm;磨料80目)
(2)边缘
  磨料水射流切割断面一般上边缘比较平齐,下边缘出现差异。切割塑性材料在下边缘出现少量毛刺或毛边,而脆性材料出现崩损。
激光切割断面上边缘平齐,下边缘有少量熔渣或毛刺。等离子切割断面上边缘会出现塌边,下边缘出现较多熔渣。
(3)沟纹
  磨料水射流切割断面上部为切割磨削区,在切割磨削区内磨料粒子以小角度动能进行均匀磨削,切割沟纹呈平直细密的规则状态;下半部为变形磨削区,磨料粒子以大角度动能进行局部冲击磨削,切割沟纹逐渐变粗,后拖量逐渐增大,沟纹和后拖量随着切割速度的增加而增大(图6)。以上特征与激光、等离子切割有明显相似之处。
图6 磨料水射流不同切速时的断面沟纹
(材料 普通结构钢;(a)切速适中 v=90mm/min;(b)切速过高 v=240mm/min)
(4)粗糙度
  磨料水射流切割断面的切割磨削区比较平滑,一般Ra为2.5~10μm。由于磨料水射流的扩散与切割深度成正比,所以在变形磨削区内粗糙度值随切深增大,切割断面最粗糙的部分总是在磨料水射流的排出侧。
  激光切割距上表面约1mm的断面层,Ramax达到5μm,距上表面1mm以下Ramax从10μm到50μm,从上到下逐渐增大。这是因为材料在1mm处的断面层因激光焦点而产生蒸发,而以下断面层则伴有热传导熔化和辅助气体燃烧,导致粗糙度值增大。
  对比切割实验表明,等离子切割中厚板软钢的断面粗糙度优于激光切割,这主要是由于激光切厚能力不足所致。
  三种切割方法的断面粗糙度均与速度有关。切速适中则粗糙度值较小;切速过高则粗糙度值增大;但当切速较低时,磨料水射流切割断面粗糙度值较小,而激光和等离子切割则因贮热过多,使粗糙度值增大。
(5)热变性
  图7a对磨料水射流、激光、等离子切割断面的组织形态进行了比较(均为切割普通结构钢)。可以明显看出,采用热切割的两种方法使得断面热影响区发生组织变化。在断面上部出现组织粗晶现象,与粗晶组织紧紧相连的部分,由于受热情况不同及组织基本性质相异,晶体组织比原来要细呈微晶组织。此外,又视局部冷却情况和钢的成分,会产生马氏体转变。晶体和马氏体现象可看作塑性金属材料延伸性的临界点。而磨料水射流切割断面没有这种组织变化,断面的材料性能不受切割过程的影响。
图7 不同切割方法对临近断面材料组织的影响
Ⅰ-磨料水射流切割  Ⅱ-激光切割  Ⅲ-等离子切割
(6)断面硬化和疲劳强度
  用热切割方法切割普通结构钢时断面临近部分的材料性能会发生硬化(图7b),而磨料水射流切割则不会发生这种变化。断面部分的组织形态会影响被加工构件的延伸性能和疲劳强度。对普通结构钢进行三点折弯疲劳试验表明(见下表),磨料水射流切割工件的疲劳强度低于铣制工件,而高于激光、等离子切割工件。
加工方法
基本形态
基准形态
(铣制)
磨料水射流
切割
等离子
切割
激光
切割
疲劳强度(%)
100
94
87
76
61


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