磨料水射流微槽加工的實驗研究

程用泉，郭春海，張希平，張文武，茹浩磊

（1.中國科學院材料與工程技術研究所，浙江 寧波 315000；2.中北大學機電工程學院，山西 太原 030000）

磨料水射流微槽加工的實驗研究

程用泉2，郭春海1，張希平1，張文武1，茹浩磊1

（1.中國科學院材料與工程技術研究所，浙江 寧波 315000；2.中北大學機電工程學院，山西 太原 030000）

根據散熱片加工要求和磨料水射流的加工特點，以10 mm厚的T2紫銅板為試驗材料，研究了切割速度，重復割切次數對切割深度的影響關系，利用聚焦顯微鏡對切割深度和切割斷面質量進行檢測，并對試驗結果進行了曲線擬合。試驗結果表明，對于特定的材料，合理而有效的工藝參數可以實現不同的切割深度。而且，重復切割在增加切深的同時也有效的提高了切割斷面的切割質量。根據試驗數據和擬合模型，成功地在紫銅板上加工出8 mm深，槽壁粗糙度Ra＜6.3μm的微槽。

水射流技術；磨料水射流；切割深度；微槽加工

現今，隨著社會中電子產品的快速發展，散熱器已經成為電子產品中不可或缺的配件了。現在市場上的散熱器主要有鋁擠壓、切削、鋁壓鑄、焊接等工藝加工而成。鋁擠式散熱片鰭片形狀相對簡單，無法獲得很大的瘦長比。切削而成的散熱器多數需要人工參與或自動化控制，成本較高。鋁壓鑄而成的散熱器表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳導效果，而且模具壽命較短，成本高。焊接而成的散熱器焊接處存在介面阻抗，一旦結合度不高，嚴重影響散熱片性能，而且控制焊接著率難度較高檢驗不易。另外，加工成本較高［1～2］。為適應散熱器的發展要求，探尋一種新的散熱片的加工工藝是很有必要的。

磨料水射流技術是一項新型的冷加工技術。隨著水射流技術的發展，磨料水射流（AWJ）正在成為一種繼激光束、電子束、等離子體束之后的新一代環保型高能束技工技術。它具有介質成本低、清潔、環境友好、對被加工材料無選擇性、無熱損傷等優點，尤其適用于高硬度、高脆性、難加工材料的切割加工，如不銹鋼、陶瓷、玻璃等。該技術已經在機械制造業得到了廣泛應用［3～6］。

目前，水射流廣泛應用于切割、清洗、修邊和打孔等方面，其中水射流技術在切割應用方面最為普遍。國內外對AWJ切割的研究主要集中在切割機理、規律和斷面特征等方面。宋擁政等對磨料水射流切割機制進行了試驗研究［7］，認為AWJ 切刻過程主要是通過磨拉對材料的周期性切刻磨削和變形磨削完成；楊林等試驗研究了磨料水射流切割斷面形貌特征，通過對AWJ切割機理和切割過程的分析，認為是射流斷面磨料動能的分布不均和射流的偏轉滯后造成了AWJ切割斷面斜條紋和曲線及尖角處的尖端， 可以通過噴頭擺動進給和切割速度補償兩種控制設計方案來實現AWJ的高效切割［8］。國內外在微槽加工方面的研究才剛剛起步，主要是由于水射流自身的屬性，極大地限制了磨料水射流的發展。磨料水射流具有水的柔性特征，很難對切割深度進行很精確地控制。D.S.Srinivasu等建立了基于人工神經網絡的磨料水射流切割深度預測模型［9］；雷玉勇等通過改進設備，改變磨料流量獲得不同的切割深度，實現了微磨料水射流車削、磨削、銑削、雕刻等三維加工［6］。

本文在已有研究的基礎之上，試驗研究了磨料水射流中切割速度、重復切割次數對切割深度的影響規律，并進行了曲線擬合，同時分析了切割斷面質量。在試驗數據基礎上，在100 mm×100 mm×10 mm的T2紫銅板上成功的加工出了Ra＜6.3 μm，槽深8 mm的微槽。

1 實驗系統

本試驗研究中，在保證加工質量前提下，磨料水射流微槽加工工藝的技術難點主要是切割深度的控制。

從水射流現有的科學理論知識中可知，材料厚度一定時，切割速度越慢，切割斷面質量越好，切割深度越大；水壓力增大，水射流速度提高，動能增大，磨料所獲得的動能也增大，射流的切割能力增強，靶件材料收到的沖擊力也增大，切割深度增大［5～10］。在磨料水射流眾多工藝參數中，切割速度是唯一一個與切割時間有關的參數，反映了水射流對靶件材料的沖擊時間。為保證加工零件的精度和加工質量，需要對噴嘴在加工過程中進行準確的控制，同時，要根據切割材料的屬性、材料厚度、切割圖案的復雜程度和磨料水射流的工藝參數，對切割速度進行準確的控制［3］。在其它切割參數確定的情況下，切割速度的準確控制是問題的關鍵。

近十幾年來，已經出現了許多專用的磨料水射流數控系統。通常是用戶利用CAD/CAM軟件和三維軟件生成加工模型，輸入零件模型生成數控代碼，也可以人工編輯CNC代碼程序，機床的數控系統根據導入的CNC代碼控制噴嘴行刀路線，從而完成零件的加工。磨料水射流加工工藝流程如圖1。

本試驗中采用的試驗設備是數控五軸聯動水刀，該設備主要包括四個基本組成部分：切割平臺機械部分，如自動供砂設備和切割平臺等；高壓發生器部分，如增壓泵、蓄能器等；電氣部分和軟件部分。其中，電氣部分主要包括對超高壓發生器控制和切割平臺數控兩大部分。切割實驗系統的主要技術參數如表1。

2 試驗條件

在工程中，為了切割一定深度的切槽，有兩種方法選用。一是以較慢的移動速度一次切割；一是以較快的速度重復切割多次完成。日本學者研究了除切割速度不同外，其他參數相同時，重復切割消耗的能量較少［11］。

本研究采用重復切割法進行試驗，主要對切割速度、切割次數對切深的影響關系進行單因素試驗。單因素中其他參數為定值，數值如表2。

圖1 磨料水射流加工工藝流程圖

表1 磨料水射流切割機床主要技術參數

表2 單因素試驗的固定參數值

考慮到是散熱器的加工工藝的試驗研究，紫銅具有良好的導熱和加工性能。選用100 mm×100 mm×10 mm的T2紫銅作為試驗材料，其成分組成如表3所示。根據射流設備性能和安全要求，設備運行速度不宜高于3 000 mm/min，故切割速度V分別取3 000 mm/min，2 500 mm/min，2 000 mm/min，1 500 mm/min以及1 000 mm/min。重復切割次數N分別為1，2，3，4，5，6，7，8。在設計好所要進行的實驗之后，然后在CAD環境下對圖案進行描繪，最后借助CAM進行磨料水射流切割頭走刀路徑規劃和數控編程，獲得切割加工數控代碼，機床按照指定的數控程序完成加工。

3 實驗結果與討論

表3 T2紫銅中元素組成及含量 %

圖2 不同速度下重復切割不同次數切割斷面

3.1 切割速度對切割深度的影響

用共聚焦顯微鏡觀察不同速度下重復切割不同次數切割端面如圖2，并利用共聚焦顯微鏡對切割深度H進行測量，根據數據繪制切割深度與切割深度的曲線如圖3。

圖2（a）中可看出，在本試驗中，當其他條件一定時，切割速度為1 000 mm/min，重復切割6次，10 mm厚的T2紫銅板被切穿。

由圖3可知，切割深度隨著進給速度的增大而減小。這是因為，當切割速度較小時，射流與工件的作用時間較長，磨料粒子在單位時間內對加工材料的打擊次數多，工件收到的沖擊力大，切割深度較深。當切割速度為3 000 mm/min時，重復切割一次仍能保持一定的切割深度，當切割速度進一步增大時，切割深度的減小趨于緩慢，最終切割深度固定在某一范圍之內，這是由于磨料水射流對材料的初始破壞發生在極短的時間內。從圖3 可知，對于紫銅材料，切割速度為1 000 mm/min，水壓為320 MPa時，切割深度達1.22 mm。對于鋁合金和鑄鐵等金屬材料，相同的切割速度可以達到更大的切割深度。

從以上分析可知，可以通過某種數學模型來表示切割速度與切割深度的關系，即：采用某種特定型式的函數來表示試驗所得的切割速度和切割深度之間存在的函數關系。在本試驗中，當切割次數一定時，該擬合模型的表達式如下：

圖3 切割速度對切割深度的影響

H=k1Vk2+k3

式中：H是切割深度；V是切割速度；k1，k2，k3是模型擬合參數。對于某組試驗數據及選定的擬合模型，可以通過Origin軟件進行曲線擬合，本擬合選取單次切割的試驗數據進行曲線擬合，擬合曲線如圖4，切割速度與切割深度的函數關系為：

圖4 實驗數據擬合曲線圖

圖5 切割次數對切割深度的影響

H=2.5197×106×V-2.16332+0.29635

由擬合曲線可知，由于試驗數據較為離散，試驗數據點全部參與擬合，其相關系數 ，擬合效果良好。表達式很好的表示出了其物理意義，很好的反映了切割速度對切割深度的影響趨勢。由上擬合曲線函數可知，切割深度收斂于0.3 mm。

3.2 切割次數對切割深度的影響

根據試驗測量數據，繪制切割次數與切割深度的曲線如圖5。

從圖5中很容易知道，切割速度提高，切割深度減小。當第一次切割之后，第二次沿原切縫切割時，切割深度增量減少。隨著切割次數的增多，切深增量有明顯減少的趨勢。不難分析出，當重復切割次數足夠時，再增加切割次數，切割深度基本保持不變。這是因為，隨著切割的重復次數增加，實際靶距也跟著增大，進行切割的部分磨料粒子的能量也跟著下降。當實際靶距到達一定數值時，射流對工件基本沒有切割作用。

圖6 試驗數據擬合曲線圖

根據分析，當切割速度為一定時，考慮到試驗數據的離散型較大且數據點不多，采用三次多項式對其曲線進行擬合，曲線擬合模型為：

H=a0+a1N+a2N2+a3N3

式中：H是切割深度；N是切割次數；a1，a2，a3，a4是模型擬合參數。對V=1 500 mm/min的實驗數據進行曲線擬合，經過擬合之后，擬合函數表達式為：

H=0.00909×N3-0.12257×N2+1.22829×N-0.48783

擬合曲線如圖6所示，該曲線擬合的相關系數 ，擬合效果很好，但是此曲線擬合模型缺乏通用性，當切割速度為1 500 mm/min時，可以很好的表征切割次數對切割深度的影響。

3.3 切割斷面質量分析

當切割速度為1 000 mm/min，重復切割6次時，10 mm厚的紫銅板切穿。取切割5次時的切割斷面圖如圖7（a）。在共聚焦顯微鏡放大倍數1 000的情況下，切割斷面圖如圖7（b），切割斷面輪廓圖如圖8。

從圖7（a）可看出，切割速度為1 000 mm/min，重復切割5次時，斷面處較為光滑，沒有出現明顯的波紋狀條紋。當重復切割多次時，部分磨料粒子進行切割，大部分的磨料粒子進行拋光作用，從而使切割斷面粗糙度良好。用共聚焦顯微鏡對切割斷面粗糙度進行測量如圖8。為盡量減小由于測量帶來的誤差，沿著斷面射流方向依次取五個區域，每個區域測量三次，測得的粗糙度Ra=4.4 μm，切割質量完全滿足加工要求。

圖7 切割斷面圖

圖8 切割斷面掃描輪廓圖

由圖3可知，當切割速度為1 000 mm/min時，重復切割5次時切深約為8 mm，且切割斷面滿足要求。依據試驗結果和擬合曲線方程預測結果，取以材料進行樣件加工，加工條件為：切割速度1 000 mm/min，重復切割五次，靶距約為3 mm，水壓力320 MPa，傾斜角度0°，磨料為80#的石榴石。根據射流直徑，微槽間的距離為1.2 mm為宜。切割微槽效果如圖9。

4 結語

本試驗研究中采用重復切割技術，單因素試驗法，以紫銅為試驗材料，研究了切割速度對切割深度的影響，并且建立了切割速度，切割次數對切割深度的影響擬合曲線，為工藝參數的選擇上提供了一定的依據。從加工質量上來看，切槽斷面質量滿足要求，但是加工工件的端面顯示切槽的深度不一致。分析其原因可能是水射流自身的滯后屬性造成的。試驗結果表明，對于特定的材料，磨料水射流有效的工藝參數的控制能夠實現不同的切割深度。另外還表明，應用磨料水射流進行微槽加工、銑削是完全可以實現的，但是在

圖9 樣品效果圖

精度方面有待加強。本試驗為散熱器的磨料水射流加工工藝提供了試驗依據。

［1］ 袁東立. 一種制造串式散熱器的新工藝［M］. 建筑科學，1995，（1）：47～48.

［2］ 喬云銘. 市場常用散熱器的性能比較［M］. 建筑工程，2009，（18）：276.

［3］ 曉勇，雷玉勇，楊桂林. 磨料水射流微加工技術的研究［J］.礦山機械，2006，34（7）：81～83.

［4］ 雷玉勇，蔣代君，劉克福等. 微磨料水射流三維加工的實驗研究［J］. 西華大學學報（自然科學版），2010，29（2）：7～10.

［5］ 陳波. 超高壓水切割機的現狀與發展［J］. 新視點，2009，（6）：66～68.

［6］ 陳光明. 數控超高壓水射流切割技術的特點及其應用［J］.機床與液壓，2007，35（8）：64～68.

［7］ 宋擁政，溫效康，梁志強. 高壓水磨料射流切割機制的實驗研究［J］. 中國機械工程，1995，6（1）：32～35.

［8］ 楊林，張鳳華，唐川林. 磨料水射流切割斷面質量的研究［J］.機械設計與研究，2003，19（5）：54～56.

［9］ Srinivasu D S，Axinte D A，Shipway P H.Influence of kinematic operating parameters on kerf geometry in abrasive water jet machining of silicon carbide ceramic s［J］.International Journal of Machine Tools & Manufacture ，2009，49：1077～1088.

［10］ 顧承珠，賀云花. 高壓水射流切割技術和磨料水射流切割技術的機理分析與研究［J］. 煤礦機械，2004，（3）：48～49.

［11］ 沈忠厚.水射流理論與技術［M］. 東營：石油大學出版社，1998：345～346.

（P-03）

Experimental study of abrasive waterjet micro grooving

TG66

1009-797X（2015）22-0116-6

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.045

程用泉（1989-），中北大學與中國科學院寧波材料技術與工程研究所聯合培養碩士研究生，主要從事超高壓磨料水射流工藝及其應用研究。

2015-09-02