高壓水射流技術在環氧類復合材料加工中的應用

谷　巖，馮懿娜，劉 斌（西安航天復合材料研究所，陜西 西安　710025）

高壓水射流技術在環氧類復合材料加工中的應用

谷巖，馮懿娜，劉 斌
（西安航天復合材料研究所，陜西 西安710025）

針對高壓水射流技術特點，結合在環氧類復合材料切割操作過程出現的纖維撕裂、材料分層等質量問題，討論影響切割質量的關鍵因素，進行復合材料水射流加工機理分析，據此進行工藝性改進，避免各種加工質量問題。

復合材料；高壓水射流；分層

0　引言

水切割技術又稱水刀、水射流技術，它是將普通的水經過壓力系統增壓后產生高能量水流，再通過一個極細的噴嘴，以每秒近千米的速度噴射出水流進行切割。相對其它切割技術而言，水切割不會產生有毒有害氣體或物質，被加工件表面不會產生熱反應區或機械應力殘留，因此是一種萬能的、高產能的冷切割技術。

目前，超高壓水切割除了可以切割鈦、鋁及其合金，鉻鎳鐵合金，黃銅、不銹鋼等金屬材料外，也日益廣泛的應用在各類復合材料加工中，可以切割1～150mm的碳纖維復合材料。

由于環氧類玻璃布層壓板等復合材料制品是由纖維和基體組成的二相或多相結構，具有非均質和纖維異向性能，采用水射流切割時易產生纖維劈裂、局部分層等質量問題。針對該問題，結合實際加工中總結出的經驗，對其工藝方法、操作要點進行分析及探討，避免各類質量問題的出現。

1　環氧類復合材料加工存在的問題

高壓水射流技術以其特有的加工優勢已經廣泛的應用于各類常規的復合材料的切割加工中，但是通過實踐發現，在采用高壓水射流切割環氧類復合材料時，部分材料會出現不同程度的分層現象。

表1　典型環氧類復合材料高壓水切割加工質量統計

2　存在問題的原因分析

高速水射流破壞材料的過程其實是一個動態斷裂的過程，對脆性材料（如巖石）等主要是以裂紋破壞及擴散為主；而對塑性材料符合最大拉應力瞬時斷裂準則，即一旦材料中某點的法向拉應力達到或超過某一臨界值時，該點即發生斷裂。而影響射流切割質量的因素主要有以下幾個方面：

（1）基本參數。主要包括噴射壓力、切割速度及噴管直徑。射流基本參數決定了射流對材料的破壞能力，而射流壓力和噴嘴（寶石）直徑又決定了其他射流基本參數。在噴嘴直徑不變的條件下，改變射流壓力，切割速度和切割深度隨射流壓力的增加而增加，與此同時，壓力的增加還可以明顯提高切縫斷面的質量。此外，切割速度隨著噴嘴直徑的改變呈現雙曲線變化，在同等壓力條件下，對比用直徑0.1mm和0.4mm噴嘴加工的材料切縫質量，隨著噴嘴直徑的增加，切縫變大，切屑粒徑變大，切縫質量明顯變差。而切割用噴嘴出口直徑推薦在0.3mm左右選取。以切割玻璃纖維板為例，得到下列參數曲線圖1～圖3。

圖1　切割速度與射流壓力關系曲線

圖2　切割速度與噴嘴直徑關系曲線

圖3　切割深度與噴嘴直徑關系曲線

（2）切割靶距。靶距是指沙管出口到目標工件的垂直距離，靶距的變化對切割速度、切割質量和切縫、形狀都有很大影響，切縫寬度隨著靶距的增加而增加。在高壓射流作業中，射流結構及靶距的變化形成切縫形狀和寬度的變化。在噴嘴鄰近區射流無發散，射流與材料相互作用，從軸向和徑向破壞材料，會產生底邊較長的梯形切縫，并易在底面出現材料剝離或分層；隨著靶距的增加，切縫斷面錐角變小，形成光滑邊緣的矩形切縫；隨著靶距的進一步增加，射流對材料作用面積增加，切縫寬度變大，切縫斷面也編程長邊在上表面的梯形切縫。常規切割靶距的選擇可按照經驗工時進行選擇制定：L=（60~150）dn，其中dn：噴嘴直徑。

在切割復合材料時，水射流噴嘴距離被切割材料表面的距離在0.025~25.4mm之間，常規距離約為3.8mm左右，這樣便于在任何位置及方向上進行切割。

（3）材料性能。被加工材料的力學性能即是影響射流作業速度的主要因素，也是確定作業射流壓力及功率參數的決定因素。在采用高壓射流加工時，一般以抗拉強度作為材料可加工性的主要判斷依據。

環氧玻璃布層壓板為纖維質復合材料，由質軟而粘性大的基體和抗拉強度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結構，其力學性能呈各向異性，且纖維復層方向對切割質量也會產生一定程度的影響。在使用水射流切割該類材質時，強度較低的樹脂基體受到高能水流沖擊產生斷裂，而增強纖維抗拉強度較好，通常為普通碳纖維的2～3倍。增強纖維和基體樹脂的塑性和韌性等物理力學性能不一致，在受到載荷后微觀組織變形不協調，故出現纖維撕裂滯后或材質分層，影響切縫質量。

（4）水墊效應。水射流沖擊靶體后形成三個區域（見圖4），即自由射流區、沖擊區和壁面射流區。當高壓水射流統計靶體滯點位置時，水流向四周反射，形成水墊，水墊覆蓋范圍以滯點位置為圓心，半徑約為14mm的圓形區域，水墊有中心向外厚度逐漸減薄，內部壓強隨之降低。在平臺式靶體和穿透性靶體粉碎實驗對比可知，前者沖擊點附近產生水墊，而后者加速后沖擊把題部分無水墊。當水射流內層高效加速區與水墊層高壓區在靶體上重疊，該區域物料比外層區物料消耗更大的沖擊能量克服水墊層阻力，造成能量損失，影響粉碎效應。

由此可見，射流沖擊區水墊效應對粉碎不利，在水射流能量一定的情況下，應盡量使物料靠近水射流束本體，但是該區域又在靶體上與水墊區域重疊，影響粉碎效果，因此采用穿透性靶體消除沖擊區水墊是一種非常有效的技術手段。

圖4　水墊效應示意圖

3　工藝實驗研究及措施

綜上所述，主要針對切割時穿孔分層這一現象進行工藝試驗，設備采用Dwj2030三軸水切割機，切削參數設定為壓力值300Mpa，進給量320 mm/min。試驗靶體采用目前較容易分層的3240玻璃布/環氧層壓板，厚度為5mm。在上述條件不變的情況下，首先將靶距設定為2mm，實驗結果如圖5所示。由圖可見，在該實驗條件下，部分孔周圍區域出現了不同層度的分層、開裂現象。為了改進效果，第二次實驗將靶距調整為4.5 mm，其余參數未改變，實驗結果如圖6所示。由圖可見，在該條件下，切割同等厚度及材質的實驗靶體，未出現分層或開裂。

隨后，針對同等材質，就噴嘴直徑對切割質量的影響進行實驗。在同等試驗條件下，首先采用直徑為0. 1mm的噴嘴進行切割，實驗結果如圖7所示。由圖可見，試驗靶體出現了不同程度的分層及開裂現象。在隨后的試驗中，更換了直徑為0.33的寶石噴嘴，在同等試驗條件下，結果如圖8所示。由圖可見，試驗靶體并未出現分層及開裂現象。

圖5　靶距2mm切割3240層壓板實物圖

圖6　靶距4.5mm切割3240層壓板實物圖

圖7　噴嘴直徑為0.1mm切割3240層壓板實物圖

圖8　噴嘴直徑為0.33mm切割3240層壓板實物圖

經工藝試驗分析可知，在切割3240層壓板材料時，靶距，噴嘴直徑兩類因素對切割質量的影響較大。由于此類材料的樹脂基于增強纖維之間的性能差異較大，當采用小直徑噴嘴，靶距較小進行切割時，高能水流沖擊靶體表面，引起水墊效應，在高能水流切割樹脂基體同時，水墊高能區對材料纖維鋪層之間產生沖擊，引起切縫局部分層或開裂。當選擇較大直徑噴嘴，采用較大靶距進行切割時，由于噴嘴直徑的增大使水流噴出時壓強降低，同時由于靶距較長，水流在高達靶體表面時損失了部分能量，因此在沖擊靶體時產生的反射水墊能量也有所下降，當反射水墊能量低于纖維鋪層間樹脂基體的強度時，不足以沖開纖維鋪層，因此分層情況出現的程度大大降低。

4　實驗總結及改進方法

綜上所述，高壓水切割雖然是一種比較萬能的切割方式，但在切割類似類似纖維層壓或逐層疊類復合材料時，尤其是中空類產品且厚度較大時，由于選擇的切割參數不合理，會在穿孔時在產品上表面有分層或開裂現象，在擊穿材料一瞬間偶爾也會在下表面造成一點 “起皮”的微弱現象。

通過上述實驗我們可知，高壓水切割是一種能量切割，增壓器產生的高壓水射流沖擊在靶體上，就會在以滯點為圓心半徑約為14mm的范圍內反沖進而造成產品上邊面的分層，開裂現象。

根據上述分析，減少分層現象出現可從以下幾個方面進行改進：

（1）根據材質不同選擇適當的靶距。

（2）針對樹脂基體復合材料切割時，可適當增大寶石噴嘴口徑，減小射流對靶體的沖擊能量，從而降低反射水墊對材質基體的影響。

（3）適當的調低增壓器壓力。

（4）在切割時先開砂再開高壓水。（最好開砂后有幾秒延遲）

（5）在滯點位置開引刀孔，使平臺實體靶體變為穿透式靶體，避免反射水墊的出現。

（6）在切割材料底面墊一層相對較軟的材料（減輕產品下表面“起皮”）。

（7）在零件形狀允許的情況下，沿平行于纖維的切割方向進行切割。

5　結束語

高壓水射流技術正向高效、多功能、智能化、精細化方向發展，但是在復合材料應用方面的問題以及切縫質量的進一步提升還有待于進一步研究，必須使所有的工藝參數與工件的材質、形狀、厚度完全匹配，才能最大程度的發揮該項技術的優勢，在此基礎上，該項技術的應用領域和手段必將更為廣闊。

［1］裴鏡蓉.復合材料的高壓水射流加工［J］.宇航材料工藝，1992，6.

［2］萬繼偉，牛爭鳴，牛助農.高速水射流粉碎中射流沖擊區水墊的增阻效應［J］.化工進展，2012，1.

Application of High Pressure Water Jet Technologyin the Process of Epoxy Composite Materials

GU Yan，FENG Yi-Na，LIU Bin
（Xi'an Aerospace Composites Research Institute，Xi'an Shaanxi 710025，China）

Aiming at the characteristics of high pressure water jet technology，combined with in epoxy composite cutting operation process of fiber tearing，layered materials such as quality problems，discuss the key factors affecting the cutting quality，composite material water jet machining mechanism is analyzed.Based on the result，the process of improvement，avoid all kinds of machining quality problem.

compound material；high pressure water jet；layered

TH-39

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.048

1002-6673（2015）05-130-03

2015-06-25

谷巖（1975-），男，陜西西安人，工程師，大學本科。主要從事機械加工工作。研究方向：非金屬機械加工技術。