前混合磨料射流加工系統噴頭的設計

文/黃東 鄒紅亮，吉林電子信息職業技術學院機械工程學院

早在上世紀30年代，歐美發達國家就利用水射流技術切割煤層和采掘礦石，但是水射流系統需要消耗大量的能源，比能耗高，經濟性較低，因此在水中加入微細磨料粉末將單一的水射流發展為磨料射流，加工能力與效率大幅度提升，比能耗也隨之大幅降低，經濟性突出。到上世紀90年代，磨料射流在微細特種加工領域得到迅速發展，尤其是刻蝕玻璃、陶瓷等脆性材料有突出的優勢，也廣泛用于機械加工、醫療及其他科技領域。

1 前混合磨料射流加工系統的提出背景

磨料射流加工技術目前應用最廣泛的是后混合系統，后混合磨料射流的原理是文丘里效應。工作原理是高壓氣源產生的高壓高速氣流分流為兩部分，一部分通過高壓軟管進入噴頭系統的混合腔，由于擴散和卷吸作用在混合腔內產生一定的真空度，形成負壓；另一部分將磨料箱中混合均勻的水與磨料的混合物壓入混合腔。在實際應用中，后混合磨料射流系統當噴嘴直徑小于1mm時系統工作困難甚至無法工作，原因是噴嘴與系統連接處過多，高壓氣流能量損失嚴重，并且二級噴嘴直徑太小，長徑比大，導致液阻很大，射流不能從噴嘴噴出，反而從進磨料口噴出，因此后混合系統無法實現微細加工，需要改變系統工作原理，進一步縮小噴嘴直徑，形成微細射流束，使得磨料射流在微細加工領域的應用變成現實。

2 前混合磨料射流加工系統的原理

前混合式磨料射流系統，從根本上改變了后混合式磨料射流系統運用文丘里效應的原理。磨料箱設置在高壓氣源和噴頭系統之間，在高壓磨料射流形成前，將磨料粉末先和水在磨料箱中均勻混合形成漿液，然后高壓氣源產生的高壓氣體通過系統中的高壓管路進入磨料箱，直接推動磨料漿液從噴頭系統的小尺寸終極噴嘴噴出，形成微細小尺寸磨料射流。前混合式磨料射流系統結構簡單，高壓氣體能量損失較小，射流束能獲得更大的動能，從而使前混合式磨料射流的能量傳輸效率顯著提高，比能耗降低，加工能力顯著增強。圖1是前混合磨料射流切割裝置。

圖1 前混合磨料射流切割裝置

3 前混合磨料射流加工噴頭系統的設計

因為工作原理的改變，前混合射流噴頭系統終極噴嘴直徑可縮小到Φ0.2-0.3mm，實現微細射流束的生成。考慮到射流束噴出時液阻過大，必須將終極噴嘴的總長度減小到8-10mm，如圖2所示是噴頭系統示意圖。終極噴嘴的設計參數決定最終的工作效果，必須保證高速流動的磨料漿液從大橫截面積的管路順利進入微細噴嘴噴嘴的過程穩定而順利，所以終極噴嘴前半部分設計成錐孔，后半部分是微細通孔，直徑從Φ4-5mm逐漸過渡到Φ0.2-0.3mm，既能保證磨料漿液順利進入終極噴嘴，又不至于出現橫截面積急劇收縮而發生脈沖現象，形成自激振蕩。其中L是個很關鍵的參數，叫做準直管長度，數值必須合理。根據噴嘴的長度和直徑以及積累的經驗，L的長度在4-5mm比較理想。前混合式磨料射流系統目前在工業上未能廣泛推廣應用的主要原因一是射流束高速工作，磨料具有鋒利的棱角，對噴嘴具有極強的磨損劃擦效應，噴嘴很快報廢，所以不能使用普通材料，噴嘴的材料必須是硬質合金或者其他超硬耐磨物質；二是磨料箱中磨料漿液的填補比較麻煩，系統工作時間取決于磨料箱的體積。另外整個系統的密封性必須得到保證且極其重要，在管路的連接處以及噴頭系統各部分零件的結合處必須使用密封圈密封墊，管螺紋和普通螺紋的結合處必須使用聚四氟乙烯膠帶纏繞螺紋后再擰緊。

圖2 前混合磨料射流系統噴頭

4 可能出現的問題及解決方法

因為終極噴嘴直徑很小，只有Φ0.2-0.3mm，系統工作時可能出現因噴嘴堵塞而導致系統癱瘓無法工作，解決噴嘴的堵塞的方法是保證系統正常工作的重要因素。如遇堵塞出現，可利用線切割加工的銅絲來解決，銅絲的直徑是Φ0.2mm，如果堵塞物是密封螺紋用的聚四氟乙烯膠帶或者高壓管內一些磨損脫落的膠皮碎屑等物質，將銅絲燒紅后從終極噴嘴的小孔反向插入，聚四氟乙烯生膠帶或者膠皮碎屑遇到燒紅的銅絲會立刻融化，解決堵塞。

5 結語

前混合磨料射流系統在根本上改變了后混合磨料射流系統的工作原理，解決了一系列不足，使得磨料射流技術在微細加工領域的應用得以實現。前混合磨料系統的噴頭系統的設計是核心要素，因為工作原理的改變，噴頭系統設計實現了優化與簡化，加工制造方便，經濟性顯著，該技術如果與脈沖射流技術相結合，則對陶瓷、硬質合金等超硬物質的拋光加工變成可能。