前混合磨料射流加工系統(tǒng)之光整加工試驗(yàn)研究

張 丹 鄒紅亮

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

0 引言

磨料射流加工系統(tǒng)的原理是利用高速磨料射流束產(chǎn)生巨大動(dòng)能以及磨料自身具有的鋒利棱角沖擊被加工材料表面產(chǎn)生細(xì)小碎屑[1]，對(duì)材料進(jìn)行沖蝕磨損，完成尺寸加工或光整加工[2]。后混合磨料射流系統(tǒng)采用文丘里效應(yīng)進(jìn)行工作，且噴頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致終極噴嘴的尺寸難以縮小到Φ1mm以下，故無(wú)法在微細(xì)加工領(lǐng)域中應(yīng)用[3]。

1 前混合磨料射流光整試驗(yàn)加工系統(tǒng)的原理和制作

前混合式磨料射流系統(tǒng)極大簡(jiǎn)化了噴頭系統(tǒng)，噴頭系統(tǒng)終極噴嘴直徑縮小至Φ0.2～0.3mm，實(shí)現(xiàn)微細(xì)射流束，從而使前混合式磨料射流的能量傳輸效率顯著提高，加工能力與加工范圍顯著增強(qiáng)。圖1中電控柜作為系統(tǒng)的動(dòng)力源連接高壓氣泵，高壓氣泵產(chǎn)生的高壓氣體通過(guò)高壓軟管進(jìn)入磨料箱，推動(dòng)磨料漿液從噴頭系統(tǒng)的微細(xì)噴嘴噴出，形成高壓高速微細(xì)磨料射流束，沖擊工件完成加工。圖2是用于光整加工試驗(yàn)的簡(jiǎn)易原理性樣機(jī)。

1.電控柜 2.高壓氣泵 3.高壓軟管 4.球閥 5.磨料箱 6.噴頭系統(tǒng) 7.工件 8.夾具 9.工作臺(tái) 10.防護(hù)罩 11.水管 12.磨料過(guò)濾箱

圖1前混合磨料射流光整試驗(yàn)加工系統(tǒng)

圖2 前混合磨料射流光整試驗(yàn)加工系統(tǒng)簡(jiǎn)易原理性樣機(jī)

2 前混合磨料射流光整加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

噴嘴處射流束流速越高，加工效果越好，效率也越高，所以終極噴嘴處的流速影響最終加工效果，是磨料射流系統(tǒng)最關(guān)鍵的參數(shù)。本試驗(yàn)測(cè)量噴嘴處的磨料流流速是平均流速，而不是瞬時(shí)速度，就這一點(diǎn)而言，存在一定的偏差。

磨料箱內(nèi)的磨料漿液在高壓氣體的推動(dòng)下以高速?gòu)奈⒓?xì)噴嘴中噴出。設(shè)加工時(shí)間為T(mén)，磨料箱內(nèi)的磨料漿液可等價(jià)為底面積S，體積為W的細(xì)長(zhǎng)液柱，根據(jù)液柱的高度H=W/S及磨料流在噴嘴處的平均流速v=H/T，可得：v=W/ST。

本試驗(yàn)系統(tǒng)磨料箱的內(nèi)徑為Φ60mm，高度為440mm，終極噴嘴直徑為Φ0.2mm，經(jīng)計(jì)算得H=39600m。經(jīng)過(guò)對(duì)比，射流束在不同壓強(qiáng)下的平均速度如表1所示。

表1 磨料流在不同壓強(qiáng)下的平均速度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)壓強(qiáng)不同時(shí)，射流束的平均流速也不同。這一結(jié)果不僅為后續(xù)試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持，也為闡述加工機(jī)理提供了依據(jù)。試驗(yàn)選用的金屬材料為Q235鋼板和普通Ly10鋁板。

2.2 試驗(yàn)實(shí)施

2.2.1 Q235鋼板的光整加工試驗(yàn)研究

試驗(yàn)選取Q235鋼板為加工材料進(jìn)行壓強(qiáng)單因素試驗(yàn)，磨料的濃度是20%的粒度為w1的AL2O3，每次加工時(shí)間為60s，氣體壓強(qiáng)以2MPa的差距從10MPa逐漸降低到2MPa，加工前Q235鋼板經(jīng)過(guò)普通砂紙打磨后，表面粗糙度均為Ra0.2，使用精度為0.1mg的精密光電分析天平稱鋼板質(zhì)量。表2記錄了金屬去除量和表面粗糙度的變化數(shù)據(jù)，圖3是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的材料去除量與表面粗糙度數(shù)值變化趨勢(shì)坐標(biāo)圖。

表2 Q235鋼板壓強(qiáng)單因素光整試驗(yàn)加工數(shù)據(jù)

2.2.2 鋁板的光整試驗(yàn)研究

選取Ly10鋁板為加工材料進(jìn)行壓強(qiáng)單因素試驗(yàn)，磨料的濃度是20%的粒度為w1的Al2O3，每次加工時(shí)間為60s，氣體壓強(qiáng)從6MPa逐漸降低到2MPa，加工前Ly10鋁板經(jīng)過(guò)普通砂紙打磨后，測(cè)表面粗糙度，都均是Ra0.35，使用精度為0.1mg的精密光電分析天平稱鋁板質(zhì)量，表3記錄金屬去除量和表面粗糙度得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖4是試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的材料去除量與表面粗糙度數(shù)值隨氣體壓強(qiáng)變化的趨勢(shì)圖。

圖3 氣體壓強(qiáng)變化時(shí)Q235鋼板去除量與表面粗糙度的變化曲線

表3 Ly10鋁板加工數(shù)據(jù)

圖4氣體壓強(qiáng)變化時(shí)Ly10鋁板去除量與表面粗糙度的變化曲線

可以看出：鋼板與鋁板的變化規(guī)律極為相似：當(dāng)氣體壓強(qiáng)逐漸升高時(shí)，材料的去除量增加，表面粗糙度數(shù)值減小。B曲線比較陡峭，說(shuō)明隨著氣體壓強(qiáng)的升高，材料的去除量變化顯著；A曲線呈緩慢下降趨勢(shì)，說(shuō)明氣體壓強(qiáng)越大，表面粗糙度值就越小，材料光整后表面就越光滑。

結(jié)合表1中數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：氣體壓強(qiáng)越高，射流束噴出的速度也越快，磨料束的動(dòng)能以速度平方的極量增加，沖擊工件時(shí)動(dòng)量的變化也越明顯，根據(jù)沖量定理可知，射流束給予材料的沖擊力也越大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論完全吻合。

3 加工機(jī)理解釋與分析

選取光整加工前后的鋼板、鋁板，使用光電顯微鏡放大400倍后拍攝表面形貌，如圖5～圖10所示。

圖5 鋼板光整前×400表面

圖6 2MPa壓強(qiáng)×400表面

圖7 10MPa壓強(qiáng)×400表面

圖8 鋁板光整前×400表面

圖9 2MPa壓強(qiáng)×400表面

圖10 6MPa壓強(qiáng)×400表面

從圖中可以看到工件加工后有被射流束沖蝕后留下的點(diǎn)蝕坑，這是磨料顆粒直接撞擊表面材料所形成的，材料產(chǎn)生塑性變形最終脫落。同時(shí)表面還留有不是很明顯的擦痕，擦痕的形成是射流束是以45°的角度對(duì)材料進(jìn)行光整加工，磨料顆粒在材料表面產(chǎn)生了劃擦和磨削作用，也就是犁削作用。當(dāng)壓強(qiáng)升高時(shí)，工件表面也出現(xiàn)了點(diǎn)蝕坑和犁痕，還有較多黑色區(qū)域，這里可能發(fā)生了鏟削作用留下的鏟痕。所以磨料射流光整加工對(duì)材料的沖蝕主要有三類：一是點(diǎn)蝕坑；二是犁削；三是鏟削。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用前混合磨料射流加工系統(tǒng)噴射的微細(xì)射流束，對(duì)Q235鋼板和Ly10鋁板進(jìn)行了氣體壓強(qiáng)單因素光整加工試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及試驗(yàn)后拍攝的放大照片，得出氣體壓強(qiáng)是決定加工效果的核心因素，對(duì)材料的去除量和表面粗糙度都有很大的影響。