王　軍　范運杰　趙連松　徐　幸

(燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

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高壓磨料水射流切割玻璃纖維增強塑料的試驗研究*

王軍范運杰趙連松徐幸

(燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

對玻璃纖維增強塑料的水射流切割工藝進行了試驗研究。分析了進給速度、壓力、磨料流量、靶距4個主要工藝參數(shù)對切割效率、切割斷面粗糙度、切縫寬度和斷面斜度的影響關(guān)系。通過極差分析法確定了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合；借用Matlab編程軟件對正交試驗數(shù)據(jù)進行非線性多元回歸分析，得到磨料水射流切割效率和切割斷面粗糙度的工藝參數(shù)經(jīng)驗模型。

磨料水射流；切割；玻璃纖維增強塑料；工藝參數(shù)；經(jīng)驗模型

磨料水射流是磨料與高壓水混合形成液固兩相的高速射流，可以用于各種材料的冷態(tài)切割，不會改變工件的力學性能，不會產(chǎn)生熱變形。磨料水射流加工的巨大潛力引起各國的重視。如美國、德國、日本、加拿大、澳大利亞等都大力資助該項技術(shù)的發(fā)展，對射流加工設(shè)備、射流特性與材料去除機理、切割工藝及參數(shù)優(yōu)化等進行了研究[1]。例如，針對水射流切割復合材料，研究了磨料水射流切割玻璃纖維增強塑料的表面粗糙度和斷面斜度；測試分析了磨料水射流切割表面形貌特征；對石榴石、氧化鋁和氧化硅磨料切割玻璃進行了性能比較；建立了水射流切割參數(shù)經(jīng)驗模型及粗糙度預測模型[2-6]。

國內(nèi)大連理工大學、南京理工大學、山東大學、中國石油大學、燕山大學等高校和機械部通用機械研究所、航空工藝研究所等先后開展了水射流加工技術(shù)的研究。例如，試驗研究了水射流切割深度、斷面斜度和表面粗糙度與射流壓力、靶距、切割次數(shù)和進給速度的相關(guān)規(guī)律；對磨料水射流切割工藝參數(shù)進行優(yōu)化；對磨料水射流切割新工藝進行試驗研究[7-9]。

玻璃纖維增強塑料在傳統(tǒng)的機械切割過程中容易導致刀具磨損嚴重以及材料分層、纖維拉毛、表面粗糙度差等加工缺陷。磨料水射流冷態(tài)切割無熱聚集、不改變材料力學及理化性能等特點有助于克服傳統(tǒng)切割產(chǎn)生的缺陷，但相關(guān)研究尚不夠深入。本文試驗研究了高壓磨料水射流切割玻璃纖維增強塑料的工藝參數(shù)對切割效率、表面粗糙度、切縫寬度與斷面斜度的影響規(guī)律，建立了切割效率與粗糙度經(jīng)驗模型。

1　水射流切割試驗條件

試驗采用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的1530BA磨料水射流切割機床，該機床磨料的加入方式為后混合式，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1磨料水射流切割機床技術(shù)參數(shù)

性能數(shù)值水最大壓力p/MPa400水最大流量qw/(L/min)3.7(380MPa)磨料流量qa/(g/s)0～15切割速度v/(mm/min)0～5000水噴嘴材料紅寶石水噴嘴直徑dw/mm0.3磨料噴嘴直徑da/mm0.5～1.2靶距s/mm0.5～150

試驗磨料是80#石榴石，努氏硬度為1 350，密度為3.8 g/cm3；工件材料為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，牌號E-51，力學性能如表2所示。

表2玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂的力學性能

彎曲強度/MPa抗拉強度/MPa抗壓強度/MPa伸長率/(%)密度/(g/cm3)400～800100～300300～5001.62.5～2.8

進給速度v、射流壓力p、磨料流量qa和靶距s是影響切割效率與質(zhì)量的主要因素[10]。采用單因素和正交試驗法研究各參數(shù)的影響規(guī)律。工藝參數(shù)范圍及單因素試驗的參數(shù)定值見表3。用刻度探針測量切割深度，用Taylor Hobson輪廓儀測量粗糙度。

表3磨料水射流切割參數(shù)值范圍

參數(shù)范圍/定值進給速度v/(mm/min)(0～500)/200射流壓力p/MPa(0～380)/240磨料流量qa/(g/min)(0～300)/120靶距s/mm(1～16)/3

2　高壓磨料水射流切割試驗

2.1工藝參數(shù)對切割效率的影響

切割效率是指單位時間切割的斷面面積。切割深度反映了射流侵入材料的能力，常用來間接表示切割效率。圖1為各參數(shù)與切割深度的關(guān)系。

由圖可見，影響切割深度最明顯的因素是進給速度和射流壓力，磨料流量和靶距在一定的取值內(nèi)影響較小。切割深度與進給速度呈近似線性下降關(guān)系；切割深度隨壓力增高快速增大，因為切割深度主要與磨料水射流的能量和工件所受的沖擊力有關(guān)，但在高壓段增加速率有所減小；磨料流量增加，切割深度先增加后減小，最佳磨料流量與材料性能有關(guān)；靶距也存在最佳值，最佳靶距與機床射流系統(tǒng)有關(guān)，與加工材料無關(guān)。靶距過小時，射流尚未達到最高速度，靶距過大，射流速度下降，能量束逐漸發(fā)散。

2.2工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

試樣厚度15 mm，圖2所示為不同參數(shù)下的切割斷面。在離試樣上表面4 mm處開始測量粗糙度，切割斷面從上到下粗糙度值逐漸變大，一般上部為光滑區(qū)，下部為條紋區(qū)，但當試樣厚度不大時，主要是光滑區(qū)，厚度大時則條紋區(qū)明顯。圖3為沿斷面不同切割深度處的粗糙度值。

圖4 所示為各參數(shù)對粗糙度的影響關(guān)系。由圖可見，進給速度增大粗糙度變差，超過一定值后粗糙度值會快速增大，這是因為射流一掃而過，缺少磨粒反復沖

擊去除材料的均化作用；壓力增大粗糙度值減小，因為射流切割能力強，條紋小，光滑區(qū)變大；磨料流量增大粗糙度值減小，一方面與切割能力有關(guān)，另方面因為流量大時，磨料在混合腔內(nèi)相互撞擊破碎嚴重，相當于用細粒度磨料切割，但流量影響逐漸趨緩；對于靶距而言，使射流切割能力最強的靶距3 mm左右同時也是獲得較好表面粗糙度的靶距。

2.3工藝參數(shù)對切縫寬度和斷面斜度的影響

切縫寬度包括入口寬度和出口寬度，多數(shù)情況下入口寬度大于出口寬度，呈倒錐狀；只有在進給速度很小且靶距較大時，會將射流上細下粗的錐狀復映到切縫上，形成上窄下寬的正錐切縫；斷面斜度為斷面傾斜角正切的百分數(shù)。

由圖5可見，切縫寬度隨進給速度的增大而減小，而斷面斜度隨之增大，二者均因射流的作用時間減少所致。

由圖6可見，壓力增大入口寬度有小幅增加，而出口寬度增加較大，這是因為壓力主要影響射流切割能力，對射流直徑影響很小。壓力小時，切割能力弱，上寬下窄，隨著壓力升高，上下寬度差逐漸減小，壓力很高時，由射流能量很大的圓柱段進行切割，故斷面斜度很小。

由圖7可見，磨料流量過大過小都會降低射流的切割能力，能量衰減也快，故切縫寬度減小，入口寬度與出口寬度相差大即斷面斜度增大。

由圖8可見，隨著靶距增加，射流逐漸發(fā)散，直徑變大，切割能力減弱，故入口寬度呈增大趨勢，而出口寬度呈減小趨勢，斷面斜度隨之增大。

3　工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1正交試驗的極差分析

利用正交試驗的極差分析法確定各影響因素對切割效率及表面粗糙度的影響程度以及最優(yōu)參數(shù)組合。表4為正交試驗表。

表4磨料水射流切割正交試驗表

試件號射流壓力/MPa靶距mm進給速度/(mm/min)磨料流量/(g/min)切割效率(mm2/min)粗糙度/μm11202508020758.8282120410012035708.5593120620016043608.1834240210016046307.109524042008060007.910624065012021057.7347320220012092206.660832045016029154.528932061008041806.542

極差有關(guān)計算公式為：

ki=Ki/m

(1)

Rj=max(ki)-min(ki)

(2)

式中：Ki為某因素水平號為i的試驗結(jié)果之和；m為水平數(shù)，此試驗m=3；ki為某因素水平號為i的試驗結(jié)果平均值，用于判斷某因素優(yōu)水平和優(yōu)組合；Rj為極差，該因素在其取值范圍內(nèi)試驗結(jié)果的變化幅度，用于判斷因素的主次，即對試驗結(jié)果的影響程度。

切割效率和表面粗糙度的極差分析如表5和表6所示。

表5切割效率極差分析表

因素射流壓力靶距進給速度磨料流量K11000515925709512255K212735124851238014895K316315106451958011905k13335530823654085k24245416241274965k35438354865273968Rj210317604162997

影響切割效率的4個因素主次順序為進給速度v、射流壓力p、靶距s、磨料流量qa。最優(yōu)水平組合為：射流壓力p3=320 MPa、靶距s1=2 mm、進給速度v3=200 mm/min、磨料流量qa2=120 g/min。

影響粗糙度的4個因素主次順序為射流壓力p、磨料流量qa、進給速度v與靶距s。最優(yōu)水平組合為：射流壓力p3=320 MPa、靶距s2=4 mm、進給速度v1=50 mm/min、磨料流量qa3=160 g/min。

表6粗糙度的極差分析表

因素射流壓力靶距進給速度磨料流量K125.5722.6021.0923.28K222.7521.0022.2122.95K317.7322.4622.7519.85k18.527.537.037.76k27.587.007.407.65k35.917.497.586.62Rj2.610.530.531.14

3.2切割效率與粗糙度試驗公式的建立

磨料水射流切割效率P與進給速度v、射流壓力p、靶距s、磨料流量qa關(guān)系式為

式中：a1、a2、a3、a4為待定指數(shù)；K為系數(shù)。

上式為非線性函數(shù)，為了便于計算，兩邊取對數(shù)變換成線性函數(shù)

lgP=lgK+a1lgp+a2lgs+a3lgv+a4lgqa

設(shè)y= lgP，a0= lgK，x1=lgv，x2= lgp，x3= lgqa，x4= lgs，則有

y=a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4

用Matlab語言編程軟件對表4正交試驗數(shù)據(jù)進行非線性多元回歸分析，得到a0=1.169，a1=0.707，a2=0.399，a3=0.071，a4=-0.163，磨料水射流切割效率的經(jīng)驗模型為

(3)

同理得到磨料水射流切割粗糙度的經(jīng)驗模型為：

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)可對切割效率和表面粗糙度進行預測，并可輔助選取工藝參數(shù)。

4　結(jié)語

(1)進給速度、壓力、磨料流量和靶距對切割效率、表面粗糙度、切縫寬度和斷面斜度具有各自不同的影響規(guī)律。

(2)對玻璃纖維增強塑料切割效率影響的工藝參數(shù)主次順序依次為進給速度、射流壓力、靶距和磨料流量，可利用經(jīng)驗模型預測切割效率。

(3)對切割斷面粗糙度影響的工藝參數(shù)主次順序依次為射流壓力、磨料流量、進給速度和靶距?？衫媒?jīng)驗模型預測表面粗糙度。

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Experimental study of high-pressure abrasive water jet cutting of glass fiber reinforced plastic

WANG Jun, FAN Yunjie, ZHAO Liansong, XU Xing

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, 066004)

The affection relationship between the four process parameters of feeding speed, water pressure, abrasive flow rate and standoff distance with the cutting efficiency, cutting section roughness, kerf width and taper were investigated. Determine the optimal combination of process parameters by extremum difference analysis; borrow Matlab programming language software for nonlinear orthogonal experiment data regression analysis, abrasive water jet cutting efficiency and cutting section roughness parameters empirical model are achieved.

abrasive water jet; cutting; glass fiber reinforced plastics; process parameters; empirical model

TG664

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.007

王軍，男，1965年生，博士，教授，主要從事高速加工技術(shù)及特種加工技術(shù)研究。

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2016-02-23)

161011

*河北省教育廳科技重點項目(ZD2016138)；河北省自然科學基金資助項目(E2016203192)