摘要:采用高压磨料水切割和工程陶瓷,研究高压磨料水工艺参数对其切割深度的影响。从陶瓷材料力学和高压磨料水流体力学基础出发,建立冲击力和加工参数关系。实验结果表明切割深度与水的压力成正比,与喷嘴移动速度成反比。采用硬质合金和陶瓷两种材料制备了磨料喷嘴,研究了喷嘴磨损量与加工参数的关系,采用SEM分析了喷嘴磨损原因。
关键词:磨料水;工程陶瓷;磨料喷嘴
0引言
工程陶瓷材料具有高的强度和硬度,尤其具有优良的耐热性、低的传导性与热膨胀性、很高的耐磨性及抗氧化性等优点,使其在电子、机械、化工、航空航天等工业得到广泛应用。随着科学技术发展,其应用领域将愈来愈广泛。由于工程陶瓷材料具有高的强度和硬度,因此用传统的金属加工方法难于实现。高压磨料水加工是近20年来发展起来的一门新技术,具有切割速度快、无热效应、节约材料、不变形等优点。通过实验研究高压磨料水加工硬脆陶瓷材料切割机理及最佳工艺参数,为进一步研究硬脆性材料加工方法和加工工艺奠定基础。
1实验条件
高压水射流是水经过增压器使其压力达到300MPa以上,然后经蓝宝石喷嘴射出。蓝宝石喷嘴直径为0.16~0.5mm,磨料水喷嘴尺寸为内孔直径0.8mm,长76mm,材质选为硬质合金和陶瓷制造。硬质合金喷嘴采用硬质合金粉,用冷等静压和烧结方法制备,制成棒料后,采用金刚石磨轮磨削外圆,用电火花小孔加工设备对其进行小孔加工。陶瓷喷嘴采用挤压烧结方法制成。磨料采用天然石榴石磨料。切割材料采用两种陶瓷,其机械性能如表1所示。实验设备选用FLOW高压水设备。试验时采用压力200~400MPa,水的最大流量为4.86L/min,最大功率为55kW,磨料流量为0~3.3g/s切割速度0~30m/s,采用后混合式。磨损的喷嘴用线切割切开并用S—360扫描电镜观察磨损表面及能谱分析。磨损量采用精度为0.1mg的TG328—A分析天平测出试验前后的重量损失。
2结果分析
2.1陶瓷表面切屑形成
由流体力学可知,当流量一定时,流速与其面积成反比,这时流经喷嘴的流速可达音速的2~3倍,由此产生强大的冲击力。但工程陶瓷抗压强度及硬度很高,由高压水产生的冲击力还小。为增大冲击力,将磨料经输送系统引入切割头混合腔,经高压水加速后再从磨料水喷嘴射出。由于磨料带有一定的棱角,可以把磨料看成冲击压头,磨料在高速水的带动下对陶瓷表面作用一个很大冲击力F。工程陶瓷材料晶体的化学键主要由共价键和离子键混合组成。化学键的类型不同,直接影响材料的弹性模量和硬度的比值。金属键E/Hv=250,离子键E/Hv=80~120,共价键E/Hv=20,比值越小,脆性越大。由表1可知Al2O3和B4C的E/Hv值分别为11.67和11.76。在外荷载F的冲击力作用下,因其表面弹性大,表面能小,在磨料压头前端产生中央裂纹和横向裂纹,在磨料水连续冲击下,裂纹不断扩展到工件表面时,切屑以脆性断裂形式从陶瓷表面脱落。
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大多数工程陶瓷的表面能为10~15J/cm2。由于工程陶瓷较大的原子间隙、低的表面能和较高的弹性模量,使陶瓷材料呈现出高的脆性。从表1可以看到和的抗拉和抗压强度之比为0.11和0.12,同时Al2O3的弹性模量也比B4C小。因此Al2O3比B4C的塑性大。从Al2O3断口的形貌可以看到其表面产生崩碎状裂纹,同时裂纹前端有滑移变形。从B4C断口可以看到其表面都是崩碎的凹坑同时产生的裂纹长度也比Al2O3小。从两个断口的分析得到B4C的切屑以崩碎为主而Al2O3以裂纹和犁削为主。
2.2高压磨料水切割陶瓷动力分析
2.4喷嘴制备及磨损机理分析
高压磨料水喷嘴在切割过程中起到重要作用,其使用寿命和耐磨性都直接关系到加工质量和加工成本。由于高压磨料水喷嘴的制造和加工难度较大,也影响了其使用,表2为两种材质性能参数。图3所示为喷嘴的磨损量与压力之间关系曲线。从图中可以看到磨损量随压力增大而增加。压力增加,水射流速度增大,磨料冲击动能加大,磨料对喷嘴的冲击力加大。由此造成磨损量加大。此外,水射流速度加大,单位时间内进入喷嘴的磨料数量也增加,导致磨料冲撞机率加大及对喷嘴內孔表面冲击次数增加。喷嘴的耐磨性除上述因素外,还取决于喷嘴表面硬度和喷嘴材料。通过表2可以看到硬质合金的显微硬度为1700Hv,而陶瓷的显微硬度为1400Hv。硬质合金的硬度要比陶瓷大得多,从图3中也可以看到,硬质合金的耐磨性比陶瓷高出十几倍。由于陶瓷喷嘴的材料所含的纯度、粒度和烧结工艺等诸因素也影响了其表面的硬度和耐磨性。陶瓷喷嘴内表面被冲蚀成较深的沟痕,凸出的部位对高速磨料形成很大的阻力,从而加速了磨损量的增加。从实验结果上看,所采用的石榴石磨料硬度高达1300Hv,几乎接近于陶瓷硬度,也加大了对陶瓷的冲蚀磨损。另外,喷嘴内表面的粗糙度对耐磨性也具有很大影响。由于喷嘴大多数都是脆性材料制造的,表面粗糙度大,形成阻力大,容易产生冲击裂纹,造成磨损加剧。
图4是硬质合金喷嘴磨损表面的SEM照片,可以看到表面有较深的冲蚀沟痕。后混合高压磨料水射流,其混合过程和机理较为复杂。有三个因素是磨料能够混合进入射流的动力。一是磨料仓磨料高度产生的重力,此因素的作用主要是起到把磨料不断填入混合腔的动力;二是高速水射流产生的真空卷吸作用,这是磨料能够靠近射流的主要动力;三是水射流对磨料的冲刷作用使其紊流流动,进入射流。实际中一次进入射流的磨料较少,大部分磨料经过几次碰撞后进入射流。由于初始时磨料之间激烈碰撞,磨料对孔壁冲击次数较多,同时,磨料粒度也大,造成喷嘴入口段比出口段磨损较严重。由于喷嘴是由WC和Co制造,材料脆性大,内表面在高速磨料冲击作用下,表面易形成微裂纹,由裂纹扩展形成凹坑。尤其是当组成硬质合金的WC粒度较大时,有些粗大颗粒很容易被冲击掉。此外,从喷嘴的磨损能谱图(图5、图6)中可以看到,磨损前喷嘴的主要成分是WC和Co,磨损后表面的成分除WC和Co以外,还出现了AL、Fe等石榴石元素成分。这主要是高压磨料水中的石榴石磨料与喷嘴表面产生强烈摩擦,表面瞬间温度增高,接触表面产生较大的化学活性,造成石榴石元素扩散到喷嘴中,改变了WC与Co结合强度,降低表面硬度,导致耐磨性下降。同时从磨损的表面能谱中还可以看到有氧的成分,在高速水冲击作用下,有可能水产生气化,造成表面氧化,也导致表面硬度下降。
3结论
高压磨料水切割工程陶瓷材料时切割深度主要与水的压力成正比,与喷嘴的移动速度成反比。切屑主要是磨料的冲击,导致表面裂纹的形成产生断裂。磨料水喷嘴的磨损由部分氧化和冲蚀造成。喷嘴的硬度对冲蚀磨损影响很大,同时喷嘴材料对其氧化也有一定的影响。喷嘴的耐磨性主要受到水的压力影响,并与压力成正比。——论文作者：赵文英,石维佳,胡新强
