摘要：使用石榴石磨料，在高压磨料水射流数控切割机床上，研究了切割参数(压力、靶距、切割速度)对大理石切割性能(切口宽度、切口锥角、余纹角度)的影响 结果表明：切割速度越大，余纹角度越大;压力越大余纹角度越小，靶距对余纹角度影响不大，余纹曲线相互之间大体平行，且不规则;锥角与喷嘴切割速度成正比，与系统压力和靶距成反比，即欲得到较小锥角需采用小的速度，大的系统压力，小靶矩;切割缝隙宽度与压力、速度成反比，与靶矩成正比www.world-stone.com
关键词：磨料水射流;石材加工;切割参数;切割性能
前言
磨料水射流是近 年来发展很快的新加工技术，其原理是利用高压供水系统在水喷嘴处形成高压高速水射流，继而与磨料供给系统供入的磨料粒子相混合，使磨料粒子在高速水射流中得到加速，从而依靠磨料粒子对材料的高速冲蚀作用使材料得以去除 磨料水射流加工技术具有如下优点 ：加工点温度低，所以被加工材料不会产生热变形，不会产生热影响区;对材料没有选择，既能加工金属材料也能加工非金属材料，既能加工韧性材料也能加工硬脆性材料，尤其对难加工材料如不锈钢、陶瓷、石材等有独特的优势磨料水射流对被加工工件的作用力只集中在射流冲蚀方向，其它方向的分力很小，因而工件容易固定，夹具结构简单，工件加工区域变形小或无加工变形，易于实现精密加工;经过磨料水射流加工的工件断面质量好，一般不需要后序精加工;可以通过调节磨料水射流的压力，水流量或磨料流量，靶距，进给速度等参数改善磨料水射流的工作条正因为磨料水件，来适合不同的材料或切割要求射流有如此多的优点，所以其应用也越来越广泛例如在矿山开采、机械加工、航空航天、医疗、造船业等行业得到广泛应用。随着CAD/CAM技术的发展和加工设备的更新换代，目前磨料水射流加工技术已逐步改变了装饰石材加工中拼花图案断面粗糙、尺寸精度差、拼接缝大、刀具成本高，加工效率低等状况。那是因为，石材为脆性材料，并且石材的组织颗粒较粗大，硬质相和弱界面间杂于基体组织之中，传统加工方法对于石材加工难以得到令人满意的结果 而磨料水射流技术以其特有的加工方式，适应于复杂结构材质的加工，因而在石材加工方面表现独特的优势 就磨料水射流加工石材时加工参数对加工性能的影响进行了实验研究和分析。www.world-stone.com
1、磨料水射流加工系统的组成
目前磨料水射流设备形式较多，但其组成基本相似，主要有供水系统、增压系统、磨料供给系统、切割头装置、运动控制装置和工作台等几部分。www.world-stone.com
供水系统主要包括水源及水的过滤装置，过滤装置主要是滤去颗粒较大的尘埃、微粒等杂质，以保护增压系统和切割头装置;增压系统是磨料水射流的动力源，其作用是将水增压到很大的压力;磨料供给系统主要是给加工系统提供切削用磨料;切割头装置将高压水的压力能转变为动能，产生高压水射流束，在与磨料粒子混合过程中，使磨料粒子加速，从而达到加工工件的目的;运动控制部分控制切割头的加工动作;工作台用于安装、固定工件并回收切割后的水和磨料，吸收切割后射流的剩余能量。
2、实验方法
在磨料水射流对石材切割加工中，主要控制的工艺参数是设备增加系统的压力(p)、水射流切割喷嘴移动速度———切割速度(v)及喷嘴与工件的垂直距离———靶距(b) 在石材切割加工中，切口深度(h)、切口宽度(w)、切口锥度(α)和切口表面余纹是需要优化的目标参数。采用切割实验的方法，研究了不同加工参数在石材切割加工中对切口深度和质量的影响。www.world-stone.com
本实验采用美国 公司生产的FLOW公司生产的FCM1313型后混合式磨料水射流加工机，工件材料为大理石，磨料采用粒度为80#的石榴石，主要研究系统压力(P)、切割速度(V)和靶距(B)对切口宽度、余纹角度和切口锥角α的影响情况。其中，切口宽度指切口顶部宽度，余纹角度是距切口上顶面1/3H处的余纹切线与顶面法线之间的夹角 切口锥角α定义为切口锥度半角，可用下式计算：
实验中将本磨料水射流加工机中、高压力段作为系统压力(p)变化范围，取值为220，260，300，340和380 MPa，采用常用的切割加工靶距(b)和切割速度(v)值，取靶距为 3，4，5 mm 三个值，切割速度(v)为 40，80，120，160 mm/min，射流入射角度为 90度。工件为50mm厚的大理石板材。
3、结果分析
(1)系统压力、切割速度和靶距对余纹角度(β)的影响
研究表明，余纹的产生与磨料水射流冲蚀能量耗散有关。当射流冲蚀能量较低时容易在切割表面形成余纹 射流压力越高，冲蚀能量越大，出现余纹的位置就越低，其余纹角度就越小。
系统压力越大，余纹角度越小。系统压力在220~300MPa之间时，随着压力的增大，余纹角度明显变小，这是因为系统压力越大，射流束的切割能量越大，在切割面上产生余纹的位置越低，其一定深度上的余纹角度相应的越小。www.world-stone.com
切割速度增加，余纹角度变大。因为随着切割速度的增加，射流束对某一切割点的冲蚀时间减小，所以切割能力变小，在切割面上产生的余纹位置变高，其一定深度上的余纹角度相应地变大。
靶距对余纹角度的影响不大。原因是在本实验中，靶距的变化量较小，所以对切割能力影响不大。
(2)系统压力、切割速度和靶距对切口锥角的影响
系统压力越大，切口锥角越小。这是因为随着水射流束能量的增加，磨料粒子的动能增加，材料去除量增加，切口锥角变小。www.world-stone.com
靶距增大切口锥角也增大，这是因为射流束在一定范围内扩散，在切口上部的射流切割能力强，随后射流束能量由于发散而减小，其切割能力变小，于是出现切口上部材料去除量大，下部材料去除量小，则形成较大的切口锥角。www.world-stone.com
切割速度增加，切口锥角变大，这是因为随着切割速度增加，射流束对某一切割点冲蚀时间减小，切割能力变小，于是切口锥角变大。www.world-stone.com
(3)系统压力、切割速度和靶距对切口宽度的影响
切割速度变大，切口宽度变小，这是因为切割速度变大射流束接触工件同一位置的时间变小，在顶端的切割时间短，材料去除量小，所以切口宽度变小。www.world-stone.com
系统压力增大，切口宽度增大，这是因为系统压力增大，磨料水射流冲蚀能量大，材料去除量大，切口宽度增加。www.world-stone.com
靶距增加，切口宽度增大，是因为靶距增大，射流束扩散，磨料水射流中的磨料粒子可以均匀的平缓的冲蚀石材 ，射流束与石材的接触面积也大，所以切口宽度增加。
由磨料水射流加工原理可以看出，材料的去除主要通过磨料粒子对工件材料的冲蚀作用，冲蚀作用的大小主要与冲蚀能量的大小和冲蚀时间的长短有关。凡是影响磨料水射流冲蚀能量和冲蚀时间的工艺参数，都会对切割切口的形状和质量产生影响。www.world-stone.com
随着系统压力的提高，磨料水射流的冲蚀能量增加，切割能力提高，余纹角度、切口锥度变小，但切口宽度也随之增大 随着切割速度的增大，对某一特定切割点的冲蚀时间减小，相应的材料冲蚀量减小，余纹角度、切口锥度变大，但切口宽度较小由于磨料水射流从喷嘴射出后射流的发散，射流横截面上的能量降低 理论上，随着磨料水射流加工靶距的增大，余纹角度、切口锥度应变小，而切口宽度由于射流的发散应随之增大 但在本实验中，靶距的变化量较小，因而靶距对切割切口的形状和质量影响较小。
通过对切割试样实验数据进行分析可知
(1)余纹角度和切割速度有直接关系，速度越大余纹偏转的角度越大，压力越大余纹角度越小，靶距对余纹角度影响不大，并且从截面看来，余纹曲线相互之间大体平行，方向与喷嘴横移方向相反，且不规则;
(2)切口锥角与切割速度、系统压力和靶距都有密切关系 切割速度的增大，靶距的增加都会引起切口锥角的增大;而系统压力的增大，会引起切口锥度的降低 即欲得到较小锥角需采用小的切割速度，大的系统压力，小靶矩;www.world-stone.com
(3)切口宽度随着系统压力、切割速度降低而降低，随着靶矩的增大而增大 欲得到较小的切口宽度，应选择较低的系统压力、切割速度和较小的靶距。www.world-stone.com
结论
从上面的分析可以得到如下结论：
(1)切割断面的余纹角度和形状与切割速度和压力有关，靶距对其影响不大;
(2)系统压力、切割速度、靶距对切割断面的锥角都有影响，欲减小切割断面锥角可以选择合适的系统压力、切割速度、靶距参数;
(3)切口宽度与系统压力、靶距和切割速度都有关;
(3)用磨料水射流切割石材与其它加工工艺相比具有速度快、效率高，切割质量好、不影响石材的物理化学性能等优点，可以通过优化切割工艺参数达到理想的效果。
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