磨料水射流铣削加工表面质量的研究

赵漫漫，黄涛涛，何雪明

（1.无锡机电高等职业技术学校，无锡 214028；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，无锡 214122；3.江南大学 机械工程学院，无锡 214122)

0 引言

在现代工业生产活动中，金属材料和制品一直占据着重要的地位，但是传统的金属材料加工方法，容易产生热变形、刀具磨损以及能量损失过大等问题。磨料水射流技术[1]作为一种新兴冷态加工技术，与传统加工方法相比，不存在热影响区、热变形、接触应力，具有加工材料广泛、稳定性好、质量高、柔性高、无刀具磨损以及绿色环保等优点，逐渐在各行各业得到广泛应用。本文通过对45#进行铣削加工实验，探究磨料水射流加工参数对铣削表面质量的影响，为磨料水射流铣削加工其他材料提供参考。

在磨料水射流铣削加工方面，国内外研究较少。周大鹏等[2]研究了各种材料应用水射流加工的可加工性。彭家强等[3]对磨料水射流铣削对金属材料的去除力和去除模型进行了研究，为金属的铣削加工和切削去除分析提供了理论借鉴。王军等[4]对玻璃纤维增强塑料的水射流切割工艺进行了试验研究，分析了主要加工参数对切割效率、切割断面粗糙度、切缝宽度的影响关系。Messelink等[5]利用磨料水射流对球面工件进行了精铣光整加工，证明了磨料水射流用于精加工的可行性，并且发现磨粒的锋利性及其动能一同决定了材料去除效率。Massimiliano Barletta等[6]通过实验研究了磨料水射流的流速、磨粒粒径与工件的表面加工质量和材料去除效果的关系。

1 磨料水射流铣削加工材料去除机制

1.1 单颗磨粒撞击材料过程

单颗磨粒撞击工件表面，会依次发生弹性变形、塑性变形、裂纹扩展以及切屑脱落过程，如图1(a)所示。

1）弹性变形阶段——磨粒以一定速度撞击在工件表面，磨粒对工件表面进行挤压，金属材料首先发生弹性变形；

2）塑性变形阶段——磨料持续挤压，材料晶体发生位移，发生塑性变形；

3）裂纹扩展阶段——金属多晶体中的微裂纹受到磨粒作用时，晶体发生滑移，微裂纹不断扩展以及产生新的裂纹；

4）切屑脱落阶段——当裂纹扩展至一定程度，在外部压力作用下， 部分材料从工件表面脱离，形成切屑。

1.2 单颗磨粒微切削过程

磨粒接触工件表面后，除了会因磨粒撞击造成切削脱落外，还会在剪切力的作用下，发生微切削。与切削类似，磨粒的棱相当于刀刃，工件在磨粒的作用下先发生塑性变形，当超过材料塑性变形极限时，便会发生塑性流变，工件材料会如同刨削一般，脱落工件，形成切屑，如图1(b)所示。

图1 单颗磨粒材料去除示意图

磨料水射流铣削过程即无数磨粒同时作用于工件表面，通过撞击与微切削，工件表面材料得以去除。所以，其材料去除机制也有两种：塑性流变去除及脆性断裂去除。

脆性断裂去除，即磨粒以较高的冲击动能作用在工件表面后，工件表面在磨粒的撞击挤压作用下产生裂纹，裂纹在挤压力的作用下不断扩散、碎裂后形成切屑；塑性流变去除，即磨粒撞击工件后，发生微切削，如同刨削加工般刮擦工件表面，从而去除材料。

在磨料水射流加工过程中，随着磨料射流不断冲蚀工件表面，表面“凸峰”被去除，表面逐渐光滑，此时磨粒对表面的微切削作用逐渐变弱，以挤压作用为主。

2 磨料水射流铣削加工表面质量实验

磨料水射流铣削加工，即通过调整加工参数，降低其铣削性能，使得射流不射穿工件，在工件表面去除一定量的材料，从而达到表面精铣及成形铣削加工的目的。铣削加工参数对磨料水射流铣削加工质量影响很大。加工时，如果以去除材料为目的，如图2(a)所示，此时加工深度大，表面粗糙度却很高；如果以表面质量为目的，如图2(b)所示，此时加工深度很小，但表面质量较高。因此为了保证既有很高的材料去除率和加工深度，又有好的加工表面质量，需要通过实验进一步的分析和深入研究。如图3所示，为磨料水射流铣削加工图。

图2 磨料水射流铣削加工效果

图3 磨料水射流铣削加工图

本文使用的实验设备为大地水刀公司生产的DWJ3020-BB-X5型五自由度高压磨料水射流龙门加工机床。磨料采用80目石榴石，工件材料采用45#，喷嘴直径为0.10mm，入射角为90°。以单因素分析法，分析磨料水射流铣削加工时主要加工参数靶距S、喷嘴移动速度v、射流压力p、横向进给量L、铣削次数n对铣削表面加工质量的影响。表1为磨料水射流表面铣削单因素实验方案，对五个主要加工参数分别进行单因素试验，分析其对磨料水射流铣削表面质量的影响。

表1 磨料水射流表面铣削单因素实验方案

2.1 靶距S对磨料水射流铣削表面质量的影响

根据表1中第一组实验方案，对工件表面进行磨料水射流铣削加工。图4为铣削表面加工深度以及粗糙度随靶距S的变化。

图4 靶距S与加工表面质量的关系

如图4(a)所示，随着靶距S的增大，加工深度逐渐下降；而表面粗糙度随着靶距S的增大逐渐降低，后趋于稳定，但当靶距S超过一临界值时，加工深度不足以去除工件原始表面缺陷，难以满足表面铣削要求，表面粗糙度大大增大，如图4(b)所示。所以靶距S在磨料水射流铣削加工中存在一范围，使得加工表面粗糙度最低，且趋于稳定；靶距S超过或低于此范围，加工表面粗糙度均会增大。

2.2 喷嘴移动速度v对磨料水射流铣削表面质量的影响

根据表1中第二组实验方案，对工件表面进行磨料水射流铣削加工。图5为铣削表面加工深度以及表面粗糙度随喷嘴移动速度v的变化。

图5 喷嘴移动速度v与铣削表面质量的关系

如图5(a)所示，随着喷嘴移动速度v的增大，加工深度在逐渐减小；表面粗糙度值先降低，后在很大一段范围内保持稳定，如图5(b)所示。当v超过一临界值时，粗糙度值急剧提升。所以，磨料水射流铣削加工时，喷嘴移动速度v存在一适用范围，v过大或过小均会导致加工表面粗糙度上升。喷嘴移动速度v在适用范围内，加工深度满足表面铣削要求，即足以去除工件表面轻微凹坑、裂纹等时，喷嘴移动速度v对加工深度有影响，但对加工表面粗糙度影响并不明显。

2.3 射流压力p对磨料水射流铣削表面质量的影响

根据表1中第三组实验方案，对工件表面进行磨料水射流铣削加工。图6为铣削表面加工深度以及表面粗糙度随射流压力p的变化。

图6 射流压力与铣削表面质量的关系

如图6(a)所示，随着射流压力p的增大，加工深度在逐渐增大；而加工表面粗糙度值先减小，后趋于稳定，再增大，如图6(b)所示。与喷嘴移动速度v对加工表面粗糙度的影响相同，射流压力p也存在一适用范围使得加工表面粗糙度趋于稳定，在此范围内，射流压力p只对加工深度h有影响，所以要根实际据加工要求选择合适的加工参数。

2.4 横向进给量L对磨料水射流铣削表面质量的影响

根据表1中第四组实验方案，对工件表面进行磨料水射流铣削加工。图7为铣削加工深度及表面粗糙度随横向进给量L的变化。

图7 横向进给量与铣削表面质量的关系

如图7所示，横向进给量L在一定范围内对铣削表面粗糙度影响不大，但会影响加工深度，横向进给量L越小，加工深度越大；当横向进给量L大于一临界值时，加工深度不再受横向进给量L的影响，即相邻轨迹间不再存在重叠区域，表面粗糙度值却急剧增大，因为相邻轨迹间材料去除不充分。

2.5 铣削次数n对磨料水射流铣削表面质量的影响

根据表1中第五组实验方案，对工件表面进行铣削加工。图8为加工深度及表面粗糙度随铣削次数n的变化。

如图8所示，第一次铣削后表面粗糙度Ra5.036um，这是因为工件原始表面存在缺陷较大，第一次铣削加工深度只有1.02mm，难以去除工件原始表面固有缺陷，如轻微凹坑、裂纹等，第二次铣削后粗糙度明显降低，表面粗糙度Ra3.228um，后续几次铣削加工表面粗糙度趋于稳定，粗糙度Ra稳定在1.970～2.133um之间。

综上所述，每加工一次，均会去除一定材料，加工深度与铣削次数n成正比，如图8(a)所示；多次重复铣削加工可以降低表面粗糙度值，但降低至一定程度后，铣削表面粗糙度趋于稳定，铣削次数n对表面粗糙度不再有影响，如图8(b)所示。

图8 铣削次数n与铣削表面质量的关系

3 结论

1）本文在分析磨料水射流铣削加工材料去除机制的基础上，对45#材料的磨料水射流铣削加工表面质量进行了实验研究，得出了磨料水射流靶距S、喷嘴移动速度v、射流压力p、横向进给量L、铣削次数n等加工参数对铣削表面加工质量的影响规律。

2）加工时，如果以去除材料为目的，应选择较高射流压力、近靶距、慢喷嘴移动速度；如果以得到较好的表面粗糙度为目的，应选择较低射流压力、远靶距、高喷嘴移动速度。