摘要：使用石榴石磨料，在高壓磨料水射流數控切割機床上，研究了切割參數(壓力、靶距、切割速度)對大理石切割性能(切口寬度、切口錐角、余紋角度)的影響 結果表明：切割速度越大，余紋角度越大;壓力越大余紋角度越小，靶距對余紋角度影響不大，余紋曲線相互之間大體平行，且不規則;錐角與噴嘴切割速度成正比，與系統壓力和靶距成反比，即欲得到較小錐角需采用小的速度，大的系統壓力，小靶矩;切割縫隙寬度與壓力、速度成反比，與靶矩成正比www.www.dechunwater.cn

　　關鍵詞：磨料水射流;石材加工;切割參數;切割性能

　　前言

　　磨料水射流是近 年來發展很快的新加工技術，其原理是利用高壓供水系統在水噴嘴處形成高壓高速水射流，繼而與磨料供給系統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，從而依靠磨料粒子對材料的高速沖蝕作用使材料得以去除 磨料水射流加工技術具有如下優點 ：加工點溫度低，所以被加工材料不會產生熱變形，不會產生熱影響區;對材料沒有選擇，既能加工金屬材料也能加工非金屬材料，既能加工韌性材料也能加工硬脆性材料，尤其對難加工材料如不銹鋼、陶瓷、石材等有獨特的優勢磨料水射流對被加工工件的作用力只集中在射流沖蝕方向，其它方向的分力很小，因而工件容易固定，夾具結構簡單，工件加工區域變形小或無加工變形，易于實現精密加工;經過磨料水射流加工的工件斷面質量好，一般不需要后序精加工;可以通過調節磨料水射流的壓力，水流量或磨料流量，靶距，進給速度等參數改善磨料水射流的工作條正因為磨料水件，來適合不同的材料或切割要求射流有如此多的優點，所以其應用也越來越廣泛例如在礦山開采、機械加工、航空航天、醫療、造船業等行業得到廣泛應用。隨著CAD/CAM技術的發展和加工設備的更新換代，目前磨料水射流加工技術已逐步改變了裝飾石材加工中拼花圖案斷面粗糙、尺寸精度差、拼接縫大、刀具成本高，加工效率低等狀況。那是因為，石材為脆性材料，并且石材的組織顆粒較粗大，硬質相和弱界面間雜于基體組織之中，傳統加工方法對于石材加工難以得到令人滿意的結果 而磨料水射流技術以其特有的加工方式，適應于復雜結構材質的加工，因而在石材加工方面表現獨特的優勢 就磨料水射流加工石材時加工參數對加工性能的影響進行了實驗研究和分析。www.www.dechunwater.cn

　　1、磨料水射流加工系統的組成

　　目前磨料水射流設備形式較多，但其組成基本相似，主要有供水系統、增壓系統、磨料供給系統、切割頭裝置、運動控制裝置和工作臺等幾部分。www.www.dechunwater.cn

　　供水系統主要包括水源及水的過濾裝置，過濾裝置主要是濾去顆粒較大的塵埃、微粒等雜質，以保護增壓系統和切割頭裝置;增壓系統是磨料水射流的動力源，其作用是將水增壓到很大的壓力;磨料供給系統主要是給加工系統提供切削用磨料;切割頭裝置將高壓水的壓力能轉變為動能，產生高壓水射流束，在與磨料粒子混合過程中，使磨料粒子加速，從而達到加工工件的目的;運動控制部分控制切割頭的加工動作;工作臺用于安裝、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、實驗方法

　　在磨料水射流對石材切割加工中，主要控制的工藝參數是設備增加系統的壓力(p)、水射流切割噴嘴移動速度———切割速度(v)及噴嘴與工件的垂直距離———靶距(b) 在石材切割加工中，切口深度(h)、切口寬度(w)、切口錐度(α)和切口表面余紋是需要優化的目標參數。采用切割實驗的方法，研究了不同加工參數在石材切割加工中對切口深度和質量的影響。www.www.dechunwater.cn

　　本實驗采用美國 公司生產的FLOW公司生產的FCM1313型后混合式磨料水射流加工機，工件材料為大理石，磨料采用粒度為80#的石榴石，主要研究系統壓力(P)、切割速度(V)和靶距(B)對切口寬度、余紋角度和切口錐角α的影響情況。其中，切口寬度指切口頂部寬度，余紋角度是距切口上頂面1/3H處的余紋切線與頂面法線之間的夾角 切口錐角α定義為切口錐度半角，可用下式計算：

　　實驗中將本磨料水射流加工機中、高壓力段作為系統壓力(p)變化范圍，取值為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，取靶距為 3，4，5 mm 三個值，切割速度(v)為 40，80，120，160 mm/min，射流入射角度為 90度。工件為50mm厚的大理石板材。

　　3、結果分析

　　(1)系統壓力、切割速度和靶距對余紋角度(β)的影響

　　研究表明，余紋的產生與磨料水射流沖蝕能量耗散有關。當射流沖蝕能量較低時容易在切割表面形成余紋 射流壓力越高，沖蝕能量越大，出現余紋的位置就越低，其余紋角度就越小。

　　系統壓力越大，余紋角度越小。系統壓力在220~300MPa之間時，隨著壓力的增大，余紋角度明顯變小，這是因為系統壓力越大，射流束的切割能量越大，在切割面上產生余紋的位置越低，其一定深度上的余紋角度相應的越小。www.www.dechunwater.cn

　　切割速度增加，余紋角度變大。因為隨著切割速度的增加，射流束對某一切割點的沖蝕時間減小，所以切割能力變小，在切割面上產生的余紋位置變高，其一定深度上的余紋角度相應地變大。

　　靶距對余紋角度的影響不大。原因是在本實驗中，靶距的變化量較小，所以對切割能力影響不大。

　　(2)系統壓力、切割速度和靶距對切口錐角的影響

　　系統壓力越大，切口錐角越小。這是因為隨著水射流束能量的增加，磨料粒子的動能增加，材料去除量增加，切口錐角變小。www.www.dechunwater.cn

　　靶距增大切口錐角也增大，這是因為射流束在一定范圍內擴散，在切口上部的射流切割能力強，隨后射流束能量由于發散而減小，其切割能力變小，于是出現切口上部材料去除量大，下部材料去除量小，則形成較大的切口錐角。www.www.dechunwater.cn

　　切割速度增加，切口錐角變大，這是因為隨著切割速度增加，射流束對某一切割點沖蝕時間減小，切割能力變小，于是切口錐角變大。www.www.dechunwater.cn

　　(3)系統壓力、切割速度和靶距對切口寬度的影響

　　切割速度變大，切口寬度變小，這是因為切割速度變大射流束接觸工件同一位置的時間變小，在頂端的切割時間短，材料去除量小，所以切口寬度變小。www.www.dechunwater.cn

　　系統壓力增大，切口寬度增大，這是因為系統壓力增大，磨料水射流沖蝕能量大，材料去除量大，切口寬度增加。www.www.dechunwater.cn

　　靶距增加，切口寬度增大，是因為靶距增大，射流束擴散，磨料水射流中的磨料粒子可以均勻的平緩的沖蝕石材 ，射流束與石材的接觸面積也大，所以切口寬度增加。

　　由磨料水射流加工原理可以看出，材料的去除主要通過磨料粒子對工件材料的沖蝕作用，沖蝕作用的大小主要與沖蝕能量的大小和沖蝕時間的長短有關。凡是影響磨料水射流沖蝕能量和沖蝕時間的工藝參數，都會對切割切口的形狀和質量產生影響。www.www.dechunwater.cn

　　隨著系統壓力的提高，磨料水射流的沖蝕能量增加，切割能力提高，余紋角度、切口錐度變小，但切口寬度也隨之增大 隨著切割速度的增大，對某一特定切割點的沖蝕時間減小，相應的材料沖蝕量減小，余紋角度、切口錐度變大，但切口寬度較小由于磨料水射流從噴嘴射出后射流的發散，射流橫截面上的能量降低 理論上，隨著磨料水射流加工靶距的增大，余紋角度、切口錐度應變小，而切口寬度由于射流的發散應隨之增大 但在本實驗中，靶距的變化量較小，因而靶距對切割切口的形狀和質量影響較小。

　　通過對切割試樣實驗數據進行分析可知

　　(1)余紋角度和切割速度有直接關系，速度越大余紋偏轉的角度越大，壓力越大余紋角度越小，靶距對余紋角度影響不大，并且從截面看來，余紋曲線相互之間大體平行，方向與噴嘴橫移方向相反，且不規則;

　　(2)切口錐角與切割速度、系統壓力和靶距都有密切關系 切割速度的增大，靶距的增加都會引起切口錐角的增大;而系統壓力的增大，會引起切口錐度的降低 即欲得到較小錐角需采用小的切割速度，大的系統壓力，小靶矩;www.www.dechunwater.cn

　　(3)切口寬度隨著系統壓力、切割速度降低而降低，隨著靶矩的增大而增大 欲得到較小的切口寬度，應選擇較低的系統壓力、切割速度和較小的靶距。www.www.dechunwater.cn

　　結論

　　從上面的分析可以得到如下結論：

　　(1)切割斷面的余紋角度和形狀與切割速度和壓力有關，靶距對其影響不大;

　　(2)系統壓力、切割速度、靶距對切割斷面的錐角都有影響，欲減小切割斷面錐角可以選擇合適的系統壓力、切割速度、靶距參數;

　　(3)切口寬度與系統壓力、靶距和切割速度都有關;

　　(3)用磨料水射流切割石材與其它加工工藝相比具有速度快、效率高，切割質量好、不影響石材的物理化學性能等優點，可以通過優化切割工藝參數達到理想的效果。

世界石材網