CN114505790A - 一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法 - Google Patents

一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，首先确定磨料射流工作压力、切割深度，初步加工盲槽外轮廓，接着通过切割实验确定最佳栅板条厚度以及间距，在最优参数下切割等厚，间距相等的栅板条，并建立磨料射流倾斜切割角度与切割深度的函数方程，选取最优切割角度完成多次切割去除栅板条，直至盲槽底部剩余厚度无法去除；根据剩余厚度计算所需切割压力，以计算得到的切割压力进行最后一次切割去除根部。本发明利用一种全新的磨料射流加工方法完成对盲槽的高效加工，促进了磨料射流的应用，提高了加工效率，降低了加工成本。

Description

一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法
技术领域
本发明涉及磨料水射流技术领域，具体涉及一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法。
背景技术
磨料射流是指磨料在某种外动力的作用下被加速后，高速运动的磨料所形成的射流，磨料射流是一种新型、高效、绿色环保的高能束技术，广泛应用于生产生活的各个领域，其中，利用磨料射流的切割技术是磨料射流应用最广泛的一项技术。磨料水射流的工作介质以水为载体，磨料可以用普通的硅砂、石榴石等，不仅丰富、价廉，而且也具备十分良好的性能。磨料射流对材料也无选择，几乎可以切割所有材料，既能切割各种非金属材料，又能切割各种硬、脆、韧性材料。同时，磨料射流工作时水具有冷却、灭尘、润滑等作用，被切割材料的温升很小，不产生热变形和热影响区，因此不会破坏材料的内部组织。同时能够实现无尘、无味、无毒、无火花等安全、卫生加工。磨料射流对被切割工件的作用力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小，因而夹具简单，工件容易固定，可以实现精密切割。磨料射流的喷头体积小，反作用力小，移动方便，易于实现光控、数控及机械手控制。切割可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行，加工常规工艺难以加工的部位以及各种复杂的形状。
目前传统的开槽方法主要是将预开槽的两边先用切割机进行切割，再用錾子将中间掏空。这种方法不仅费工费时，效率低下，而且操作时安全得不到保障，同时槽内掏空部分很难平整，加工精度较低。同时产生了激光开槽、锌电解开槽、木工开槽、射流开槽等不同的开槽的工艺。
磨料射流相较于传统切割方法具有更加良好的切割性能，结合一种全新的盲槽加工方法，提出了一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，避免了传统射流开槽中一层一层去除材料的局限性，极大地降低了磨料射流的加工成本，促进了磨料射流加工盲槽的应用。
发明内容
为了克服传统开槽方法效率低下、费工费时、加工精度低等缺点，同时能够促进磨料射流的应用，本发明提供了一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，通过实验确定磨料射流工作压力与最佳倾斜切割角度，对目标盲槽进行竖直方向和倾斜方向的结合加工，以达到优于传统开槽方法的高效加工，降低加工成本的同时促进了磨料射流的应用。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：取与待开槽工件材质相同的工件样品在磨料射流加工平台上进行切割实验，确定包含靶距d0的最优切割参数，在所述最优切割参数下寻找工件切割的射流压力P与切割深度h的关系，并建立切割深度h在最优工作参数下随P变化的函数关系h＝f(P)；
S2：待加工盲槽深度为H，采用最优切割参数初步加工盲槽外轮廓，并保留一部分余量H0用于最后的精加工；
S3：在最优切割参数下将工件的待去除部分切割为等厚和等间距的栅板条，其中栅板条厚度小于最有优切割参数下的切割深度h0，栅板条间隔L＝h0；
S4：通过切割实验得到倾斜磨料射流切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000021
相对应数据，并建立切割斜面深度m在最优切割参数下随倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000022
变化的函数关系：
Figure BDA0003490821650000023
Figure BDA0003490821650000024
S表示该材料的最优切割参数组；并在最佳倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000025
与栅板条呈α角度条件下斜向切割栅板条；
S5：以上一次切割终点为切割起点在最佳倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000026
与栅板条呈α角度条件下依次斜向切割栅板条，保证每一次切割能够去除一块栅板条；
S6：重复上述步骤S4和S5，依次切割每块栅板条，每块栅板条剩余最后一个相同倾斜面；
S7：当进行最后一次切割来去除材料剩余倾斜面时，根据S1中通过实验确定的射流压力P与切割深度h的函数关系式，改变射流压力对剩余倾斜面做n次切割，剩余倾斜面高度为Hs，每次去除量依次是m1，m2...mn直至削平，再做第n+1次切割去除余量H0，完成工件切割。
进一步地，所述最优切割参数包括磨料流量m0、靶距d0和横移速度v0。
进一步地，步骤S1中，首先通过正交试验方法确定最优切割参数组合(d0，m0，v0)，然后通过线性回归分析，建立切割深度h在最优工作参数下随压力P变化的函数关系。
进一步地，步骤S2中的总深度H通过K次切割完成，K＝H/h0，其中h0为最优切割参数下的最大切割深度，若K不为整数则取整数，小数部分计入最后余量，通过S7进行去除。
进一步地，步骤S4中切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000031
之间的函数关系通过改变倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000032
获得切割斜面深度m，在坐标系中通过点集拟合曲线得到函数关系，并取最优倾斜切割角度对栅板条进行加工。
进一步地，步骤S4中取T＝H-Hs-eDtanα作为第一次切割时喷嘴距栅板条顶部的距离，其中D为栅板条长度，e为斜向切割栅板条次数。
进一步地，其中Hs＝2h0，α为10-50°，e为2-5。
进一步地，步骤S5中在最佳倾斜角度下从左侧沿栅板条以一α角度进行斜切，从左至右对每一块栅板条完成第一次切割，改变切割方向从右至左沿着第一次切割的终点同样以一α角度对栅板条进行第二次切割，直至剩余部分无法进行切割，做最后的精加工处理。
本发明有益效果在于：
本发明运用磨料射流结合一种全新的盲槽加工方法，提出了一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，避免了传统射流开槽过程中材料去除的局限性，极大地降低了磨料射流的加工成本，同时由于加工步骤更少，所以效率更高，减少了能源的消耗，同时促进了磨料射流的应用。
附图说明
图1是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的流程图。
图2是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的初步加工外轮廓俯视图。
图3是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的初步加工外轮廓正视图。
图4是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的栅板条加工俯视图。
图5是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的栅板条加工整体结构图。
图6是本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的斜向加工切割方法示意图。
图7为本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的斜向加工切割整体示意图。
图8为本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的斜向加工切割说明图。
图9为本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的精加工方法示意图。
图10为本发明大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法的切割深度与射流压力的拟合曲线图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的具体实现方式和结构。
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明提供一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，具体步骤如下：
设该磨料射流加工平台的工作压力为P，Pmax为最大压力，P0为待切割工作的门限压力，且Pmax＞P0，喷嘴可以进行五轴加工，在工作平面内可以任意调整位置和角度，在不同路径上进行切割。
S1：取与待开槽工件材质相同的工件样品在磨料射流加工平台上进行切割实验，
确定包含靶距d0的最优切割参数，在所述最优切割参数下寻找工件切割的射流压力P与切割深度h的关系，并建立切割深度h在最优工作参数下随P变化的函数关系h＝f(P)；本实施例中，最优切割参数组为磨料流量m0、靶距d0和横移速度v0，因此，得到函数关系式：h＝f(P，m0，d0，v0)。
确定工作射流压力为P0＝150MPa，此时的切割深度h0＝4.5mm，在此压力下以最优切割参数组(磨料流量m0、靶距d0和横移速度v0)对工件进行外轮廓加工，待加工盲槽深度为H，底部保留一定余量H0用于最后的精加工，余量H0一般为1-2mm，本实施例中H0＝2mm。
S2：待加工盲槽深度为H，采用最优切割参数初步加工盲槽外轮廓，并保留一部分余量H0用于最后的精加工；
S3：在最优切割参数下将工件的待去除部分切割为等厚和等间距的栅板条，其中栅板条厚度小于最有优切割参数下的切割深度h0，栅板条间隔L＝h0；取栅板条厚度δ＝0.8h0＝0.8×4.5＝3.6mm，栅板条间隔L＝h0＝4.5mm，如图4所示。
S4：通过切割实验得到倾斜磨料射流切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000051
相对应数据，并建立切割斜面深度m在最优切割参数下随倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000052
变化的函数关系：
Figure BDA0003490821650000053
Figure BDA0003490821650000054
S表示该材料的最优切割参数组；并在最佳倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000055
与栅板条呈α角度条件下斜向切割栅板条；如图8所示，取T＝H-Hs-eDtanα作为第一次切割时喷嘴距栅板条顶部的距离，其中D为栅板条长度，e为斜向切割栅板条次数。其中Hs＝2h0，α为10-50°，e为2-5。本实施例中取T＝H-Hs-3Dtanα30°作为第一次切割时喷嘴距栅板条顶部的距离，这样可保证最后剩余部分为一斜面，栅板条长度为D，选取最佳倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000056
与栅板条呈α＝30°斜向切割栅板条；本实施例中，系数e＝3，3次切割在保证效率的情况下可以完成切割。在以后的加工中，系数e由切割深度与材料参数等共同决定，选取最优切割次数。
S5：以上一次切割终点为切割起点在最佳倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000057
与栅板条呈α角度条件下依次斜向切割栅板条，保证每一次切割能够去除一块栅板条；如图7所示，磨料射流喷嘴保持在一水平面内，先沿第一次切割方向从左至右依次切割栅板条，保证每一次切割能够去除一块栅板条。再沿第二次切割方向从右至左依次切割剩余部分，一层层去除栅板条，直至剩余部分无法通过该方法进行去除。
S6：重复上述步骤S4和S5，依次切割每块栅板条，每块栅板条剩余最后一个相同倾斜面；
S7：当进行最后一次切割来去除材料剩余倾斜面时，根据S1中通过实验确定的射流压力P与切割深度h的函数关系式，改变射流压力对剩余倾斜面做n次切割，每次去除量依次是m1，m2...mn直至削平，再做第n+1次切割去除余量H0，完成工件切割。如图9所示，根据步骤1中h＝f(P)，将剩余部分分成n个等分，根据剩余高度HS，确定每一层材料的厚度约为HS/n，在将此条件带入公式(1)中得到削去材料所需要的压力PS，在此压力下对剩余部分m1，m2...mn进行依次去除，直至最后削平。
最后根据工件预留的余量H0进行最后的精加工，去除2mm余量，完成盲槽加工。下面用10mm厚的牌号为UNS N08020，板材尺寸大小为100mm×100mm×10mm的镍铬合金为例对本发明作进一步说明：
S1：通过正交实验方法，设计三因素四水平正交表，确定最优的磨料流量m0、靶距d0和横移速度v0组合。实验所用磨料射流加工平台所用压力设定为150MPa，进行工件样品切割实验。
设计正交实验，其因素及水平如下表
Figure BDA0003490821650000061
通过正交实验获得最优加工参数组合：磨料流量m0为500g/m，靶距d0为5mm，横移速度v0为500mm/min，通过切割实验，获得在P0＝150MPa时，切割深度h0＝4.5mm。通过在不同射流压力下的切割实验获得工件不同的切割深度，
切割试验中切割深度与射流压力表
射流压力(Mpa) 切割深度h(mm)
100 3.7
150 4.5
200 5.2
250 6
300 6.7
如图10所示，利用线性回归分析，建立切割深度h在最佳工作参数下随压力P变化的函数关系h＝f(P)：
h＝0.015x+2.22 公式(1)
测定切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000071
之间关系。
Figure BDA0003490821650000072
在最优切割参数条件下建立切割斜面深度m在最优切割参数下随倾斜切割角度
Figure BDA0003490821650000074
变化的函数关系
Figure BDA0003490821650000075
Figure BDA0003490821650000073
其中，倾斜切割时，在X方向深度应满足大于栅板条厚度δ。
本发明未涉及部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取与待开槽工件材质相同的工件样品在磨料射流加工平台上进行切割实验，确定包含靶距d0的最优切割参数，在所述最优切割参数下寻找工件切割的射流压力P与切割深度h的关系，并建立切割深度h在最优工作参数下随P变化的函数关系h＝f(P)；
S2：待加工盲槽深度为H，采用最优切割参数初步加工盲槽外轮廓，并保留一部分余量H0用于最后的精加工；
S3：在最优切割参数下将工件的待去除部分切割为等厚和等间距的栅板条，其中栅板条厚度小于最有优切割参数下的切割深度h0，栅板条间隔L＝h0；
S4：通过切割实验得到倾斜磨料射流切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000011
相对应数据，并建立切割斜面深度m在最优切割参数下随倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000012
变化的函数关系：m＝f
Figure FDA0003490821640000013
S表示该材料的最优切割参数组；并在最佳倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000014
与栅板条呈α角度条件下斜向切割栅板条；
S5：以上一次切割终点为切割起点在最佳倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000015
与栅板条呈α角度条件下依次斜向切割栅板条，保证每一次切割能够去除一块栅板条；
S6：重复上述步骤S4和S5，依次切割每块栅板条，每块栅板条剩余最后一个相同倾斜面；
S7：当进行最后一次切割来去除材料剩余倾斜面时，根据S1中通过实验确定的射流压力P与切割深度h的函数关系式，改变射流压力对剩余倾斜面做n次切割，剩余倾斜面高度为Hs，每次去除量依次是m1，m2...mn直至削平，再做第n+1次切割去除余量H0，完成工件切割。
2.如权利要求1所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：所述最优切割参数包括磨料流量m0、靶距d0和横移速度v0。
3.如权利要求2所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：步骤S1中，首先通过正交试验方法确定最优切割参数组合(d0,m0，v0)，然后然后通过线性回归分析，建立切割深度h在最优工作参数下随压力P变化的函数关系。
4.如权利要求1所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：步骤S2中的总深度H通过K次切割完成，K＝H/h0，其中h0为最优切割参数下的最大切割深度，若K不为整数则取整数，小数部分计入最后余量，通过S7进行去除。
5.如权利要求1所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：步骤S4中切割斜面深度m与倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000021
之间的函数关系通过改变倾斜切割角度
Figure FDA0003490821640000022
获得切割斜面深度m，在坐标系中通过点集拟合曲线得到函数关系，并取最优倾斜切割角度对栅板条进行加工。
6.如权利要求1所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：步骤S4中取T＝H-Hs-eDtanα作为第一次切割时喷嘴距栅板条顶部的距离，其中D为栅板条长度，e为斜向切割栅板条次数。
7.如权利要求6所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：其中Hs＝2h0，α为10-50°，e为2-5。
8.如权利要求1所述一种大尺寸盲槽磨料射流高效加工方法，其特征在于：步骤S5中在最佳倾斜角度下从左侧沿栅板条以一α角度进行斜切，从左至右对每一块栅板条完成第一次切割，改变切割方向从右至左沿着第一次切割的终点同样以一α角度对栅板条进行第二次切割，直至剩余部分无法进行切割，做最后的精加工处理。
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