摘要 本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)磨料水射流技術(shù)切割石材的機(jī)理進(jìn)行了分析和研究，同時(shí)分析和探討了切割工藝參數(shù)對(duì)切割深度的影響。
　　ABSTRACT In this paper mechanism of abrasive water jet cutting of stone is analysed.Based on the result of experi-ment．the influence of cutting parameters on cutting deepness is discussed．
　　主題詞 磨料水射流 石材 切割
　　KEYWORDS abrasive water jet stone cutting
　　
　　1前言
　　利用磨料水射流技術(shù)切割石材，具有加工效率高、切割噪聲低、無(wú)粉塵污染、石材切縫窄、加工表面質(zhì)量好、易實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)控制等特點(diǎn)。同時(shí)可以方便地切割加工不同硬度、不同厚度的石材，特別是對(duì)于形狀復(fù)雜的異形石材加工更具有優(yōu)越性。我們利用國(guó)外引進(jìn)的水射流加工設(shè)備，對(duì)石材切割工藝參數(shù)及其對(duì)切割深度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。
　　2實(shí)驗(yàn)條件及方法
　　本實(shí)驗(yàn)在高壓水切割機(jī)上進(jìn)行，其水射流切割機(jī)的外觀如圖1所示。切割時(shí)水射流的壓力、流量、切割速度等參數(shù)由微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制。切13的深度用刻度探針和游標(biāo)卡尺沿切1：3每隔5毫米測(cè)量一次，取其平均值作為測(cè)量的切割深度。實(shí)驗(yàn)選擇了加磨料水射流和純水射流兩種方式。
　　
　　加磨料水射流切割石材．其磨料要先在烘干箱中進(jìn)行干燥處理，以利于磨料的自由流動(dòng)。磨料的加入方式采取后混合式。實(shí)驗(yàn)技術(shù)參數(shù)如下：
　　最大壓力：400 MPa
　　切割速度：0～30 m/h
　　最大流量：4．8 L／min
　　最大功率：55 kW
　　噴嘴材料：藍(lán)寶石
　　高壓水噴嘴直徑：0．3 mm
　　磨料噴嘴直徑：1.1 mm
　　磨料莫氏硬度：7．9～9
　　磨料：石榴石
　　磨料粒度：80目
　　磨料密度：3．9—4．1 g／cm3
　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　3 1磨料水射流切割石材機(jī)理分析
　　磨料水射流切割石材原理如圖2所示。當(dāng)高壓水射流進(jìn)入混合室時(shí)，其流速可達(dá)到音速的2—3倍左右，在磨料入口處產(chǎn)生很大的負(fù)壓，抽吸來(lái)自磨料倉(cāng)中的石榴石磨料。石榴石在水射流的作用下產(chǎn)生較大的沖擊能量，經(jīng)磨料噴嘴射出對(duì)被加工石材表面產(chǎn)生很大的沖擊力。由流體力學(xué)可知，沖擊強(qiáng)度與射流速度的平方成正比。當(dāng)這種沖擊強(qiáng)度達(dá)到和超過(guò)石材的抗壓強(qiáng)度極限時(shí)．在射流沖擊處形成粉末狀的石材切屑。沿著磨料水射流噴嘴的運(yùn)動(dòng)方向，在石材上形成切口。
　　
　　3．2石材切口表面形貌分析
　　磨料水射流切割的花崗巖石切口形貌見圖4，其切口表面光澤整齊，沒有裂紋．切割質(zhì)量較好。石榴石磨料如圖3所示。切割過(guò)程中．帶有一定棱角的石榴石在水射流的沖擊下，形成了連續(xù)不斷的微切割刃。對(duì)石材產(chǎn)生一定的切削作用。石榴石作為一種切割介質(zhì)，其密度增大．沖擊強(qiáng)度增大．切割能力隨之增大。
　　
　　圖5是純水射流切割的花崗巖石切口形貌。加工時(shí)，卸掉圖2中的混合室，水射流直接從藍(lán)寶石噴嘴中射出。當(dāng)壓力為200 MPa時(shí)，在水射流的沖擊下使石材表面形成了不規(guī)則的崩裂碎屑，且其切削深度較淺，難以切透石材。當(dāng)壓力為280 MPa時(shí)，在石材表面上形成較規(guī)則的切口，但其表面粗糙、在切口側(cè)面有微裂紋產(chǎn)生。純高壓水射流只能產(chǎn)生沖擊破壞而沒有磨料水射流的切割作用。
　　
　　一般大理石的抗壓強(qiáng)度為70～110 MPa，花崗巖石的抗壓強(qiáng)度為120～250 MPa。由于大理石的抗壓強(qiáng)度較低，所以用高壓水射流切割大理石比切割花崗巖石所需的壓力要低。
　　圖6為純水射流切割大理石切口表面的電鏡照片。從切口的電鏡掃描照片可看到，切口側(cè)面有許多微裂紋產(chǎn)生。這說(shuō)明高壓水射流除對(duì)石材表面產(chǎn)生垂直沖擊壓力外，對(duì)其切口側(cè)面還會(huì)產(chǎn)生剪切分力，從而導(dǎo)致切口形成不規(guī)則形狀，并伴有沖蝕裂紋產(chǎn)生。
　　
　　實(shí)驗(yàn)證明：磨料水射流加工石材質(zhì)量好，工藝參數(shù)易于控制，是一種好的石材加工方法。同時(shí)采用磨料水切割可以降低水射流系統(tǒng)壓力。降低設(shè)備制造成本。
　　3．3壓力對(duì)切割深度的影響及分析
　　磨料水射流切割石材時(shí)，由于磨料水在噴嘴處的流速較高．對(duì)石材形成的沖擊力較大，所以可獲得較大的切割深度。由流體力學(xué)可知．速度與壓力的平方根成正比，因此壓力的變化將直接影響石材的切割深度。
　　圖7是壓力與切割深度的關(guān)系曲線。當(dāng)磨料水射流的壓力增加時(shí)，其流速也將隨之增加，從而使磨料的沖擊動(dòng)能增大．石材切割深度增大。所以在石材加工時(shí)，對(duì)不同硬度、不同厚度的石材，要選擇不同的壓力，可以有效地提高切割效率和表面質(zhì)量。
　　
　　3．4 噴嘴移動(dòng)速度對(duì)切割深度的影響
　　圖8所示是噴嘴移動(dòng)速度與切割深度的關(guān)系曲線，通過(guò)對(duì)曲線的變化關(guān)系分析可知，隨噴嘴移動(dòng)速度的增加。石材的切割深度降低。這是由于噴嘴移動(dòng)速度增大。會(huì)使磨料水射流對(duì)石材的垂直作用力減小，水平方向分力增大．致使切割深度減小，同時(shí)切口表面呈不規(guī)則的崩碎狀。當(dāng)噴嘴的移動(dòng)速度達(dá)到30 m/h時(shí)，磨料水射流對(duì)石材的垂直切割能力大為減弱，而水平方向的剪切應(yīng)力增大．從而失去了垂直方向的切割能力，在切口表面產(chǎn)生很大的橫向沖擊力，使切口處形成較大的崩碎裂紋，導(dǎo)致切割深度降低，切口表面質(zhì)量下降。
　　
　　3．5 切割靶距對(duì)切割深度的影響
　　磨料水射流噴嘴靶距的變化．將直接影響射流的集束性和切割沖擊力。切割石材時(shí)合理地選擇靶距，可以提高切割效率。圖9是靶距與切割深度的關(guān)系曲線。隨噴嘴靶距的增大．磨料射流水的集束性逐漸降低，使磨料的沖擊動(dòng)能降低，其對(duì)石材表面的沖擊力也隨之減弱，所以切割深度隨之減小。
　　
　　4 結(jié)論
　　1)磨料水射流切割石材的切口表面質(zhì)量比純水射流要好。
　　2)噴嘴移動(dòng)速度增大，磨料水射流切割能力降低。噴嘴靶距增大，磨料水射流集束性降低，切割能力降低。所以應(yīng)選擇合理的切割速度和靶距以提高切割效率。
　　3)磨料水射流適于切割高硬高的石材，高壓水射流適于切割中軟硬度的石材。
　　 參 考 文 獻(xiàn)
　　l LARS KAHLMAZ at all.Abrasire Water Jet，American Ceramic Society Bulletin，1993．72(8)
　　2 光明皮等前混合式磨料射流壓其切割特性中國(guó)安奎科學(xué)學(xué)報(bào)，1995(5)