磨料水射流切割工艺参数的实验研究

磨料水射流AbrasiveWaterjet，AWJ）是高压水射流技术的一个分支，它是以高压水射流为载体，将磨料粒子与水射流混和加速后实现对物料的作用。影响磨料水射流切割深度的工艺参数很多，其切割机理较为复杂，目前还尚未形成统一的理论。通过大量。

水射流的喷射压力是影响水射流切割的一个重要参数，它决定了射流对材料的破坏能力。在一定的喷嘴尺寸和结构下，水压主要影响到射流的速度，水压越大，水射流的速度就越高，其动能也越大，磨粒也能获得更大的动能，射流切割能力增加，因此，能够达到的切深就越大。在特定的条件下，存在*小临界值，当水压小于该值时，射流不具有切割能力，将的压力-切深关系曲线延伸到与压力坐标轴相交，就得到了*小切割压力。

射流压力p（MPa）射流压力与切割深度的关系细）和粗（0.850mm或更粗）的磨粒效果好。这是因为决定被切割材料破坏能力的是磨料水射流总的打击力和磨粒的微切削作用，以及磨料水射流的冲蚀作用。当磨料浓度一定时，粒径越小，射流中总的颗粒数越多。小颗粒的质量小，容易被加速，而大颗粒则难以被加速。当磨料射流中的颗粒粒径较小时，虽容易被加速，而且对混凝土的冲击频率也较高，但由于其质量轻，*终获得的动能也小，因此对混凝土的冲蚀能力较弱，此时的切割深度也就较小；反之，在磨料浓度一定时，随着粒径增大，射流中的颗粒数减少，而且由于惯性及流体阻力的作用，大颗粒的加速减慢，导致其切割能力下降，所以粒径太大时，切割深度也会减小。

另一方面，磨料颗粒是有锋利棱角的粒子，把特别细的磨粒尺寸增大时，磨粒的锋利程度也会增加，对混凝土的微切削作用的冲蚀能力都增加，使得切割深度增加；而当磨粒尺寸增大到一定数值时，再增加磨粒尺寸，磨料粒子太大，表面相对较光滑，锋利程度减小，对混凝土的微切削作用和冲蚀能力都有所减弱，也会使得切割深度减小。综合这两方面的原因，必然存在着一个*佳的粒径值，既使射流中具有足够多的颗粒数，又使得颗粒获得足够大的动能，从而保证*有效地切割混凝土。

磨料粒径与切割深度的关系表明，磨料流量对切割深度有很大影响。它们的关系曲线是一个凸曲线，也就是说，对应着*大切割深度存在一个*佳磨料流量的选用范围。刚开始增加磨料流量时，切割深度增大，曲线呈上升趋势。这是因为磨料流量增大，单位时间内由磨料喷嘴流出的磨料个数增多，对混凝土冲击频率增强，混凝土破坏程度加深。但受磨料水喷嘴直径的限制，磨料流量有一个界限值。超过这个界限值，射流中磨料颗粒的密度太大，拥挤的磨料颗粒将导致磨粒之间产生干涉，使得冲击的有效次数下降。磨料水射流具有的总能量是由设备确定的一个固定值，磨料颗粒过多，单个磨料颗粒具有的动能减小，使得磨料流速相对降低。由于流动性能降低，流出喷嘴时的阻力损失增大，颗粒与颗粒之间的碰撞加剧，导致射流能量的损失增大，从而减弱了磨料颗粒对混凝土的冲击能力。所以随着磨料流量增大到一定值后，再增加磨料流量，切割深度反而会减小，曲线呈下降趋势。

磨料流磨料流量与切割深度的关系由图的曲线变化趋势可分析得出，高压磨料水射流切割混凝土时，其靶距存在一个界限值。当靶距略小于这个界限值时，切割深度大致相等，但靶距过小时，由于射流反溅严重，切割深度反而下降。靶距一旦超过这个界限值，切割深度急剧减小。这是由于随着喷嘴靶距的增大，射流中卷吸的环境介质增多，导致平均速度下降，磨料水射流的集束性逐渐降低。因而，磨料粒子所具有的动能减小，使磨料的冲蚀动能减弱，其对混凝土表面的冲蚀力也随之减弱，切割深度随之减小。对混凝土切割加工，合理地选择靶距，能够有效地提高切割效率，并且靶距的选择对切割加工质量也有一定的影响。

3.5材料性能对切割深度的影响被切割加工材料的力学性能，也是影响切割深度的主要因素。磨料水射流在切割加工过程中，被切割材料的抗拉强度、抗压强度、冲击韧性、弹性模量及硬度等参数指标均对切割深度有一定的影响，经对实验结果和混凝土破坏过程分析，被磨料水射流切割加工的混凝土，从表面裂纹的初生、扩展直至微观粒子从块体材料上分离的先期裂纹的扩展，均出现压应力作用，也就是说，混凝土的抗压强度对切割工艺影响很大，因此，在本实验中主要考虑材料性能中的抗压强度对切割深度的影响。

实验中取抗压强度分别为3MPa（C3）、4MPaC4）、MPa（C5）的三种混凝土试块。其他实验条件为：压力p为6MPa，切割速度v为0.91m/min，切割靶距L为120mm，磨料流量Q为4.0kg/min，磨料粒径D为0.850mm.抗压强度与切割深度的关系曲线图略。

由曲线变化趋势可以看出，切割深度随着试件抗压强度的增加而降低，这是因为试件抗压强度的增大，其抗冲蚀动能的能力有所增加，而磨料射流冲蚀的切割深度也将有所减小，所以物料的抗压强度是选择切割*佳压力的先决条件。物料抗压强度大，选择的切割压力也应增加，横移速度应减小，从而来提高磨料射流的切割深度。实验中还发现，对于较厚的试件，如不能一次切穿，则在割缝底部由于射流的漫流与回流作用可形成极不规则的冲刷坑，从而大大影响割缝的质量。因此，对于较厚的工件应尽可能一次切穿为宜。

4小结通过大量的磨料水射流切割混凝土实验，研宄了磨料水射流切割的各主要工艺参数对切割深度的影响，总结如下：切割深度与射流压力呈线性关系，随着射流压力的增力口，切割深度明显增大；在一定范围内，磨料流量增加，切割深度相应增加，但当磨料流量达到一定值后，切割深度随流量增加反而下降；切割深度随磨料粒径的增加呈先增加后减小的规律，存在一极值点；切割深度随切割速度的增加呈指数衰减。切割速度增大，切割深度明显下降，切割表面的质量降低；在靶距由小到大的变化过程中，存在一*佳靶距，超过这个界限值时，随着靶距的增大，切割深度急剧减小，切割表面质量降低。

混凝土试件抗压强度对切割深度有一定的影响，抗压强度越大，切割深度越小。

由于磨料水射流切割工艺参数对切割深度和切割质量影响比较复杂，参数之间是相互影响的，所以目前主要是开展一些单因素的实验研宄，多因素联合作用结果的研宄正在进行中。