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1、 水水切切割割和和激激光光切切割割工工艺艺的的综综合合论论述述一、水射流切割1.1 原理当压力为 0.20MPa0.37MPa 的高压水从内径约为 0.5mm 或更小的小孔中喷出时，可 以达到很高的速度（900m/s 以上） ，如果向这束高聚能的水流中混入小粒度的细磨料，磨 料就会获得很高的动能。当这束含磨料的高速水流喷到工件上时，磨料就对工件产生切削 作用。水流与磨料的混合原理如所示，高压水流从喷咀喷出时，会在混合腔内产生真空效应， 将磨料吸入混合腔内进行混合，就像常见的喷雾器使空气和水混合成雾的原理一样。在有 些装置中磨料是用压缩空气输送到混合腔的。加工所需的压力通常为 0.20MPa0.
2、37MPa.水压与磨料水射流速度的关系如所示。1.2 概况纯水切割早在 20 世纪 20 年代就开始在切割软材料中得到应用，但不能切割硬脆材料， 因此在 1974 年左右开发了磨料水射流切割工艺，解决了硬脆的复合材料加工问题。近 20 多年来，已将这种工艺作为新型切割工艺广泛用于航空航天和汽车工业等工业部门。水压达到 400MPa 时，高压水通过直径为 0.07mm0.45mm 的喷嘴后，喷射速度达到 900m/s（大于两倍音速） 。其动能相当于卡车以 90km/h 速度行驶时产生的动能，特别是在 水中加磨料变成“磨料水射流”后，切割力更强。目前用这种技术已能切割航空航天工业 中所用的碳纤维复
3、合材料，并认为是最能保证其质量的标准切割方法。磨料水射流也能切割凯芙拉、石墨、玻璃纤维等复合材料，如所示。该方法对聚酰亚 胺基体复合材料亦能取得同样的效果，还能切割金属基复合材料，如硼/铝蜂窝结构，碳化 硼/铝复合材料。高压水射流切割和磨料水射流切割与目前的常规方法相比，具有以下优点。1）可切割多种复合材料，如金属基复合材料、树脂基复合材料、高分子材料等。由于 磨料水射流的实质是利用剥蚀作用切削材料，所以，不论材料软硬、熔点高低都可切割， 尤其对硬度大、质脆的复合材料更为适用。2）切缝表面质量高，边缘无毛刺和飞边，不会出现剥离和开裂现象，也不会由于水短 暂暴露于边缘上而使材料性能下降。因此通常
4、一次完成，不需要精加工。在一般情况下， 切割 6mm 厚的复合材料零件，公差值为0.13mm，甚至可达0.0076mm，加工粗糙度为 Ral.0.6m6m.3）由于水本身就是切割工具，被切割材料不会受热变形，也不会产生磨损和卡刀现象。 适合切割热敏材料，如环氧树脂（当温度升至 200C 时，其强度大大降低） 。4）切割力小，尤其是沿进给方向和侧向的力小，从而避免了零件由于附加应力而变形， 对薄壁零件的切割非常有利。5）加工效率高。磨料水射流成功地切割了一些原来常规方法无法切割的复合材料，从这一意义讲，其加工效果难以用数字估量。6）经济效益好。磨料水射流切割的切缝较窄（0.76mm2.54mm）
5、 ，亦可进行套切， 可节省材料，特别是它能切割难加工材料和复杂形状。例如，波音军用飞机公司用水射流切割多层（一般为 6 层）石墨/凯芙拉或玻璃纤维增 强的复合材料，与手工操作相比，节省了 20 的材料和 40 的劳动量。美国阿克密克里芙兰 公司用磨料水射流切割石墨/环氧复合材料舱门，仅需 12min，加工质量高，原来每件工时 为 8h，刀具磨损快，加工成本高。由于水射流切割属于点切割，因此切割时，一般不在零件上钻工艺孔，零件上任意点 都可作为起点。为了使水射流切割系统满足高效率加工，该系统采用了许多技术，如 CAD/CAM、5 轴机械手、CNC 控制的 x-y 定位工作台，因此这种系统能实现一
6、机多能、 自动化和数控化。目前在生产线上广泛采用数控水射流切割机或数控水射流切割机械手， 能够进行外形、开孔、内孔等多种加工。1.3 水射流切割技术的近期发展1.3.1 水射流切割的基础理论研究1.3.1.1 水射流在使用纯水射流进行切割时，射流的聚合长度很重要，它由进口角度，平行断面长度 等因素确定。美国弗洛公司对 Paser喷嘴改进了上段流体的速度分布，从而使喷嘴射出的 射流结构最佳，提高了切割效率。一些研究表明，在喷嘴和工件之间距离最大的情况下进行切割，需要采用抛光的圆锥 形喷嘴，也可以采用长链聚合物，可使水分子粘结，从而明显地减少水射流的消耗。1.3.1.2 磨料水射流目前，有两种方式
7、产生磨料水射流，水在喷嘴之前和之后加磨料。后者具有结构简单， 易于实现连续切割的特点，但保养和操作费用昂贵。而前者，在相同的切割力情况下可采 用较低的水压和较大的流量，从而可降低设备功率和操作费用，所以有很大的开发价值。 试验表明，从喷嘴射出含粒径为 0.25mm 的金刚石颗粒的高粘度聚合物水溶液射流，可切 割 6mm 厚的复合材料，切缝窄（小于 0.1mm） ，切割精度高。1.3.2 设备的研制和开发目前，弗洛公司和 Ingersall 公司是世界上主要的生产切割用的高压水射流设备的厂家， 弗洛公司生产的设备性能稳定，工作 1000h 未出现渗漏现象。该公司生产的新型切割系统 称之为 Pas
8、er，该系统改善了水流的速度分布，提高了射流的质量。由于采用新的水射流和磨料的混合管，使用寿命高达 80h，相当于原来的 10 倍，这样， 在使用数控机床进行连续大批量切割时，可降低由于混合管磨损造成的误差。采用新的磨 料水射流系统，可降低加工表面粗糙度，提高切割能力，切割玻璃纤维复合材料的速度可 提高 1 倍。来源于 二、激光切割2.1 概况最适合切割用的激光器有两种：CO2 激光器和高功率 CW-YAG 激光器。后者由于价格昂贵，一般用得少。目前还是以 CO2 激光器为主，因为其输出功率高，转换频率高，既 可连续工作，又可脉冲工作，波长为 10.6m，易于被材料吸收。由于复合材料对 CO2
9、 激光束产生的红外射线的吸收率高，在低功率密度（102103） W/cm2 下可进行深透加工，因此激光束适合切割复合材料。与其它方法相比，激光切割具 有以下突出优点。1）切缝窄，通常为 0.1mm0.4mm，材料利用率高。2）激光作用时间短，约为（10-110-4）s，所以激光切割的热影响区小，约为 0.06mm0.1mm.3）激光切割的深宽比大，对于复合材料可达 100 以上。4）激光切割速度快，切割硼/环氧复合材料的速度可达 12m/min；而切割丙烯板材为 机械切割法的 7 倍。5）激光既能切割平面工件，又能切割、加工立体工件，激光能量是无接触传送的，所 以切割硬脆材料能防止碎裂。用激光
10、束可较好地切割小于 0.5mm 厚的薄材。6）由于激光切割属于点切割，其加工灵活性好。可根据需要，从板材的任一点开始切 割形状复杂和有尖角的零件。7）对环境无污染，切割时无振动、无噪声、无尘、烟雾少。激光切割与数控技术结合，可实现自动化。数控切割的优点是：不用划线；零件形状 变化时，只需改变程序，无需更换工具就能切割各种形状零件，效率提高 820 倍；可套 切，且加工精度和重复精度高，可节省材料 2030.如 600WCW-CO2 激光器可切割各种复 合材料，切缝宽为 0.13mm，实际加工公差为0.001；不需要刚性夹紧，工件不受力，可 切割易变形的薄板零件。由于航空航天工业对复合材料产品需
11、求量的增加，用激光切割复合材料变得越来越重 要。用机械切割 2.45mm 厚的环氧基复合材料，需要手工修整和热封，加工一个零件需要 12h14h，而数控激光切割仅需 5min，效率提高 150 倍。在 356mm 厚的凯芙拉/环氧预浸料板上切割 16 个直径为 232mm 的圆盘，用激光切割 可取代两台带锯、1 台车床和两台钻床，所需时间为 5min.激光切割和机械加工两者所用的试件均由 3.5mm 厚的凯芙拉 49/环氧预浸料制成。抗 拉强度试验表明，激光切割的试件平均模量为 34GPa，平均抗拉强度为 580GPa，而机械加 工的分别为 31.9GPa 和 550GPa。由上可知，激光切割
12、经济效益显著，尽管激光切割机价格比普通切割机高 23 倍，但 激光切割机的折旧时间很短，在生产中充分利用设备的情况下，一年之内即可收回设备投 资。所以在美国和日本，激光切割加工占切割加工的 25。激光切割复合材料通常不产生熔化反应，熔化的材料周围不像金属那样形成蒸汽柱。 材料成分（树脂和纤维）的性质大大地影响产生热的机理，一般蒸发纤维所需能量比蒸发 树脂的高，因此切割复合材料所需的功率主要取决于纤维的种类及其含量。这些材料具有不同的热特性，通常所采用的典型值，因此，在切割复合材料时，当某 一部分可进行高速切割，而其它部分只能用低速切割时，如果用低速切割这部分材料，则 对另一部分材料有熔融、塌边
13、及炭化等恶劣影响，并在加工具有空腔那样不均匀的材料时， 这些影响则会使加速气流产生紊流，其结果形成不规则的切割面。这是由于激光所产生的 热量足以引起树脂蒸发，从而引起树脂富集区内的纤维蒸发所致。对于这种情况，需要高 速切割，而且要功率极大的激光器，采用这种工艺可切割传统方法难以切割的复合材料。凯芙拉纤维是随航空航天工业发展而普及的一种材料，也是非常坚硬的材料，以前用金刚石/硬质合金刀具切割，刀刃极易变钝，一般只能保持几分钟。使用目前的技术，用 250WCO2 激光器，以 12m/min 的速度能够切割 1.2mm 厚的凯芙拉/环氧复合材料，用 1kWCO2 激光器能够切割的最大厚度为 9.5m
14、m.为了避免切割面产生炭化，必须采用峰值功 率极高的脉冲激光束。同样，切割玻璃纤维，特别是碳纤维时，切割面也容易炭化，这是 由于碳纤维的导热性很好，切割时产生的热很快分散到周围的基体上，结果树脂受热而蒸 发或燃烧所致。影响切割质量的基本参数是：激光功率、工件材料、厚度、层数、焦距、辅助气体和 喷嘴设计。功率越大，可切割的厚度越大；切割速度越高，以保证有足够的功率密度。厚 的板材要求采用的焦距比薄板的长，以避免蒸发材料时消耗功率。切割时通过喷嘴将辅助 气体（如惰性气体 N2，A）与激光束同轴向同时喷射到工件上，可吹去熔化物，防止破碎 或燃烧。2.2 激光切割的发展动向2.2.1 数控化和综合化现
15、在先进的生产方式是采用计算机控制，这种生产方式适用于多品种、小批量、生产 周期短的零件加工，因此激光切割机采用了数控技术、高精度自动化的装卸定位系统。例 如，美国格鲁曼飞机公司研究的 41 型 750WCO2 激光切割机和 750 型二座标数控激光切割 机用于切割硼/铝金属基复合材料。2.2.2 小型化和组合化美国数控激光公司研制了 LL 系列数控高速轴流激光加工中心，输出功率为 500W600W.LL-500 五座标数控激光加工中心专为切割大型飞机零件而设计的。该加工中 心的占地面积减少到原来切割机的 1/10.美国休斯公司研制出功率为 500W 的数控 CO2 激光切割机，该机与 CAD/
16、CAM 相连， 可实现设计制造一体化，对产品试制特别有利，如果使用智能接口和专家系统，切割精度 和质量可提高 1000 倍。三、结束语：随着科学技术的迅速发展，各行各业都很重视复合材料的应用，尤其在航空航天工业 中的应用，所占比例将逐渐上升，因此对复合材料加工技术发展极为关心。激光切割和高压水射流切割作为热、冷加工技术，尤其适合于常规方法不经济和不适 用的许多应用中。业已证明，这两种技术能够最有效地切割复合材料，国外已在生产线上 应用。目前，我国正处于研究开发阶段。为满足航空航天产品的需要，应着重引进、研究 和应用这两种技术，并开展相应的工艺试验。这两种技术与 NC、CNC、CAD/CAM 及 “工件不动，切割头动”的结构相结合，既不损坏工件表面，也不需要夹持工件。
