以柔克刚,用水去切割刀具都难以切动的材料!

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利用高强度密度的材料可以提高效率,因此在许多应用领域都有要求,特别是在航空航天和其他移动部门。然而,由于刀具磨损,这些通常难以切削的材料的加工对传统制造技术提出了挑战。


磨料水射流加工由于刀具磨损低且与材料无关,是一种很有前途的加工难切削材料的替代加工技术。然而,磨料水射流加工是有限的生产几何形状时,通过材料进行切割。


这种限制可以通过磨料水射流磨铣操作来解决,而磨料水射流磨铣操作在另一方面非常耗时。为了应对这一挑战,该研究提出并研究了一种增强的磨料水射流铣削操作,目的是扩展可生产的几何形状。


这一操作包括两个切口,从工件的不同侧面插入,在他们的切口地面相交。因此,一块材料被分离,而不被切断的材料被完全切断。因此,该操作具有较高的聚合材料去除率。本文以“Efficient abrasive water jet milling for near-net-shape fabrication of difficult-to-cut materials”为题于2020年10月2日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》杂志上。


研究背景与实验


磨料水射流技术与传统的铣削、钻削和车削工艺相比,具有一些令人满意的优点。例如,刀具磨损与工件材料无关,材料表面对磨料水射流的切削能力没有影响,几乎所有材料都可以切削脆性和韧性。


因此,水凝胶技术是一种很有前途的技术,特别是用于制造金属基复合材料(MMC)、镍基合金、钛铝化物、陶瓷、陶瓷基复合材料(CMC)或碳纤维增强聚合物(CFRP)等难切削材料。由于设计轻量化和效率要求,这类材料的应用不断增加,磨料水射流技术在过去几年得到了进一步的关注,市场也在不断增长。


然而,磨料水射流加工所能达到的表面质量是有限的。如果表面粗糙度要求很高,例如气动部件,磨料水射流加工可能无法满足这些要求。因此,需要一个精加工操作,例如磨削。因此,所研究的磨料水射流技术被认为是一种近净形的制造技术。


传统的磨料水射流技术是对板材和其他平面材料的切割过程。然而,由于这一过程的生产几何结构是有限的,进一步的AWJ操作被提出和研究。车削、铣削和钻孔是磨料水磨具可以采用的一些工艺,并在今天得到应用。不带掩模的铣削是一个特别有趣的过程,因为这种操作可以进一步实现的几何设计。


图为AWJ工艺变化


一旦可以设计所有的切割,包括叶片和冷杉树连接的整个涡轮叶片可以通过有效的AWJ铣削操作来制造。在该研究中,钛铝化物被认为是工件材料。这种材料是上述高性能但难以切割的材料之一.这种材料能抵抗高应力和高温,同时提供比镍基合金更好的强度和密度比,因此有可能进一步改进重量轻的设计。此外,钛铝已部分用于燃气轮机。然而,用常规切削制造钛铝制品仍然是一个挑战。


一旦可以设计所有的切割,包括叶片和冷杉树连接的整个涡轮叶片可以通过有效的AWJ铣削操作来制造。


图为实验装置


在高速记录研究中观察到的开启角的主要影响如图所示。图中显示,对于凹形几何,平均开口角约高两倍。此外,对于凹面形状,射流前缘的开启角也是如此。


图为时差和喷气式开启角的主要影响因素


除了开角外,还分析了时差和喷头的强度。这一观测结果导致时差强度的线性增加。工件位置之间的凹形几何图形增加了。


图为主射流和二次射流对切口深度的主要影响


下图给出了应用实验结果。黑线标记目标切口。箭头条表示标准差。s切口的深度。图表显示,结果在目标切口周围分布良好。所有的裂口似乎都以一种足够的方式与目标切口相匹配。


图为应用测试结果:切口深度dK变切口深度的凸切口


图为应用测试结果:切口深度dK变切口深度的凹缝


高速记录的结果表明,凸、凹几何之间的开角存在着一般的差异。此外,测试还发现,所有的开启角在很高的时候都是低的。时差或射流前缘的切割强度很可能取决于开口角和射流偏转的强度。如果在工件上观察到一次射流外的一个点,二次射流的高开启角对这一点的影响很小,因为强度是分散的。然而,小的开角可能会对这一点产生强烈的影响。因此,在极低的切割角度下,二次射流的最大切削电位可用于凸几何图形。


类比试验的结果证实了这一假设,并使这一效果得到了评价。试验表明,二次射流产生的切口深度随切割角的增加或高度减小而增大。


图为凹缝切割过程中的影响


图为几何因子验证试验


最后进行了一次测试,以验证凹面几何因子的能力。几何因子的应用允许使用进给速度来制造精确的可变切口深度。


研究结论


该研究的目的是识别和评价在使用磨料水射流加工的可变切削深度dK(x)的切削过程中所发生的影响。进行了三次调查,包括使用高速摄像机的切割观察、类比试验和应用试验,测量和分析。该研究介绍并讨论了高速记录试验中观察到的影响以及这些影响在切槽过程中的相互作用。主要结果总结如下:


凹几何因子fa和凸几何因子fx被引入来描述恒定和可变切口深度之间的差异。凸几何因子对凸形状的射流偏转和射流前缘的减小影响进行调整。因此,凸几何因子依赖于半径r,并随着半径的减小而增大。凹几何因子补偿了更复杂的凸形状关系。


该因子考虑了切割调整后的角度的变化,因此依赖于切割路径c的角度,因此也依赖于半径r。与凸几何因子相比,凹几何因子对于凹缝上的每一点都是变化的。


在组合中,这两个因素允许调整参数的一个恒定的切口深度为可变的切口深度。因此,利用磨料水射流制造近净形的几何可能性得以扩展,允许制造涡轮叶片的形状。因此,磨料水射流铣削操作可以帮助有效地加工钛铝化物等难以切削的材料,并促进与这些材料相关的效率提高。


参考文献:Eckart Uhlmann, Constantin Männel & Thomas Braun Efficient abrasive water jet milling for near-net-shape fabrication of difficult-to-cut materials  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 685–693(2020)



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