磨料水射流切割過程

研究磨料水射流的切割過程，關(guān)鍵在于研究切割前沿的形成，根據(jù) Hashish 采用高速攝像儀拍攝磨料水射流切割透明有機(jī)玻璃的研究[21]和 Mazurkiewicz 采用高速攝像儀拍攝磨料水射流橫越試件時(shí)的切割和穿透過程[23]，得到了磨料水射流切割的切割前沿移動(dòng)過程，如圖 3.1 所示。

從磨料水射流切入材料開始，隨著噴嘴的移動(dòng)，磨料水射流也向右移動(dòng)，但由于磨料水射流不是剛性的，且下方材料還沒有被切穿，射流束從上到下會(huì)發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，直到到達(dá)切割深度，此后切割過程循環(huán)進(jìn)行，直至噴嘴從上方移出材料范圍。對此，Hashish 博士根據(jù)其系列實(shí)驗(yàn)提出了磨料水射流切割中材料移除的兩段理論，該理論認(rèn)為，磨料水射流切割是一個(gè)不斷的循環(huán)過程，單個(gè)的循環(huán)由上部的切割磨損區(qū)和下部的變形磨損區(qū)構(gòu)成[74]，并提出切割表面波紋的產(chǎn)生原因即是由于切割磨損過程和變形磨損過程的交替出現(xiàn)，如圖 3.2 所示。

沈忠厚院士根據(jù)以上透明材料切割研究以及金屬材料斷面形貌分析，提出了如下的磨料水射流切割過程中切割前沿的成型機(jī)理磨料水射流切割材料時(shí)，在一定的給進(jìn)速度下，射流的一部分以恒定速度射向材料，另一部分則隨著射入深度增加，其切割效力減弱，于是切割面沿給進(jìn)相反方向出現(xiàn)彎曲，如圖 3.3a；彎曲切割面軸線與原射流軸線之間的角度，從射流進(jìn)入材料處開始逐漸增大，磨料水射流隨之沿給進(jìn)相反方向偏轉(zhuǎn)越來越大。但由于磨料自身慣性較大，并不隨水射流載體偏轉(zhuǎn)，因而導(dǎo)致磨粒與水射流分離和磨粒的局部過分沖蝕。磨粒加速度越大，分離折射角越大，集中沖蝕越劇烈。磨料局部集中沖蝕使得沿切割面的磨削量明顯增加，從而在切割面上形成階梯，因此，在形成階梯的沖蝕中，階梯以上射流偏轉(zhuǎn)角不斷增大，射流偏離切割面越遠(yuǎn)，階梯以下的磨削量越小，直至上部階梯與原射流方向垂直，如圖 3.3b 所示。隨著切割給進(jìn)，切割面重新轉(zhuǎn)變?yōu)槠交懈钅ハ?，至此循環(huán)完成了一遍，如圖 3.3c 所示。

Zeng 與 Kim 在 1992 年通過對脆性材料的切割過程的研究，提出了如下的模型以解釋磨料水射流中的階梯現(xiàn)象[25]，整個(gè)過程如下：切割過程開始時(shí)，射流從右邊開始給進(jìn)材料，此時(shí)的切割是一個(gè)平滑的過程，直至射流束進(jìn)入材料，如圖 3.4a 所示，這一階段的材料移除由初始射流造成，是一個(gè)穩(wěn)定的階段；此后隨著射流的繼續(xù)給進(jìn)，在原始射流束后方（切割的反方向）的材料開始受到發(fā)生偏轉(zhuǎn)后的射流的二次沖擊，這導(dǎo)致了材料移除率的突然變化，因此切割前沿曲線也會(huì)跟著突然改變，這就是一個(gè)臺(tái)階形成的開始階段，如圖 3.4b；隨后，由于射流會(huì)沿著該臺(tái)階的上表面偏轉(zhuǎn)，該臺(tái)階開始變長，并成為其下方材料的保護(hù)層，但當(dāng)該臺(tái)階成長到一定程度時(shí)，它所承受的射流的侵蝕能力超過了其強(qiáng)度，射流開始逐步移除其上表面的材料，至此一個(gè)穩(wěn)定的臺(tái)階形狀成型，并保持其外形逐步下移，如圖 3.4c 所示；在上一步穩(wěn)定的臺(tái)階成型并向下逐步移除的同時(shí)，射流還在向前給進(jìn)，臺(tái)階前方的材料也會(huì)像該臺(tái)階的形成過程一樣形成新的臺(tái)階并被穩(wěn)定移除，并且隨著射流的給進(jìn)，前方的材料也會(huì)不斷循環(huán)這一過程，如圖3.4d 所示；但同時(shí)需要指出的是，新生成的臺(tái)階并不會(huì)馬上與原有臺(tái)階合并成一條曲線，而是會(huì)從上至下逐漸覆蓋原有臺(tái)階的形貌，當(dāng)有多個(gè)臺(tái)階同時(shí)存在時(shí)，就會(huì)根據(jù)同一時(shí)刻承受射流移除更多的臺(tái)階形貌來改變整個(gè)切割前沿的形貌，如圖 3.4e 所示。

 以上兩種模型均是從磨料粒子侵蝕材料的角度對磨料水射流切割過程中的臺(tái)階現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，并對切面波紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并且按以上兩種模型分析，射流中的磨料顆粒并不隨著射流的偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，則必然會(huì)出現(xiàn)磨料顆粒在撞擊材料后突破射流界限進(jìn)入空氣中的現(xiàn)象，但實(shí)際情況中并沒有觀察到相應(yīng)的現(xiàn)象。本文認(rèn)為上述兩種模型都是將磨料水射流切割過程看做了簡單的磨料顆粒對材料的撞擊與移除，而沒有考慮整個(gè)過程中磨料顆粒與水之間、磨料顆粒之間的相互作用。實(shí)驗(yàn)研究表明，兩相流的流體相與顆粒之間以及不同尺寸顆粒群之間存在相對滑移，這不僅是湍流擴(kuò)散的結(jié)果，還因?yàn)橄嚅g存在時(shí)均速度差，通常在多相流動(dòng)中，相間滑移既存在于沿著軌道的運(yùn)動(dòng)中，又存在于沿軌道兩側(cè)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)然以前者為主。岑可法發(fā)現(xiàn)在氣固燃燒爐中煤粉在爐內(nèi)噴嘴出口處其速度和氣流速度之比在 0.95-0.98 左右[76]，兩相之間一直存在速度梯度和相間滑移，并始終相互作用。而考慮磨料顆粒質(zhì)量遠(yuǎn)大于煤粉顆粒，且后混合射流的相間混合方式使得磨料顆粒很難進(jìn)入水射流核心區(qū)，即水射流速度、能量的區(qū)域，磨料顆粒與水之間的速度梯度與相間滑移必然遠(yuǎn)大于煤粉與空氣。而在磨料與水同時(shí)與材料發(fā)生撞擊時(shí)，由于材料的移除主要是磨料顆粒的作用，且磨料的密度遠(yuǎn)大于水的密度，磨料顆粒的速度損失必然遠(yuǎn)大于水，因而會(huì)隨著隨后而來的射流相互作用并發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)以上分析，在磨料水射流切割過程中，水的速度始終大于磨料顆粒的速度，并且在磨料水射流形成階段，也是先生成高壓水射流，然后磨料在自重與負(fù)壓的雙重作用下被吸入混合腔的，因而與材料接觸的是純水，但因純水切割能力不強(qiáng)，只能在材料表面形成輕微的痕跡或是直接被反彈開，而最初與磨料顆粒接觸并相互作用的水由于速度大于磨料顆粒，因而會(huì)越過磨料顆粒，然后磨料顆粒再被后方的水射流繼續(xù)加速，當(dāng)然這個(gè)過程中會(huì)發(fā)生紊流，但磨料顆粒始終是沿著水射流的軌跡在運(yùn)動(dòng)的。而在磨料顆粒與材料相互作用后，材料被磨料顆粒移除，碰撞后的磨料顆粒速度大減，并會(huì)根據(jù)與材料撞擊的角度與自身形狀發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并被后方射流再次加速，并再沿著射流的軌跡與前方材料再次發(fā)生碰撞，此過程會(huì)一直循環(huán)直至磨料顆粒隨射流軌跡射出材料。據(jù)此理論，磨料顆粒與材料的碰撞次數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于前人的分析，這可以解釋切割完畢后的磨料顆粒通常棱角基本都被磨平，并且與河道中淤泥類似的原因；并且在整個(gè)切割過程中水始終會(huì)比磨料顆粒先接觸材料，因而在出現(xiàn)較大的臺(tái)階導(dǎo)致射流反濺現(xiàn)象時(shí)，水會(huì)先反濺出來形成軌跡，隨后磨料在后續(xù)射流的帶動(dòng)下沿射流軌跡一同反濺而出，而不會(huì)出現(xiàn)磨料顆粒與水射流分離的情況。