大尺度曲面復合材料水切割

超高壓水切割是近 20 年在國內(nèi)外得以開發(fā)、完善、成熟應用的工藝［1］，其技術優(yōu)勢在于:冷態(tài)加工，不改變被切割材料組織，避免其加工熱變形; 在加工過程中不改變材料的力學、物理和化學性能; 對被加工材料無任何選擇性，這一特點使其應用廣泛; 切縫質(zhì)量好、切割速度快，非常適應以碳纖維為主的復合材料板材加工; 它是非接觸式工藝，對材料不會造成應力破壞，不會產(chǎn)生粉塵，而且能夠像刀具一樣安裝在五軸聯(lián)動主軸上進行三維立體加工，具有切割、鉆銑、拋光等功能。應對特種材料加工是水切割的工程依托，復合材料是由 2 種或 2 種以上不同性質(zhì)的材料，通過復合工藝方法組成具有新性能的材料。由于各種材料在性能上互取，使復合材料形成強度高、重量輕、耐磨耐熱性好、抗疲勞性能強，減振性能好等諸多優(yōu)點，成為航空航天工程的主要材料，廣泛應用于機翼、機身等大尺度曲面結構件、運載火箭殼體等［2］。復合材料不同于大多數(shù)金屬，它不是各向同性而是各向異性。其加工一直是個工程難題，對于碳纖維復合材料，傳統(tǒng)機械加工方式會產(chǎn)生分層、變形、劈裂等問題，且切口光潔度差，只能進行初加工，且產(chǎn)生的超細粉塵嚴重危害健康。航空飛行器大型構件的特點是大尺度曲面復合材料零接縫切割對接，采用超高壓水切割五軸聯(lián)動平臺作業(yè)也是美國波音飛機制造公司的標準工藝。對于小至幾米大至十余米的成型曲面機翼、尾翼或機身蒙皮等構件，要實現(xiàn)平穩(wěn)定位、刀頭隨曲面保持法向橫移、射流以點線切入、高速高精度變化相對位置，而且實現(xiàn)隨機跟蹤監(jiān)測、調(diào)節(jié)、補償一體化，確保大尺度曲面的整體加工精度。而這一切超高要求，最重要的基礎設備就是超高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)與執(zhí)行機構。

2 基于效率的工況變化方向

水射流作業(yè)，壓力是實現(xiàn)功能的參數(shù)，流量是實現(xiàn)效率的參數(shù)［3］。即當實現(xiàn)一種作業(yè)功能的門限壓力達到以后，就該以提高流量來實現(xiàn)效率。然而，這一規(guī)律對水切割工藝卻不盡然。因為水切割工藝的流量增加將會加大噴嘴直徑，從而加大射流直徑，由此影響切割作業(yè)精度。也就是說，高精度、高速度的切割工藝工況變化方向只能轉(zhuǎn)向提高壓力參數(shù)?；谛实乃懈罴夹g研究也提出了相同的結論［3］。很顯然，水切割頭混砂管出口處的磨料粒子速度越高，射流動能效率越高

3 水切割工藝的確定與實現(xiàn)

如何將保持流量、提高壓力定量化且實現(xiàn)可靠運行，這一直是超高壓水切割技術的難題。通常水切割的門限壓力并不高，通用作業(yè) 300 MPa甚至 250 MPa 也能進行某些材料的切割。然而在較大材料領域的切割，則要提高切割速度和切縫質(zhì)量甚至切割厚度，我國通用的大路產(chǎn)品的額定壓力都定在 420 MPa，與國際產(chǎn)品保持了一致，實際使用的工作壓力基本都在 300 ～ 350 MPa，相應的射流流量在 3 L /min 左右。切割以機翼為主的大尺度曲面復合材料，其厚度大多在 3 mm 左右，以通用產(chǎn)品的壓力已夠用。但對大尺度工作的高精度、高速度作業(yè)要求，即作業(yè)過程中不允許停頓、更不允許重復，且要求法線切縫，輪廓粗糙度為 ± 0． 762 mm( ± 0． 03 in，美國波音公司要求) 。通過對美國 PAＲ 公司 420 MPa 產(chǎn)品應用( 工作壓力 350 MPa) 的長期應用和對相同材料的試驗證實，應當將額定壓力提高到 500 MPa，工作壓力不低于 400 MPa，射流流量仍為 3 L /min。顯然，確定了這樣一組工況參數(shù)面臨著增壓器的升級和整個系統(tǒng)承壓后部件與控制部件的可靠運行難題。為了保證 500 MPa 大流量增壓器的可靠運行，先期研制了等功率的 600 MPa 超高壓系統(tǒng)，得出以下設計經(jīng)驗。( 1) 承壓材料的選用。超高壓承壓零件大多采用 316 L 等高強度不銹鋼材料，栓塞為工業(yè)陶瓷，進出水閥組多采用 630，蓄能器則為不銹鋼與高強鋼的組合套筒結構。( 2) 結構參數(shù)的適應性。為了適應 500 ～ 600 MPa 超高壓單機 3 L /min 大流量的可靠運行，增壓器的結構參數(shù)優(yōu)化尤為重要。雖然隨著技術的發(fā)展，傳統(tǒng)設計對柱塞運行的線速度已被突破，但盡可能增大柱塞直徑、增加行程，減少往復次數(shù)仍是遵循的原則。只有這樣，才能提高往復動密封、超高壓密封的壽命指標。( 3) 組合密封設計。無論是往復密封還是靜密封的設計都一定是不同密封材料與形狀呈軸向組合排列的。它們可能順排、可能間置。但都必須考慮其軸向尺寸盡可能短，以保證柱塞的自由對中性。當然，密封段的潤滑與冷卻也須重視。( 4) 精細加工、結構緊湊。凡是超高壓承壓零件和水切割頭等都須遵循這一點。如進、出水閥組采用限程平板閥，進水流道和出水流道平行布置于中心線兩側(cè)的閥體上。這種設計使得余隙容積基本于柱塞行程空間。( 5) 簡單化零件設計。零件設計越簡單，超高壓工況越安全可靠。因此，承壓零件多以直筒狀且不采用螺紋連接。尤其是對切割頭的設計，其特點是水噴嘴、混合腔、混砂管的對中性尤為重要。

4 水射流機構的研究

大尺度曲面復合材料的切割是一個極其復雜的工程問題，水切割機作為成套設備，由超高壓增壓器、切割平臺、切割機構和控制系統(tǒng)構成。圖 2 所示為筆者研究的切割機構。其工作原理如下: 將水切割頭連接在五軸聯(lián)動的主立軸端由程控動作，超高壓水經(jīng)硬質(zhì)鋼管至水噴嘴和噴砂管。為了保證即時升壓至工作壓力，在切割頭上位增加一個氣動截止閥以控制射流。為了保證射流的突然中斷而不回水至砂管，將切割頭在混砂區(qū)設計成雙向管路，一路進砂，一路進氣。磨料經(jīng)砂筒有壓供給至門式橫梁上的中轉(zhuǎn)砂筒。再由其直接以軟管穿過旋轉(zhuǎn)盤向切割頭供砂。由于切割目的是大尺度曲面修邊，因此，在切割頭自帶“C”形管專用機構，其一是承接污水砂屑，其二是由橫梁上設置的真空泵將其回收至場區(qū)外進行砂水分離，確保無污染排放。整個機構在五軸聯(lián)動主立軸驅(qū)動下，“C”形管始終“卡”在工件周邊運動，射流始終與被切割曲面保持法向打擊。在這一閉環(huán)工作系統(tǒng)中，各部件、機構的成套性能設計至關重要，此外，“C”形管起著回收污水中轉(zhuǎn)的作用?！癈”形管必須承接強大水射流打擊力，因此，其內(nèi)部充填填充物以接受外力和消聲［4］。磨料采用有壓氣源供砂，真空泵則抽吸全部來自“C”形管的污水。這一切割機構可以換刀同時兼具在曲面工件上打孔的功能。由于“C”形管的設計，切割平臺無需預備大尺寸水箱，取而代之的是點陣柔性托架用以定位大尺度工件

5 應用實例

大尺度曲面復合材料水切割的應用實例是對機翼半件修( 裁) 邊，該工件長達 11 m，寬約 1 m，基本平面，邊緣為曲面。工件與點陣托架必須是相觸支撐，真空吸附。既不能強吸變形，又不能保持非接觸間隙，“C”形杯“卡”住工件沿曲線保持切割頭法向作業(yè)并運行，不能與曲面有任何碰觸，這就要求五軸聯(lián)動主立軸嚴格按操控程序運行; 射流工況壓力必須穩(wěn)定在門限壓力以上的較高級別段，一經(jīng)確認，不得出現(xiàn)超限脈動。而要做到這一點，水噴嘴和磨料噴砂管的完好是必要保證，即射流直線段必須足夠和一致; 系統(tǒng)必須保證磨料供應和干燥連續(xù)和均勻，這取決于強制供砂、砂閥控制、不回水和程序控制的穩(wěn)定性。一旦開始，在長約 30 m 的周邊作業(yè)期間不允許出現(xiàn)任何不穩(wěn)定工況或停車現(xiàn)象，因此必須在試走刀過程中得以確認。圖 3 所示為水射流與工件的相對位置。試驗結果與實際應用相吻合。當工作壓力處于低限，如 300 MPa，切縫就會不可預見地出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即表面有鼓包突出; 切縫還會不規(guī)則的出現(xiàn)“凸臺”現(xiàn)象，即切縫剖面與曲面呈現(xiàn)可見的非垂直現(xiàn)象; 另外，壓力的不穩(wěn)定也會導致切縫產(chǎn)生毛刺。這些試驗經(jīng)驗必須在應用中杜絕，因此，新一代的水切割機加工中心將工作壓力穩(wěn)定在 400 ～ 500 MPa 是一個實現(xiàn)高精度、高速度的標志。

6 結語

對于大尺度曲面復合材料水切割工程，提高工作壓力在 400 MPa 以上、流量為 3 L /min，可以適應高精度、高速度的加工要求。因此，無需增加流量，額定壓力為 500 MPa 的水切割加工中心可以滿足復合材料工藝。圍繞此工藝的試驗數(shù)據(jù)、數(shù)學模型、系統(tǒng)機構設計在實際應用中起到了指導性作用。