摘 要 对高压磨料水切割工程陶瓷机理进行了研究，分析了工程陶瓷破坏机理，通过实验论证了切割参数对切割深度的影响。
关键词 高压磨料水工程陶瓷射流技术
分类号 TG664TH145.11
1 前言
工程陶瓷具有耐磨、耐腐蚀、硬度高等多种优良性能，是一种很有希望的新材料。由于工程陶瓷具有较高的硬度和耐磨性，因此用传统的金属切削加工方法很难加工，目前对陶瓷的加工主要采用超声波、激光等特种加工方法来实现。本文采用高压磨料水射流切割工程陶瓷，并通过实验研究探讨了主要工艺参数对切割深度的影响。
2 高压磨料水加工工程陶瓷的基本原理
2.1 加工原理
高压磨料水加工工程陶瓷原理如图1所示，当高压水射流进入混合室时，水的流速可达音速的2-3倍。因此在磨料入口处将产生很大的负压抽吸来自磨料仓的磨料。当磨料与流经喷嘴的水混合时，将产生很大的磨料水射流冲击力共同作用在工程陶瓷上。由于工程陶瓷是脆性材料，当其表面受到强大冲击力时，将产生一定长度的裂纹，随着冲击力的增大，裂纹不断扩展，切屑从陶瓷表面脱落。
图1 高压磨料水切割陶瓷原理
1.磨料 2.高压水 3.蓝宝石喷嘴 4.混合室 5.磨料水喷嘴 6.陶瓷
2.2 高压磨料冲击裂纹的形成
高压磨料水切割工程陶瓷所使用的磨料为天然石榴石磨料，由于磨料带有很多棱角呈现不规则形状，磨料在高压水的带动下对陶瓷工件进行冲击时，磨料本身起到一个冲击压头的作用，这样就在工程陶瓷表面产生局部裂纹，产生裂纹的临界负荷为Pc。
α—与压头的几何形状有关的参数；
kic—工件材料的断裂韧性；
Hv—工件材料的维氏硬度。
当冲击力大于Pc时裂纹扩展，形成切屑。磨料在对陶瓷冲击时，由于其磨料连续冲击，对陶瓷产生微切削作用，因此加速裂纹扩展的同时还在其表面产生一定的犁沟。陶瓷表面裂纹与犁沟如图2的SEM照片所示。
图2 高压磨料水切割Al2O3陶瓷的断口形貌(500×)
2.3 高压磨料水冲击的动力分析
高压磨料水对陶瓷的冲击力如下式所示
F=(ρ0+ρ) . av2
ρ—水流的密度；
ρ0—磨料的密度；
a—磨料喷嘴的截面积；
v—磨料水射流速度。
通常v与水的压力P成正比，即
v=k0p1/2
其中：k0为比例系数。
因此冲击力与水的压力P也为正比，即
F=k0a(ρ+ρ0)P
3 实验研究
影响陶瓷材料切割深度的因素很多，主要有压力、切割速度、靶距、磨料粒度、喷嘴直径等。本文仅考虑在其他条件一定的情况下，切割压力与切割速度对切除率的影响。
本实验是在高压水切割机上进行的，最大压力为400MPa,最大流量为（4-8）L/min,最大功率为55kW,高压喷嘴采用蓝宝石，喷嘴直径为0.3mm,磨料采用石榴石，粒度为60目，混合方法为后混式，混合腔喷嘴直径为1.1mm,切割速度范围为（0-30）m/h。工程陶瓷采用Al2O3和B4C。其物理性能如下表所示。
陶瓷的机械性能表
Al2O3与B4C的切口宽度与混合腔喷嘴直径一致，由于Al2O3比B4C较软，因此Al2O3切口较B4C的切口平整，高压磨料水切割工程陶瓷的切割深度主要取决于压力P与切割速度v,图3为压力与切深之间的关系曲线。从图中可以看到，切割压力增高，切割深度增大。这是因为切割压力增大，冲击力增大，因此切割深度增加。这与上述理论分析一致。图4为切割速度与切深之间的关系曲线，从图中可以看到，切割速度增加，切深反而下降，这主要是由于切割速度的增加，垂直冲击力减小，水平切割力增加，切割深度减小。
图3 压力与切割深度的关系（切速6mm/min,靶距3mm）
图4 切速与切深的关系（压力310MPa,靶距3mm）
4 结论
使用高压水切割工程陶瓷是一种切实可行的方法。从两种试件的切口上看，由于Al2O3的硬度比B4C较低，Al2O3的切口较B4C的切口平整，表面粗糙度也比B4C的低。石榴石磨料的莫氏硬度一般为7.5-9,较Al2O3和B4C的硬度低，因此使用时石榴石磨料破损严重，比切割其它材料效率低。通过实验分析得到切割深度与压力成正比，与喷嘴移动速度成反比。
