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切割工艺的比较
来源: 时间:2026-01-26 浏览:212
在各种材料的水刀切割工艺方面,除了传统的机械切割和氧一乙炔火焰切割工艺外,随着加工手段的完善和技术的进步,又出现了一些非传统的,亦即所谓特种加工工艺,它们都以其特性和加工适应性在切割工艺中占有一席之地。常见的特种加工工艺除了水射流、磨料射流加工外,还有如下几种: (1) 激光加工。近年来应用越来越广泛。典型的激光切割器应用钕钇_铝-石榴石(Nd:yag)激光器或二氧化碳(co。)激光器。通常,一个Nd:yag激光器能产生的功率级别为6.5×10W/C㎡,工作在较短的波长,在相同的输入功率下
      在各种材料的水刀切割工艺方面,除了传统的机械切割和氧一乙炔火焰切割工艺外,随着加工手段的完善和技术的进步,又出现了一些非传统的,亦即所谓特种加工工艺,它们都以其特性和加工适应性在切割工艺中占有一席之地。常见的特种加工工艺除了水射流、磨料射流加工外,还有如下几种:
(1)     激光加工。近年来应用越来越广泛。典型的激光切割器应用钕钇_-石榴石(Ndyag)激光器或二氧化碳(co)激光器。通常,一个Ndyag激光器能产生的功率级别为6.5×10W/C㎡,工作在较短的波长,在相同的输入功率下比C(L激光器能更有效地将热量传人工件中。Ndyag激光器的典型切口具有较少的微裂纹和较小的热影响区。但另一方面C02激光器可输出较大的功率,典型的Ndyag激光器功率为400W,而COz激光器的功率级别为500-5000w,这样有利于切割较厚的材料和得到较快的切割速度。 根据材料性质的不同,Ndyag激光器钻0.5mm直径的孔,而CO。激光器可钻大约2.0mm直径的孔。通常,激光器钻的孔在所钻深度上有大约1%的锥度,通过力学性能控制可小到l。,激光切割的最小切缝一般为o4mm左右。激光切割中的一个问题是存在一定的热影响区(尽管很小)和表面要产生一些微小损伤,为此在切割过程中需要某些气体的协助。

    (2)等离子炬切割。通常一个工作在220V. 20 - 50A,使用o5MPa压缩空气的等离子炬切割器,能以65cm/min的速度切割1㎝厚的低碳钢。等离子切割3cm厚的因康奈尔718合金可获得比磨料水射流快达20倍的速度,特别当磨料水射流进给速度下降以降低切缝的锥度和使切缝下边缘得到较小的粗糙度时更是如此。然而,水射流系统不会留下热影响区。一般等离子切缝宽为0.5-1. 75cm,而磨料水射流的切缝宽为0. 751. 5mm,这在材料的消耗上也形成了一定的差异。

    (3)电火花加工。在金属材料的外形加工方面,电火花加工(EDM)有重要的作用,这种技术通过在一个电极和浸没在电解质液体中的靶材之间产生电火花来进行切割和钻孔。首先,电火花在金属表面烧蚀出一个坑,然后将成形电极置人其内,以电极的镜像方式加工。经过改进后,简单的电极可用于切割所需的形状,通过计算机的控制移动电极以切出所需的空穴,可以调节电火花以达到所需的表面粗糙度,材料的切除速度随所要求的表面质量而变化。如要求4r/m的表面粗糙度时,采用25A的电路,可以2.6-6. 5cm3/h的速度腐蚀材料,电极的磨损量为9% -19%之间。在较快的粗加工中,可得到8.8-15. 7cm3/h的切割速度。

    (4)电化学加工。电火花加工的一个变形是电化学加工(ECM),这时刀具作为阴极而工件作为阳极浸泡在电解液中,典型的功率级别为200-40000A7-25V直流电,其加工速度可比电火花加工大大提高。当工作在8V250A电源下,电解液为质量分数为15%的硝酸钠溶液时,若刀具以1600r/min旋转时可去除0.5mm的毛刺,在实际生产中可在30s内为一台涡轮透平增压器的铝制部件去除毛刺。

    (5)超声波加工。超声波加工(USM)是一种用砂浆喷嘴在成型刃具和靶材之间加入砂浆进行加工的一种技术(见图15 - 37)。成型刃具安装在一个声波传导器的末端,以大约20000Hz的频率在0.025-0. 050mm范围内振动。

    超声波加工通常局限于加工直径小于lOOmm的陶瓷零件,通常使用200#  - 80#(0. 066 -0. 01mm直径)的石英砂或碳化硼砂,可加工深度为65mm的型腔,精度可达到±0. Olmm或更好,体积切除量为0.4 -1. 3cHr2 /min。当用于在陶瓷上钻孔时,穿透速度为0. 25-1. 5mm/min,而表面粗糙度则达到R0. 4mm

    (6)磨料流加工。当需要对非常细小的孔进行去除毛刺或扩孔时,则可以采用磨料流(AFM)加工5mm),磨料根据靶材性质确定,可以是氧化铝、碳化硅、碳化硼、金刚砂,当磨料流体被迫通过需修整的孔眼时,它变得黏度更大,因而使得磨料颗粒沿孔壁均匀分布,当液体流动时,磨粒便均匀地磨光了通道表面,这种方法可产生的表面粗糙度大约为Ra0. 05mm,并可给小到0.2mm的孔眼去除毛刺,采用的工作压力一般为3. 5-lOMPa,磨料在黏性液体中的质量分数大约为66%,流量约为每冲程1升,一个冲程l-3min。实际应用中有工作在0.7-22MPa压力、流量超过308min的设备,并应用仪器来控制磨料流的方向和在需要研磨的地方使其加速。一般液体的黏度越低,表面粗糙度越高;较大颗粒的磨料加工速度较快,但较小颗粒的磨料在细小孔中产生的表面质量较高。

  上述各种加工方法由于加工目的和适应范围各不相同,因此要说孰优孰劣是不合理的,但是对某些加工作业若选择合适的加工方法和设定合理的工况参数,则不仅能大大提高加工速度,还能在被加工零件的性能保障、材料消耗、设备投资等诸方面得到可观的收益。为了有一个直观的说明,出了各种不同加工方法的使用功率范围和体积切除速度的比较,以供参考。   

上述两图尽管在一定程度上对各种加工方法进行了比较,但由于许多方法并不适用于相同的场合,或不是为较多的体积切除速度而特别设计的,因此有一定的局限性。例如,激光可产生非常窄的切缝,但体积切除速度较低;而超声波加工特别适合于线切割场合。有根据的比较应限于一种场合或一种单一的加工过程,对于线切割,切缝比能表示为产生单位面积的切割表面所需的能量( Jm),作为比较是一个更准确的术语。另外,应当考虑的一个因素是对额外精加工的需要,例如,尽管激光切割某些金属板材比磨料射流快,但去除热影响区是一项额外的工作,而磨料射流加工表面则不需要;再有对一些应用场合,其他加工技术同磨料射流相比可能具有一定的技术和经济上的优势,但磨料射流加工作业应用更广泛,具体表现在适用于不同的加工工艺,如线切割、车削、铣削、磨削、钻孔、修整等;可适于加工非常软或非常硬的材料,能够有选择地加工多种材料的合成物,并可切割相互重叠的、由不同材料组成的复合材料;在加工过程中产生的变形应力较小,无热影响区的影响,可根据实际需要采用合适的切割速度;工件不需要笨重的夹持装置,在机械手的辅助下可完成全方位加工,便于自动化、机器人操作和控制;水刀切割工具同工件不产生直接的硬接触等等。这些,都使得磨料射流成为具有广泛发展前景的切割工具。

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