05 Chapter5 abrasive jet.pptx

第1页：第三次作业

作业三：总结磨料射流切割延性材料的切割机理，并与纯水射流切割脆性材料的机理进行比较。

第2页：第五章标题页

章次

第 5 章

主题

磨料射流

学时

5 学时

第3页：第五章内容路线图

1. 磨料水射流的产生
2. 磨料射流参数对切割结果的影响
3. 预混磨料射流或磨料悬浮射流
4. 磨料射流的应用要点
5. 磨料颗粒的描述
6. 磨料射流切割物理

第4页：磨料射流的产生原因

纯水射流切割的优点

几乎无粉尘；冷态切割；无火灾隐患；无热应力或变形应力；可选择性切割；刀具不会变钝。

缺点

不易切割硬材料；切割效率低；在某些材料中引起分层并造成切口质量差；选择性切割受限。

第5页：提高切割能力的新型射流（一）

为提高水射流切割能力，已发展出多种新型射流：

1. 空化射流
2. 高频射流
3. 脉动水射流

第6页：提高切割能力的新型射流（二）

4. 使用聚合物添加剂
5. 升温水射流（热射流）
6. 磨料水射流

第7页：磨料水射流的产生方式

首套商用磨料水射流系统于 1983 年在英国问世，用于玻璃切割。此后磨料水射流可通过以下方式形成：

• 单水射流（侧向供给磨料）
• 多水射流（侧向供给磨料），汇聚式或平行式
• 环形水射流（中心供给磨料）
• 磨料层
• 磨料直接注入

第8页：磨料射流的六种型式

1. 单射流；2) 多射流；3) 环形射流；4) 外部混合；5) 磨料层；6) 直接泵送。

第9页：磨料射流的分类

磨料水射流（AWJ）

喷射后混入磨料的射流。

磨料悬浮射流（ASJ）

预先混合磨料的射流。

第10页：切割头结构与宝石喷嘴

典型配置：80 # 宝石孔口，配合切割头示意图说明。

第11页：混合管尺寸与切割头实物

混合管长度为 (80～100)d₀，配合通用切割头等比例实物图说明。

第12页：磨料水射流系统的组成

用于切割、车削与钻孔的磨料水射流系统均由以下共同部件组成：

1. 高压产生装置——泵
2. 磨料输送系统
3. 磨料射流喷嘴总成
4. 走刀与控制系统
5. 捕集器

第13页：增压器与磨料供给系统

增压器

压力一般大于 300 MPa

配套

磨料供给器、高压水

第14页：增压器示意图

增压器（配图说明页）。

第15页：磨料水射流的典型规格

水流量 Q_w

0.1 L/s

功率水平 W

40 kW 或更低

磨料供给率 Q_a

小于 25 g/s

磨料目数

#60～150

第16页：磨料水射流的工作原理

动量传递原理：在切割头中，从宝石孔口射出的承压水形成集束的高速水射流，随后该射流把周围的磨料颗粒与空气拖入混合腔与加速管（即磨料喷嘴），射出后形成磨料与水的混合射流。混合腔内压力因此下降，吸入更多磨料颗粒以维持射流的持续生成。

第17页：水与磨料的动量传递

• 水相施加的流体动阻力使固体颗粒加速，因此水只是加速磨料颗粒的介质。
• 混合流动的动态稳定性有限，通常使混合管较长才能获得集束的磨料水射流，一般为 (80～100)D₀。

第18页：磨料射流的切割本质

• 切割一般源于磨料产生的冲击作用，因此混合射流通常简称为磨料射流。
• 切割速率可通过调节水力、磨料与运动等参数来控制。

第19页：磨料射流的水力参数

A) 水力参数

水射流压力 (P)；水射流孔口尺寸 (d₀)；流体性质。

第20页：磨料与混合参数

B) 磨料与混合参数

磨料材质；磨料流量 (m_a)；磨料粒度 (d_p)；混合管长度 (l_m)；混合管直径 (d_m)。

第21页：走刀与控制参数

C) 走刀与控制参数

走刀速度 (u)；喷距 (SOD)；走刀遍数 (N)；射流倾角 (α_c)。

第22页：其他影响因素

D) 其他参数

磨料供给方式（吸入式或强制式）；磨料状态（干式或浆液）；喷嘴总成。

第23页：压力与磨料流量对切深的影响

• 压力越高，切深越大。
• 在一定限度内，磨料越多，切深越大。

第24页：压力与磨料流量的匹配关系

• 压力较高时可加入更多磨料，切深更大。
• 在固定压力下，磨料流量存在某一限度，超过后切深不再增加甚至降低。

原因是什么？

第25页：水喷嘴直径的影响

在某一限度内，水喷嘴直径越大，射流的水力功率越大，切深也越大。

思考：若水喷嘴直径继续增大，会出现什么情况？

第26页：流体类型对切割的影响

• 水的效果最好；
• 油的效果最差；
• 聚合物浓缩水的改善效果居中。

原因是什么？

第27页：磨料材质对切割的影响

一般而言，磨料由氧化铝换为石榴石、钢砂、碳化硅与玻璃珠时，效果依次变差。

第28页：磨料粒度的影响

• 在相同流量下，目数小则冲击靶材的磨料颗粒数少，冲击频率降低；
• 但目数过大，颗粒过小，其动量也随之降低。

第29页：其他参数的影响趋势

走刀速度、喷距与切缝数量等参数对磨料射流切割结果的影响趋势，与前面讲授的水射流情形大体相似，此处从略。

第30页：预混磨料射流的原理

预混磨料射流（ASJ 或 DIA Jet）

磨料在射流喷嘴上游与水混合，形成足够均匀的混合物，从而产生更稳定、更集束的磨料射流。

喷嘴特点

形状一般与水射流喷嘴相似，但通常采用更硬、更先进的材料以抵抗冲蚀。

第31页：预混磨料射流的生成

预混磨料射流的生成（配图说明页）。

第32页：两种射流的成分构成

在磨料水射流中，大量空气的存在使射流产生强湍流。

按体积计

空气占比高

按重量或质量计

磨料占比高

第33页：预混射流相比磨料水射流的特点

与磨料水射流相比，预混磨料射流的特点：

优势

磨料初速更高；磨料可被有效加速；在较低压力下即可实现有效切割；喷嘴结构可更简单；可用于远距离位置。

不足

设备、管路与喷嘴的冲蚀更严重；磨料输送容器在高压下工作。

第34页：改善表面质量的措施（一）

多遍精修

使射流走刀而不作横向移动。

磨料粒度

采用更细的磨料并增加走刀遍数。

第35页：改善表面质量的措施（二）

磨料材质

较软的磨料可改善表面质量。

磨料状态

磨料浆液更为有效。

第36页：形面铣削应用

磨料射流的其他应用：形面铣削（shape-milling）。

第37页：磨料射流的应用范围

磨料水射流的应用（配图说明页）。

第38页：磨料射流的钻孔工艺

打孔（piercing）

射流直接穿透形成孔眼。

开孔（trepanning）

沿孔周边切割成形。

磨孔（milling of holes）

以铣削方式加工孔。

第39页：打孔工艺要点

• 磨料射流打孔的工艺在很大程度上取决于靶材。
• 穿透速率随孔深增加显著下降。
• 材料过脆时，200～400 MPa 高压会因冲击载荷或水力压裂造成开裂。

第40页：开孔工艺要点

• 该工艺从预钻孔或磨料射流打孔开始。
• 射流移至孔的周边，以很小的倾角接近靶面。
• 射流偏移会影响表面波纹的均匀性。

第41页：磨孔工艺的优点

• 可加工直径小于射流直径的孔。
• 孔边缘粗糙度均匀。
• 孔径与孔位可获得高精度与重复性。
• 为盲孔加工提供了一种简便方法。

第42页：井下应用：射流射孔

磨料射流的井下应用：油井射孔。

第43页：井下作业系统构成

井下作业系统构成：泵、水箱、过滤器、套管、供水、修井机、服务喷嘴、爆炸射孔器、致密层、水泥环与污染带。

第44页：井下应用示意图

D) 井下应用（配图说明页）。

第45页：磨料颗粒的描述意义

磨料水射流的切割速率由其作用主体——磨料决定。水只是在切割前向磨料传递能量、并清除切屑的介质。事实上，除磨料流量外，磨料颗粒的密度、硬度、尺寸与几何形状对切割效率也有重要影响，因此必须为切割优化而准确描述磨料。

第46页：磨料的性能表征

• 磨料的密度／硬度等力学性能一般用其物质种类表示。
• 磨料颗粒的几何性能可用粒度与形状因子表征：筛分粒度；颗粒形状（球形度、圆度）。

第47页：磨料粒度的筛分方法

测定颗粒尺寸的方法很多，最常用的是筛分法。

筛分粒度

美国标准与中国标准。

射流切割常用范围

按美国标准筛为 #14～#140，对应公制 1.4～0.106 mm。

精细加工

磨料尺寸可小于 0.05 mm，目数可达 #400；面粉约为 #50、#60 与 #100。

第48页：球形度的定义

5.2 磨料形状因子——球形度 S：

S

S = d_e/d_m（0 < S ≤ 1）

d_e

按颗粒实际体积 V 折算的等效直径

d_m

穿过颗粒的最大截径

第49页：圆度的定义

圆度（0 < R ≤ 1）：棱角越尖锐，其平均直径越小，圆度也越小。

第50页：球形度与圆度的对比

球形度

以体积立方根与 D_m 之比确定。

圆度

以各棱角平均直径与 D_i 之比确定。

第51页：磨料射流的切割物理

磨料射流切割机理包括切削、疲劳、熔化与脆性断裂，这些机理通常不是单独作用，而是共同作用。

• 颗粒冲击切削——冲蚀
• 循环失效——疲劳
• 塑性变形——无循环失效时为熔化流失

第52页：Finnie微观切削机理

Finnie，1958

假设材料响应由其流变应力决定的塑性特征描述。

微切削

与小冲击角下的切削相关联，也可用微剥落、熔化、飞溅、嵌入、挤压与宏观剥落等现象解释。

第53页：延性材料的通用机理

切削磨损

发生在小冲击角下。

变形磨损

发生在较大冲击角下。

五个重要参数

冲击角、冲击速度、磨料粒度、磨料硬度与靶材性质。

第54页：切削区与变形区

上部较光滑部分

以切削磨损为主导。

下部波纹部分

以变形磨损为主导。

第55页：延性与脆性材料的差异

• 对延性材料，小角度下的切削磨损主导切割速率。
• 对较脆的材料，大角度下的变形磨损对切割影响更大。

第56页：脆性材料的断裂与塑性流动

• 切缝上部位置可见穿晶断裂。
• 切缝下部接近中部位置可见沿晶断裂。

第57页：判断题复习

1. 当颗粒棱角尖锐时，其平均直径较小，圆度较大。（F）
2. 纯水射流属于连续射流，而磨料射流与空化射流属于非连续射流。（F）

第58页：填空题复习（一）

用于切割、车削与钻孔的磨料水射流均由以下基本部件组成：

1. 泵；
2. 磨料供给系统；
3. 磨料射流喷嘴；
4. 走刀系统；
5. 捕集器。

第59页：填空题复习（二）

除水射流切割已有的优点外，磨料射流切割系统还具有以下优点：

1. 能够切割极硬的材料；
2. 功率需求更低；
3. 不产生分层；
4. 减少条痕。

第60页：填空题复习（三）

延性材料的材料去除现象一般可用切削磨损模型与变形磨损模型加以解释。

第61页：填空题复习（四）

磨料水射流可通过多种方式形成，包括：

1. 单水射流；
2. 多水射流；
3. 环形水射流；
4. 磨料层；
5. 磨料直接注入。

第62页：口头报告题

请按下列两种常用方法描述磨料射流产生的原理，并说明其在压力与流量、喷嘴寿命与应用方面的特征。