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　　摘要 本文依据实验结果，对磨料水射流技术切割石材的机理进行了分析和研究，同时分析和探讨了切割工艺参数对切割深度的影响。
　　ABSTRACT In this paper mechanism of abrasive water jet cutting of stone is analysed.Based on the result of experi-ment．the influence of cutting parameters on cutting deepness is discussed．
　　主题词 磨料水射流 石材 切割
　　KEYWORDS abrasive water jet stone cutting
　　
　　1前言
　　利用磨料水射流技术切割石材，具有加工效率高、切割噪声低、无粉尘污染、石材切缝窄、加工表面质量好、易实现微机自动控制等特点。同时可以方便地切割加工不同硬度、不同厚度的石材，特别是对于形状复杂的异形石材加工更具有优越性。我们利用国外引进的水射流加工设备，对石材切割工艺参数及其对切割深度的影响进行了实验和分析。
　　2实验条件及方法
　　本实验在高压水切割机上进行，其水射流切割机的外观如图1所示。切割时水射流的压力、流量、切割速度等参数由微机系统自动控制。切13的深度用刻度探针和游标卡尺沿切1：3每隔5毫米测量一次，取其平均值作为测量的切割深度。实验选择了加磨料水射流和纯水射流两种方式。
　　
　　加磨料水射流切割石材．其磨料要先在烘干箱中进行干燥处理，以利于磨料的自由流动。磨料的加入方式采取后混合式。实验技术参数如下：
　　最大压力：400 MPa
　　切割速度：0～30 m/h
　　最大流量：4．8 L／min
　　最大功率：55 kW
　　喷嘴材料：蓝宝石
　　高压水喷嘴直径：0．3 mm
　　磨料喷嘴直径：1.1 mm
　　磨料莫氏硬度：7．9～9
　　磨料：石榴石
　　磨料粒度：80目
　　磨料密度：3．9—4．1 g／cm3
　　3实验结果及分析
　　3 1磨料水射流切割石材机理分析
　　磨料水射流切割石材原理如图2所示。当高压水射流进入混合室时，其流速可达到音速的2—3倍左右，在磨料入口处产生很大的负压，抽吸来自磨料仓中的石榴石磨料。石榴石在水射流的作用下产生较大的冲击能量，经磨料喷嘴射出对被加工石材表面产生很大的冲击力。由流体力学可知，冲击强度与射流速度的平方成正比。当这种冲击强度达到和超过石材的抗压强度极限时．在射流冲击处形成粉末状的石材切屑。沿着磨料水射流喷嘴的运动方向，在石材上形成切口。
　　
　　3．2石材切口表面形貌分析
　　磨料水射流切割的花岗岩石切口形貌见图4，其切口表面光泽整齐，没有裂纹．切割质量较好。石榴石磨料如图3所示。切割过程中．带有一定棱角的石榴石在水射流的冲击下，形成了连续不断的微切割刃。对石材产生一定的切削作用。石榴石作为一种切割介质，其密度增大．冲击强度增大．切割能力随之增大。
　　
　　图5是纯水射流切割的花岗岩石切口形貌。加工时，卸掉图2中的混合室，水射流直接从蓝宝石喷嘴中射出。当压力为200 MPa时，在水射流的冲击下使石材表面形成了不规则的崩裂碎屑，且其切削深度较浅，难以切透石材。当压力为280 MPa时，在石材表面上形成较规则的切口，但其表面粗糙、在切口侧面有微裂纹产生。纯高压水射流只能产生冲击破坏而没有磨料水射流的切割作用。
　　
　　一般大理石的抗压强度为70～110 MPa，花岗岩石的抗压强度为120～250 MPa。由于大理石的抗压强度较低，所以用高压水射流切割大理石比切割花岗岩石所需的压力要低。
　　图6为纯水射流切割大理石切口表面的电镜照片。从切口的电镜扫描照片可看到，切口侧面有许多微裂纹产生。这说明高压水射流除对石材表面产生垂直冲击压力外，对其切口侧面还会产生剪切分力，从而导致切口形成不规则形状，并伴有冲蚀裂纹产生。
　　
　　实验证明：磨料水射流加工石材质量好，工艺参数易于控制，是一种好的石材加工方法。同时采用磨料水切割可以降低水射流系统压力。降低设备制造成本。
　　3．3压力对切割深度的影响及分析
　　磨料水射流切割石材时，由于磨料水在喷嘴处的流速较高．对石材形成的冲击力较大，所以可获得较大的切割深度。由流体力学可知．速度与压力的平方根成正比，因此压力的变化将直接影响石材的切割深度。
　　图7是压力与切割深度的关系曲线。当磨料水射流的压力增加时，其流速也将随之增加，从而使磨料的冲击动能增大．石材切割深度增大。所以在石材加工时，对不同硬度、不同厚度的石材，要选择不同的压力，可以有效地提高切割效率和表面质量。
　　
　　3．4 喷嘴移动速度对切割深度的影响
　　图8所示是喷嘴移动速度与切割深度的关系曲线，通过对曲线的变化关系分析可知，随喷嘴移动速度的增加。石材的切割深度降低。这是由于喷嘴移动速度增大。会使磨料水射流对石材的垂直作用力减小，水平方向分力增大．致使切割深度减小，同时切口表面呈不规则的崩碎状。当喷嘴的移动速度达到30 m/h时，磨料水射流对石材的垂直切割能力大为减弱，而水平方向的剪切应力增大．从而失去了垂直方向的切割能力，在切口表面产生很大的横向冲击力，使切口处形成较大的崩碎裂纹，导致切割深度降低，切口表面质量下降。
　　
　　3．5 切割靶距对切割深度的影响
　　磨料水射流喷嘴靶距的变化．将直接影响射流的集束性和切割冲击力。切割石材时合理地选择靶距，可以提高切割效率。图9是靶距与切割深度的关系曲线。随喷嘴靶距的增大．磨料射流水的集束性逐渐降低，使磨料的冲击动能降低，其对石材表面的冲击力也随之减弱，所以切割深度随之减小。
　　
　　4 结论
　　1)磨料水射流切割石材的切口表面质量比纯水射流要好。
　　2)喷嘴移动速度增大，磨料水射流切割能力降低。喷嘴靶距增大，磨料水射流集束性降低，切割能力降低。所以应选择合理的切割速度和靶距以提高切割效率。
　　3)磨料水射流适于切割高硬高的石材，高压水射流适于切割中软硬度的石材。
　　 参 考 文 献
　　l LARS KAHLMAZ at all.Abrasire Water Jet，American Ceramic Society Bulletin，1993．72(8)
　　2 光明皮等前混合式磨料射流压其切割特性中国安奎科学学报，1995(5)