水切割技術(shù)在鈦材切割加工中的應(yīng)用

　　稀有金屬與硬質(zhì)合金水切割技術(shù)在鈦材切割加工中的應(yīng)用舒春桃（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410011）于鈦材切割的差異性，并分析了兩種不同切割方式對(duì)鈦材化學(xué)成分、力學(xué)性能和可加工性能的影響，進(jìn)而為水切割技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

　　1前言鈦和鈦合金由于具有密度?。s4. 470MPa）、比強(qiáng)度大、耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，在有色冶金工業(yè)的鎳、鈷、鋅、銅等冶煉項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用，有色冶煉廠的耐腐蝕反應(yīng)器及其內(nèi)部的攪拌器全部或部分使用鈦材制成。然而，鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑，在大氣中室溫下較穩(wěn)定，在200300C以下按拋物線規(guī)律與氧化合生成致密的保護(hù)膜，加熱至250C左右開始吸氫；在400C以上對(duì)氧、氫、氮均具有較高的化學(xué)活性；溫度達(dá)到600C時(shí)就急劇氧化、氮化及吸氫；高于1 000C以上開始與碳化合。因此，在鈦材切割加工過程中，溫度的控制直接影響到鈦材的理化性能。

　　鈦材切割下料方法有：火焰切割、金屬帶鋸切割、砂輪鋸片切割、剪板機(jī)剪切、激光切割、等離子切割和水切割等。由于鈦在600C時(shí)就急劇氧化、氮化及吸氫，鈦材的切割下料一般不宜采用火焰切割。

　　剪板機(jī)剪切鈦板容易變形，不易調(diào)直平整，而金屬帶鋸和砂輪鋸片多用于鈦棒管材下料，故鈦板材下料多采用剪切、激光、等離子和水切割等方法。由于受現(xiàn)有激光技術(shù)的限制，大多數(shù)激光切割設(shè)備無法切割厚度大于12mm的金屬板材。同時(shí)，激光切割設(shè)備投入較大，這也在較大程度上限制了該設(shè)備的推廣使用，故對(duì)厚度小于12mm的鈦板材首先考慮采用剪板機(jī)直接剪切，而對(duì)于厚度大于12mm的鈦板材，國內(nèi)絕大多數(shù)是采用等離子切割。由于等離子切割是種熔化切割法，切割過程使鈦材的熱影響區(qū)大量吸氫和碳化，以致鈦材的理化性能發(fā)生惡變。而水切割技術(shù)是一種冷加工方法，具有切割時(shí)工件溫度較低，無熱影響區(qū)和熱變形等特點(diǎn)，在鈦材切割加工中得到快速發(fā)展。本文將介紹水切割技通訊作者：舒春桃（1966-），高級(jí)工程師，主要從事冶金設(shè)備設(shè)計(jì)，E-mail：術(shù)在鈦材切割加工中的應(yīng)用特點(diǎn)，并與等離子切割進(jìn)行比較分析，為水切割技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

　　2水切割技術(shù)水切割技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的冷切割新工藝。1971年，高壓水射流（Wateret，簡稱W）切割機(jī)在美國問世，成功地切割了多種非金屬軟材料。1983年，磨料射流（AbrasiveWateret，簡稱AW）切割技術(shù)首次在美國進(jìn)入實(shí)用階段，用以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性材料。水切割技術(shù)自誕生之日起就倍受人們的關(guān)注，并得到了飛速發(fā)展，其以眾多特點(diǎn)成為21世紀(jì)切割領(lǐng)域的發(fā)展方向。

　　2.1工作原理水切割是將普通的水增壓到400MPa或者更高，通過極小的噴嘴噴射出來，產(chǎn)生道流速約為三倍音速（1000m/s）的水射流，用這種高速密集的水射流進(jìn)行切割。磨料射流切割則是往水射流中混入磨料粒子，經(jīng)混合管形成磨料射流，在冷狀況下用磨料射流進(jìn)行切割。

　　2.2技術(shù)特點(diǎn)水切割技術(shù)的主要特點(diǎn)有如下五個(gè)方面：1）切割范圍廣，能切割各種非金屬材料，又能切割各種硬、脆、韌性材料，如鈦合金、啕瓷、玻璃、復(fù)合材料等。（2）切割精度高，其切面平滑，沒有熱影響區(qū)和分層現(xiàn)象，因此一般不需要后序精加工，降低了加工成本；由于切縫很窄，提高了材料利用率。（3）生產(chǎn)效率高，水切割系統(tǒng)可配置多個(gè)噴嘴進(jìn)行切割，工件直接切割成規(guī)定尺寸，消除了中間工序和輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。（4）適應(yīng)性好，切割可從工件上任意點(diǎn)開始，在任意方向上進(jìn)行；可以加工常規(guī)工藝難以加工的部位；易于結(jié)合CNC技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的多品種小批量生產(chǎn)。（5）操作環(huán)境清潔安全，切割時(shí)無塵無味、無毒、無火花、振動(dòng)小、噪聲低，特別適合惡劣的工作環(huán)境和有防爆要求的危險(xiǎn)環(huán)境。2.3鈦材水切割工藝水切割技術(shù)由于在切割過程中不產(chǎn)生熱影響區(qū)，也不會(huì)引起材質(zhì)的變化，所以對(duì)于易受高溫影響而使材質(zhì)惡化的鈦及鈦合金來說是一種較為理想的切割方法。鈦材切割一般采用加磨料型高壓水射流切割法，表1為一例采用高壓水射流切割鈦材的工藝參數(shù)。從表1中數(shù)據(jù)可知，水切割速度快、精度高，切口寬度窄，僅為2.3mm，提高了材料的利用率；切口質(zhì)量好，切割面粗糙度僅為2040m；加工工件毛刺少，毛刺高度<0.1mm.表1鈦材的水切割工藝參數(shù)1板厚/mm切口寬度/mm切割面粗糙度/Mm毛刺高度/mm磨料耗量/（kg.m磨料孔直徑/mm t噴出壓力245MPa，噴射水量6L min-1，磨料為4硅砂，噴嘴與工件間距1.0mm 3水切割與等離子切割的技術(shù)差異水切割屬于冷態(tài)切割，無熱變形，切割面質(zhì)量好，無需二次加工（若有需要也很容易實(shí)現(xiàn)）。而等離子切割有明顯的熱效應(yīng)，精度低，切割表面不容易再進(jìn)行二次加工。

　　3.1切割速度及精度分別采用水切割技術(shù)（WP402水射流切割機(jī)）與等離子切割技術(shù)（CNCTMC數(shù)控精密等離子切割機(jī)）對(duì)厚度為20mm的TA2鈦板進(jìn)行切割，兩種切割技術(shù)的切割速度和精度如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可知，雖然水切割的切割速度小于等離子切割，但水切割的各項(xiàng)精度均高于等離子切割，將有利于后續(xù)加工質(zhì)量的提高。

　　表2采用不同切割技術(shù)的鈦材切割速度及精度切割技術(shù)板厚切割速度直線切割精度重復(fù)切割精度切邊垂直度圓孔W= 16mm）切割精度表面粗糙度及a水切割等離子切割不成形3.2切割質(zhì)量水切割機(jī)切割的樣品形貌如（a）和（b）所示。由圖可見，切口整齊平正且無熱影響區(qū)及變形，d=16mm的圓孔上下尺寸誤差為0.1mm，切割樣品的尺寸精度達(dá)IT11級(jí)。等離子切割機(jī)切割的樣品形貌如（c）和1（d）所示。由圖可見，切口粗糙且碳化吸氫嚴(yán)重，切口上方熔化掛渣，上寬下窄，工件轉(zhuǎn)角塌棱，無法切割d<25mm的通孔。

　　3.3切割前后鈦材化學(xué)成分的變化分別從水切割和等離子切割鈦材TA2樣品的邊緣3mm處取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析。表3所示表3鈦材TA2切割前后的化學(xué)成分鈦材狀態(tài)未加工水切割加工后等離子切割加工后為鈦材TA2切割前后的化學(xué)成分。從表3中數(shù)據(jù)可知，鈦材經(jīng)水切割后，其化學(xué)成分的變化極小，理化性能可基本保持不變；而鈦材經(jīng)等離子切割后，其化學(xué)成分變化較大，則理化性能也將隨之發(fā)生變化。3.4可加工性能鈦材切割前后的加工性能如表4所示。該表以鈦材TA2進(jìn)行水切割和等離子切割，比較切割加工前后鈦材的二次加工性，發(fā)現(xiàn)水切割鈦材加工性與原始狀態(tài)樣；等離子切割鈦材因切割表面含有硬度較高的氫、氧化物和碳化物而難以進(jìn)行二次加工。

　　從表4可知，經(jīng)水切割后鈦的加工性能基本不發(fā)生表4鈦材TA2切割前后的加工性能二次加工材料狀態(tài)硬度切削指數(shù)熱加工性冷加工性焊接性能變形抗力變形能原始出廠狀態(tài)（700 C退火，空冷）水切割加工后等離子切割加工后十表示加工性能好，△表示加工性能般，X表示加工性能差；切削指數(shù)以TA2出廠狀態(tài)（退火）為100；加工條件：刀具材料min-、切削深度2mm，進(jìn)刀量0. r-、濕式切割；壽命判定標(biāo)準(zhǔn)：VB變化，而經(jīng)等離子切割后鈦的加工性能變差，硬度增大，切削指數(shù)降低。

　　4結(jié)論鈦材水切割下料加工在常溫冷態(tài)條件下進(jìn)行，整個(gè)下料加工過程對(duì)鈦材的理化性能沒有任何影響。這種方法有效避免了等離子切割高溫熔化過程所造成鈦材熱影響區(qū)的吸氫、吸氧、吸氮及碳化合等變化。

　　水切割下料加工的鈦材工件，切口整齊平正，切邊垂直度<.5°，切口表面粗糙度只a =12.5ym；能直接完成圓孔等各種異形加工；形位公差精度可控制在0.1mm以內(nèi)，能滿足絕大多數(shù)鈦設(shè)備的加工要求。

　　水切割技術(shù)具有不產(chǎn)生熱影響區(qū)及變形，無需二次加工，不產(chǎn)生具有毒性的氣體和粉塵，可切割加工1200mm厚的任何材料等特點(diǎn)。如果考慮二次加工因素，水切割零件的下料加工相對(duì)時(shí)間也不比等離子切割長，而且能做到緊密排料，減少廢品，充分提高材料的利用率和生產(chǎn)率。