CN111890229A - 一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，涉及聚变堆用钨板加工技术领域，通过设置前混合磨料水射流切割系统；所述前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割。本发明利用前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割，大大提高了工效率和加工质量，设计合理，适合广泛推广。

Description

一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法

技术领域

本发明涉及聚变堆用钨板加工技术领域，具体涉及一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法。

背景技术

钨具有高熔点、高热导率、低溅射率、低燃料滞留和低中子活化等特性，被认为是最具潜力的第一壁材料，成为EAST、ITER以及CFETR等聚变装置偏滤器的面向等离子材料。钨是难加工金属材料，具有硬度高(HM7.5)、密度高(19.35g/cm³)、熔点高(3410℃)的特点。现有车削、磨削及电化学等手段或存在效率低的问题，传统切削手段难以加工，实际应用中多采用慢走丝线切割，切割速度极慢。随着国内外众多托卡马克装置的建造，聚变堆用的钨板高效切割加工技术的需求日益迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，旨在解决现阶段传统的钨板加工效率的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，包括前混合磨料水射流切割系统；所述前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割。

优选地，所述前混合磨料水射流切割系统采用数控五轴联动超高压水切割刀头。

优选地，所述钨板为厚度是20mm的W5N3板材结构。

优选地，在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，所述钨板的切缝补偿角度为1.5-2.5°

优选地，在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，所述钨板的进给方向补偿角度为15-24°。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割，大大提高了工效率，并保证了加工质量，设计合理，适合广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的切缝角度补偿示意图；

图2为本发明的进给方向角度补偿示意图；

图3为本发明的压力-切割速度对粗糙度影响曲线

图4为本发明的切割速度-切深的粗糙度曲线

图5为本发明的压力-切深的粗糙度影响曲线

图中标号说明：

1、钨板；2、喷嘴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1至图5，本发明提供了一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，旨在解决现阶段传统的钨板加工效率的问题。

具体地，包括前混合磨料水射流切割系统；所述前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板1的进行切割。

需要说明的是，前混合磨料水射流是在高速纯水射流中混入一定数量、具有一定质量和硬度的磨料颗粒而形成液固两相流，按照磨料加入方式分为前混合磨料水射流和后混合磨料水射流。磨料水射流利用高速磨料颗粒对材料进行高频冲击造成材料的冲蚀损伤，加工过程中无热损伤和热应力，能够用于加工多种金属及非金属材料，在精密和特种加工中具有广阔的应用前景。前混合磨料水射流具有更高的能量转化效率和加工能力，切割速度更快，切削深度更大，为钨材料切割加工提供了一种新的技术手段。本发明利用前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割，大大提高了工效率，并保证了加工质量，设计合理，适合广泛推广。

优选地，所述前混合磨料水射流切割系统采用数控五轴联动超高压水切割刀头，用于实现对钨板的切割。

需要说明的是，所述前混合磨料水射流切割系统可采用前混合磨料水射流数控切割机，该装置的动化程度高，切割效率高，降低切割成本，克服了水切割机产生的水射流滞后和切口斜边，经切割的工件尺寸精度高，切口质量好。

加工钨板1时，喷嘴2角度示意图如下。

结合附图1，在进行钨板切割实验时，为修正切缝形状，保证切面为平面，在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，设置补偿角度A为1.5-2.5°；且水射流从喷嘴2喷出，图中C为切口锥角，T为切口形状。

结合附图2，为改善切面质量，消除拖尾纹和冲蚀凹坑，在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，设置补偿角度B为15-24°；且图中D为进给方向，L为拖尾长度。

需要说明的是，针对聚变堆常用的厚度是20mm的W5N3材质钨板1为例，慢走丝线切割的切割速度为0.33mm/min，40Mpa压力的前混合磨料水射流切割速度为2.5mm/min；提高了切割速度。

在40Mpa压力的前混合磨料水射流，切割速度为2.5mm/min时，设置上述数值的补偿角度A(1.5°)、B(15°)，可以保证切缝为平直面，拖尾纹肉眼不可见，冲蚀凹坑消失，切面的粗糙度平均值不大于Ra1.6um；改善了切面质量。

在具体实施时，采用试验材料为EAST装置水冷偏滤器单元中的钨串式靶板所用材料(牌号W3N5、厚20mm的轧制钨板1)，前混合磨料射流发生装置主要参数(许用压力50Mpa，最大耗水量15Mpa，磨料罐体积20L)。试验指标为切面粗糙度，取轮廓算术平均偏差Ra值作为目标参数。

前混合磨料射流切割存在的普遍问题之一是加工断面的拖尾纹，切面质量上精下粗。为研究在切割深度上的粗糙度变化情况，在每组切割试验的钨试样切割深度1mm、6mm、11mm、16mm、19mm处5个位置测量粗糙度数值。为减少误差，每个深度位置的水平方向上选择三段测量，粗糙度数值取其平均值，如下

为整体评价切面粗糙度情况，取切面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra总平均值为目标值，进行极差分析。分别取值射流压力为因素A1、切割速度为因素B1，极差法分析试验结果。求得两个因素的极差分别为：R_A1＝0.491，R_B1＝0.915。

结合附图3，综合极差分析结果和压力-切割速度对粗糙度影响曲线，可以发现：①切割速度对切面粗糙度影响较大，减小切割速度可以降低切面粗糙度数值，提高切面质量。原因是较低的切割速度增加了磨料颗粒冲蚀切面的频次，改善了切面表面质量；②射流压力对切面粗糙度影响较小，随着射流压力增加，2.5mm/min和7.5mm/min切割速度下的切面粗糙度先降低后增加的趋势，5mm/min切割速度下的切面粗糙度降低趋势变缓。

结合附图4，在相同射流压力下，切面粗糙度随着切割深度增加而逐渐上升。切割速度不同，粗糙度变化规律不完全一致。测量深度1mm位置，3种切割速度的切面粗糙度数值相近。测量深度6mm位置，切割速度7.5mm/min试样的切面粗糙度明显高于2.5mm/min和5mm/min切面。测量深度11mm及更深位置，切割速度7.5mm/min试样的切面粗糙度上升最快，切割速度5mm/min次之，切割速度2.5mm/min最慢。

这种趋势反映到切面形貌上，较低的切割速度降低了拖尾纹偏转角度，甚至抑制拖尾纹的产生，增加了光滑区深度。这种结果产生的原因是随着切削深度增加磨料粒子速度降低，射流能量耗散减弱，射流对材料的冲蚀作用由微切削和微犁削转变为冲蚀变形，切面形貌由上部光滑区逐渐变化为下部粗糙区，切面质量由光滑平整转变为粗糙。较大的切割速度使得射流的偏转滞后效应增强，增加了拖尾纹角度；同时较大的切割速度使得射流产生了横向分力，降低了喷嘴2垂直方向上的冲蚀动能，致使光滑区深度较浅。

结合附图5，在相同切割速度下，切面粗糙度随着切割深度增加而逐渐上升，但是不同射流压力条件下，粗糙度变化规律不完全一致。测量深度1mm、6mm和11mm位置，4种射流压力下切面粗糙度变化平缓。测量深度16mm和19mm处，30MPa射流压力切面粗糙度急剧上升，其他3种射流压力切面粗糙度缓慢增加。这种变化趋势反映到切面形貌的直观结果为：较高的射流压力切面光滑区深度较大，高射流压力增加了切面较好质量的区域深度。

这种结果产生的原因同样是随着切深增加射流能量耗散减弱，射流对材料的冲蚀作用由微切削和微犁削转变为冲蚀变形，切面质量由光滑平整转变为粗糙。较高的射流压力使得磨料粒子具有更大的初始能量，能量随切深耗散变化较为缓慢，而较低射流压力的射流则能量耗散迅速。

需要说明的是，本发明中未详细阐述部分属于本领域公知技术，或可直接从市场上采购获得，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得，其具体的连接方式在本领域或日常生活中有着极其广泛的应用，此处不再详述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，其特征在于：包括前混合磨料水射流切割系统；所述前混合磨料水射流切割系统通过磨料水射流来对聚变堆用钨板的进行切割。

2.根据权利要求1所述的用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，其特征在于：所述前混合磨料水射流切割系统采用数控五轴联动超高压水切割刀头。

3.根据权利要求1所述的用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，其特征在于：所述钨板为厚度是20mm的W5N3板材结构。

4.根据权利要求3所述的用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，其特征在于：在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，所述钨板的切缝补偿角度为1.5-2.5°。

5.根据权利要求3所述的用于聚变堆用钨板切割的前混合磨料水射流加工方法，其特征在于：在射流压力为40MPa、切割速度为2.5-3.5mm/min时，所述钨板的进给方向补偿角度为15-24°。

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