磨料水射流微细雕刻技术的研究.docx

文章编号 X (2006) 032009 文章编号 X (2006) 0320092204 磨料水射流微细雕刻技术的研究 杨桂林 ,雷玉勇 ,贾 强 ,邱 刚 ,马 超 ,宋清俊 ( 西华大学机械工程与自动化学院特种加工研究所 ,四川 成都 610039) 摘 要 :根据磨料水射流加工的特点 ,建立了磨料水射流加工的神经网络模型 。用训练好的神经网络模型来预 测给定加工条件下的进给速度 ,并根据加工路径和机床的特性对进给速度进行修正 ,并编写数控代码 。通过控制水 射流的进给速度来间接控制其刻蚀深度 ,同时获得加工轨迹的圆滑过渡 ,从而实现磨料水射流的雕刻工艺 。本文以 不锈钢为原材料 ,以 JJ2I 数控水射流机床为实验平台 ,根据机床的特性手工编程 ,成功雕刻出微型摩托车图形 。 关键词 :磨料水射流 ;雕刻 ;微细加工 ;切割速度 ;人工神经网络 中图分类号 : T H16 文献标识码 :A 同时要根据刻蚀工件材料的性质 、图案形状 、刻蚀深 度 、磨料水射流工艺参数以及加工的质量要求等对 喷头的运动参数 ———速度和加速度进行精确控制 。 本文作者首先建立磨料水射流切割的人工神经网络 模型 ,并应用所建立的 模 型 来 预 测 喷 头 移 动 速 度 。 通过对喷头运动速度的控制来间接控制磨料射流的 刻蚀深度 。通过手工编程 , 在 JJ - I 型万能数控水 射流切割机床上成功完成微型摩托车图案的雕刻 。 0 引言 磨料水射流是通过高速水射流束来加速固体磨 料粒子 (Abrasives) ,从而形成超高速固液两相介质 射流 ( A WJ ) 。磨 料 水 射 流 具 有 对 高 强 度 、高 硬 度 、 脆性和难加工材料 ,如不锈钢 、钛合金材料 、陶瓷 、玻 璃材料等的切割加工能力 ,在制造业得到越来越广 泛的应用 。 磨料水 射 流 利 用 高 能 固 体 粒 子 对 材 料 进 行 蚀 除 ,而高能水束 (液体质点) 以其力和热效应以及摩 擦 、压挤 、抛光和熨烫等作用辅助固体粒子完成材料 的蚀除 。磨料水射流切割属于高能束加工范畴 ,与 激光 、等离子体 、电子束加工工艺相比 ,具有显著特 点 。磨料水 射 流 介 质 成 本 低 、清 洁 , 切 割 过 程 中 无 尘 、无毒 、无火花 、噪音小 ,环境友好 ,因此属于绿色 环保工艺 ;水射流切割属于无机械接触“冷切割”,绝 无机械应力 、热变形 、无受热影响区域 ( HA Z) 产生 , 不会改变被切割物质的物理和化学特性 ,因而成为 对热敏感物质的最佳切割工具 ; 水射流切割适应性 好 、切割品质优良 、切缝窄 、材料损耗少 ;水射流切割 可以方便地与计算机控制系统结合起来 ,使它成为 一种全新的先进数控加工工具 。 虽然磨料水射流切割工艺已成为世界上成长最 快的加工工艺之一 ,但是应用磨料水射流进行雕刻 工艺的研究在国内还未见到 。其原因是磨料水射流 这种工具具有“柔性”特征 ,因此对其进行精确控制 相对复杂 。在雕刻过程中 ,不仅要控制喷头的位置 , 1 关键技术 由于目前国内还没有专用的磨料水射流加工数 控系统 ,因此磨料水射流切割机床大都借用通用数 控系统 。一 般 需 要 手 工 编 程 数 控 代 码 或 者 通 过 CAD/ CAM 系统设计 ( 或输入) 零件几何图形 ,由自 动编程系统产生零件加工数控代码 ,然后指令信号 发送给机床控制系统完成零件加工 ,加工流程如图 1 所示 。 图 1 数控水射流加工流程 和简单的切割加工不同 ,要实现微细雕刻工艺 , 必须首先解决两个关键技术 :1) 切割深度控制 ;2) 加 工路径上直线 - 弧线 - 直线段间的加减速控制 。由 于水射流切割深度与射流系统 、材料工程性质和机 床运动参数等有关 。一般来讲 ,水射流系统功率越 收稿日期 :2005211210 基金项目 :四川省人事厅学术带头人培养资金 ( 0422006) ;四川省科技厅项目资助 ( 作者简介 :杨桂林 (19782) ,男 ,黑龙江省齐齐哈尔市人 ,西华大学机械工程与自动化学院 2003 级硕士研究生 ,主要研究方向 : 机电一体化技 术 。E2mail : yuyo ng2lei @mail . xhu. edu. cn 93第 3 期杨桂林 等 :磨料水射流微细雕刻技术 93 第 3 期 杨桂林 等 :磨料水射流微细雕刻技术的研究 大 ,切割深度越深 ;材料强度越高 ,切割深度越小 ;喷 头移动速度越慢 ,切割深度越深 。为了简化问题和 方便控制 ,本文作者采用控制磨料喷嘴沿路径的移 动速度来间接控制切割深度 。 一般来说 ,在雕刻工艺过程中 ,图案