1. 引言
       磨料水射流加工（AWJM）工藝是一種新型的材料去除技術(shù)，可替代傳統(tǒng)的加工方法，用于金屬和非金屬材料的加工。在AWJM工藝中，材料去除通過沖蝕得以實(shí)現(xiàn)；對(duì)于沖蝕的研究，可分為兩個(gè)階段：一是磨料顆粒流量，顆粒噴射的方向和速度；二是材料去除率的計(jì)算，也即沖蝕率。水射流中加入磨料顆粒可以提高工藝的切割能力，用于不銹鋼、合金鋼、鈦合金、鋁材、陶瓷復(fù)合材料、花崗巖、橡膠和木材的切割加工。本論文利用AWJM工藝對(duì)AISI H13模具鋼的可加工性能進(jìn)行研究，并分析了實(shí)驗(yàn)中的工件材料、工具規(guī)格、加工參數(shù)、表面粗糙度測量、表面形態(tài)等。
2. 實(shí)驗(yàn)
2.1 工件材料
       實(shí)驗(yàn)采用長40mm，寬20mm，厚度12mm（如圖一所示）的AISI H13模具鋼；AISI H13模具鋼的可硬化性高，強(qiáng)度大，韌性好，用作鍛模、壓擠鋼模和鑄造模材料和熱加工用剪切刀片等。將材料加熱至950 ℃然后高溫保溫20分鐘再自然冷卻。熱處理后得到的硬度為47.0±1.0 HRC。表一為AISI H13模具鋼的化學(xué)組份和機(jī)械性能。


2.2 磨料水射流機(jī)器
       用CNC磨料水射流器對(duì)AISI H13模具鋼進(jìn)行切割，機(jī)器配備有300MPa的壓力泵，最大流量為3.1 lpm；重力自流進(jìn)料箱，空氣控制閥和1400mm×1400mm的工作臺(tái)。噴嘴裝置有藍(lán)寶石材料制備而成，孔徑0.25mm；聚焦管有炭材料制備而成，內(nèi)徑0.76mm，聚焦管長度為70mm。
2.3 加工參數(shù)
       表二為AISI H13模具鋼切割加工參數(shù)。

       實(shí)驗(yàn)中其他加工參數(shù)為常量，保持不變。沖擊角90°，孔徑0.25mm，噴嘴直徑0.76mm，磨料粒度80目。
2.4 表面粗糙度測量
       用尖筆表面粗糙度儀（型號(hào)：Mitutoyo SJ-210）進(jìn)行表面平均粗糙度測量。試樣長度0.8mm，測量長度4mm，評(píng)估長度3.2mm。
2.5反應(yīng)曲面分類研究法（RSM）
       實(shí)驗(yàn)通過RSM對(duì)若干輸入?yún)?shù)是如何影響一個(gè)輸出參數(shù)進(jìn)行建模和分析，并最大化或最小化輸出參數(shù)。
3.結(jié)果和討論
       實(shí)驗(yàn)通過反應(yīng)曲面公式來研究磨料水射流工藝中加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響；利用Design Expert 8.0.7.1軟件得到表面粗糙度模型。表三為表面粗糙度設(shè)計(jì)矩陣。

       表四為表面粗糙度的ANOVA分析，從表中可以看出，壓力（A），橫向速度（B），SOD（C）和壓力交互，以及SOD（AC），橫向速度和SOD（BC）等模型比較顯著；而不顯著的模型則采用反向消去法將其剔除。表四還給出了因子的百分比影響程度和曲度。曲度并不顯著，這意味著模型為線性的。和純誤差相比，適度缺失不是太顯著，這說明模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較匹配。橫向速度（B）的百分比影響程度為76.81 %，說明它對(duì)表面粗糙度影響最大。

       SS為平方的綜合；dof為自由度；Rem為備注欄；S為顯著；NS為不顯著。
       圖二為表面粗糙度的主效應(yīng)圖，用來監(jiān)測參量效應(yīng)對(duì)反應(yīng)值的影響。從圖中可以看出壓力大、橫向速度低、SOD高時(shí)，表面粗糙度最小。圖二（a）是水壓對(duì)表面粗糙度的影響：當(dāng)水壓較低時(shí)，表面粗糙度值出現(xiàn)最大值；隨著水壓增大，表面粗糙度值降低。這是由于水壓增大致使脆性磨料破碎變小，從而使表面粗糙度降低。隨著水壓增大，磨料動(dòng)能也增大，從而加工出更加光滑的表面。
圖二（b）為橫向速度和表面粗糙度之間的關(guān)系。圖中可以看出橫向速度對(duì)表面粗糙度的影響十分明顯。
       為降低加工成本，用戶通常會(huì)設(shè)置最大的橫向速度，但這也會(huì)引起較大的表面粗糙度，這是由于橫向速度增大時(shí)，單位面積上的有效磨料就更少，有效切削刃也就更少，從而導(dǎo)致較大的表面粗糙度。
       圖二（c）為 SOD對(duì)表面粗糙度的主效應(yīng)圖，圖中可以看出SOD對(duì)表面粗糙度影響甚微；表面粗糙度隨著SOD的增加而降低。圖三為壓力、橫向速度和SOD對(duì)表面粗糙度的共同影響作用。



       根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立表面粗糙度的反應(yīng)曲面公式（模型）：


       圖四、五為反應(yīng)曲面圖，橫向速度為常量20mm/min、壓力為常量216MPa時(shí)，選擇不同參數(shù)結(jié)合以求得表面粗糙度。
       根據(jù)圖四、五，建立了壓力-橫向速度在SOD為2mm時(shí)的表面粗糙度等值線圖。


4. 結(jié)論
       中心復(fù)合設(shè)計(jì)中的序貫法節(jié)省了實(shí)驗(yàn)次數(shù)。
       線性模型適合表面粗糙度，不需要額外的實(shí)驗(yàn)再去驗(yàn)證非線性模型。
       水壓和SOD設(shè)置為較高的實(shí)驗(yàn)臨界值（240MPa，6mm）且橫向速度設(shè)置為較低的實(shí)驗(yàn)臨界值（10mm/min）時(shí)，獲得良好的表面拋光效果。
       變量分析（ANOVA）顯示，在對(duì)表面粗糙度模型的影響中，橫向速度影響占據(jù)76.81 %，其次是壓力、SOD、壓力和SOD交互作用影響，以及橫向速度和SOD交互作用影響。（編譯：中國超硬材料網(wǎng)）