Optimization of surface quality for YG20 tungsten steel cut by liquid nitrogen assisted abrasive suspension jet

想象一个这样的世界：切割最坚硬的金属不再像锯石头那样费力，而更像是切开冰冷的黄油。这就是一种被称为磨料悬浮射流加工技术的工艺所带来的承诺。在这种工艺中，高压水流与细小、锋利的沙粒或石榴石颗粒混合在一起。不同于以往水流仅仅带动颗粒移动的老旧方法，这种先进系统在喷射之前，先将水和颗粒混合成浓稠且均匀的浆液。其结果是，一股由液体和固体组成的射流以巨大的、分布均匀的力量冲击材料，能够切开金属而不会留下传统工具经常造成的热损伤。几十年来，工程师们一直利用这种方法来切割从钛到铝等各种材料。然而，当面对像钨钢这样极硬且脆的材料时，这一工艺却碰了壁。由于材料过于坚硬，射流难以一次性将其干净利落地切开，往往会导致表面粗糙、不平整且布满微观裂纹。这正是如何让切口变得更平滑的关键问题，对于那些依赖这些耐用材料进行采矿和重型机械制造的行业而言尤为重要。

来自安徽理工大学和中国矿业大学的研究小组致力于利用一种被称为 YG20 钨钢的材料来解决这一特定问题。为了应对切割如此坚硬物质的难度，他们引入了一种冷却剂：液氮。通过首先用液氮喷射钢材，他们大幅降低了其温度，使金属变得更加脆，从而更容易破碎。随后，他们在这一冷却步骤之后使用了磨料悬射流。虽然这种被称为“液氮辅助磨料悬浮射流”的混合方法成功地比单纯使用射流更快地切穿了钢材，但它也产生了一个新问题。切口表面并不均匀。研究人员发现，切口并非呈现单一、一致的纹理，而是被分成了两个特征截然不同的区域。

当他们在强力显微镜下观察切口表面时，两种类型的损伤之间出现了一条清晰的界限。切口的上半部分（即射流刚刚开始渗透的部分）显示出韧性断裂的迹象。在这个区域，材料的表现有点像被推开的软金属，留下了沿着射流运动方向延伸的细长划痕。这个区域相对平滑，平均粗糙度测量值约为 2.3 微米。然而，切口的深层部分（即射流必须最用力工作的部位）看起来完全不同。在这里，材料发生了脆性破碎。这里没有平滑的划痕，而是布满了沿着切割路径延伸的锯齿状脊线，并被深邃的瓣状坑洞所包围。这个脆性区域明显更加粗糙，测量值为平均 6.7 微米——几乎是较平滑的上层部分的近三倍。研究人员意识到，传统的单次通过切割材料的方法，使得这个粗糙、破碎的底部区域无法受到射流抛光作用的影响，从而导致成品质量低下。

为了解决这个问题，团队提出了一个巧妙的两步策略，他们称之为“反向二次切削”。其核心思想是将切割和抛光视为两项独立的工作。在第一步中，他们以较快的速度切穿钢材以快速完成任务，并接受底部会比较粗糙的事实。一旦切割完成，他们将钢件翻转过来。这使得粗糙、破碎的底部面向向上。然后，他们再次运行射流，但这次是在相反的方向上，并以受控的速度进行。第二次通过的作用就像精细的抛光，它能磨平锯齿状的脊线并填补深坑，而无需再次切穿整个金属厚度。通过调整第二次通过的速度，他们找到了抛光效果最理想的平衡点。

这种新方法的测试结果令人瞩目。当他们在 YG20 钨钢上测试该方法时，整个切口表面的平均粗糙度与标准的单次通过法相比显著下降。根据初始切割速度的不同，最终表面变得更加光滑，提升幅度在 27% 到 29% 之间。研究人员发现，第二次抛光通过的速度是最关键的因素。如果射流移动太快，它就没有足够的时间来抹平粗糙点；如果移动太慢，则说明第一次通过过于剧烈，留下了太多难以修复的损伤。他们发现，当第二次通过的速度在每分钟 25 到 32 毫米之间时，效果最好。在这个速度下，脆性区域的“脊线”和坑洞被有效地磨平，留下了一个更加均匀、高质量的表面。

这项研究表明，通过改变操作顺序和切割方向，是可以克服切割极硬材料的局限性的。研究人员证明，切口的粗糙度并不是材料硬度带来的必然结果，而是射流能量应用方式的结果。通过将重型切割工作与精细修整工作分离，并利用材料自身的特性，他们取得了更好的结果。对于需要精确、平滑切割钨钢的行业来说，这种方法提供了一种通过重新思考现有工具的使用方式，从而提高工作质量的实用途径，而无需发明全新的机械设备。