水射流研究的现状与发展
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高压水射流加工技术及其应用研究随着现代制造业的飞速发展,各种加工技术也在不断发展和提升。
而高压水射流加工技术则是近年来备受关注的一种新型加工方法。
高压水射流加工技术是指利用高压水指向性喷射而在工件表面上进行加工的一种技术。
这种技术由于具有全方位的高效加工优势,因此在石化、航空航天、汽车制造等众多领域得到了广泛应用。
高压水射流加工技术的原理高压水射流加工技术的基本原理是采用高能量密度的水射流,对工件表面进行加工,导致其物理和化学变化,最终实现加工的目的。
高压水射流加工技术的主要特点是高速、高温和高压,这种特性的加工方式可以快速解决加工中最困难的问题,同时不会造成过多的粉尘和削屑,确保加工过程的环保。
高压水射流加工技术的优势高压水射流加工技术具有很多优势,比如:1.灵活性强:高压水射流加工技术可以进行多种形状和大小的工件加工,满足不同需求。
2.准确性高:高压水射流加工技术能够制造出各种形状、大小和高度的零部件,并且可以实现对零部件的精确度。
3.可靠性好:高压水射流加工技术所使用的水是可再生的,可以节省成本,同时也非常安全,不易燃。
4.绿色环保:高压水射流加工技术所产生的废料很少,并且不会产生二次污染,符合现代制造业的绿色环保要求。
高压水射流加工技术的应用高压水射流加工技术的应用十分广泛。
比如:1.冶金行业:高压水射流加工技术可以用于加工不易切割的大型模具、零件和薄壁管,大大提高了冶金行业的工作效率。
2. 食品行业:高压水射流加工技术也可以应用到食品行业,例如对生鱼进行去鳞处理时就可以使用水射流加工技术。
3. 航空航天行业:高压水射流加工技术可以用于制造航空航天零部件,比如飞机表面的防腐保护以及飞机发动机的冷却。
4. 医药行业:高压水射流加工技术可以用于医药行业中的微型零件制造和生物实验中的基质制备。
总结高压水射流加工技术作为一种新型的加工方法,具有很多优势,并且应用范围广泛。
这种技术的发展对于现代制造业的发展起到了积极的作用。
2018年11月第46卷第21期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSNov 2018Vol 46No 21DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2018 21 038收稿日期:2017-06-14基金项目:江苏省自然科学基金-青年基金项目(BK20150344);江苏省自然科学基金面上项目(BK2011379);中国博士后科学基金项目(2016M601885);苏州大学应用技术学院第二十批大学生课外学术科研基金项目(KY2018726B)作者简介:刘海青(1987 ),男,硕士,讲师,主要研究方向为表面工程与摩擦学㊂E-mail:liuhaiqing31311@163 com㊂高压水射流切割技术发展及应用现状刘海青1,王志文1,成明2,胥薇1,刘和剑1,于希辰1,职山杰1(1 苏州大学应用技术学院,江苏苏州215325;2 苏州大学城市轨道交通学院,江苏苏州215000)摘要:作为一种高能束流加工技术,高压水射流切割因其独特的切割模式,被广泛应用于机械加工㊁食品医疗㊁海洋工程等领域㊂介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,并就其研究进展和应用现状做了相关总结和概括,为今后水射流技术的研究和发展提供了参考㊂关键词:高压水射流;切割;磨料;高效射流中图分类号:V261 91㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-3881(2018)21-173-7DevelopmentandApplicationStatusofHighPressureWaterJetCuttingTechnologyLIUHaiqing1,WANGZhiwen1,CHENGMing2,XUWei1,LIUHejian1,YUXichen1,ZHIShanjie1(1 AppliedTechnologyCollegeofSoochowUniversity,SuzhouJiangsu215325,China;2 SchoolofUrbanRailTransportationofSoochowUniversity,SuzhouJiangsu215000,China)Abstract:Highpressurewaterjetcuttingwhichisakindofhighenergybeammachiningtechnologyiswidelyappliedinmachi⁃ning,foodandmedicalindustries,marineengineeringandotherfieldsforitsunparalleledcuttingmode.Themechanismofthehighpressurewaterjetcuttingtechnology,abrasivemixedmodewereintroducedandsummarizes,therelatedresearchandapplicationweresummarized.Itprovidesreferenceforthefuturedevelopmentandresearchofwaterjetcuttingtechnology.Keywords:Highpressurewater⁃jet;Cutting;Abrasive;Efficientjet0㊀前言高压水射流是以水为能量载体,通过液体增压装置和特定喷嘴,将电机机械能转化为水的动能,而形成的高速射流[1-2],已实现切削㊁铣削㊁抛光㊁喷丸等多种加工应用[3-4]㊂1968年美国密执安大学教授NFRANZ博士最早提出了水射流的切割应用模式[5]㊂自此,伴随新材料的不断涌现,以及其切割性能的提升,水射流切割凭借其无热变形㊁无热影响㊁加工应力小㊁加工柔性高等优点,与其他切割技术形成优势互补[5-7]㊂更为重要的是,由于它是一种冷加工技术,所以在处理易燃易爆的危险品㊁天然纤维㊁橡胶等热敏感材料方面,水射流技术发挥着至关重要的作用[8-10]㊂作者较为系统地介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,并就其研究进展和应用现状做了相关总结和概括,以期为水射流技术的研究和发展提供相关参考㊂1㊀磨料水射流的微观侵蚀机理及混合机制MIESZALA等[11]从微观角度揭示了磨料水射流的侵蚀机制㊂首先,射流的冲击引起材料大应变导致位错;其次,随着应变的增加㊁位错的发展,形成新的晶界位错滑移或机械孪生,最终导致材料表征的改变㊂磨料水射流按其磨料混合机制的不同,分为前混合式和后混合式㊂前混合式磨料水射流切割系统的高压水分为两路,一路流经磨料罐与磨料初步混合,之后与分流的另一路高压水汇合,而后从喷嘴中喷出㊂后混式则通过负压吸取磨料的方式,磨料在喷嘴中的混合腔中完成与高压水的混合[5],如图1所示㊂前混合式磨料系统切割能力更强,但对机器设备要求较高㊂后混式切割能力较弱,但由于它易于实现,元件磨损小,因而是最为常见的类型且被广泛应用于工业生产中[12-13]㊂图1㊀后混合式磨料切割系统2㊀水射流切割的研究发展现状2 1㊀传统磨料水射流的发展现状磨料水射流切割性能是受射流能量㊁靶距㊁磨粒浓度㊁材料㊁喷嘴结构等因素影响的非线性冲击动力学问题,主要表现在切割力㊁切割质量等方面[12-15]㊂相同参数条件下,切割深度是切割力大小的重要体现㊂JZHAO等[16]经实验研究发现:切割深度和破碎体积的效率因子随射流速度㊁进给速度㊁磨料浓度的增加而减小㊂XPLONG等[17]发现:较长的准直管可以减少粒子的圆周运动,同时粒子形状因子的减少也将改善粒子加速过程㊂薛尚文等[18]研究靶距的变化与切槽深度的关系,得出靶距与切割深度的公式:2GfD0K=0 335xxcψ2/31-σy2p0φæèçöø÷1-exp2Cfp0φRUæèçöø÷éëêêùûúú式中:σy为材料的屈服强度;R为阻尼系数;Z为穿透速度㊂表面粗糙度是一个量化切割质量的重要指标[19]㊂BEGIC-HAJDAREVICA等[15]发现喷嘴进给速度对底部表面粗糙度影响较大㊂SCHWARTZENTRUBER等[14]提出一种能够预测表面粗糙度的二维和三维模型,该模型表明:切割表面粗糙度随着射流速度的提高㊁切口锥度的减小以及切割目标动态硬度的上升而减小㊂赵宏伟等[20]的实验表明:在磨料水射流切割微晶复合材料时,射流压力增加,光滑区粗糙度先减小后增加;靶距增加,粗糙度增大;磨料流量增加,粗糙度减小㊂在切割参数模型的发展研究方面,现有的预测磨料水射流切割效果的模型,应用于不常见材料的加工中,往往不能取得令人满意的效果,这意味着需要进行大量试验,以扩大经验数据库,这无疑增加了使用者的成本㊂基于现状,APERECE[21]将正交阵列设计方法应用在新材料工艺参数的采集中,能有效减少实验次数,从而降低成本㊂张军等人[22]根据超高压水射流切割目标物体时反射声音特征量不同的加工特点,设计了水射流切割声音采集系统,对切割喷嘴移动速度和声音特征量进行非线性建模,实现水射流切割的自适应速度优化控制㊂2 2㊀以新型高效射流为基础的水射流切割技术水射流按连续性可分为连续性水射流和脉冲水射流,按运动特征可分为空化射流和摆振水射流㊂除磨料射流外,水射流按成分还可分为纯水射流和添加剂水射流等㊂这些新型高效射流的应用有效提高了水射流切割破碎的能力㊂脉冲射流是由一系列离散的高强度的瞬时水锤压力冲击所形成的高速射流[23]㊂自激脉冲水射流是一种利用自身结构产生将连续射流转化为脉冲射流的新型高压水射流,间歇性的水锤压力在靶物表面产生的作用力明显超过了连续射流的滞止压力[24],同时由于射流边界与周围液体之间存在剪切涡旋,使射流兼具空化效果[25],因而切割破碎能力大大提高㊂但由于在脉冲射流作用时切割破碎主要是沿着材料破坏裂纹展开的,难以满足切割时的尺寸精度要求[26],如图2所示[23]㊂但在对切割精度要求不高的石油和煤矿等矿采领域,自激脉冲水射流有着重要意义[27]㊂图2㊀非淹没条件下两种射流的冲蚀效果空化水射流就是含有空化现象的水射流[28]㊂射流中的气泡核长大,溃灭产生的瞬时高温和强烈冲击作用于靶件,达到切割破碎的效果[29-30]㊂AFCONN和VEJOHNSON等[28]利用水声学的方法率先研制了声谐自振空化射流,其中风琴管喷嘴和亥姆霍兹振荡腔喷嘴是最常见的两种自振空化喷嘴,如图3所示㊂图3㊀自振空化喷嘴的两种形式JONHSON[31]的试验结果表明,自振空化射流的切割深度一般比SMITH喷嘴深2 4倍㊂但与连续射流相比,空化射流存在切缝极大㊁射流流量大㊁切割质量不易控制的问题㊂水射流空化作用机制尚不十分清楚,国内外对空化水射流的研究侧重于实际工程应用,很大程度上依赖于经验,进一步研究的空间巨大[32]㊂摆振水射流是在喷嘴相对靶体横向摆动的同时增加一个振动运动,提高水射流相对于被切割物的横移速度㊂邹正龙[33]经实验初步探索验证了摆振磨料水射流的可行性及其高效㊁低耗的切落碳岩特点㊂李震等人[34]研究发现增加流体黏度,由于流动阻力加大,从而使射流的出口速度快速衰减,出口界㊃471㊃机床与液压第46卷面切削力下降;而加入减阻剂的射流,流体的流动阻力降低,致使水射流的流动特性得到改善㊂蔡书鹏等[35]实验发现高分子聚合物作为减阻剂对射流束有集束作用,同等条件下减阻剂磨料射流要比常规磨料射流的切缝窄,而且减阻剂使切割断面粗糙度减小,使切割质量提高㊂于以兵等[36]选用表面活性剂阳离子聚丙烯酰胺(PAM)和十六烷三甲基氯化铵(CTAC)作为减阻剂,实验发现CTAC/NaSal的减阻效果优于PAM,添加CTAC/NaSal后泵压调低5MPa,仍可以获得与无减阻剂时相同的切割深度㊂可以起减阻效果的添加剂分为5类:聚合物㊁表面活性剂㊁纤维㊁微气泡和柔性涂层㊂尽管人们在此领域展开了大量工作,但目前仍没有被广泛接受的减阻机制和模型[37]㊂2 3㊀现代水射流切割技术的发展方向根据现阶段磨料射流的研究动态,可依据射流束直径将其分为3类:传统磨料水射流(500μm以上),精细磨料射流(100 300μm),微细加工磨料射流(100μm以下)[38]㊂微磨料水射流加工技术是在传统磨料水射流基础上发展起来的一种全新的微细加工技术[39]㊂在切口质量㊁切缝宽度㊁加工柔性等方面明显优于传统磨料射流,但也存在喷嘴加工困难且可靠性差㊁运行成本高等问题[40]㊂随着水射流切割技术的发展,水射流的加工模式引起了人们广泛的兴趣,并设想使用液体二氧化碳代替水,从而实现无残渣和干燥加工,以及对热敏和水敏材料的处理[41-43]㊂与水射流相比,二氧化碳射流切割更精准,加工应力更小㊂高压液体二氧化碳射出喷嘴后在大气压下向气体和颗粒转变,以此用于零件加工,目前仍处于研发阶段,仅限于合成和天然材料的处理㊂张东速等[44]基于现有磨料射流技术存在的问题,提出一种悬浮磨料磁流体射流技术㊂利用磁流体推进器代替机械增压,其基本原理是基于法拉第电磁力定律,它能有效控制磨料的杂散路径[45],可产生长距离稳定㊁汇聚的射流束[46],提高了水介质对磨料的能量传输效率,并实现了连续作业的功能,对于磨料射流技术更新具有十分重要的意义㊂3 水射流切割技术应用现状高压水射流切割技术作为一种高效㊁绿色环保的加工技术,有着广阔的应用前景,包括食品医疗㊁航空航天㊁建筑㊁海洋㊁石油和天然气工程等领域㊂WULFKUEHLER等[47]利用水射流切割生鲜蔬菜,与传统刀片切割相比,水射流切割不仅避免了钝刀的情况,还能杜绝交叉污染㊂FLORIAN等[48]实验总结使用0 10mm孔径的喷嘴以及250MPa的水压切割蔬菜的效果最好㊂针对传统甘蔗收割机易磨损堵塞以及重复切割而导致的经济损失,THANOMPUTRA等[49]提出了采用非接触式高压水射流切割的收割模式,在综合考量各项参数的情况下,实现甘蔗茎秆的较远距离切断㊂由于传统磨料石榴石存在可能影响食品质量的因素,在实际加工中,以盐粒㊁糖粒或冰粒做磨料进行切割,能有效保证食品安全和品质[50]㊂医用水刀是一种新型手术分离器械,与普通手术刀㊁电刀㊁超声刀及激光刀等相比,医用水刀在临床上具有高度精准灵活的组织选择性和保护性㊁无热损伤㊁无菌化㊁术中出血量少㊁创伤小等优点,有效避免了 一刀切 的情况㊂合理设计的医用水刀实现了低压水射流时对伤口的冲洗㊁高压水射流时对实质性组织进行切割的作用,有效解决了手术中频繁换刀的麻烦[50-53]㊂在废旧物品的切割破碎㊁回收利用方面,水射流切割有着明显的优势㊂废旧橡胶的循环利用已成为一个全球性的环境问题,水射流切割技术相比传统粉碎方法有着成本相对较低㊁过程简单㊁破碎质量好㊁无二次环境污染等优势[54]㊂刘萍等人[55]通过实验研究发现,冲击粉碎和水楔粉碎是橡胶层粉碎的主要机制,并用正交试验法总结了对胶粉颗粒度大小的影响因素,移动速度的影响最大,其次是射流的驱动压力,最后是靶距㊂在废旧弹药的处理方面,高压水射流在自动化㊁安全㊁绿色处理方面有着先天的优势,在高压水射流的作用下炸药能够从弹壳中分离出来,较之传统融化分离技术而言,水射流切割技术毫无疑问是一种更为有效的手段[56]㊂为了实现海上废弃结构物的回收,在考虑效率的同时也必须兼顾到安全和环保等问题,水射流切割技术无疑是一种较好的选择[57]㊂传统的切割方式在水下的应用受限,对于涉及海洋的行业而言,水下救助打捞㊁船舶和海洋平台水下部分的拆卸㊁潜艇以及港口桥梁建设维护等,都涉及大量切割问题,尤其是沉没的油轮㊁化学品船㊁核潜艇等危险场合的切割处理时,水射流切割的通用性㊁安全性的特点就显得尤为突出了[58]㊂在各种内外因素的影响下,混凝土类建筑常常会出现损坏现象,通过水射流切割技术去除损坏表层是近些年刚兴起的一项技术,相比于传统机械破碎,水射流高效㊁安全㊁环保的技术优势明显,常应用于道路㊁桥梁㊁隧道㊁大坝的修复[59]㊂在煤矿㊁石油㊁油气开采领域,常利用水射流破岩钻井,能有效提高钻井效率并充分清洗井底[60]㊂除此之外,将水射流用于钻孔㊁切缝可以提高松软煤层透气性和瓦斯采集率㊂李晓红等[61]将高压脉冲射流应用于重庆某典型高瓦斯低透气性煤矿,结果表明㊃571㊃第21期刘海青等:高压水射流切割技术发展及应用现状㊀㊀㊀平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原有工艺提升了7 8倍㊂WANG等[62]利用空化射流声振效应促进瓦斯解吸,实验表明声波振动效应对煤层气解吸和最终甲烷解吸有明显的加速作用㊂复合材料是一种由两种及以上材料通过复合工艺组合而成的具有新性能的材料,表现出各向异性的特点,具有广泛的应用前景,其加工一直是一项工程难题[63]㊂碳纤维复合材料是一种新型工业材料,它兼具硬脆材料和复合材料的加工特点,加工时已发生破碎和分层㊂而在磨料水射流的切割加工下,其切割面质量较好,没有分层现象[64]㊂此外,玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维复合材料也是典型的难于切削加工的复合材料,磨料水射流单点冷态的加工优势较好地解决了这些材料的加工问题[65-66]㊂针对材料多维曲面的切割成型,将水射流切割头安装在五轴联动主轴上,从而进行三维立体加工,是一项极其复杂的工程问题,现以应用于生产飞行器机翼㊁机身等大尺度曲面结构件㊁运载火箭壳体等㊂随着水射流切割性能的提升,其应用也越来越广泛㊂冷切割㊁加工柔性高等特点必将使得它在日益发展的现代工业中的地位越来越重要㊂4㊀结束语(1)介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,简述了有关水射流切割技术参数模型㊁切割性能等方面的发展现状和新的发展动态㊂(2)水射流技术作为一种新兴的加工技术,在提高高压水射流切割性能的同时,更应当注重其多方面的应用发展㊂高端超高压水切割机实质是一套集车㊁切㊁铣㊁钻㊁抛于一体的大型多功能智能化的成套设备㊂在现代化的生产中,水射流技术的优势明显,随着新材料的研发㊁射流发生机制的改进以及控制系统的优化,届时高压水射流切割技术才能走向真正意义上的成熟㊂参考文献:[1]赵春红,秦现生.高压水射流切割技术及其应用[J].机床与液压,2006(2):1-3.ZHAOCH,QINXS.HighPressureWaterJetCuttingTechnologyandItsApplication[J].MachineTool&Hydrau⁃lics,2006(2):1-3.[2]张庆良.水射流技术及其应用[J].液压与气动,2012(3):71-72.ZHANGQL.TheApplicationofWaterjetTechnology[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2012(3):71-72.[3]褚聪,戴勇,沈明,等.基于Fluent仿真的强约束磨粒射流抛光特性[J].表面技术,2016,45(6):198-204.CHUC,DAIY,SHENM,etal.MachinabilityofStronglyConstrainedAbrasiveJetPolishingBasedonFluentSimula⁃tion[J].SurfaceTechnology,2016,45(6):198-204.[4]董星,段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术,2005,34(1):48-49.DONGX,DUANX.TechnologyofWaterJetShotPeeningatHighPressure[J].SurfaceTechnology,2005,34(1):48-49.[5]孙旭东.高压水射流切割系统关键技术研究[D].武汉:华中科技大学,2013.[6]冯衍霞,黄传真,WANGJun,等.磨料水射流加工技术的研究现状[J].机械工程师,2005(6):17-19.FENGYX,HUANGCZ,WANGJ,etal.TheResearchSit⁃uationofAbrasiveWaterjetMachiningTechnology[J].MechanicalEngineer,2005(6):17-19.[7]顾承珠,贺云花.高压水射流切割技术和磨料水射流切割技术的机理分析与研究[J].煤矿机械,2004(3):48-49.GUCZ,HEYH.TheAnalysisandStudyoftheMechanismofWaterJetCuttingandAbrasiveWaterJetCutting[J].CoalMineMachinery,2004(3):48-49.[8]邵飞,刘洪军,马颖.磨料水射流抛光技术及其发展[J].表面技术,2007,36(3):64-66.SHAOF,LIUHJ,MAY.PolishingTechniquesandDevel⁃opmentofAbrasiveWaterJet[J].SurfaceTechnology,2007,36(3):64-66.[9]HUY,KANGY,WANGXC,etal.MechanismandExperi⁃mentalInvestigationofUltraHighPressureWaterJetonRubberCutting[J].InternationalJournalofPrecisionEngi⁃neering&Manufacturing,2014,15(9):1973-1978.[10]HUTYROVAZ,SCUCKAJ,HLOCHS,etal.TurningofWoodPlasticCompositesbyWaterJetandAbrasiveWaterJet[J].InternationalJournalofAdvancedManufac⁃turingTechnology,2016,84(5-8):1615-1623.[11]MIESZALAM,TORRUBIAPL,AXINTEDA,etal.Ero⁃sionMechanismsduringAbrasiveWaterjetMachining:ModelMicrostructuresandSingleParticleExperiments[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2017,247:92-102.[12]弓永军.磨料水射流切割技术研究现状及其发展趋势[J].液压与气动,2016(10):1-5.GONGYJ.ResearchStatusandDevelopmentTrendofAbrasiveWaterJetCuttingTechnology[J].ChineseHydrau⁃lics&Pneumatics,2016(10):1-5.[13]成鹏飞,周向红,唐勇.合金盘条高压磨料水射流除鳞系统实验研究[J].表面技术,2016,45(4):144-148.CHENGPF,ZHOUXH,TANGY.ExperimentalStudyonHigh⁃pressureAbrasiveWaterJetDescalingforAlloyWire[J].SurfaceTechnology,2016,45(4):144-148.[14]SCHWARTZENTRUBERJ,SPELTJK,PAPINIM.Pre⁃㊃671㊃机床与液压第46卷dictionofSurfaceRoughnessinAbrasiveWaterjetTrim⁃mingofFiberReinforcedPolymerComposites[J].Interna⁃tionalJournalofMachineTools&Manufacture,2017,122:1-17.[15]BEGIC-HAJDAREVICD,CEKICA,MEHMEDOVICM,etal.ExperimentalStudyonSurfaceRoughnessinAbra⁃siveWaterJetCutting[J].ProcediaEngineering,2015,100:394-399.[16]ZHAOJ,ZHANGGC,XUYJ,etal.MechanismandEffectofJetParametersonParticleWaterjetRockBreak⁃ing[J].PowderTechnology,2017,313:231-244.[17]LONGXP,RUANXF,QIL,etal.NumericalInvestiga⁃tionontheInternalFlowandtheParticleMovementintheAbrasiveWaterjetNozzle[J].PowderTechnology,2017,314:635-640.[18]薛尚文,黄镍,洪啸虎,等.前混合磨料高压水射流切割靶距的研究[J].液压气动与密封,2012,32(2):20-22.XUESW,HUANGN,HONGXH,etal.ResearchontheDistanceofCuttinginPre⁃mixedAbrasiveWater⁃jet[J].HydraulicsPneumatics&Seals,2012,32(2):20-22.[19]MOLITORISM,PITELJ,HOSOVSKYA,etal.AReviewofResearchonWaterJetwithSlurryInjection[J].Proce⁃diaEngineering,2016,149:333-339.[20]赵宏伟,关砚聪,孙艳斌,等.磨料水射流切割微晶复合材料的工艺参数对光滑区粗糙度的影响[J].硬质合金,2016,33(5):350-355.ZHAOHW,GUANYC,SUNYB,etal.InfluenceofAbrasiveWaterJetCuttingParametersonSmoothAreaRoughnessofMicrocrystallineComposite[J].CementedCarbide,2016,33(5):350-355.[21]PERECA.AbrasiveSuspensionWaterJetCuttingOptimi⁃zationUsingOrthogonalArrayDesign[J].ProcediaEngi⁃neering,2016,149:366-373.[22]张军,赵德安,李雪峰,等.超高压水射流切割声音特征提取与喷嘴移动速度控制[J].机械工程学报,2013,49(18):184-189.ZHANGJ,ZHAODA,LIXF,etal.HighPressureWaterJetCuttingSoundFeatureExtractionandNozzleTraverseSpeedControl[J].JournalofMechanicalEngineering,2013,49(18):184-189.[23]申硕.淹没条件下自激脉冲射流的动态特性及冲蚀实验研究[D].株洲:湖南工业大学,2013.[24]弓永军,郭臣,侯交义,等.基于Fluent的脉冲射流喷嘴的全尺寸结构优化[J].液压与气动,2014(11):32-35.GONGYJ,GUOC,HOUJY,etal.Full⁃sizeStructuralOptimizationofPulsedJetNozzlesbyFluent[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2014(11):32-35.[25]崔谟慎,孙家骏.高压水射流技术[M].北京:煤炭工业出版社,1993.[26]薛胜雄.高压水射流技术工程[M].合肥:合肥工业大学出版社,2006.[27]王晖,何学秋,聂百胜,等.自振脉冲磨料水射流切割性能影响因素及矿用安全性分析[J].矿业研究与开发,2012(3):69-73.WANGH,HEXQ,NIEBS,etal.AnalysisonInfluenceFactorsofCuttingPerformanceofSelf⁃vibrationPulseAbrasiveWater⁃jetandItsApplicationSafetyinMine[J].MiningResearchandDevelopment,2012(3):69-73.[28]王建杰,陈立宇,杨夏明,等.空化水射流的研究进展[J].精密成形工程,2016,8(5):156-162.WANGJJ,CHENLY,YANGXM,etal.ResearchPro⁃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高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用研究摘要:高压水射流加工技术是一种非传统的加工方法,在精密零件加工领域具有广泛的应用前景。
本文通过对高压水射流加工技术的原理、特点以及在精密零件加工中的应用进行深入研究,探讨了其在精密零件加工中的优势、局限性以及存在的问题,并提出了进一步研究和发展的方向。
1. 引言随着现代制造技术的不断发展,对精密零件加工精度要求的提高,传统的加工方法已经难以满足需求。
高压水射流加工技术作为一种新型的加工方法,以其无热影响区、无机械应力集中、无表面裂纹等特点,在精密零件加工领域引起了广泛的关注。
本研究旨在探讨高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用研究,为提高零件加工质量和效率提供科学依据。
2. 高压水射流加工技术的原理与特点高压水射流加工技术是利用高速注入的水流作为切削工具,通过调节流量和压力来控制切削效果。
其原理主要包括切削力、流态力、热效应和材料去除效应等。
在精密零件加工中,高压水射流加工技术具有以下特点:1) 高效性:高压水射流加工技术可以在短时间内完成零件的加工,提高生产效率;2) 高精度:由于水射流加工过程中无接触切削,避免了机械变形和振动,能够保证零件加工的高精度;3) 环保性:高压水射流加工不产生有害气体和固体废料,对环境友好。
3. 高压水射流加工技术在精密零件加工中的应用3.1 轴类零件加工高压水射流加工技术在轴类零件加工中发挥了重要的作用。
由于轴类零件通常存在几何形状复杂、尺寸精度要求高等特点,传统的加工方法难以满足要求。
通过对高压水射流加工参数进行优化,可以实现对轴类零件的精密加工,提高加工效率和零件质量。
3.2 零件表面处理高压水射流加工技术在零件表面处理中具有独特的优势。
通过调节水射流的压力和流量,可以控制水射流对零件表面的冲击力和切削效果,实现去除表面污垢、清洁锈蚀、增加表面粗糙度等目的。
同时,由于高压水射流加工不产生热影响区,可以避免零件表面的烧伤和变形,保持零件的精密度。
高压水射流加工技术在船舶电镀加工中的应用研究随着船舶工业的发展,对于船舶电镀加工的要求也越来越高。
而高压水射流加工技术作为一种新兴的加工方法,其在船舶电镀加工中的应用研究具有重要的意义。
本文将从高压水射流加工技术的基本原理、在船舶电镀加工中的应用以及存在的挑战与解决措施等方面展开探讨。
首先,我们来了解一下高压水射流加工技术的基本原理。
高压水射流加工技术是利用高速喷射的水流对工件表面进行加工的一种方法。
通过高压水射流的冲击力和切割力,可以将工件表面的污物、氧化层等物质去除,清洁工作面,从而为电镀提供一个良好的基础。
在船舶电镀加工中,高压水射流可以发挥多种作用。
首先,它可以清洁船体表面,将附着在船体上的污垢、海草等物质彻底清除,保证电镀过程的顺利进行。
其次,高压水射流还可以去除船舶表面的氧化层,为电镀提供一个干净的表面,增强电镀层与基材之间的结合力,提高电镀层的附着力和耐腐蚀性。
此外,高压水射流还可以修整、清理船舶表面的不平整处,减少表面缺陷,提高电镀的质量和外观。
然而,高压水射流加工技术在船舶电镀加工中也面临一些挑战。
首先,高压水射流加工需要高压水射流设备和相关的控制系统,在船舶上的安装与维护成本较高。
其次,高压水射流加工会带来一定的环境污染,如噪音和水射流产生的废水等。
另外,在对船舶大面积进行高压水射流加工时,由于船体的曲面特性和几何形状不一致,可能会出现加工不均匀的情况。
针对这些挑战,我们可以采取以下解决措施。
首先,我们可以优化高压水射流加工设备的设计,使其更加适应船舶表面的加工需求。
例如,可以设计多功能喷头,使水射流能够更好地适应曲面和不平整面的加工需求。
同时,还可以改进控制系统,实现对水射流压力、流量等参数的精确控制,使加工效果更加均匀。
其次,我们可以研究开发环保型的高压水射流加工技术。
例如,可以采用低噪音、高效率的高压水射流设备,减少噪音对环境和工人健康的影响。
同时,可以研究回收和处理废水的技术,实现废水的净化和循环利用,减少对环境的污染。
淹没射流技术综述提要:在分析了射流技术发展及应用现状的基础上,着重对淹没射流技术的研究现状和应用现状进行了综述,分析表明,随着相关技术的发展,淹没射流技术的应用必将更加广泛,其社会经济意义也将更加显著。
关键词:射流技术;淹没射流;综述1、射流技术的发展及应用现状19世纪中叶,在北美洲第一次使用水射流开采非固体的矿床。
直到20世纪50年代初前苏联和中国才利用水射流进行采煤。
随着水力采煤技术得推广,人们认识到提高水的压力和适当减小喷嘴直径可以大大增强水射流落煤的能力,于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)和高压脉冲射流等。
进入60年代,大批高压柱塞泵和增压器的问世大大推动了水射流技术的研究工作,当时有不少研究者片面认为水射流的压力越高越好。
到了20世纪70年代末,水射流技术出现了一个新的动向,既从单一提高水射流压力转向研究如何提高水射流的威力。
出现了冲击射流、共振射流和磨料射流等,这些射流压力不高,但威力却远大于同压力下的普通连续射流。
进入20世纪80年代,磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展,把水射流技术推向一个新的阶段。
同时,各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等方面进行研究。
在我国,水射流技术的研究是从上世纪70年代开始的,最初主要是在煤炭部门研究和应用,以后逐渐发展到石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、市政工程等领域,经过30多年的研究和实践,取得很大进展,开发出一批新技术和新产品,有的在国际上还处于先进水平。
我国从1979年开始每两年召开一次全国水射流技术讨论会,并出版了《高压水射流》杂志,1987年北京还组织召开了第一届环太平洋水射流会议。
1995年成立了中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会,这些为我国水射流技术的发展起到了巨大的推动作用[1]。
近年来许多标新立异的研究成果表明:一个能根据实际需要自如地控制各种类型射流技术特性、造福人类的新时代已经到来,射流技术已经成为一门独立的综合性的新学科。
高压水射流论文总结第1篇一般钻井与牙轮钻头喷嘴之间会有一点距离,但是如果这一距离由于某些原因无限缩小并逐渐达到一定范围的时候,在短时间内钻井井底的实际功率与压力就会快速的上升。
这样一来,相关设计人员就能够根据这一原理, 对牙轮钻井喷嘴不断进行进一步的改进和优化,通过对实际中出现的问题进行研究和分析, 最终得出解决办法,并注重对加长喷嘴牙轮的研究和开发。
在石油工程中使用加长喷嘴牙轮, 能够显著提高工作效率, 同时也加快了工作速度,对其经济效益的增加具有重要的意义[3]。
高压水射流论文总结第2篇总的来说, 目前我国石油行业的发展中水射流技术发挥着重要的作用,有效促进了行业建设发展和进步。
因此,对于目前水射流技术的应用需要加强研究和分析, 并注重研究和探讨其前景展望,促进水射流技术的逐渐成熟, 并提高其技术层次,这对我国科学技术和石油行业的发展都具有重要的意义和作用。
参考文献[1]李根生, 王海柱, 沈忠厚, 田守嶒, 黄中伟,程宇雄.超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望[J].中国石油大学学报(自然科学版) , 2013, 05:76~80+87.[2]刘中平, 蔺龙, 艾庆琳, 陈丽.浅论高压水射流技术在油藏工程中的应用[J].化工管理, 2013, 14:29.[3]檀朝东, 陈见成, 刘志海, 王辉萍, 史赞绒,杨若谷.大数据挖掘技术在石油工程的应用前景展望[J].中国石油和化工, 2015,01:49~51.[4]李海燕.石油工程中水射流技术的应用与发展前景[J].化工管理, 2015, 06:69.[5]王春晖.高压水射流技术在高架大修工程中的应用[J].中国市政工程, 2015,05:12~13+16+94.高压水射流论文总结第3篇从20世纪90年代, 我国的石油工程中才开始逐渐应用水射流技术,在石油工程中的运用时间比较短。
这一技术在开发之后, 发展迅速,并逐渐得到广泛的运用,其中主要包括水利建设、工程建筑、航空航天、金属冶炼、石油工程、机械制造、煤炭开采等各个行业。
液体流动的射流与湍流相互作用研究液体流动的射流与湍流相互作用是流体力学领域的重要研究课题之一。
在工程和科学领域中,研究液体流动的射流与湍流相互作用,可以帮助我们更好地理解和控制流体的行为,从而应用于多个领域。
一、流体力学基础知识为了深入研究液体流动的射流与湍流相互作用,首先需要了解一些流体力学的基础知识。
流体力学是研究流体的运动、变形和力学特性的科学领域。
在流体力学中,流动可以分为层流和湍流两种状态。
二、液体射流液体射流是指液体在管道或喷嘴中高速喷出的过程。
液体射流具有较高的速度,能够形成稳定的射流形态。
在液体射流中,射流流速与周围环境相比较高,因此与周围环境发生相互作用。
射流与周围环境的相互作用会导致射流的扩散和改变其流动特性。
三、湍流湍流是流体力学中另一种常见的流动状态。
湍流具有不规则、混乱的流动特性,流体的速度、压力和密度在时间和空间上都呈现随机变化。
湍流流动中的涡旋和涡流现象对流体的运动起着重要的作用。
湍流的起因与流态的不稳定性相关。
四、射流与湍流相互作用射流与湍流相互作用是指液体射流和周围的湍流流动之间的相互影响。
液体射流对周围的湍流流动会产生扩散效应,使湍流能量的损失增加。
另一方面,湍流对射流也会产生抑制与削弱的效果,减小射流的速度和形状。
五、研究方法与应用研究液体流动的射流与湍流相互作用通常采用数值模拟和实验方法。
数值模拟可以通过计算机模拟形成射流和湍流的相互作用过程,提供流动的详细数据和可视化效果。
实验方法则通过设计合适的实验装置和测量仪器,对射流和湍流的相互作用进行直接观测和分析。
液体流动的射流与湍流相互作用研究在许多领域有着广泛的应用。
在航空航天领域,研究射流与湍流相互作用可以提高喷气发动机的效率和推力。
在能源领域,研究射流与湍流相互作用可以提高石油开采和输送的效率。
在环境保护领域,研究射流与湍流相互作用可以帮助减少工业废水和排气的污染。
此外,在汽车工程、建筑设计和食品加工等领域也都存在着液体流动的射流与湍流相互作用研究的需求。
水射流研究的现状与发展“水滴石穿”的实质是微小的冲量对时间的积分。
高压水射流加工技术正是利用相同的原理,把动量加大,缩短时间,达到断石、断铁、切割的目的。
人们在很早的时间就开始利用很高压力的水进行材料的加工和切割。
1870年前后,美国在加利福尼亚的金矿中用增压后的水流开采矿石,俄国人也曾用水采煤。
在上世纪60年代,密苏里大学林业系的诺曼·弗朗兹教授发明了高压水射流的切割实验装置。
该装置的核心是一个单缸增压器,压力可以达到344.7MPa(s000opsi),用这样的高压水可以来切割木材。
这一装置引起包括著名的依格所尔公司在内的许多压力设备制造商和研究单位的兴趣。
1971年第一台商用水切割试验机在杰克逊的阿尔顿纸品公司投入应用,用于切割层压纸管,其厚度达到12.7mln(0.sin),并且可以在纸管上切出各种形状。
高压水切割技术的真正的商品化应用是上世纪80年代初洛克韦尔飞机公司用水切割机来切割BI轰炸机的钦合金零件,可以节约成本50%。
目前许多国外的公司用高压水切割各种材料,甚至用于军舰制造。
高压水除用于切割之外,还可用于除锈、清洗,以及建筑与道路施工等方面,涉及到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业。
1987年洛克希德航空系统公司开发了四轴水切割机器人,用于石墨增强树脂、钦合金板材以及薄壁大口径管材的切割。
依格所尔公司的水切割系统与ASES的机器人组合成汽车工业机器人,在瑞典得到应用,切割汽车车头的衬里、门板和地毯。
在军工上,美国人应用高压水切割军舰用异型橡胶零件,以及潜艇外贴降噪橡胶层。
高压水射流技术在国内的应用开始于上世纪80年代,并随着国际上水射流理论的成熟和成功的商业化,国内对这项技术的认识也不断地加深,很多的专家学者〔52],对此开展了大量的研究和探讨,把国内的高压水射流切割技术不断推进。
新型射流的应用和研究得到很快的发展,在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极为迅速的推广。
2高压水射流切割工艺的特点及应用高压水射流切割技术之所以能够迅速地在实践中得到应用和关注,是与其具备鲜明的技术特点,能够满足日益增长社会生产的需求分不开的。
水射流加工是一种现代的有别于传统的加工方式。
有两种类型:纯水射流(,厄terjet)和磨料水射流(Abrasive研/aterjet)。
水射流从切割纸板开始,到今天能广泛地应用于各种软硬材料,包括纸、食物、玻璃纤维、绝缘材料、塑料和复合材料。
在WJ的切割过程中,切割是超声速的冲蚀过程。
WJ与AWJ的主要区别在于提高切割能力的一种磨料介质。
在高科技日益发展的社会中,只有创新才会发展。
高压水射流切割技术开拓了一个大连理工大学硕卜学位论文新的特种加工领域,可以轻松应对那些新奇的因为热影响和机械性能约束而不能切割的材料。
AWJ磨料水射流可以广泛地应用于材料的加工,如:钦金属、钢、铜、铝、石材、玻璃和其他复合材料。
AWJ还可以弥补其他加工方法的不足。
使用AWJ预开孔可以提高EDM(放电加工)的性能,其可以扩展EDM和激光加工对某些惰性和非传导材料的加工能力。
由于AWJ的反冲力较小,因此对易碎脆性材料的AWJ加工不必担心变形和破碎。
高压水射流既不同于传统加工的铣、刨、磨、削,也有别于一般的剪切和冲裁。
它属于高能切割。
高压水射流切割就是把高压水射流的动能作为切割能,对材料进行冲蚀和挤压、破坏,以达到切割的目的的一种新工艺。
图1一2是高压水射流的工作示意图。
水射流切割机包括四个基本组成部分:压力发生装置提供切割动能,如:高强度的加压泵、蓄能器:水供给装置,如过滤器、输送管线;切割装置,如:控制阀门、喷嘴等;回收装置等。
有的还具备精确控制装置;磨料供给装置等。
具体结构将在以后详细阐述。
人连理工人学硕L学位论文器运行时发生不正常磨损,影响使用寿命。
特别是有些机械零件上的深小孔内壁毛刺难以去除。
目前国内外先后研制了超声波、电解、氢氧爆炸、流体塑料冷挤压等多种工艺和设备,但去除效果不甚理想,成本也较高。
自从200MPa以上压力的超高水射流设备研制成功后,为解决小孔去除毛刺的问题开辟了新的途径。
随着水射流技术的不断发展,这项技术的理论研究也逐渐深入。
人们首先认识到射流必须具备一定的压力,即要超过被加工材料的门限压力(thresholdpressure),另外,AWJ加工误差取决与一系列参数,从磨料供给量到工件的厚度。
切割的质量在采矿、碎石等应用上没有足够的重视。
随着其他精确切割方式的采用,切割质量的要求和切割能力、效率上都需要不断地发展、进步。
于是,水射流技术也出现新的动向。
即从单纯提高水射流的射流压力转向研究提高水射流的总体冲击效果(如冲蚀量、射流打击能量等),从而相继出现了新型射流,脉冲射流、空化射流,提高对被加工工件的刮削、冲蚀和挤压,以提高水射流的切割能力。
然而,高压水射流系统仍不是尽善尽美的,还存在如下的缺点:1、高硬度的材料,诸如钢、金属陶瓷、高强度复合材料、坚硬的岩石纯水射流不能切割;而磨料水射流存在喷嘴磨损和切割成本大的问题。
2、高压水射流的设备成本比其他切割方法高。
3、在一些应用中,与激光切割、等离子弧切割、线电极电火花切割等方法比较,存在进给速率低、加工精度差等不足。
4、在切割过程中,影响切割质量的参数多,条件复杂,有时切割导致断面分层和条纹。
表1一1表示出水射流切割金属材料的某些特点和与其他切割法的比较。
3国内外高压水射流技术的发展高压水射流(High一Pressurewate6ets)己经被工业领域看作标准的切割工具。
许多非金属材料都可以采用水射流迅速而有效地切割。
在造纸、服装、建材、塑料、玻璃纤维和中等硬度岩石采矿都使用水射流切割。
它的巨大潜力和前景一经发现,就引起各国的高度重视。
工业发达国家不惜投入巨额资金,资助开发这项技术。
目前,在美国、日本、英国成立射流行业协会,定期举办国际交流,出版刊物,制定标准,积极促进这项技术的标准化。
中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会秘书处设立在石油大学。
目前,世界上的水射流技术组织有:英国流体技术研究协会(BHRG);日本水射流协会(ISWJT);美国水射流技术协会(WJI’A)等行业组织;主办刊物有JetNewS,IntemationalJoumalofWaterJetTeehnology等。
许多有关水射流技术的手册,技术资料、数据库和标准不断完善。
国际上还举办了二十几次的国际射流学术会议,为国际间对射流技术的交流和发展创造了机会。
其中著名的交流活动有:(l)国际水射流切割技术会议1972年召开第一次会议,主办者是英国流体技术研究协会(BHRG)。
(2)美国水射流会议绪论4、便于实现一机多能和自动化、数控化。
高压水射流是全方位点切割器,无硕万孔,可以在任意点切割,切出任何复杂的形状。
因此对程序化和数控操作十分便利。
另外采用CAM或CAD控制加工,可以达到高精度,重复加工能力强。
5、优化材料的利用率。
由于射流切口小、切割可以精确控制,因此样板可以嵌套或者相切排列,充分利用每一块材料,减少废料。
6、高压水射流还具有不产生粉尘,环保;切口质量好、切割速度快,没有火灾危险等优点。
在切割过程中,完全可以作为某些工件的最终工序。
7、应用灵活、适用广泛,也是高压水射流的特点之一。
高压水射流的最终执行机构是切割头,其余均为辅助单元。
因此,利用高压软管将切割头和辅助设备分开,可以远距离、独立、灵活地使用。
国外商业应用中已经有缘壁切割机、机器人除锈、清洗等设备,从高空到水下都可以应用。
另外,高压水射流可以根据切割材料的硬度调整压力,把血管和病变组织分离,因此在医疗手术上也有应用。
正是由于高压水射流具有以上这些特点,近几年来,该项技术得到迅速的发展。
在非金属材料切割(各种矿石、混凝土、橡胶、皮革、布、陶瓷材料和现代复合材料等)和金属材料的切割(钢、铝、铜、钦等),水力采矿、除垢等领域得到应用。
国外广告资料上说使用者在应用水射流技术唯一受限制的是他们的想象力。
在现代科学技术迅猛发展的今天,高压水射流技术作为一门集流体力学、机械制造、自动化控制为一体的新兴综合学科在国内外迅速崛起,其应用领域不断扩展,从一般机械零件、建筑物的清洗到以管道、容器为主的工业清洗,从机场跑道除胶到船舶除锈,从金属、非金属材料常规切割到曲面、异型材料仿形切割,从水力采煤到开采岩石,从喷射注浆到破碎路面,从无刀手术到水幕电影等等,林林总总,不一而足。
1、工业清洗和建筑物清洗应用各种工业设备在日常运行中,由于温度、压力、介质的物理化学作用,常常会在设备内部产生高温聚合物,结焦、水垢、油垢、沉积物、腐蚀物等污垢,使设备效率下降,能耗物耗增加,工艺流程中断,装置失效,甚至导致恶性事故发生。
所以工业设备一般采取定期清洗的方式来恢复正常生产或恢复原有生产效率。
通常采用人工清洗、化学清洗及气体喷砂等方法,但人工清洗的清洗质量差、速度慢、劳动强度大;化学清洗对设备有一定的腐蚀作用,废液难以回收,污染环境,且对某些污垢作用不大;气体喷砂只能适用于设备表面污垢,噪声粉尘较大。
后来发展起来的超声波清洗虽也得到推广应用,但应用范围只能对小型物件进行清洗,难以适用于大型设备的清洗。
应用高压水射流清洗方法,是对工业清洗方法的一项重大改革,由于其通用性、快速高效的清洗能力、成本低、无污染等特点,可以广泛应用于石油、化工、电力、船舶、民航、水利、核电、建筑等工业部门。
随着我国城市建设的日益现代化,城市中高楼大厦林立,各类大型建筑物拔地而起,也带来了许多建筑物外墙的清洗问题。
应用高压水射流清洗技术,就可使“蓬头垢面”的建筑物不必重新装饰而重现光彩,清洗效果大大改善,整修成本大大降低。
2、切割技术应用目前世界上主要应用领域在航空、航天工业,用于切割先进的复合材料结构、蜂窝夹层结构、耐热合金和机翼零件等。
在汽车制造业用于复合材料的切割、飞边的切除、成型、清洗等。
兵器工业上用于火药的修整、弹体的分解等。
3、机械零件小孔去除毛刺:机械零件在加工中产生的毛刺不仅影响外观,而且在机高压水射流己经在工业上得到广泛的应用,与其他诸如机械切割、火焰切割、激光切割、等离子切割相比,高压水射流切割具有独特的优点。
1、加工能力强,可以加工不同材质的工件;硬质材料的加工厚度达6’‘;可以加工某些难以用传统加工方法切割的材料。
2、不产生热变形和金相组织变化。
由于水本身就是切割工具和最佳冷却液,因此切割过程中所产生的热量绝大部分被迅速带走,不会造成零件切口附近的烧蚀、熔瘤、氧化和金相组织变化,因而避免了零件的热变形和零件材料的热损失,可以减少零件的后继工序的加工量。
因此,可以有效地进行热敏材料、易燃易爆材料和易变形材料的切割。
3、不会产生附加应力变形。