水射流切割技术的发展及应用

⽔射流切割技术的发展及应⽤

论⽂题⽬：⽔射流切割技术的发展及应⽤学⽣姓名：

学⽣学号：

专业班级：机械设计制造及其⾃动化学院名称：信息⼯程学院

指导⽼师：

⽔射流切割技术的发展及应⽤

摘要:磨料⽔射流切割技术是近 20 年来发展起来的新技术和新⼯艺,其发展相当迅速。⽂章阐述了⾼压⽔射流加⼯技术的起

源、切割机理及其分类，以及磨料⽔射流切削加⼯的优越性和其在⼯业中的应⽤。

关键词：⾼压⽔射流切割机理

⼀、⽔射流加⼯技术起源

“⽔滴⽯穿”体现了在⼈们眼中秉性柔弱的⽔本⾝潜在的威⼒,然⽽，作为⼀项独⽴⽽完整的加⼯技术，⾼压⽔射流（WJ）、磨

料⽔射流（AWJ）的产⽣却是最近三⼗年的事，利⽤⾼压⽔为⼈们的⽣产服务始于⼗九世纪七⼗年代左右，⽤来开采⾦矿，

剥落树⽪，直到⼆战期间，飞机运⾏中“⾬蚀”使雷达舱破坏这⼀现象启发了⼈们思维。直到本世纪五⼗年代，⾼压⽔射流切割

的可能性才源于苏联,但第⼀项切割技术专利却在美国产⽣，即1968年由美国密苏⾥⼤学林学教授诺曼·弗兰兹博⼠获得。在最

近⼗多年⾥，⽔射流（WJ、AWJ切割技术和设备有了长⾜进步，其应⽤遍及⼯业⽣产和⼈们⽣活各个⽅⾯。许多⼤学、公司

和⼯⼚竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了⼀种你追我赶的势头。⽬前已有3000多套⽔射流切割设备

在数⼗个国家⼏⼗个⾏业应⽤,尤其是在航空航天、舰船、军⼯、核能等⾼、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料，

其设备年增长率超过20%。

2、我国⽔射流技术发展概述

随着我国经济的迅猛发展,各⾏各业对切割技术的需求越来越⼤,对切割质量的要求也越来越⾼.激光束、电⼦束、等离⼦体和⽔

射流等都已成为新型的切割加⼯⽅法。其中激光束、电⼦束和等离⼦体都属于热切割加⼯,⽽⽔射流是唯⼀的冷切割加⼯技

术。⽔射流不仅可以切割各类⾦属、⾮⾦属、塑性或脆性硬材料,⽽且⼯艺简单, ⼯件材料的物理、机械性能不会破坏。在各种

新材料与复合材料相继涌现的当今时代,⽔射流的冷切割性能是⽆与伦⽐的。

⽔射流切割分为纯⽔射流切割和磨料⽔射流切割两种。纯⽔射流切割是以纯⽔作为能量载体, 其结构简单,喷嘴磨损慢, 但切割

能⼒差。磨料⽔射流切割以⽔和磨料(磨料约占90%) 的混合液作为能量载体, 切割能⼒强,能切割⼏乎所有的材料, 其卓越的应

⽤效果越来越被⼈们所认识。

3、⽔射流⼯作原理及其分类

⾼压⽔射流切割的原理是将⽔压增⾄超⾼压100 ~400MPa,经节流⼩孔(0. 15~0. 4mm) 使⽔压热能转变为射流动能(流速⾼达900mm/ s) ,⽤这种⾼速密集的⽔射流进⾏切割。磨料⽔射流切割则是再往⽔射流中混⼊磨料粒⼦,经混合管形成磨料射流进⾏

切割。⽔射流作为载体使磨料粒⼦加速, 由于磨料质量⼤、硬度⾼, 磨料⽔射流较之⽔射流,其射流动能更⼤, 切割效能更强。

根据磨料和⾼压⽔混合的情况磨料射流可分为前混合式、后混合式。其中, 在后混合式磨料⽔射流的形成过程中,磨料以很低的

初始速度与⾼速的⽔射流互相接触,发⽣的情况是随机的; 有些磨料被⽔射流直接带⾛; 有些磨料飞溅到混合腔的壁⾯, 再反弹回

到⽔射流表⾯; 少数的磨料则贴附在混合腔的内壁⾯, 其中的⼀些磨料还可能被偶然的冲刷⽽重新返回⽔射流中。总的看来, 后

混合式的原理与结构,都不能使磨料与⾼速流动的⽔进⾏紊动混合,明显降低了⽔介质对于磨料的能量传输效率。

前混合式磨料射流是将磨料先与从⾼压泵泵出的⽔在⾼压输⽔管路中混合均匀, 形成磨料与⽔相混合的固液两相流,再经喷嘴喷

出。⽽后混合式磨料射流正好相反,磨料与⽔的混合是在⽔喷出后进⾏的, 最后⼀起经磨料喷嘴喷出。在前混合磨料射流系统中

磨料罐处于泵压作⽤下,必须是⼀个能承受⼀定压⼒的容器。⾼压⽔与磨料在磨料罐内初步混合, 使磨料处于似流体的流化状态,

然后,在⾼压输送管的混合室内流化磨料与⽔混合, 经磨料喷嘴加速过程使磨料获得更⼤的动能⽽喷射形成液固两相介质射流―

磨料射流。其⼯作原理图如下:

图 1. 2 前混合磨料射流系统图

磨料⽔射流加⼯磨料⽔射流的切割、车、铣、钻⼯作系统的组成和流程如下：供⽔系统→增压系统→磨料供给系统→磨料⽔射

流喷头运动机构→接收器。其中，只是运动机构和接收器随具体应⽤⽽变更,其它部分的组成都相同。

前混合式磨料射流⼤⼤改善了液固两相介质的混合效果,磨料在喷射前能较均匀地混合于⽔流中, 射流中的磨料在喷射前可以获

得很⾼的动能, 从⽽使其冲蚀物料的效果⼤⼤提⾼, 同时也降低了泵的⼯作压⼒。这样, 在完成同样切割任务时,前混合式磨料射流与后混合式磨料射流相⽐其压⼒可降低了⼀个数量级。此外,前混合磨料射流还具有磨料可以回收利

⽤、切割⽐能耗较低等优点。

因为前混合磨料射流具有上述的优点, 所以前混合磨料射流有⼴泛的应⽤基础。例如⽤前混合磨料射流进⾏切割加⼯,可以在较

低压⼒下对机械⼑具难以加⼯的陶瓷、⾦属基或纤维树脂复合材料等进⾏加⼯。在除锈⽅⾯, 前混合磨料射流是较有效的⼿段,

可⽤于船舶、车辆、⼯程装备、钢板等容积内外壁的除锈、剥层。实际应⽤表明前混合磨料射流的除锈效率⾼,并且可以达到

很好的除锈效果。

4、磨料⽔射流切削⾦属材料机理

磨料⽔射流切削⾦属材料 ,实质上就是磨料冲击下⾦属的冲蚀磨损。不同材料磨料的冲蚀磨损机理不同,⼀般⾦属材料的特性介

于脆性材料与弹性材料之间 ,均属于韧性材料。韧性材料的磨料冲蚀磨损有两种⽅式，⼀是微切割磨损,就是带尖⾓的坚硬磨料

以较⼩⾓度冲击物料，磨料尖端依惯性压⼊材料表⾯⽽运动时，材料将被切割掉微体积，并在磨料运动⽅向上形成切屑；另⼀

种是磨料垂直冲击下，材料表⾯因塑性变形引起的变形磨损。⽽实际磨料的冲蚀磨损过程常同时存在磨料的微切割磨损与变形磨损。

图为⾼压磨料⽔射流切割 A3钢板切⼝的纵截⾯图。由切⼝纵截⾯图形状可以看出,钢板切透点在射流直径内，此时，切割过程

包括3 个区间，第1区间，切⼝受磨料冲击的⾓度较⼩ ,这⼀区间主要由微切割磨损完成 ,变形磨损为次要因素。第3区间，切⼝

受磨料冲击的⾓度较⼤ ,这⼀区间主要由变形磨损完成 ,微切割磨损为次要因素。第2区间,是磨料冲击⾓度由⼩到⼤的过渡区

间，该区间由两种磨损⽅式的复合磨损完成。

5、磨料⽔射流切削加⼯与其它加⼯⽅法⽐较具有以下优点

( 1)⼏乎能够加⼯任何材料能够加⼯各种⾮⾦属、⾦属包括极软、极硬的材料。如⽯墨、橡胶带、玻璃、陶瓷、钦合⾦、⾦属

基复合物等。

( 2)⼯作点温度低避免了机械或热切削如激光加⼯、电⽕花加⼯、等离⼦加⼯等在⼯作点产⽣热影响区和变形现象。因此已加

⼯表⾯⾦属的⾦相组织没有变化。

( 3)切削过程⽆尘、⽆味、⽆毒、⽆⽕花（淹没磨料⽔射流），其在⼯件上的作⽤⼒很⼩ ,也不产⽣振动 ,所以⼯件不需要笨重

的夹具。适合于恶劣的⼯作环境

和有防爆要求的危险环境。

( 4)切割加⼯的切⼝宽度窄全向切割最⼩半径可达0.6mm，如⽤悬浮磨料⽔射流切割厚度为0.15mm 的镀⾦⽯英⽚,切缝宽度仅

0.075mm。磨料⽔射流可以开细缝、打⼩孔 ,还可以在⼤⼯件中嵌套⼩⼯件。

( 5)切割加⼯的深切能⼒强可以切割厚达150mm的钢板。

( 6)切割加⼯的⽣产效率⾼⼀套磨料⽔射流系统可配置多个喷头同时进⾏多道切割。

(7 )设置接收器的磨料⽔射流系统 ,噪声不超过80-90dB（A），符合环保要求。

(8)可控性好由于磨料喷嘴与⼯件不接触，磨料⽔射流加⼯具很⾼的机动性 ,加⼯可以从⼯件上任意点开始 ,在任意⽅向上进

⾏。能够加⼯任意形状的复杂⼯件,加⼯传统⼯艺难以加⼯的部位。易于与电脑数控的机械⼿结合全⽅向的加⼯。

( 9) 兼容性好在⼤多数现有机械操纵装置上所需的改装费低廉。它可以与X ⼀Y⼯作台定位器、悬臂式镂铣机、铣床、车床和

钻床等配合使⽤。

6、应⽤

( 1) 汽车⼯业。加⼯各种⾮⾦属材料, 如仪表板、毯、⽯棉刹车衬垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料燃⽓箱

等。

( 2) 航空⼯业。可切割特种材料, 如钛合⾦、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠⾦属或增强塑料玻璃等。如⽤⽔射流切割飞

机叶⽚, 叶⽚的切割边缘⽆热影响区和加⼯硬化现象, 省去了后序加⼯。

( 3) 铸造⼯业。铸造⼯⼚可⽤⽔射流切割技术去除⼯件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等。同时, 可切割常规⽅法难

以切割的灰铸铁件。

( 4) 电⼦及电脑⼯业。可以进⾏印刷电路板及薄膜形状的成形切割。

( 5) 煤炭⼯业。对于煤矿井下危险环境中铺设轨道、检修设备等需要进⾏切割的作业。这些作业在⾼⽡斯等危险环境中采⽤传

统的热切割⽅法不能直接进⾏,因为在切割时都伴有热,⽽利⽤磨料⽔射流切割技术 ,切割作业是在常温下进⾏ ,切割时⽆尘、⽆

味、⽆⽓体产⽣,加⼯安全, 振动⼩, 噪⾳低 ,适合于防⽕、防爆、防反应、防⽡斯等危险场合 , 不污染环境。参考⽂献:

[ 1] 华林, 王华昌. 激光切割和⽔切割技术[ J] . 机械制造, 1996 ( 2) . [ 2] 薛胜雄, 黄汪平. 我国⾼压⽔射流设备的发展动向[ J] . 流

体机械, 1999 ( 1) .

[ 3] 张运祺. 美国⽔射流切割技术[ J] . 中国机械⼯程,1992( 3) .