水射流研究的现状与发展

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。