简述水射流加工技术发展与应用

简述水射流加工技术发展与应用

摘要：本文旨在介绍水射流加工技术的形成、发展史。明确水射流加工工艺的主要流程，了解其发展趋势。

关键词：冷加工高压水射流切割磨料

一、水射流加工技术发展史

人们认识水射流应该说还是从水的冲刷作用开始的。大雨能把田地冲出一道水沟，能剥落山岩，甚至能造成泥石流。河道出口久而久之便冲积成了三角洲。水对大自然的鬼斧神工表现在3个方面：使材料破裂、流动、去除。

水射流的应用起源于采矿业。早期利用水射流冲洗矿石中的泥土，蓄水运送并筛选矿石和直接周水射流冲刷煤层。由冲刷到破碎实际上是水射流的一个质变，前者是低压大流量，后者则是高压小流量。本世纪30年代已开始用水射流采煤。开始是用lOMPa以下的水射流冲采中硬以下煤层，至70年代已发展到用20～30MPa水射流慢速切割煤体，再后来就是高压至lOOMPa、超高压大于200MPa的水射流辅助采煤机、掘进机用于破碎落煤和破岩。

只有提高水射流工作压力才能使其广泛应用于大工业部门，这已成为人们的共识。20世纪70年代，高压水清洗和超高压水切割在同步发展。80年代，高压清洗已日趋完善，普及应用。超高压水射流切割工艺一直是水射流行业研究、追踪的热点。尤其在80年代末、90年代初期这类所谓“水刀”设备已经批量化、商品化，而且以机械于控制切割头为代表的产品已迅速达到了全自动、智能化的高水平。

水射流技术在向高压方向发展的同时，70年代末期国际水射流领域出现了一个引人注目的新动向，即从单一提高水射流压力，的观点开始转向研究如何提高和发挥水射流的潜力这方面来了。这就有了脉冲射流（水炮）、高温射流、磨料射流和摆振射流。这些射流与同等压力下的普通连续射流相比，显然大大提高了作业效率。80年代以来，磨料射流、空化射流、气水射流和旋转射流的进一步发展，将高压水射流技术推向一个新的阶段。水射流领域已经形成了一个以压力、功率为纵坐标、以射流形式为横坐标的技术与产品的甲而型谱。高压水射流技术的应用范围也由单纯的采矿业扩大到石油、化工、轻工、航空、建筑、冶金、市政工程和医学等领域。

高压水射流技术的发展大致可分为4个阶段：60年代处于以低压水射流采矿为主的初朝阶段，同时以静压试验和化工流程为主要目的的高压泵、增压器和高压管件（统称高压设备）的研制取得了许多商品化成果（它们的介质主要不是水），这为高压水射流技术的到来奠定了基础；70年代主要针对采煤机、清洗机开展了水射流工业试验，这时期的主攻方向是提高以水为介质的高压动设备的压力和可靠性，同时开发多种形式的射流，尤其自1972年开始两年一届的英国流体机械研究集团(BHRG)主办的国际承射流技术会议、自1981年开始两年一届的美国水射流技术协会( WJTA)主办的美国水射流技术会议和自1990年开始两年一届的国际水射流协会(ISWJT)和日本水射流协会(JSWJT)主办的亚太国际水射流技术会议等，极

大地推动了国际水射流界的交流与发展。80年代是高压水射流技术迅速发展阶段，突出体现在高压、超高压、大型化、成套化、专用化和新型水射流形式都已产品化、规模化、商品化，尤其是清洗、除锈、切割应用的可靠性、安全性，迅速拓展至各工业部门。上世纪90年代，一些高难度研究，诸如机器人多维水切割、水下切割、井喷管I 1切割、干冰切割等的问世，国际会议的主题基本上嗣绕着水切割展开，丰富、完善承切割研究与应用已经成为国际水射流界的焦点与热点，同时这一领域的标准与技术专著也时有出现。

近年来许多标新立异的成果表明：一个能根据实际需要自如地控制各种类型高压水射流技术特性、造福人类的新时代已经到来。喷射技术已经成为一门独立的综合性的新学科。

二、水射流加工技术原理

（一）水射流加工技术基本原理

高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体，用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时,首先通过增压器将水压升到300～1000 MPa (动能转变为压力能) ,然后使高压水通过直径为0. 1～ 0. 6 mm的喷嘴,以2～ 3倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时,如果压力超过材料的破坏强度,即可切断材料。喷嘴常用人造宝石、陶瓷、碳化钨等耐磨材料制作。

该加工方法分为两类: 一类是以水作为能量载体，也叫纯水射流切割,它的结构较简单,喷嘴磨损慢，但切割能力较低，适于切割软材料；另一类是以水和磨料(磨料约占90% )的混合液作为能量载体，也叫磨料射流切割，由于射流加入磨料，大大提高切割功效，即在相同切割速度下，磨料射流切割的压力可以大大降低，并极大地拓宽了切割范围，但喷嘴磨损快，且结构较复杂，适于切割硬材料。磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使水、磨料均匀混合，之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出，磨料和水流具有相同的压力和速度，但实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后，依靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压来吸卷和加速磨料，因而磨料很难进入射流的核心而得到充分加速，即磨料很难达到水的速度，这导致能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～ 150目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等，磨料的状态有干式和湿式两种，其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵)输送式，大多数使用干式磨料，供给方式采用自吸式。

（二）磨料水射流切割

磨料水射流切割是利用水能和磨料来工作的。工作原理同前述, 只是在喷嘴区通过蓝宝石小孔把射流集中到混合室, 再把最细的研磨介质加到成束的流体中, 形成磨料射流。浓化的混合物在离开混合室时, 通过第二个小孔重新成束, 形成磨料射流。高速射流流向待切材料, 进行切割。切割时把水增压到140至350MPa磨料通常为刚玉、金刚石、石榴石、氧化硅等硬度很高的材料,粒度为40至100目, 射流直径为0.25至1mm。增加长链聚合物可使水分子粘结, 从而明显地减少水射流的消耗。该法在切割材料时, 割缝明显地减少。

这种方法目前能切割80 m m 厚钢板和难加工的玻璃、陶瓷、碳纤维、芳纶纤维、复合材料, 如硼/铝蜂窝结构、碳化硼/铝、石墨复合材料, 铝、锌、铅、钦及其它特殊合金，718铬镍钢、不锈钢、钨铜合金, 以及钛铝金属互化物。

由于切割时, 水射流带走了大部分热量,因此零件不会产生热变形、热感应氧化; 不会影响材料的金相组织; 不会引起应力集中。因此该法特别适合薄壁零件及热敏感材料的切割。