水射流切割技术及其应用

目录

摘要 (2)

1. 前言 (2)

2. 水射流技术的发展 (2)

2.1 水射流切割的起源 (2)

2.2 我国的水射流切割技术发展状况 (3)

3. 水射流切割技术的原理 (4)

4. 水射流切割技术特点 (5)

4.1 水射流切割的优势 (5)

4.2 水射流切割的缺陷 (5)

5. 水射流技术在生产生活中的应用 (6)

5.1 切割方面 (6)

5.2 工业清洗 (6)

5.3 食品保鲜 (7)

6. 水射流切割技术的前景 (7)

参考文献 (7)

水射流切割技术及其应用

西南大学工程技术学院，重庆 400716

摘要

水射流切割用途广泛且易于操作，现已成为世界上发展最快的机床加工技术之一。通过使用超高压水进行切割能带来更高的效率和生产力，它只需要少数的辅助操作就可以完成切割，无需加热区域，没有热变形或者其他切削方法导致的机械变形，还能够加工狭窄的缺口。关键词：水射流切割；超高压水；应用

1.前言

水在人们的概念里往往是“柔”和“软”的代表，但是水的确又拥有无与伦比的力量，“水滴石穿”就体现了在我们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力。现代人依靠科技，将水刚毅的一面发掘出来，使它可以在采煤、钻井和切割等各种工作中发挥自身的威力，无论是坚硬的地下岩石还是合金，当水流达到一定压力和频率的时候，这些可以被切割、破碎。作为一项独立而完整的加工技术，水射流切割技术的产生是最近几十年的事。水射流技术诞生以来，应用日益广泛，目前已经在煤炭、石油、冶金、化工、机械、水利等部门应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。

2.水射流技术的发展

2.1水射流切割的起源

十九世纪七十年代左右，人们开始将高压水用于生产中，比如用于开采金矿、

剥落树皮等。19世纪中叶，在北美洲，人类第一次使用水射流开采非固结矿床。直到20世纪50年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联。

20世纪60年代以前，人们主要研究低压水射流采矿，水射流技术还处于探索试验阶段。随着水力采煤技术的推广，人们认识到，提高水的压力、适当减小喷嘴直径，可以显著提高水射流的击穿效果。于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)及高压脉冲射流。

20世纪70年代初，主要研究制高压泵、增压器、高压管件，推广水射流清洗技术，处在设备研制阶段。1968年美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得水射流切割的第一项专利技术。

20世纪80年代，水射流技术的应用领域从采矿发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了广泛的推广应用。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发展阶段。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进行研究。水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、市政建设、化工、机械、医学等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人们认可。一大批水射流切割机、采煤机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机被陆续投放市场。

1972年，英国流体力学研究协会(BHRA)组织了第一次国际水射流切割技术会；1981年，美国水射流技术协会成立，此次技术会议也是国际性的；1983年日本水射流协会成立，定期召开水射流技术研讨会和展览会，邀请国外水射流专家参会；1987年，国际水射流协会成立，定期出版《国际水射流》杂志，多次召开环太平洋国际水射流会议，大大推动了世界各国水射流技术的发展。

2.2我国的水射流切割技术发展状况

我国的水射流技术研究从20世纪70年代开始，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、航空等领域。经过多年的研究实践，取得很大进展，开发出了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研讨会，并出版了《高压水射流》杂志。

3.水射流切割技术的原理

超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时，可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品、纸张、纸尿片、橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时，所产生之加砂水射流，实际上可切割任何硬质材料包括金属，复合材料，石材及玻璃。超高压水的形成关键在于高压泵。从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的，水压越高，水射流速度越快，对高压部份的制造要求也越严格。在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件和水封的寿命。

经过高压所产生之高压水经由高压过流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。

由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。

4.水射流切割技术特点

4.1水射流切割的优势

(一)工作介质成本低廉。水射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。

如果用于切割加工，由于喷嘴小(直径一般在0．5毫米以下)，用水量很

少，而且对水一般无污染。

(二)磨料水射流切割具有“冷”、“软”加工特性，无机械切削力，切割

时工件温度较低，无热影响区和热变形。水射流用在煤矿采掘机上，除

参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截

齿寿命。同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为

煤矿采掘工作提供一个安全、卫生的环境。

(三)切割时切口窄且整齐。用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用

力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小。因此，水射流切割切口窄

而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工。

(四)工作机件易于实现自动控制。由于水射流机构具有喷头体积小、后坐

力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。利用机械手可以

在人不能靠近的危险环境下工作。如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清

洗有毒、易爆的容器等。

(五)切割灵活，应用广泛。水切割最终执行机构是切割头，利用高压软管

将切割头和辅助设备分开，可以实现远距离独立操作，并可根据材料性

能调整压力，灵活使用。

(六)设备体积小。水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸。

4.2水射流切割的缺陷

(一)水射流在切割厚的材料时需要消耗功率，由于功率是恒定的，材料

厚度加大就会产生锥度。尽管降低加工速度可以控制锥度，但会增加

部件的造价并牺牲了切割效率。

(二)磨料水射流切割受材料耐磨性的限制，材料的耐磨性越强，其精度