高压水加工技术(先进制造技术)

高压水加工技术

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摘录：高压水射流是一项在工业上应用广泛的技术。本论文介绍了高压水射流技术加工特点应用等，分析了高压水射流切割加工机理，简单介绍该技术在公路工程领域中的应用状况。

高压水射流技术是近几十年发展起来的技术，其应用日益广泛。目前，在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、

交通、化工、机械、建材、市政工程、水利及轻工业等部门得到广泛应用，主要用来对物料进行切割、破碎

和清洗。高压水射流业已成为新型的切割工具，与激光束、电子束、等离子体等热切割加工相比，高压水射

流是唯一一种冷切割加工方法。在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，高压水射流具有独特的优越性。关键字：高压水射流技术；水加工

中图分类号：．北京：机械工业出版社。2007．

引言：

高压水射流是一项在工业上应用广泛的技术，高压水射流业已成为新型的切割工具。本论文内容包括：高压水加工的起源；高压水射流技术切割加工特点；高压水射流技术切割加工原理；

高压水加工的类型；高压水加工的优缺点；高压水加工的应用

正文：

1 高压水加工的起源

诺曼.弗兰兹博士一直被公认为高压水加工之父。他是研究超高压（UHP）水加工的第一人。超高压的定义是高于30000 psi。弗兰兹博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。1950 年，弗兰兹第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。

1979 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水加工切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀水加工之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。凭借这种方法，水加工（含有砂料）能够切割几乎任何材料。

1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。

2 高压水射流技术切割加工特点

高压水射流技术之所以能得到快速发展，主要是因为这种加工技术与其他加工方法相比具有一系列优点：1)工作介质成本低，没有环境污染。射流工作介质一般是水，不仅易取而且成本低廉。在切割加工过程中，由于喷嘴直径较小，水的用量很少，而且水一般无污染。2)加工能力强，应用范围广，可以加工不同材质的工件及某些难以用传统加工方法切割的材料。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、灵活的使用。国外商业应用中已经有切割机、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开，因此，在医疗手术上也有应用。3)高压水射流冲击到切割件表面时，会在滞止点(射流中心线与被切割平面的交点)及其附近产生很高的局部传热率，使被切割件的温度升高很小，切口中(包括切割面)的温度低于100℃。因此，在高压水射流切割过程中不会产生热变形和热影响区，从而不会改变被切割材料的性能，不产生热变形和金相组织变化。4)不会产生附加应力变形。高压水射流属于点切割、无接触切割，尤其是沿进给方向和侧向的切割反作用力小，从而避免了零件由于附加应力而产生的变形，对于薄壁零件的切割十分有利。5)切口窄而整齐，能提高材料的利用率。用高压水射流切割物料时，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)高压水切割压力高(数十兆帕至几百兆帕)，喷嘴直径(O．1～2．5 ram)小，能量高度集中，因此，切割反力小，只有十几公斤，便于实现一机多能和自动化、数控化。7)高压水切割为非接触式切割，被切割材料对切割刀具无磨损。但是，高压水射流也存在一些问题：①与机械切割相比，消耗比能高；②一些高压水射流部件的性能不过关如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件。尤其是我国的喷嘴、高压软管和密封件制造与国外相比存在很大差距。

3高压水射流技术切割加工原理

由于速度越快物体具有的动能就越大,水在高压下就获得了巨大的动能,由于水流很细,所以再接触物体时动能转化成的弹力的作用点十分集中,转化而来的弹力十分巨大,足以断石分金. 加入砂质磨料后,先在水加工作用下使得物体接触水加工的部位发生形变,一部分淹没剂就会与物体发生摩擦,进而加速切割物体的能力和速度.因为加入砂质磨料后，水流的质量增大，高速水流具有的动能就更大，在流速相同的情况下对外做功的本领就更大，从而切割能力大大提高。

水经过一个超高压加压器，将水加压至4,000 bar (60,000psi)，然后通过一个细小的喷嘴(其直径为0.004英寸至0.016英寸)，可产生一道每秒达750米(约音速的2.5倍)的水箭，此道水箭可做各种表面加工。要做到这点，对水、管道、喷口都有比较高的需求。如管道，水加工是用高压工具把水加压后射出来的，必须拥有极高的压力才能把坚硬的切割材料切开，所以管道必须能承受极高的压力，这个压力远远大于700兆帕，因为薄钢板（被切割材料）本身就能承受700兆帕的压力。

水加工用的水完全没有杂质是不对的。因为水压远远大于700兆帕，那么对于管道等密封设备而言，无论密封性能多么好，纯水总会使它们磨损而渗漏。为了解决这个问题，水加工用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。对于高压泵，也要加入一些油液提高其密封性能。

水加工的喷嘴是用硬质合金、蓝宝石等材料做成的，喷口直径仅0.05毫米，而且孔内壁光滑平整，能承受1700兆帕的压力，所以喷出来的高压水能像刀一样切割材料。有些水还加入了一些长链聚合物，如聚乙烯氧化物，增加水的“黏度”，使喷出的水犹如一条“细线。

泵是水加工系统的核心成员。对水进行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水加工应用可以采用两种泵－增压泵和直接驱动泵。

直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。它是一种直接泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低10% 到25%（直接驱动泵为 20K 到50K 、增压泵为40 K 到60K ）。