水射流加工--论文

水射流加工

（大连交通大学机械工程学院辽宁大连116028）

摘要

本文介绍了水射流加工的发展、原理、系统组成及在各个方面的应用前景。

关键词：水射流加工；切割；磨料；喷嘴。

1.，高压、超高压水射流的发展

水射流技术始于19世纪中叶，最初用于冲蚀土壤和开采金矿。早在1830年俄罗斯人就采用了大直径水射流冲开未固结的砂砾石金矿、冲洗淘金，1852-1884年这种技术在美

国加利福尼亚金矿得到了应用和发展。当时压力很低，仅几至十几个大气压。20世纪初，水射流技术开始用于开采其他金矿和用于水力采煤。

50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象中认识到，提高射流压力和速度能

够冲蚀较坚硬物料，并显著提高落煤效果，从而开始了较高压设备的研制和较高压射流的试验。60年代，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世，开始研究射流动力学特征和喷嘴

结构。60年代末，美国国家科学基金资助了一项庞大的研究计划，诣在寻求一种高效

的切割破岩方法，研究人员提出并实验了25种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、等离子体、高压水射流等，最后专家一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法，后

来也只有这种方法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研究高压水射流技术，

使该技术进入了迅速发展的新阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉冲射

流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用，开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、磨料射流、间断射流等新型射流技术。进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流

体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高压水射流技术研究和应用得到更立为垂发展。磨料射流、空化射流、脉冲射流水力辅助机械破岩技术和基础理论、切割机理、

影响因素研究和分析进一步深入，并出现了气水射流、液态金属射流、液态气体(空气、

氮气、二氧化碳)射流、冰粒射流、超高压射流等特种射流，其应用范围也由当初的采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等，应用领域涉及煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、电力、纺织、交通、市政医学等几十个工业部门及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度和切割精度有了显著提高。

二、水射流切割基本原理

水射流切割原理．可简单概括为：通过转能装置（泵或增压器），将发动机〔电机或内燃机）的机械能转变成水的压力能；再通过喷嘴小孔，喷出高速射流，将压力势能转换成动能；当高速水射流冲击被切材料时，动能又重新变成作用于材料表面的压力能。如果压力超过材料的破坏强度（门限压力），即可切断材料。

使水获得高压的装置．主要有两种形式：压力小于7OMPa ，可直接用多级离心泵或柱塞泵；70MPa 以上．多用增压器或动压式水炮

为了不致功率过高，流量较小常为认0.5~25L／min ；喷嘴直径常为0.1 一0 . 6mm ，目前多用人造宝石、碳化钨、陶瓷等耐磨材料制作；射流速度可达500 --l000m / s 的超音速。

由于工作介质（水）与周围介质（空气）之间，在射流发生时，进行剧烈的动量交换和紊动扩散，使得常用的非淹没连续自由射流，变成气液两相混合介质射流，机理复杂。除涉及经典流体力学外，更多地涉及到高速气液两相流、激波、水介质雾化、气液混合介质声速、

声阻抗等现代物理及流体动力理论。迄今尚难用纯解析法研究流动特性和参数计算，仍须借助现代实验手段，获取定量化的可靠参数。

图1 为非淹没连续自由射流的水动力学结构。它是由射流初始段和主体段构成。初始段包括等速核和混合区，而主体段则为混合区。混合区是由不同速度的异种流体介质——水和空气混合而成。可见，只有等速核是单一的水介质，而且淹没和消失在混合介质之中。等速核是能量密集的主流，混合介质则通过动量交换，从等速核获得动能，而且占据射流的主要部分，二者都具有对靶体材料冲击加载的破坏作用，而等速核动能更大，是切割最有效的射程区段，因而，切割靶距通常选在这个范围内。

图2 是射流在靶体表面的流动图形。区段Ⅰ是射流上游，即喷嘴内部的流动；区段二是图1 所表示的射流段；区段三则是射流与靶面接触后的状态。

2 系统的组成

系统组成也有多种形式，仅以应用最多的两种典型系统为例，作一简要介绍。

图3 系统可用于纯水或磨料后混合切割，即磨料在两级喷嘴之间加入，随射流一起喷出。其特点是：磨料加速距离短，切割效果稍差，但一级喷嘴不受磨料摩损，而磨料是由高速射流产生的真空度吸入，整个磨料供给系统处于常压或低于常压下工作，对设备要求不高，目前应用最广。系统主要由三部分组成：动力源（前已述及）、工作床及控制柜、废水处理装置。工作床用于放置被切工件，驱动喷嘴完成与工件的相对移动。有单柱、门桥、机械手、机器人等形式，因工件不同而异。有单坐标和多坐标式（最多6 坐标）。控制方式有：手动、机动、PC 、NC 、CNC 自动控制等，也可做成手提式喷枪。

图4 为前混合式磨料水射流切割机的简化示意图。其特点是：将磨料预先在磨料罐内混合好后，加人喷嘴上游。显然，其混合路径长，磨料得以充分加速，切割效果好。但其严重缺点是，磨料混合系统与高压管相通，必须承受同样的超高压，而且磨料与水一起流经喷嘴，磨损严重，经常发生堵塞。目前，这几个缺点尚未很好解决，应用受限，其综合效果并不占优势，有待改进和完善。

图5 给出几种常用喷嘴（纯水用）结构示意图。为提高切割效果，喷嘴的结构及流体动力特性是一大关键，因而已成为研究目标之一。除这类简单喷嘴外，现已应用多种高效喷嘴，如空化喷嘴、脉冲喷嘴、高频谐振喷嘴、旋转喷嘴、多孔喷嘴等。

三工艺

高压水射流切割工艺

高压水射流切割的工艺特点。

①高压水射流切割属于冷切割，产热少且被流水带走，所以不会造成工件切口附近的材料氧化、金相组织发生变化，也不会使工件发生变形，同时也避免了某些材料有害物质的挥发。

②高压水射流切割属于点切割，切割时作用在工件上的力很小，不会使工件产生附加应力或应力变形。

③高压水射流切割没有粉尘危害。

④高压水射流切割所使用的喷嘴孔径很小，切口间隙很窄，大大节约材料，特别是对于某些贵重金属的切割，提高材料的利用率，降低生产成本。

⑤高压水射流切割设备大都采用计算机或机器人控制的数控切割装置，可以实现多轴联动。

2．高压水射流切割的工艺参数及影响因素

（1）高压水压力采用纯水型高压水射流切割法对玻璃纤维增强塑料进行切割时，在切割速度及喷嘴高度一定的情况下，切割深度与高压水射流喷出时的压力的关系如图4所示。切割深度与高压水压力呈偏离原点为起点直线关系

高压水射流切割时，由于受到工件材质及割枪参数的影响，高压水喷出的压力存在一个临界值，当水压力低于该临界值时，就不能实现对工件的切割。比如在采用纯水型切割法切割各种岩石时，其切割临界水压力与被切割材料的抗拉强度的关系如图5所示。随着被切割材料

抗拉强度的增大，切割临界水压力逐渐升高。

图6所示为采用加磨料型水射流打孔所需的时间与高压水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力并非呈直线关系。由于板材比较厚，打孔需要相当长的时间，但随着高压水压力的增大，打孔所需的时间就相对缩短。

（2）切割速度

切割速度不但影响切割能力，也影

响到切割质量。图7所示为采用加磨料型水射流切割法来切割低碳钢、不锈钢及铝合金时的切割深度与切割速度的关系；图8所示为在不同不压情况下采用加磨料型水射流来切割不锈

钢时的切割深度与切割速度的关系。

从上述两图可以看出，切割速度与切割深度大致上呈反比关系，即切割速度增大时，切割深度就减小。图9所示为采用纯水型高压水射流切割法来切割玻璃纤维增强塑料时的极限切割速度与板厚之间的关系。该图括号内所标数字为切割面积速度，其定义为：切割深度×最大切割速度或切割板厚×极限切割速度。可以看出，切割面积速度的最大值不产生在高速切割薄板时，也不产生在切割厚板时，而是产生在切割介于两者之间的板材时。切割面积速度最

大，亦即切割能力最大，故往往把接近切割面积速度最大值的工艺参数作为最佳切割参数。

采用加磨料型水射流切割铝合金时的切割速度与切口形状的关系如图10所示。当切割速度较慢时，形成上窄下宽的切口；而当切割速度过快时，则形成上宽下窄的切口，并且切割面

的倾斜角较大，同时出现热切割中常见的后拖线，粗糙度也变差；当切割速度适中时，可获

得上口与下口同样宽度的切口（即垂直切割面）。试验表明，最合适的切割速度，即可获得最佳切割面的切割速度约为极限切割速度的2/3在实际应用中，根据切割效率与切割质量的不同侧重点，可选用不同的切割速度。

（3）喷嘴孔径

喷嘴孔径的尺寸大小直接影响到喷出的水流量，进而影响到切割能力。喷嘴孔径增大，从喷嘴中喷出的高压水流量也增大，切割能力相应提高。采用纯水型高压水射流切割时，喷嘴孔径与切割深度的关系大致为正比关系；采用加磨料型水射流切割时，喷嘴孔径与切割深度的关系如图11所示。随着喷嘴孔径的增大，切割深度也增大，即切割能力提高。虽然试验数据的边线略呈曲线形状，但大致上接近直线关系，如图中点划线所示。

（4）喷嘴高度及割枪倾斜度

喷嘴高度对切割能力和质量有很大的影响。图12所示为加磨料型水射流切割时的喷嘴高度与切割深度的关系。喷嘴高度从约2mm开始逐渐增大时，切割深度逐渐下降。采用纯水型水射流切割时，喷嘴高度与切割深度也有类似的关系。此外，喷嘴高度过大时，切口上缘会出现塌肩现象；但喷嘴高度小于2mm时，切割深度反而减小，故实际切割时喷嘴高度一般取2mm。

采用高压水射流切割时，割枪大都与工件表面垂直。在对工件进行剥离、冲洗及切削加工等场合则宜使割枪倾斜一定角度，以便提高切割能力。割枪向后倾斜约10°角时的切割深度为最大。

图14所示为用石榴石和氧化铝作磨料时磨料的粒度与切割深度的关系。当石榴石的粒度小

于200μm时，切割深度随着粒度的增大反而减小。

这是由于：

①由于切割过程中磨料的供给量是固定的，粒度增大，会使与材料相冲击的磨料数量减少；

②磨料的粒度大，磨粒的质量也大，故不能被高压水射流充分加速。

所以，从切割能力的角度而言，每一种磨料存在一个恰当的粒度大小而使得切割能力最大。

比如采用石榴石作磨料时，磨粒的平均粒度为200μm最合适。但切割根据割枪中混合室的

形状不同，适宜的磨料粒度大小也略有不同。当要求获得较光滑的切割面时，通常采用粒度

较小的磨料，不过切割能力会有所降低，常用的磨粒度为50～500μm。

3．高压水射流切割的工艺参数示例

高压水射流切割的参数很多，这些参数对切割的影响程度不同。就加磨料型切割而言，决定其切割速度的主要工艺参数如图16所示，其中影响最大的主要是喷嘴孔径、由切割水压力所决定的功率及磨料供给量。因此，高压水压力、喷嘴孔径、磨料以及工件的材质和厚度不同，所能达到的最大切割厚度也不同，获得的切口质量也不同。另外，适当增加磨料的供给量，虽然切割速度有所提高，但磨料的价格较高，使得加工成本提高，故在选用切割参数时

还应当考虑到切割的经济性因素。

四应用

4 应用范围及实例

由于这项技术的独特优点和先进性，加之所消耗的主要是水和磨料，均为价廉源广的物料。

磨料常用石榴石、石英砂、氧化铝、河沙、炉渣、铁渣等，平均每吨几百元，而且消耗量不

大。目前国外已用它切割500 多种材料，遍及国民经济各部门，几乎无处不能应用。在美

国，几乎没有一个飞机制造厂、汽车制造厂、建筑部门、矿业部门不采用这项技术的。除用

它切断材料外，还可用来破碎、清洗。目前正在研究作为一种“水刀”，对超硬材料进行车

削、钻削、铣削等机加工，已基本取得成功。

利用这种方法切割超硬材料，如陶瓷及陶瓷基复材、石英、玻璃、混凝土、石材、各种金属及金属基复材，以及纤维性及多孔性材料、软硬材料复合一体的夹层材料等，几乎是不可取代的切割手段。对各种软材料及超软材料，如塑料、橡胶、皮革、木材、纸张、布、食品、药品等，均可获得满意的切口质量。

值得特别指出的是，这项技术在我国迅猛发展的现代化建设事业中，可以在一般的工业部门、中小型企业、乡镇企业中．大有用武之地，只要结合我国国情研制开发出结构相对简单，价格可以接受的中小型切割机，便可逐渐推广应用，市场潜力很大。

我国航空航天部门，已由美国引进多套高档次系统，用于切割钛合金、碳纤维、铝合金、不锈钢、蜂窝材料、航空玻璃、各种复材及特种材料等，对保证质量起着关键作用，效率可提高几十倍，不用模具，柔性化生产，经济合理。

我国汽车工业，已有百余家企业，年产逾百万辆，但迄今尚未采用这项新技术，与国外有较大差距。它可柔性化切割汽车上多种材料，对加速改型换代，降低造价，是最方便的手段。造船业需要切割大批钢板以及船体所需的多种材料，用此技术取代传统的热切割，不但质量好，还可大大改善劳动条件。修船业采用它，可切割所有各种材料，一机多用。

我国正在大兴土木，大批旧房要拆除，新房要装修，用它可切断混凝土构件及各种材料，没有灰尘，无坚不摧。

我国盛产石材，大理石、花岗岩开采加工企业数以万计，采用这项技术，可方便而有效地在石材板上随意开孔、切曲线和花纹，也可雕刻成型。对贵重的玛瑙、翡翠、石英、金刚石等，则可精切加工。

对陶瓷、玻璃、玻璃钢、石棉板、石膏板等，都可以切出平整光滑的切口．医疗方面，可用来骨科截肢、无针注射、切除病变肝区、击碎结石等。

用它进行水下作业，如切割沉船、钻井平台、海底电缆、航标、水下工程结构等，更是它独能为之的特长。用它还可采矿、开挖隧道、石油钻井、水利施工、市政建设等。

1 张运棋.美国水射流切割技术.中国机械工程，1992,3(3):13～15

2 张运棋.磨料水射流车削、铣削与钻削.中国机械工程,1992,3（5）:17～19

3 孙家骏.水射流切割技术.徐州:中国矿业大学出版社,1992

4 Vliay M M.Recent Advances in the Field of High Speed Water Jets .International

Journal of Water Jet Technology, 199O,1(l):29～42

5 Summers D A. Basic Considerations In Waterjet Cutting. In: Ed. by John S Y Tan. First Asian

Conference on Recent Advances in Jetting Technology. Singapore: CI-PREMIER PTE.LTD., 1991.93～99

High Pressure Waterjet Cutting Principle with Application