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