水射流加工

水射流加工

姓名： 王劲雄 专业： 08级机械设计制造及其自动化1班

摘要

水射流加工技术是近三十年来迅速发展起来的一门新技术。水射流切割工作原理是首先通过转能装置(泵或增压器)，将发动机(电机或内燃机)的机械能转变成低速水的高压能；接着通过喷嘴小孔喷出高速射流，将压力能转换成高速水射流的动能；最后当高速水射流冲击加工工件时，动能又重新变成作用于材料表面的压力能，当该压力能超过材料的断裂强度时材料就被切割。水射流切割有以下一些优点：切割中无粉尘与烟雾污染；不会产生热变型；不需刃磨刀具，不需调整更换刀具；容易实现自动化；可加工热切削无法加工的材料，且不受材料厚度的限制；切缝小，切割质量好，成本低等。由于水射流切割技术有如上所述的优点，所以受到工程技术界广泛重视。在工业中推广应用，它与激光束、电子束和等离子切割，合称现代工业切割的四大高新技术。水射流除用于切割之外，还可用于除锈、清洗等方面，涉及到医学、国防、机械、城建等许多领域。本文重点讨论水射流加工的设备组成及应用方向，发展趋势，以及对水射流相关工艺参数的分析讨论等。

关键词 水射流加工 优点点 加工应用 工艺参数

第一章 工作原理及其基本机构

1.1工作原理

水喷射加工的基本原理是利用液体增压原理， 通过特定的装置 （增压器或高压泵） ， 将动力源 （电动机）的机械能转换成压力能， 具有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能， 从而形成高速射流， 喷射到工件表面， 达到去除材料的加工目的。

如图1.1所示， 贮存在水箱中的水经过滤器 1 处理后， 由水泵抽出送至由液压机构驱动的增压器增压， 水压增高。然后高压水通过蓄能器， 使脉动水流平滑化。高压水与磨料在混合腔内混合后， 由具有精细小孔的喷嘴 （一般由蓝宝石制成） 喷射到由工作台固定的工件表面上， 射流速度可达300-900m/s （约为音速的1-3 倍） ， 可产生如头发丝细的射流， 从而对工件进行切割、 打孔等。水喷射加工系统主要由增压、 供水、 增压恒压、 喷嘴管路、 数控工作台、 集水和水循环处理等系统构成。如果是磨料射流加工装置， 则还有磨料与水的混合系统。其中增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分， 增压器获得高压是利用大活塞与水活塞面积之差来实现的。增压器的工作原理图见图1.2。小大油出水／ＡＡP P （Ｐ —压力；Ａ—活塞面积） ， 增压比即大活塞与小活塞面积之比， 通常为 （１０-２５）：１，因此增压器输出高压水压力可达１００-７５０ＭＰａ。集水器的作用主要是回收喷射水和磨料， 通过水循环处理系统处理后， 供水箱重复利用。一般在集水器内放入金属球， 从工件背面喷出的水射流， 经金属球的旋转对其产生缓冲作用， 从而使水射流的能量快速消减。

图1.1

图1.2

1．2磨料水射流设备的研究现状磨料水射流切割系统有如下部分组成：

1．2．1液压系统

液压系统主要由油压部分、水压部分以及辅助设备等组成，其主要作用是提供稳定的高压水[21。以PH值为6．8、精滤且压力为O．4．0．9MPa的软化水或反渗水、混合层软水供给增压系统。水质将影响喷嘴的使用寿命和整个机器的工作质量。水在400MPa下会产生大约12％的收缩，蓄能器的功能是补充其收缩，使水压变化保持在±5％之内，以维持输送连续、稳定的流体到喷嘴。

1.2．2喷头

喷头的主要部件是喷嘴，纯水切割头包括高压水开关阀，水喷嘴。磨料水射流还包括使磨料与水相混合的混合室，以及混合后的喷嘴，如图1.3所示。喷嘴是磨料水射流的关键部件之一，喷嘴材料必须具有高硬度、高耐磨性，按原理可分为机械加工和特种加工两大类。迄今为止，喷嘴的设计和使用寿命仍未达到满意的程度。

图1.3

喷嘴内部几何形状和尺寸是影响磨料水射流结构和动力特性的主要因素之一。尤其是在系统基本参数一定情况下，改变喷嘴的内部形状和尺寸是调整和优化射流结构，加速磨料颗粒速度，提高射流冲蚀性能，获得最佳切割效果的主要手段。常用喷嘴内部基本结构如图1．4所示，分为圆锥收敛型喷嘴、圆锥带圆柱段型喷嘴和流线型喷嘴。]通过大量的实验发现圆锥带圆柱段型喷嘴收缩角，圆柱段长径比为l／d=2．5．3，收缩段与入口和出口圆柱段采取平滑过渡的倒角的时候，喷嘴的加速性能和收敛性能最佳。证明收敛型喷嘴和喷管型喷嘴使试样产生的质量损失差别很小，但是喷管型喷嘴获得最大质量损失的靶距要远远小于收敛型喷嘴。比较合适的喷嘴形状为：对于收敛型喷嘴。对于喷管型喷嘴，≥2d。出口扩散角大于30。时对水射流的形成没有影响，如图1．5所示。利用有限的实验数据建立数学模型，并对其进行优化，可以在一定的压力条件下，使喷嘴的输出功率达到最大值，从而达到提高水射流效率及降低耗的目的。

图1.4

图1.5

1.2．3辅助剂供给及控制系统

其作用是向射流中加入一定量的磨料或化学添加剂以提高射流性能、切割效率o

1．2．4数控系统

数控系统控制工件与喷头的相对运动，使切割运动按给定的轨迹进行

1． 2．5废液回收处理系统

主要负责回收废液，使磨料、化学添加剂循环使用，不至于污染环境。

第二章加工特点应用及新技术

2.1水切割加工技术的特点

水射流加工有两种类型：纯水射流，磨料水射流。纯水射流顾名思义就是利用高压高速水流对工件冲击作用来去除材料的，是最早的水切割方法。第一次商业应用始于20世纪70年代中期，用于切割瓦楞纸板。磨料水射流是高速水射流束与磨料粒子相混合形成的液固两相介质流，利用高速射流带动磨料粒子，通过水蚀冲击和磨料粒子锋利的棱角进行切割。与纯水射流相比，磨料水射流主要是通过磨料颗粒侵蚀材料，切割能力强大成百上千倍。二者都有其用武之地。纯水射流可切割软质材料，而磨料水射流则切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷。最常用的磨料是石榴石。高压水射流切割技术之所以能够迅速地在实践中得到应用和关注，是与其具备鲜明的技术特点，能够满足日益增长的社会生产需求分不开的，与其他诸如机械切割、火焰切割、激光切割、等离子切割相比，高压水射流切割具有其独特的优点：

(1)加工范围广。可以加工不同材质的工件，可以加工某些难以用传统加工方法切割的材料，几乎不受被切割材料的限制：

(2)加工能力强。可切断180Inm厚的钢板．250IIlm厚的钛板，470层每层厚达65n埘的石墨环氧树脂合成板等；

(3)无接触切割。水射流属于点切割，切割反作用力极小，不会产生附加应力变形，对于薄壁零件的切割十分有利：

(4)冷加工方式。由于水本身就是切割工具和最佳冷却液，因此切割过程中所产生的热量绝大部分被迅速带走，不产生热变形和金相组织变化，因此可以有效地进行热敏材料、易燃易爆材料和易变性材料的切割，如军事和消防中的水射流切割排爆；

(5)便于实现一机多能和自动化、数控化。高压水射流是全方位点切割器，无须打孔，可以在任一点切割出复杂形状，因此程序化和数控操作十分便利。另外采用CAD／CAM控制加工，可以达到高精度，重复加工能力强；

(6)材料利用率高。切割缝隙(纯水切割的切口约为.1-1.1mm，磨料水射流的切口约为O．8～1．8mm)及切割边缘都很小，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；

(7)应用灵活、适用广泛。高压水射流的最终执行机构是切割头，其余均为辅助单元。因此，利用高压软管将切割头和辅助设备分开，可以远距离、独立、灵活地使用。国外商业应用中已经有缘壁切割机、机器人除锈、清洗等设备，从高空到水下都可以应用：

(8)卫生、环保。因为是湿切割，比较清洁卫生，可以切食品、药物、器官等，也可以避免某些粉末材料产生灰尘，如石膏、石棉、纤维、纸张等，尤其适用于有防火要求的作业场合；

(9)切口质量好。切口表面平整光滑，棱边无毛刺，切割速度快。在切割过程中，完全可以作为某些工件的最终工序。

水切割加工优点甚多，但也有局限之处，目前有待克服、改进或解决的问题主要有：

(1)切割进给速度相对较慢。比火焰切割慢10-100倍，因而成本较高；

(2)固定投资大。进口一台比较复杂完善的系统约需l0-60万美元不等，国产设备亦需30-40万元；

(3)喷嘴磨损严重。一般的碳化钨喷嘴其寿命只有2-4h，蓝宝石5-100h，红宝石50-lO0h，钻石