水射流研究现状

水滴石穿”的实质是微小的冲量对时间的积分。高压水射流加工技术正是利用相

同的原理，把动量加大，缩短时间，达到断石、断铁、切割的目的。人们在很早的时间

就开始利用很高压力的水进行材料的加工和切割。1870年前后，美国在加利福尼亚的金矿中用增压后的水流开采矿石，俄国人也曾用水采煤。在上世纪60年代，密苏里大学

林业系的诺曼·弗朗兹教授发明了高压水射流的切割实验装置。该装置的核心是一个单

缸增压器，压力可以达到344.7MPa(s000opsi)，用这样的高压水可以来切割木材。这

一装置引起包括著名的依格所尔公司在内的许多压力设备制造商和研究单位的兴趣。1971年第一台商用水切割试验机在杰克逊的阿尔顿纸品公司投入应用，用于切割层压纸管，其厚度达到12.7mln(0.sin)，并且可以在纸管上切出各种形状。高压水切割技术的

真正的商品化应用是上世纪80年代初洛克韦尔飞机公司用水切割机来切割BI轰炸机的

钦合金零件，可以节约成本50%。目前许多国外的公司用高压水切割各种材料，甚至用

于军舰制造。

高压水除用于切割之外，还可用于除锈、清洗，以及建筑与道路施工等方面，涉及

到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业。

1987年洛克希德航空系统公司开发了四轴水切割机器人，用于石墨增强树脂、钦合

金板材以及薄壁大口径管材的切割。依格所尔公司的水切割系统与ASES的机器人组合

成汽车工业机器人，在瑞典得到应用，切割汽车车头的衬里、门板和地毯。在军工上，

美国人应用高压水切割军舰用异型橡胶零件，以及潜艇外贴降噪橡胶层。

高压水射流技术在国内的应用开始于上世纪80年代，并随着国际上水射流理论的

成熟和成功的商业化，国内对这项技术的认识也不断地加深，很多的专家学者〔52]，对此开展了大量的研究和探讨，把国内的高压水射流切割技术不断推进。新型射流的应用和

研究得到很快的发展，在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极

为迅速的推广。

2高压水射流切割工艺的特点及应用

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，能够满足日益增长社会生产的需求分不开的。

水射流加工是一种现代的有别于传统的加工方式。有两种类型:纯水射流(，厄terjet)

和磨料水射流(Abrasive研/aterjet)。水射流从切割纸板开始，到今天能广泛地应用于各

种软硬材料，包括纸、食物、玻璃纤维、绝缘材料、塑料和复合材料。在WJ的切割过

程中，切割是超声速的冲蚀过程。WJ与AWJ的主要区别在于提高切割能力的一种磨料

介质。

在高科技日益发展的社会中，只有创新才会发展。高压水射流切割技术开拓了一个

大连理工大学硕卜学位论文

新的特种加工领域，可以轻松应对那些新奇的因为热影响和机械性能约束而不能切割的

材料。AWJ磨料水射流可以广泛地应用于材料的加工，如:钦金属、钢、铜、铝、石材、玻璃和其他复合材料。AWJ还可以弥补其他加工方法的不足。使用AWJ预开孔可以提

高EDM(放电加工)的性能，其可以扩展EDM和激光加工对某些惰性和非传导材料的

加工能力。由于AWJ的反冲力较小，因此对易碎脆性材料的AWJ加工不必担心变形和

破碎。

高压水射流既不同于传统加工的铣、刨、磨、削，也有别于一般的剪切和冲裁。它

属于高能切割。高压水射流切割就是把高压水射流的动能作为切割能，对材料进行冲蚀

和挤压、破坏，以达到切割的目的的一种新工艺。图1一2是高压水射流的工作示意图。水射流切割机包括四个基本组成部分:压力发生装置提供切割动能，如:高强度的加压

泵、蓄能器:水供给装置，如过滤器、输送管线;切割装置，如:控制阀门、喷嘴等;

回收装置等。有的还具备精确控制装置;磨料供给装置等。具体结构将在以后详细阐述。人连理工人学硕L学位论文

器运行时发生不正常磨损，影响使用寿命。特别是有些机械零件上的深小孔内壁毛刺难以去除。目前国内外先后研制了超声波、电解、氢氧爆炸、流体塑料冷挤压等多种工艺和设备，但去除效果不甚理想，成本也较高。自从200MPa以上压力的超高水射流设

备研制成功后，为解决小孔去除毛刺的问题开辟了新的途径。

随着水射流技术的不断发展，这项技术的理论研究也逐渐深入。人们首先认识到射

流必须具备一定的压力，即要超过被加工材料的门限压力(thresholdpressure)，另外，AWJ加工误差取决与一系列参数，从磨料供给量到工件的厚度。切割的质量在采矿、碎石等应用上没有足够的重视。随着其他精确切割方式的采用，切割质量的要求和切割能力、效率上都需要不断地发展、进步。

于是，水射流技术也出现新的动向。即从单纯提高水射流的射流压力转向研究提高

水射流的总体冲击效果(如冲蚀量、射流打击能量等)，从而相继出现了新型射流，脉

冲射流、空化射流，提高对被加工工件的刮削、冲蚀和挤压，以提高水射流的切割能力。然而，高压水射流系统仍不是尽善尽美的，还存在如下的缺点:

1、高硬度的材料，诸如钢、金属陶瓷、高强度复合材料、坚硬的岩石纯水射流不

能切割;而磨料水射流存在喷嘴磨损和切割成本大的问题。

2、高压水射流的设备成本比其他切割方法高。

3、在一些应用中，与激光切割、等离子弧切割、线电极电火花切割等方法比较，

存在进给速率低、加工精度差等不足。

4、在切割过程中，影响切割质量的参数多，条件复杂，有时切割导致断面分层和

条纹。

表1一1表示出水射流切割金属材料的某些特点和与其他切割法的比较。

3国内外高压水射流技术的发展

高压水射流(High一Pressurewate6ets)己经被工业领域看作标准的切割工具。许

多非金属材料都可以采用水射流迅速而有效地切割。在造纸、服装、建材、塑料、玻璃纤维和中等硬度岩石采矿都使用水射流切割。它的巨大潜力和前景一经发现，就引起各国的高度重视。工业发达国家不惜投入巨额资金，资助开发这项技术。目前，在美国、日本、英国成立射流行业协会，定期举办国际交流，出版刊物，制定标准，积极促进这项技术的标准化。中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会秘书处设立在石油大学。

目前，世界上的水射流技术组织有:英国流体技术研究协会(BHRG);日本水射流

协会(ISWJT);美国水射流技术协会(WJI’A)等行业组织;主办刊物有JetNewS，IntemationalJoumalofWaterJetTeehnology等。许多有关水射流技术的手册，技术资料、

数据库和标准不断完善。国际上还举办了二十几次的国际射流学术会议，为国际间对射流技术的交流和发展创造了机会。其中著名的交流活动有:

(l)国际水射流切割技术会议

1972年召开第一次会议，主办者是英国流体技术研究协会(BHRG)。

(2)美国水射流会议

绪论

4、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，无硕万

孔，可以在任意点切割，切出任何复杂的形状。因此对程序化和数控操作十分

便利。另外采用CAM或CAD控制加工，可以达到高精度，重复加工能力强。

5、优化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精确控制，因此样板可以嵌套