水射流技术原理

河南机电高等专科学校

先进制造技术课程论文

论文题目：水射流切割的技术原理、设备、技术特点

及实际应用分析

系部：

专业：

班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

xxx年月日

绪论

高压下,由喷嘴发出的高速水射流,具有很大的能量,足以切割坚硬的材料(包括金属和非金属);如果向水射流中加入某种固体硬颗粒,则称为磨料水射流,它具有更大的能量,可以切割更硬更厚的材料,这就是水射流切割技术的简单描述。尽管早在古代,人们就已懂得“滴水穿石”的道理,然而直本世纪60年代,才真正把这个简单原理变成水射流切割工业技术;而磨料水射流技术的应用,还不到10年时间,所以这是一项新兴技术。然而,近年来发展很快,迄今全世界已有几十个国家,共拥有大约2000个水射流切割系统。尽管如此,当前这项技术仍处于初级发展阶段,技术尚不成熟,在理论与实践方面,都有许多空白,有待填补。这项技术起步较晚的原因在于,它涉及到超高压技术,因而对材料、制造工艺、设计方法、理论分析、控制手段、经济承受力等提出了严格要求。开发和应用这项技术,与一个国家的综合发展水平和国力强弱有密切关系。我国已在近年里,逐渐开展研究和应用,尤其在理论研究方面,已取得许多成果,但在制造技术方面,却有较大差距,有待解决。多年的实践证明,水射流切割技术,独具特点,是现代机械加工及技术发展中不可缺少的组成部分,具有很强的生命力,必须充分予以重视,有计划地研究、开发和应用。

现代的高压水射流切割作为一门高新特技术涉及的学科领域较多，如超高压理论、流体动力学、特种材料、材料力学、弹性力学、制造工艺学、高压密封技术、自动控制理论等现代科技内容，其自身是一种标准的机电液一体化产品，其卓越的应用效果更集中体现在高科技产品制造上。某种意义上讲，水射流技术的研究与应用也成为了一个国家综合科技水平和经济实力的标志。

第一章水射流切割技术原理

水射流切割技术的基本原理是将少量的水加压到极高的压力(高于380MP)迫使高压水通过一个小孔(直径0.1~0.5smm),以高速冲击工件,速度可达约915m/S(视压力而定)。高压水柱使工件迅速被冲蚀。如果水柱与工件有相对移动时,就可对工件进行切割加工,切缝很小,仅稍大于小孔直径。在高压水中加人颗粒磨料,能大大增强对材料的磨蚀能力,可以切割坚硬和细密的材料,这种切割方式称为水磨料切割(AwJC)。添加磨料的水射流切割又分为夹带式和直接式两种方式,夹带式一般是在高压条件下工作约200~300MPa,常用磨料是金钢砂。将磨料定量地注人到喷水孔下一个混合室内,高压水流与磨料混合后进入切割喷嘴,对准工件喷射切割,割缝一般在0.76~3mm左右。原理框图见图1-1。直接注人式的水压力较低,约14~90MPa,常用磨料采用铜渣,它与夹带式的区别主要在于磨料是在一个中间容器内与水混合,经混合的料悬浮液和水通过一根软管直接送到切割喷嘴进行切割,原理框图见图1-2。它可在离电源500m远的地方或水下进行切割,并且可降低能耗,节省磨料。

图1-1 夹带式水墨料切割原理图图1-2直接注入式水墨切割原理图

第二章高压水射流切割技术的设备

2.1 水射流切割的设备组成

高压水射流切割设备的基本构成如下2-1图，通常是由以下几部分组成：

2-1高压水射流切割设组成

（1）高压水发生装置（包括给水装置、增压器$高压泵和蓄压等）

（2）割枪组合件（包括喷嘴等）

（3）割枪驱动装置（包括数控装置$机器人等）

（4）其他装置（如集水器或集水槽、磨料储罐及供给装置、水过滤装置等）高压水射流切割的类型不同，其设备的实际构成不完全相同。比如：纯水型高压水射流切割设备的构成，如图2-2。

图2-2纯水型高压水射流切割设备构成

2.2系统组成

高压水射流切割系统如图2-3所示,主要包括增压系统、磨料供应系统控制系统及辅助系统等,通常还要配置一钢筋混凝土工作台。

图2-3 高压水射流切割系统原理图

图2-4 磨料射流切割头

增压系统的关键部分是高压泵或增压器。往复压缩式增压器在液压系统提供的高压油作用下往复运动,把水压增大到300～1000MPa。在增压器与高压水路之间装有蓄能器。磨料供应系统(图略)主要由磨料流量调节系统和磨料切割头构成,其中磨料切割头(图2-4)是超高压射流切割的核心,其工作原理是:高压水经过

高压管和水喷嘴至混合腔,与此同时,磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混

合腔与水混合,再经磨料喷嘴喷射形成两相磨料射流即把超高压水变成高压的切流。在人工或计算机控制下,控制系统移动工件或切割头,完成所要求的切割过程。简单的手动控制装置是一个安装在手动机构上的固定切割头现已采用5轴或6

轴等复杂的多轴数控系统,使用一个以上切割头同时切割复杂的外形。大多数高压水射流切割系统都装有接收器,既可消除高速射流穿透材料后的射流能量,同时可降低噪声。另外还附有一些安全装置,以防高压水管与各种接头的破裂等。

第三章. 技术特点

水射流切割之所以具有强大生命力,是由于它与传统切割工艺相比,独具许多优点：

a)因为是冷切割,对材料无热损伤,也无热变形。这对许多高性能或热敏感材料尤为可贵。这是其它加工方法，如火焰、激光、等离子、锯切等所无可比拟的。可以说,它对被切材料无选择性,因而可以做到一机多用。

b)具有很强的切割力,可切断180mm厚的钢板、250mm厚的钛板、470层每层厚达65mm的石墨环氧树脂合成板、5mm厚的石材或混凝土等。

c）因为是点能源切割,切割反力很小,只有十几公斤,因而便全方位自由切割形状复杂的工件,便于自动控制,实现柔性加工。

d)切口质量好且窄,最小切口宽只有0.07mm,公差可达,光洁度可达表面平整光滑,不必二次修整,可节省材料和工时。

e)因为是湿法切割,无粉尘、烟雾、火花、气味等,属于清洁安全切割,劳动条件好,噪音不超过9dB。

f）生产效率高,一套系统可配置多喷嘴同时作业,工件可一次达到尺寸要求。

g)可在水中或几百米深的水下切割。

目前，这种技术问题就是投资太大。而且喷嘴磨损也仍待解决,如纯水切割用的人造宝石喷嘴每个40元,可用100左右；但磨料切用的碳化钨喷嘴,每个60元,可用；耐磨陶瓷喷嘴,每个100元以上,可用20～100h。

切割很薄的延展性材料,易弯曲或出现飞边,宜叠层切割