水射流加工技术11

特种加工之
水射流加工技术
主讲：杨晓峰
水射流加工技术（以柔克刚的技术）的历史




“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的 威力。 20世纪60年代初期的探索实验阶段，主要应用于低压水射 流采矿。 60年代末至70年代初的基础设备研制和攻坚阶段，主要研 制高压泵、增压器和高压管件及推广高压水射流清洗技术。 70年代初至80年代初的工业实验及工业应用阶段，大量的 高压水射流采煤机、切割机和清洗机相继问世并进行工业 实验。 80年代以来是高压水射流迅速发展阶段，主要特点是高压 水射流的研究进一步深化，磨料水射流、磨料射流、空化 射流和自激震荡射流等新型射流技术发展迅速。
水射流加工技术的理论基础：
当高速水滴(Water Slugs)冲击固体表面时， 击点的滞止压力(Stagnation Pressure)Ps为： Ps=1/2ρv2 式中：v—水滴的速度； ρ —水的密度。 从上式可以看出，水射流的打击力(或穿透力) 与射流速度的平方成正比。这意味着通过提高 射流的速度，水射流的打击力(或穿透力)可以 成倍提高。
龙门式数控水切割机
悬臂式数控水切割机
水射流加工的优点:

多功能、高效能 没有热反应区 投资成本低、效益好 绿色环保
水射流加工的缺点:


设备功率大 喷嘴磨损快 不适合于大型零件及去除超大的毛刺加工 缺乏适用与水射流加工的软件
不锈钢

其它铁合金

其他材料

玻璃，大理石，复合材料等
影响水射流加工性能的参数：

系统参数：水射流系统压力； 喷嘴结构参数：喷嘴直径、倒角半径和混合管长 度、混合管直径 ； 磨料参数：磨料材料、颗粒直径、磨料流量、颗 粒形状； 混合方式：压力驱动或负压吸入； 磨料混合状态：干粉或浆液； 切割参数：进给速度、靶距、走刀次数、射流角 度； 工件材料参数：强度、硬度、致密度等；
水射流加工的应用情况

水射流加工一开始就受到工业发达国家的重视。在国 际上先后成立了英国流体研究中心（BHIG）、日本 国际水射流协会（ISWJT）和美国水射流协会 （WJTA）,国际上已举行了二十多届水射流学术会议。 目前磨料水射流技术已经成为国内外许多学者研究的 热点，水射流加工技术已经先后在四十个国家和地区 应用，主要包括美国、英国、日本、俄罗斯、加拿大、 澳大利亚、新加坡等。我国的水射流技术，始于20世 纪50年代，主要应用在矿业运用与开发，压力为中高 压水平，在20世纪80年代才引进超高压水射流设备， 主要应用在航空业。国内水射流技术主要应用在油田、 清洗和矿山开采等领域。
水射流加工技术的概念


高压水射流切割(Water jet machining )是利用 水或水中加添加剂的液体经水泵至增压器再经储液 蓄能器使高压液体流动平稳，最后由喷嘴形成300900米/秒的高速液体流，喷射到工件表面，达到去 除材料的加工目的。 磨料水射流(Abrasive water jet machining )是 以水为介质，通过高压发生装置获得巨大能量，通 过供料和混合装置将磨料加入高压水束中，形成液 固两相混合射流，依靠磨料和高压水束的高速冲击 和冲刷，实现去除工件表面材料和修饰性加工的一 种方法。它是综合了磨料射流和水射流的优点，使 加工范围扩大。
水射流加工技术的分类


根据磨料与水的混合方式，磨料水射流可分为 后混合式、前混合式、外混合式和磨料浆体射 流等四种类型 ； 根据射流加工时的环境条件，可分为淹没式磨 料水射流和非淹没式磨料水射流。




前混合式磨料水射流是磨料与水充分混合后，加压通 过喷嘴而形成的高速流体。 后混合式磨料水射流是磨料和高压水在喷嘴内进行混 合后形成的高速流体。 外混合式磨料水射流是磨料浆从喷头中路喷出，高压 水射流从四周的水喷嘴射出，并汇聚在浆料射流的一 点处，在多股水射流的卷吸下，磨料浆被吸入水射流 束中获得动能形成高速流体。 磨料浆体射流是其浆体以高粘度的高聚物溶液作为载 体，在射流末端配置而成的高速流体。
水射，尚 处于理论和工业实验阶段，还有许多问题 需要解决，如用纯水射流进行切割破岩等 所需系统压力过高，磨料射流则存在喷嘴 磨损快，磨料水射流对磨料的传输效率低， 在淹没状态下穿透能力差等特点，目前国 内学者研究较多的水射流形式主要有脉冲 水射流、磨料射流、磨料水射流、旋转射 流和摆动振荡射流等。
根据射流加工时的环境条件


淹没式水射流是指射流从出口到工件是在水或 其它液体中，具有射流扩散快、速度和动压分 布均匀等特点。 非淹没式水射流指射流从出口到工件是在空气 自然状态下，与淹没式相比，其射程大，核心 段长度长，但是速度分布不均匀。
高压水射流的设备构成




增压系统：为系统提供 足够的稳定的压力； 数控工作台：控制喷嘴 装置的移动； 集水器：收集加工后的 水和材料残渣； 喷嘴装置：精确控制水 流，提供优质的射流束； 磨料供给装置：提供磨 料并精确控制磨料的流 量。
（三）断裂力学模型
下图显示了磨粒碰撞应力分布情况，由于 碰撞速度极高，材料变形极小，主要以脆性断 裂为主。
（四）微切削和剪切变形模型
当磨料以一定角度接触被加工表面时，其力学 模型与切削力学模型相似，被去除材料也经过 弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段，如下图 所示：
（五）高速碰撞模型
水射流中磨粒与工件的碰撞可以简化为矩形粒 子与物体的高速碰撞，在碰撞过程中，粒子的 动能转化为物体表面断裂破坏所需要的断裂能， 如下图所示：
水射流加工技术的发展趋势：

提高水射流加工的可靠性和寿命，尤其是其中关 键零部件高压泵、高压软管、接头和喷嘴的寿命。 优化工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗 和降低能耗，以利于成本更有竞争力。 发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自 适应调整，以提高加工精度，用于制作有一定精 度要求的零件，达到其技术经济效果可与等离子 体和激光加工相媲美的程度。
磨料水射流加工原理
（一）加工系统 主要有供水系统、磨料供给系统和喷头系统组 成，如下图所示：
（二）喷头系统
喷头是磨料水射流技术应用中获得高能量利用率 的关键因素之一，是水射流系统中把水压能转变 为动能的一种装置。通过喷头能将管路中高压而 流速小的水流转化成为低压、高流速的水射流， 因此喷头的性能直接影响射流的质量。喷嘴材料 必须具有高硬度、高耐磨性，两者缺一不可。钴 基碳化钨硬质合金硬度高，耐磨性好。除此之外， 喷嘴也常用人造宝石，陶瓷等耐磨材料制作。 其系统结构如下图所示：
喷头系统是水射流设备的 重要部件，它最终形成水射 流工况，同时，又制约着系 统的各个部件，它的功能是 把蓄能器提供的静压转换为 水的动力，让射流具有优良 的流动特性和动力特性。
从有效射流作业和节能降耗的角度来看，较 理想的喷头系统应符合以下要求：
（1）喷嘴喷射的水束应将压力能有效地转化为射流表 面的喷射力，压力损失小，能量集中，射流稳定。 （2）喷头系统能够满足最佳工艺要求，能够实现多次 切割、角度切割等。 （3）喷头系统不易发生堵塞，尤其磨料吸人流畅、均 匀，易于加速。 (4)具有高耐磨性，尤其关键部件如喷嘴、加速管等， 耐磨性要好，以保证精度，寿命高。 (5)喷头系统各部件易于加工、制造、检测、装配，易 磨损件便于更换。
水射流加工的应用情况

高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射 流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、 离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。 高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意 义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔 的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克 服，对其它切割工艺是一种完美补充。
水射流加工技术的发展趋势：



不断扩大水射流加工的应用范围，由二维的切割 和去毛刺加工发展到孔加工和三维型面的加工。 水射流加工理论的理论研究,特别是有关水射流加 工模型的建立和多相流理论的研究等。 磨料水射流加工微型精密零件和磨料水射流用于 车削和铣削的研究。
水射流加工的应用情况

目前高压水射流用于切割、清洗方面的研究已 渐于成熟，其用途和优势主要体现在难加工材 料方面：如陶瓷、硬质合金、高速钢、淬火钢、 钨钼钴合金、耐蚀、耐热合金、钛合金、复合 材料、不锈钢、高锰钢、高硅铸铁、可锻铸铁 等一般工程材料。高压水射流除切割外，稍降 低压力或增大靶距和流量还可以用于破碎、表 面毛化和强化处理。目前已在以下行业获得成 功应用：汽车制造与修理、航空航天、机械加 工、国防、军工、电子电力、石油、采矿、轻 工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、 医疗、农业、市政工程等方面。
高压水射流加工原理：
高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂程。 对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩 散为主；而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时 断裂准则，即一旦材料中某点的法向拉应力达 到或超过某一临界值时，该点即发生断裂。根 据弹塑性力学，动态断裂强度与静态断裂强度 相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态 应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因 而这个动态断裂不仅与应力有关，还与拉伸应 力的作用时间相关。
高压水射流加工原理：
高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰时， 产生极高的冲击动压和涡流，从微观上看相对 于射流平均速度存在着超高速区和低速区，因 而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实 际上存在刚性高和刚性低的部分，刚性高的部 分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了 冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚 度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起 吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其 切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。