机械加工工艺基础论文

水射流切割技术的原理及其发展

一、基本原理

水射流切割是利用高压、高速液流对工件的冲击作用去除材料来实现对工件的切割。高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体。用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时，首先通过增压器将水压升到300～1 000MPa ( 动能转变为压力能)，然后使高压水通过直径为0.1～0.6 mm的喷嘴,以2～3倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时，如果压力超过材料的破坏强度，即可切断材料。喷嘴常用人造宝石、陶瓷、碳化钨等耐磨材料制作。

该加工方法分为两类:一类是以水作为能量载体，也叫纯水射流切割。它的结构较简单，喷嘴磨损慢，但切割能力较低，适于切割软材料；另一类是以水和磨料(磨料约占90%)的混合液作为能量载体,也叫磨料射流切割，由于射流加入磨料，大大提高切割功效，即在相同切割速度下，磨料射流切割的压力可以大大降低，并极大地拓宽了切割范围，但喷嘴磨损快，且结构较复杂，适于切割硬材料。磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使水、磨料均匀混合，之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出，磨料和水流具有相同的压力和速度，但实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后，依靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压来吸卷和加速磨料，因而磨料很难进入射流的核心而得到充分加速，即磨料很难达到水的速度，这导致能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～150目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等，磨料的状态有干式和湿式两种，其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵)输送式，大多数使用干式磨料，供给方式采用自吸式。

二、工艺特点

水射流切割加工工艺与传统的火焰切割及等离子弧切割工艺相比，具有以下优点：

1.切割精度高

使用超高压水切割可提供良好的切边品质，所加工物料无裂缝，无毛边，无浮渣，且切口小，切口平整，不产生热效应、加工硬化和应力，切缝可以达到很高的精度。

2.切割范围广

超高压水切割工艺适应性强，切割范围广，既可以切割花岗岩、玻璃、钢材及钛合金等硬质材料，又可切割布料、纸板、皮革等软材料及易变形材料等。3.切割效率高

水射流切割加工工艺切割的速度快，生产效率高。

4.高度弹性化

从简单到复杂的图形不仅切割速度快而且切割容易。它除可切割直线、斜线、圆弧线外，还可切割地图、各种复杂图形等。

5.操作简单

水射流切割加工不仅操作方式简单，而且程序的编辑也很容易，具有“可切割任何设计或是创意之图

形”的可用性。

6.成本低

水射流切割加工工艺以水为介质，并且零配件的使用寿命很长，这样就可减少停机的时间并降低成本。

7.安全性

水射流切割加工时不会产生灰尘及有毒气体，可提供一个清洁及安全的操作环境，并提供全面的安全设施。

综上所述，与传统的切割工艺相比，水射流切割更具有切缝窄、切口光滑平整、无热变形、无边缝毛刺、切割速度快、效率高、无污染、操作安全方便和成本低等特点。

三、发展现状

1968 年，美国密执安大学教授诺曼·弗兰兹博士首次获得水射流切割技术专利。1971 年，利用该技术对做家具的硬木进行射流切割获得成功，引起了国际关注。80 年代，美国又率先把水磨料射流(AWJ)切割技术推进到了实用阶段，使切割对象更为广泛。高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料，而且是冷切割工艺，因此材料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏, 且免除了后序加工。尤其对特种材料, 如钛合金、碳纤维材料等, 其切割效果更无法比拟。目前,已有3 000多套水射流切割设备在数十个国家的几十个行业中应用，可切割500 余种材料，其设备年增长率超过20%。

水射流切割技术一出现就受到工业发达国家的广泛重视。在美国,水射流发展迅速,应用十分广泛。国际上先后成立了英国流体研究公司(BHRG)、日本国际水射流学会(ISWJT)、美国水射流技术协会(WJTA)等行业组织，WJTA还组织编写了《推荐实用高压水射流设备使用手册》、《高压水射流技术基础与应用》等书, 国际上先后主办了二十几次国际射流或水射流学术会议。所有这些都为研究者、专业生产公司、应用厂家之间的相互交流、沟通、协作提供了楔机或条件。使得从大学到专业公司和应用厂家配套协作一条龙，对水射流发展十分有利。目前从事水射流加工技术研究和应用的国家已超过40个，主要有美国、俄罗斯、日本、德国、瑞士、英国、法国、加拿大、澳大利亚、印度、韩国、新加坡等。

我国的水射流技术起步并不晚，始于50 年代，但主要局限于矿业运用与开发，压力为中高压水平, 直到80 年代才开始引进超高压水射流设备, 仿制与研究相结合, 用于加工航空复合材料及钦板等, 与此同时国内船舶系统也研制开发中高压系统用于清洗、除锈等舰船的修配工作。80年代后期和90年代初国内自行研制成功了超高压水切割系统设备, 并具有自己的特色和优点, 但是在推广应用及进一步改进提高上工作还做得不够, 未能形成美国式的一条龙服务的良性循环。我国目前已有许多单位研制开发过(出)产品及正在研制开发与应用水射流切割技术与设备。

国内的水射流学术活动也较多, 已举办过三届全国喷射技术会议、八届水射流技术讨论会, 而且几乎每届的相关国际会议都有中国学者参加。我国众多学者为水射流技术做了大量工作, 并取得了许多较高水平的成果。在高压水射流切割设备方面, 我国也具备设计与制造实力。某些国产设备的指标已达国际先进水平。我国目前水射流切割技术应用还不很广泛, 并未引起应有的足够重视, 还没有一家汽车厂采用, 这不能不说是一种缺陷, 这也正是其推广与提高的障碍。

水射流切割技术发展趋势可以概括为以下几个方面:

1.主机设计日趋完善。如主机的超高压、大功率化。目前水射流的压力已超过500MPa。主机的超高压、大功率化等研究与开发十分活跃。设计工作压力更高