高压水射流切割技术

高压水射流切割技术

摘要：高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法，具有传统切割方式难以比拟的优点。本文回顾了其原理和发展历史，介绍了其在工业、航天和医学等方面的应用。对水压、流速、射流直径、直径扩散率以及磨料等切割参数对高压水射流切割的加工质量的影响进行了讨论，并对国外新的研究方法和结果进行了介绍，为优化工艺、改善加工质量提供借鉴。

关键词：水射流，切割，磨料，高压

1、基本原理

最初人们是从自然界“水滴石穿”这一现象认识到水潜在的威力，并逐渐加以应用。20世纪60年代末，美国密苏里大学林学教授Franz博士发现高压水射流可以被用来切割木材，这种方法对材料的切割面几乎没有损害，并且切割速度相对较高。

水射流切割（Water Jet Cuting,WJC）又称液体喷射加工（Liquid Jet Machining,LJM）,是利用高压高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，有时简称水切割，或俗称水刀。采用水或带有添加剂的水，以500到900米每秒的高速冲击工件进行加工或切割。水经水泵后通过增压器增压，储液蓄能器使脉动的液流平稳。水从孔径为0.1到0.5mm的人造蓝宝石喷嘴喷出，直接压射在工件加工部位上。加工深度取决于液压喷射的速度、压力以及压射距离。被水流冲刷下来的“切屑”随着流液排出，入口处束流的功率密度可达106 W/mm2。

高压水射流破岩及切割技术是近年来发展起来的一项新型切割破碎技术。我国一般将驱动压力分别高于35MPa和140MPa的射流称为高压和超高压射流。随着工业整体技术水平的提高以及超硬材料切割的需要，国外水射流技术的研究和应用逐渐向着超高压射流技术发展。

2、水射流的技术特点

2.1、切割品质优异

水射流是一种冷加工方式，“水刀”不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm至1.1mm，砂水混流切割的切口约为 0.8mm

至1.8mm。随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质的单侧斜边为0.076mm至0.102mm之间)，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。

2.2、没有材料和厚度的限制

无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。

2.3、清洁环保无污染

在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求。

3、水射流的优点及分类

3.1、优点

水射流技术之所以能得到这样高速的发展，主要是这种技术与其他加工方法相比具有一系列优点。

一是工作介质成本低廉。水射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。如果用于切割加工，由于喷嘴小(直径一般在0．5毫米以下)，用水量很少，而且对水一般无污染。

二是切割时切口窄且整齐。用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小。因此。切口窄而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工。

三是工作机件易于实现自动控制。由于水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作。如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。

四是能降温、除尘和延长截齿寿命。水射流用在煤矿采掘机上，除参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个安全、卫生的环境。

五是体积小。水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸。

3.2、分类

水射流的种类很多，分类的方法也不一样。按驱动压力可分为低压水射流(0.5兆帕～35兆帕)，压力泵为多级离心泵、柱塞泵；高压水射流(35兆帕～140兆帕)。压力泵为柱塞泵、增压器；超高压水射流(大于140兆帕)，压力泵为增压器。

按工作和环境介质可分为淹没射流和非淹没射流两种。射流的介质与环境介质相同时，射流称为淹没射流，如在水中喷射的水射流或在空气中喷射气体射流，都属于淹没射流。如果环境介质与工作介质不同，则称为非淹没射流。

按固壁条件分类，流体射流的作业环境内有或没有固体壁面的限制，对射流的形成和动力特性有明显的影响。在有固壁约束下的射流称为非自由射流；反之，则为自由射流。

如果按射流流体力学特性，水射流又可分为定常射流和非定常射流两种。按射流对物料的施载特性，水射流还可以分为连续射流、冲击射流和混合射流三种。

4、高压水射流切割技术的应用

众所周知，水射流技术因其本身的特点及优势在工业切割、清洗领域应用已十分广泛。

切割方面：纯水应用于造纸业、橡胶业等，而加砂水刀则可应用于石材业、陶瓷业、航天航空业，汽车制造业、金属加工业。尤其值得一提的是汽车制造业，随着近几中国汽车工业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂商产量地极剧扩大，车型地不断更新，生产周期地缩短，对配套的汽车内饰件(如汽车地毯、仪表板、顶蓬等)厂家来说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法，由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发展的需求。此时，与机器人相结合的水射流设备脱颖而出。高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器的手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工内饰件的目的。此种加工方式的优点在于高效率、高质量、精度高、柔性好。目前国内包括上海大众、上海通用、一汽大众、天津丰田、广州本田、神龙富康、南京南亚等众多车型的内饰件配套厂商已使用高压水射流设备进行内饰件的加工。

工业清洗方面:可应用于汽车业之喷漆房清洗、石化业之热交换器内外管清洗、飞机跑道之橡胶清洗、工业上之除锈及防蚀工程表面处理、航天工业引擎零