水喷射加工技术
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演讲主题：
水喷射加工技术
水射流加工的起源
• “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。 • 十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿， 剥落树皮。直到1968年由美国密苏里大学林 学教授诺曼· 弗兰兹博士获得第一项切割技术 专利。
•
而在80年代末才由莫斯科金属切削机床 实验科学研究所开始深入研究。1997年的汉 诺威和1999年的巴黎EMO展览会上证明，该方 法有了很大发展，且在该领域中的技术进步 十分显著。仅在巴黎就展出3台大型的工作装 置，它们是德国、瑞士和法国的机械公司。 后来开始在研制水射流切割装置。
4. 过滤设备 在进行超高压水射流加工时，对工业用 水进行必要的处理和过滤有着重要意义：延 长增压系统密封装置、宝石喷嘴等的寿命， 提高切割质量，提高运行的可靠性。因此要 求过滤器很好的滤除液体中的尘埃、微粒、 矿物质沉淀物，过滤后的微粒应小于0.45。 液体经过过滤以后，可以减少对喷嘴的腐蚀。 切削时摩擦阻尼很小，夹具简单。当配有多 个喷嘴时，还可以采用多路切削，提高切削 速度。
2. 切割系统 喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具 有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的 结构取决于加工要求、常用的喷嘴有单孔和分 叉两种。 3. 控制系统 可根据具体情况选择机械、气压和液压控 制。工作台应能纵、横向灵活移动，适应大面 积和各种型面加工的需要。当采用程序控制和 数字控制系统是理想的。目前，已出现程序控 制液体加工机，其工作台尺寸1.2m×1.5m， 移动速度为380mm/s。
2.磨料水射流在水中加入各种磨料( 常用 60~ 100 目的石英砂和氧化铝等) , 综合了由超 高速液流冲击产生的穿透割裂能力和由悬浮于 液体中磨料的游离磨削作用, 故可成倍提高加 工能力。但设备较复杂,成本高。它几乎可切 割所有的硬质材料, 如金属、非金属、金属基 及陶瓷基复合材料等, 是应用最广的射流加工 方法。 • 3. 聚合物水射流向水中加入少量添加剂( 高 分子长链聚合物) , 如聚乙烯酰胺等, 可提高射 流密集度及射程。主要用于切割较软或稍硬材 料。
水喷射加工样件
高压水射流切割大理石
高压水射流加工的零件
五、水喷射加工的类型及其适用范围 • 1. 纯水射流只用水作介质。它是利用洁 净水增压后从喷嘴喷出的高速水射流进行切 割的, 设备简单, 成本较低, 但加工能力也较 低。主要用于切割软材料, 如橡胶、纸张、 塑料、毛毯、玻璃和木材等。
•
如陶瓷、硬质合金、模具钢、钛合金、钨钼钴 合金、复合材料，如以金属为基体的纤维增 强金属（FRM）、纤维增强橡胶（FRR）等、 不锈钢、高硅铸铁及可锻铸铁等的加工。
以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材 料的加工占水射流加工的40%，此外，还用 于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。
•
2.去毛刺各种小型精密零件上交叉孔、内螺 纹、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加 工方法就十分困难甚至于无法完成，而利用水 喷射加工技术（稍降低压力或增大喷距等）， 就十分方便且质量好，具有独特的效果。
• (6) 喷嘴直径。用于加工的喷嘴直径一般小于 1mm，常用的直径为0.05~0.38mm。增大喷 嘴直径可以提高加工速度。
水喷射加工工艺参数
水射流加工喷嘴
四、水喷射加工的特点
• 1.适用范围广。既可用来加工金属材料， 也可以加工非金属材料。 2.加工质量高。切缝窄（约为 0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质 量好，几乎无飞边、毛刺，切割面垂直、平 整，光洁度好。
•
后来在此基础上又发展起一项新技 术——混合磨料射流加工技术（AWJ， Abrasive Water Jet），它是将具有一定 粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中， 使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷 出，从而形成具有极高速度的磨料射流， 相对于纯水射流来说，它成倍地提高了切 割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以 切割一切硬质材料。
•
•
•
3.加工时对材料无热影响，工件不会产生 热变形和热影响区，对加工热敏感材料如钛合 金尤为有利；切削无火花，同时由于水的冷却 作用，工件温度较低，非常适合对易燃易爆物 件如木材、纸张等的加工。 • 4.加工清洁，不产生有害人体健康的有毒 气体和粉尘等，对环境无污染，提高了操作人 员的安全性。 • 5.加工“刀具”为高速高压水流，加工过 程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间， 生产效率高。
•
3.打孔水射流可用于在各种材料上打孔以代 替钻头钻孔，不仅质量好，而且加工速快。例 如在厚25mm铝板上打一个孔仅需图水刀切割 30s。不过水射流所能加工的孔径大小，
尤其是孔径的最小值受喷嘴孔径和磨料粒度的制。 4.开槽加磨料水射流可用来在各种金属零件 上开凹槽，如用于堆焊的凹槽及用以固定另一 个零件的槽道等。 5.清焊根和清除焊接缺陷利用水射流加工不 产生热量、不损伤工件材质的特点，对热敏感 金属的焊接接头进行背面清根、清除焊缝中的 裂纹等缺陷。
•
在最近十多年里，高压水射流(WJ)、磨 料水射流(AWJ) 切割技术和设备有了长足进 步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方 面。
一、水喷射加工定义 • 水喷射加工（Water Jet Machining）又称水 射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高 压（数十至数百兆帕）水射流对各种材料进行切 割、穿孔和工件表层材料去除等加工。
主要完成两种功能：
1）高压水射流切割。将水增至超高压 100～400MPa，经节流小孔（φ0.15～ φ0.4mm），使流速高达100~600m/s。用这种 高速密集的水射流对物体进行切割。
磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨 料粒子，经混合管形成磨料射流进行切割。在 磨料射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速， 由于磨料质量大、硬度高，磨料水射流较之水 射流其射流动能更大，切割效能更强。 2）高压水射流清洗,高压30～140MPa 。
水喷射工作流程
供水器
蓄能器
控制器
阀
过滤器 泵
喷嘴
射流
d 工件 排水器
增压器
液压装置
高压水射流能量转换原理
换能装置 （小孔喷 嘴） 动力源（电动 机、柴油机等） 机械能 压力能
动能
三、水喷射加工的原理 • 水喷射加工的基本原理是利用液体增压原 理, 通过特定的装置( 增压器或高压泵) , 将 动力源( 电动机)的机械能转换成压力能, 具 有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转 变成动能, 从而形成高速射流, 喷射到工件表 面, 达到去除材料的加工目的。
Fra Baidu bibliotek
人们利用高压水服务于生产始于19世纪70年 代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。20世 纪50年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进 行了研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采 和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压 喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完 整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成 功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。
(3) 能量密度。即高压水从喷嘴喷射到工件单位 面积上的功率，也称功率密度，可达 1010W/m2。 (4) 喷射距离。指从喷嘴到加工工件的距离，根 据不同的加工条件，喷射距离有一个最佳值。 一般范围为2.5~50mm，常用范围为3mm。 (5) 喷射角度。喷射角度可用正前角来表示。水 喷射加工时喷嘴喷射方向与工件加工面的垂线 之间的夹角称为正前角。超高压水喷射加工时 一般正前角为0°~30°。喷射距离与切割深度 有密切关系，在具体加工条件下，喷射距离有 一个最佳值，可经过试验来寻求。
高压水射流切割机床如下图
高压水喷射流切割机
高压水射流清洗机
超高压水射流加工设备
1. 增压系统 增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀 及密封装置等。增压器是液压系统中重要的设备， 要求增压器使液体的工作压力达到100~400MPa， 以保证加工的需要。高出普通液压传动装置液体 工作压力的10倍以上，因此系统中的管路和密封 是否可靠，对保障切割过程的稳定性、安全性具 有重要意义。对于增压水管采用高强度不锈钢厚 壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用金属弹性 密封结构。
5. 机床床身
机床床身结构通常采用龙门式或悬臂式机 架结构，一般都是固定不动的。为了保证喷嘴 与工件距离的恒定，以保证加工质量，因此要 在切削头上安装一只传感器。为了实现加工三 维复杂形状零件，切削头和关节式机器人手臂 或三轴的数控系统控制结合，可以加工出复杂 的立体形状。
超高压水射流加工的工作参数及其对加工的影响 (1) 流速与流量。水喷射加工采用高速水流，速 度可高达每秒数百米，是声速的2～3倍。超高 压水射流加工的流量可达7.5L/min。流速和流 量越大对，加工效率越大。 (2) 水压。加工时，在由喷嘴喷射到工件加工面 之前，水的压力经增压器作用变为超高压，可 高达700MPa。提高水压，将有利于提高切割 深度和切割速度。但会增加超高压水发生装置 及超高压密封的技术难度，增加设备成本。目 前，常用超高压水射流切割设备的最高压力一 般控制在400MPa以内。
在机械领域中的主要应用 • 1.切割加工水喷射加工技术应用于切割， 从某种意义上来说是切割领域的一次革命， 随着技术的成熟及某些局限的克服，水射流 切割对其他切割工艺是一种完善的补充。 水射流切割所加工的材料品种很多，主要 是一般切割方法不易加工或不能加工的非金 属或金属材料，特别是一些新型和合成材料，
感谢老师指导和同学的支持 谢谢！
二、水喷射加工系统的组成
•
水喷射加工系统主要由增压系统、供水 系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数 控工作台系统、集水系统和水循环处理系 统等构成。如果是磨料射流加工装置，则 还有磨料与水的混合系统。如图1所示。
• 如图1 所示, 贮存在水箱中的水经过滤器2 处 理后, 由水泵抽出送至由液压机构驱动的增压 器增压, 水压增高。然后高压水通过蓄能器, 使脉动水流平滑化。高压水与磨料（加压水喷 砂）在混合腔内混合后, 由具有精细小孔的喷 嘴( 一般由蓝宝石制成) 喷射到由工作台固定 的工件表面上, 射流速度可达300~ 900 m/ s( 约为音速的1~3 倍) , 可产生如头发丝细的 射流, 从而对工件进行切割、打孔等。
水喷射加工技术
水射流加工的起源
• “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。 • 十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿， 剥落树皮。直到1968年由美国密苏里大学林 学教授诺曼· 弗兰兹博士获得第一项切割技术 专利。
•
而在80年代末才由莫斯科金属切削机床 实验科学研究所开始深入研究。1997年的汉 诺威和1999年的巴黎EMO展览会上证明，该方 法有了很大发展，且在该领域中的技术进步 十分显著。仅在巴黎就展出3台大型的工作装 置，它们是德国、瑞士和法国的机械公司。 后来开始在研制水射流切割装置。
4. 过滤设备 在进行超高压水射流加工时，对工业用 水进行必要的处理和过滤有着重要意义：延 长增压系统密封装置、宝石喷嘴等的寿命， 提高切割质量，提高运行的可靠性。因此要 求过滤器很好的滤除液体中的尘埃、微粒、 矿物质沉淀物，过滤后的微粒应小于0.45。 液体经过过滤以后，可以减少对喷嘴的腐蚀。 切削时摩擦阻尼很小，夹具简单。当配有多 个喷嘴时，还可以采用多路切削，提高切削 速度。
2. 切割系统 喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具 有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的 结构取决于加工要求、常用的喷嘴有单孔和分 叉两种。 3. 控制系统 可根据具体情况选择机械、气压和液压控 制。工作台应能纵、横向灵活移动，适应大面 积和各种型面加工的需要。当采用程序控制和 数字控制系统是理想的。目前，已出现程序控 制液体加工机，其工作台尺寸1.2m×1.5m， 移动速度为380mm/s。
2.磨料水射流在水中加入各种磨料( 常用 60~ 100 目的石英砂和氧化铝等) , 综合了由超 高速液流冲击产生的穿透割裂能力和由悬浮于 液体中磨料的游离磨削作用, 故可成倍提高加 工能力。但设备较复杂,成本高。它几乎可切 割所有的硬质材料, 如金属、非金属、金属基 及陶瓷基复合材料等, 是应用最广的射流加工 方法。 • 3. 聚合物水射流向水中加入少量添加剂( 高 分子长链聚合物) , 如聚乙烯酰胺等, 可提高射 流密集度及射程。主要用于切割较软或稍硬材 料。
水喷射加工样件
高压水射流切割大理石
高压水射流加工的零件
五、水喷射加工的类型及其适用范围 • 1. 纯水射流只用水作介质。它是利用洁 净水增压后从喷嘴喷出的高速水射流进行切 割的, 设备简单, 成本较低, 但加工能力也较 低。主要用于切割软材料, 如橡胶、纸张、 塑料、毛毯、玻璃和木材等。
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如陶瓷、硬质合金、模具钢、钛合金、钨钼钴 合金、复合材料，如以金属为基体的纤维增 强金属（FRM）、纤维增强橡胶（FRR）等、 不锈钢、高硅铸铁及可锻铸铁等的加工。
以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材 料的加工占水射流加工的40%，此外，还用 于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。
•
2.去毛刺各种小型精密零件上交叉孔、内螺 纹、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加 工方法就十分困难甚至于无法完成，而利用水 喷射加工技术（稍降低压力或增大喷距等）， 就十分方便且质量好，具有独特的效果。
• (6) 喷嘴直径。用于加工的喷嘴直径一般小于 1mm，常用的直径为0.05~0.38mm。增大喷 嘴直径可以提高加工速度。
水喷射加工工艺参数
水射流加工喷嘴
四、水喷射加工的特点
• 1.适用范围广。既可用来加工金属材料， 也可以加工非金属材料。 2.加工质量高。切缝窄（约为 0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质 量好，几乎无飞边、毛刺，切割面垂直、平 整，光洁度好。
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后来在此基础上又发展起一项新技 术——混合磨料射流加工技术（AWJ， Abrasive Water Jet），它是将具有一定 粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中， 使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷 出，从而形成具有极高速度的磨料射流， 相对于纯水射流来说，它成倍地提高了切 割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以 切割一切硬质材料。
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3.加工时对材料无热影响，工件不会产生 热变形和热影响区，对加工热敏感材料如钛合 金尤为有利；切削无火花，同时由于水的冷却 作用，工件温度较低，非常适合对易燃易爆物 件如木材、纸张等的加工。 • 4.加工清洁，不产生有害人体健康的有毒 气体和粉尘等，对环境无污染，提高了操作人 员的安全性。 • 5.加工“刀具”为高速高压水流，加工过 程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间， 生产效率高。
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3.打孔水射流可用于在各种材料上打孔以代 替钻头钻孔，不仅质量好，而且加工速快。例 如在厚25mm铝板上打一个孔仅需图水刀切割 30s。不过水射流所能加工的孔径大小，
尤其是孔径的最小值受喷嘴孔径和磨料粒度的制。 4.开槽加磨料水射流可用来在各种金属零件 上开凹槽，如用于堆焊的凹槽及用以固定另一 个零件的槽道等。 5.清焊根和清除焊接缺陷利用水射流加工不 产生热量、不损伤工件材质的特点，对热敏感 金属的焊接接头进行背面清根、清除焊缝中的 裂纹等缺陷。
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在最近十多年里，高压水射流(WJ)、磨 料水射流(AWJ) 切割技术和设备有了长足进 步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方 面。
一、水喷射加工定义 • 水喷射加工（Water Jet Machining）又称水 射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高 压（数十至数百兆帕）水射流对各种材料进行切 割、穿孔和工件表层材料去除等加工。
主要完成两种功能：
1）高压水射流切割。将水增至超高压 100～400MPa，经节流小孔（φ0.15～ φ0.4mm），使流速高达100~600m/s。用这种 高速密集的水射流对物体进行切割。
磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨 料粒子，经混合管形成磨料射流进行切割。在 磨料射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速， 由于磨料质量大、硬度高，磨料水射流较之水 射流其射流动能更大，切割效能更强。 2）高压水射流清洗,高压30～140MPa 。
水喷射工作流程
供水器
蓄能器
控制器
阀
过滤器 泵
喷嘴
射流
d 工件 排水器
增压器
液压装置
高压水射流能量转换原理
换能装置 （小孔喷 嘴） 动力源（电动 机、柴油机等） 机械能 压力能
动能
三、水喷射加工的原理 • 水喷射加工的基本原理是利用液体增压原 理, 通过特定的装置( 增压器或高压泵) , 将 动力源( 电动机)的机械能转换成压力能, 具 有巨大压力能的水再通过小孔喷嘴将压力能转 变成动能, 从而形成高速射流, 喷射到工件表 面, 达到去除材料的加工目的。
Fra Baidu bibliotek
人们利用高压水服务于生产始于19世纪70年 代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。20世 纪50年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进 行了研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采 和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压 喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完 整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成 功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。
(3) 能量密度。即高压水从喷嘴喷射到工件单位 面积上的功率，也称功率密度，可达 1010W/m2。 (4) 喷射距离。指从喷嘴到加工工件的距离，根 据不同的加工条件，喷射距离有一个最佳值。 一般范围为2.5~50mm，常用范围为3mm。 (5) 喷射角度。喷射角度可用正前角来表示。水 喷射加工时喷嘴喷射方向与工件加工面的垂线 之间的夹角称为正前角。超高压水喷射加工时 一般正前角为0°~30°。喷射距离与切割深度 有密切关系，在具体加工条件下，喷射距离有 一个最佳值，可经过试验来寻求。
高压水射流切割机床如下图
高压水喷射流切割机
高压水射流清洗机
超高压水射流加工设备
1. 增压系统 增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀 及密封装置等。增压器是液压系统中重要的设备， 要求增压器使液体的工作压力达到100~400MPa， 以保证加工的需要。高出普通液压传动装置液体 工作压力的10倍以上，因此系统中的管路和密封 是否可靠，对保障切割过程的稳定性、安全性具 有重要意义。对于增压水管采用高强度不锈钢厚 壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用金属弹性 密封结构。
5. 机床床身
机床床身结构通常采用龙门式或悬臂式机 架结构，一般都是固定不动的。为了保证喷嘴 与工件距离的恒定，以保证加工质量，因此要 在切削头上安装一只传感器。为了实现加工三 维复杂形状零件，切削头和关节式机器人手臂 或三轴的数控系统控制结合，可以加工出复杂 的立体形状。
超高压水射流加工的工作参数及其对加工的影响 (1) 流速与流量。水喷射加工采用高速水流，速 度可高达每秒数百米，是声速的2～3倍。超高 压水射流加工的流量可达7.5L/min。流速和流 量越大对，加工效率越大。 (2) 水压。加工时，在由喷嘴喷射到工件加工面 之前，水的压力经增压器作用变为超高压，可 高达700MPa。提高水压，将有利于提高切割 深度和切割速度。但会增加超高压水发生装置 及超高压密封的技术难度，增加设备成本。目 前，常用超高压水射流切割设备的最高压力一 般控制在400MPa以内。
在机械领域中的主要应用 • 1.切割加工水喷射加工技术应用于切割， 从某种意义上来说是切割领域的一次革命， 随着技术的成熟及某些局限的克服，水射流 切割对其他切割工艺是一种完善的补充。 水射流切割所加工的材料品种很多，主要 是一般切割方法不易加工或不能加工的非金 属或金属材料，特别是一些新型和合成材料，
感谢老师指导和同学的支持 谢谢！
二、水喷射加工系统的组成
•
水喷射加工系统主要由增压系统、供水 系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数 控工作台系统、集水系统和水循环处理系 统等构成。如果是磨料射流加工装置，则 还有磨料与水的混合系统。如图1所示。
• 如图1 所示, 贮存在水箱中的水经过滤器2 处 理后, 由水泵抽出送至由液压机构驱动的增压 器增压, 水压增高。然后高压水通过蓄能器, 使脉动水流平滑化。高压水与磨料（加压水喷 砂）在混合腔内混合后, 由具有精细小孔的喷 嘴( 一般由蓝宝石制成) 喷射到由工作台固定 的工件表面上, 射流速度可达300~ 900 m/ s( 约为音速的1~3 倍) , 可产生如头发丝细的 射流, 从而对工件进行切割、打孔等。