高压水射流技术在机械制造业的应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五阶段：20世纪90年代后机器人多维 切割、井பைடு நூலகம்管口切割、干冰切割技术问世， 更重要的是，此种方法能够进行计算机控 制，实现切割的智能化和精准化，满足各种 复杂的工况条件，实现了钛合金、复合材料 等的高效切割。此外高压水射流技术在材料 表面加工上的优势凸显，如水射流喷丸和水 射流抛光等技术。 3 高压水射流在机械制造行业中的应用
3.2水射流清洗技术 高压水射流清洗技术是20世纪70年代在 高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗 技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗 物体基体上，使一种或多种材料(表层附着 物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来， 完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物 理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以 清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和 要求，采用不同的射流形式和执行机构，利 用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污 垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的 目的。主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、 烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂 层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污 垢、高分子聚合物污垢等。 与传统清洗方式相比其优势为： (1) 当选择适当的水射流喷射压力时， 不会损伤被清洗基体； (2) 由于所使用的介质为不添加任何化 学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀 现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清 洗后的二次清洗处理； (3) 能清洗形状和结构复杂的零件，由
3.1 水射流切割技术 水射流切割的可能性来源于苏联，但第 一项切割专利技术却在美国产生[3]，即1968 年由美国密苏里大学林学教授诺曼 弗二兹 博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一 台商用水射流切割装置产生于1971年， 后 来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间， 用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974 年美国流体工业公司山售了第一套工业用水 射流切割系统[4]，并于1983年率先研制成功 磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000 多套水射流切割设备在数十个国家几十个行 业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军 工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。 尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展 促使了水射流技术和设备的不断进步，已 可切割500余种材料，其设备年增长率超过 20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引 进了超高压水射流设备，仿制与研究相结 合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世 纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制 成功了超高压水射流切割系统。 超高压水射流切割系统在切割过程中，
(5) 高压水射流切割易于实现远距离独 立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷 头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作 灵活；
(6) 可实现绿色无污染切割，由于高压 水射流切割介质为水，来源充足且对环境无 污染、安全、绿色、环保。
正是由于高压水射流切割具有以上优 势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制 造、军工、电子行业中，主要用于切割难加 工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工 艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和 废旧核设施的拆除。
(5) 清洗速度比传统的化学方法及机械 方法高出5倍～10倍[7]；
(6) 可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有 害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清 洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口 径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物 的清洗等。
由于水射流清洗技术在工业清洗领域的 独特优势，使其一经问世，便得到了高速发 展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗 已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占 据了主要份额。如美国石化企业在换热设备 时，采用高压水射流清洗的占 80%以上， 而化学清洗的比例仅仅不足5%[1]，其在机械 制造业中的应用主要有：机械加工设备及模 具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属 构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去 毛刺及钢厂除鳞等。
回顾水射流技术的发展历程，大体上可 以分为5个阶段［2］。
第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯 水射流切割能力的限制，主要研究低压水射 流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用 于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功 地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落 煤。
第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年 代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得 到了极大的发展，当时可生产400MPa以上 的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之 相配套的高压管件。与此同时，高压水射流 清洗技术得到了推广应用。
(3) 高压水射流切割具有“冷、软”加 工特性，由于高压水射流切割其切割介质为 水，切割过程中无机械切削力，切割温度 低，无热影响区和热变形；
(4) 高压水射流切割易于实现数字化控 制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现 数字控制，且水射流切割是全方位点切割 器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便 利；
高压水射流技术这一概念发源于二十世 纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初， 美国、美国、英国、日本等国加大科研投入 力度研究开发超高压水射流技术。历经多年 科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上 第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯 水射切割，切割能力受到很大的制约，其切 割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡 胶等软材质材料[1]。鉴于此，为提高高压水 射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美 国设计制造出了超高压磨料水射流切割机， 随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料 水射流切割机。这样高压水射流的应用范围 从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材 料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、 大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功 地应用到抛光砖的切割过程中。
水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达 音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶 瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切 割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有 以下优点[6]：
(1) 高压水射流切割效率高，切割材料 范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材 料，如加配软件可实现数控切割，切割精度 高；
(2) 高压水射流切割表面质量高，高压 水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料 切口处组织结构性能不发生改变，切割表面 光滑且切缝窄；
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.110
基金项目：黑龙江省博士后基金项目(LBH-10242)
高压水射流技术在机械制造业的应用
靳晓明 郭睿智 黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨 150027 The Application of High Pressure Water-Jet Technology in Machinery Manufacture Jin Xiaoming Guo Ruizhi Center for Engineering Training and Basic Experimentation, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China
-163-
制造
Manufacturing
中国科技信息2012年第12期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2012
于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动 化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构 件；
(4) 清洗效果好、能耗比低、噪音小、 不污染环境；
摘要 高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、 新工艺，采用高压、高速水(纯水或带有磨 料)进行机械加工，在纯水(或纯水和磨料)的 作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表 面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高 压水射流技术的发展、分类及在机械制造业 中应用现状。 关键词 高压水射流；应用；发展 Abstract High pressure water-jet technology is rapid rise technology and process. It used high pressure and high speed water-jet or water abrasive jet for mechanical processing, such as, cutting, washing, polishing, shot peening and surface material removal, etc. This paper introduces high pressure water-jet’s development, types and application status in the machinery manufacture. Keywords high pressure water jet; application; development
第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年 代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其 应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、 抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射 流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问 世。
第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年 代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及 拓展应用范围，先后出现了前混合磨料水射 流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激 振荡水射流技术，并研制成产出以高压水射 流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射 流切割机、高压水射流钢管内磨机等。
1 高压水射流技术的概念 自古以来，人们把水比做柔软的物质，
而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河 道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水 长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识 到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光 等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水 和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观 察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射 流。高压水射流技术是近几十年来发展起来 的一项新技术，是以水为介质，经高压发生 装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的 喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有 清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效 率高、成本低、操作安全方便等优点。目 前，在机械制造业中高压水射流技术多见于 切割、清洗、抛光及喷丸等领域。 2 高压水射流技术的发展
3.3水射流抛光技术 抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而 且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工 工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够 改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特 殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法 触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的 工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无 法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。 水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本 工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过 喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒 的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压 力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数 来完成工件表面的抛光。 与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术 具有以下特点： (1) 水射流抛光的磨具为液态磨具，不 存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定， 面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺 寸精度，而达到较高的表面光度； (2) 由于水射流抛光头为液体住，容易 对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表 面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影 响，应用范围较广，既可用来加工金属材 料，也可以加工非金属材料； (3) 水射流抛光属于冷加工范畴，加工 时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不 会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材 料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液 不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑 [8]； (4) 抛光时噪声低、无尘、无毒、无 味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者 的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用， 实现了绿色抛光； (5) 抛光“磨具”为高速高压液体，抛 光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨 等辅助时间，提高了抛光效率； (6) 设备维护简单，操作方便，可以灵 活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、 数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工 件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触， 可实现高速抛光。 3.4水射流喷丸强化技术 水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末 由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷 开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领
3.2水射流清洗技术 高压水射流清洗技术是20世纪70年代在 高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗 技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗 物体基体上，使一种或多种材料(表层附着 物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来， 完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物 理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以 清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和 要求，采用不同的射流形式和执行机构，利 用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污 垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的 目的。主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、 烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂 层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污 垢、高分子聚合物污垢等。 与传统清洗方式相比其优势为： (1) 当选择适当的水射流喷射压力时， 不会损伤被清洗基体； (2) 由于所使用的介质为不添加任何化 学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀 现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清 洗后的二次清洗处理； (3) 能清洗形状和结构复杂的零件，由
3.1 水射流切割技术 水射流切割的可能性来源于苏联，但第 一项切割专利技术却在美国产生[3]，即1968 年由美国密苏里大学林学教授诺曼 弗二兹 博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一 台商用水射流切割装置产生于1971年， 后 来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间， 用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974 年美国流体工业公司山售了第一套工业用水 射流切割系统[4]，并于1983年率先研制成功 磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000 多套水射流切割设备在数十个国家几十个行 业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军 工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。 尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展 促使了水射流技术和设备的不断进步，已 可切割500余种材料，其设备年增长率超过 20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引 进了超高压水射流设备，仿制与研究相结 合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世 纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制 成功了超高压水射流切割系统。 超高压水射流切割系统在切割过程中，
(5) 高压水射流切割易于实现远距离独 立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷 头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作 灵活；
(6) 可实现绿色无污染切割，由于高压 水射流切割介质为水，来源充足且对环境无 污染、安全、绿色、环保。
正是由于高压水射流切割具有以上优 势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制 造、军工、电子行业中，主要用于切割难加 工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工 艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和 废旧核设施的拆除。
(5) 清洗速度比传统的化学方法及机械 方法高出5倍～10倍[7]；
(6) 可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有 害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清 洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口 径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物 的清洗等。
由于水射流清洗技术在工业清洗领域的 独特优势，使其一经问世，便得到了高速发 展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗 已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占 据了主要份额。如美国石化企业在换热设备 时，采用高压水射流清洗的占 80%以上， 而化学清洗的比例仅仅不足5%[1]，其在机械 制造业中的应用主要有：机械加工设备及模 具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属 构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去 毛刺及钢厂除鳞等。
回顾水射流技术的发展历程，大体上可 以分为5个阶段［2］。
第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯 水射流切割能力的限制，主要研究低压水射 流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用 于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功 地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落 煤。
第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年 代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得 到了极大的发展，当时可生产400MPa以上 的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之 相配套的高压管件。与此同时，高压水射流 清洗技术得到了推广应用。
(3) 高压水射流切割具有“冷、软”加 工特性，由于高压水射流切割其切割介质为 水，切割过程中无机械切削力，切割温度 低，无热影响区和热变形；
(4) 高压水射流切割易于实现数字化控 制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现 数字控制，且水射流切割是全方位点切割 器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便 利；
高压水射流技术这一概念发源于二十世 纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初， 美国、美国、英国、日本等国加大科研投入 力度研究开发超高压水射流技术。历经多年 科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上 第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯 水射切割，切割能力受到很大的制约，其切 割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡 胶等软材质材料[1]。鉴于此，为提高高压水 射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美 国设计制造出了超高压磨料水射流切割机， 随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料 水射流切割机。这样高压水射流的应用范围 从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材 料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、 大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功 地应用到抛光砖的切割过程中。
水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达 音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶 瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切 割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有 以下优点[6]：
(1) 高压水射流切割效率高，切割材料 范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材 料，如加配软件可实现数控切割，切割精度 高；
(2) 高压水射流切割表面质量高，高压 水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料 切口处组织结构性能不发生改变，切割表面 光滑且切缝窄；
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.110
基金项目：黑龙江省博士后基金项目(LBH-10242)
高压水射流技术在机械制造业的应用
靳晓明 郭睿智 黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨 150027 The Application of High Pressure Water-Jet Technology in Machinery Manufacture Jin Xiaoming Guo Ruizhi Center for Engineering Training and Basic Experimentation, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China
-163-
制造
Manufacturing
中国科技信息2012年第12期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2012
于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动 化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构 件；
(4) 清洗效果好、能耗比低、噪音小、 不污染环境；
摘要 高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、 新工艺，采用高压、高速水(纯水或带有磨 料)进行机械加工，在纯水(或纯水和磨料)的 作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表 面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高 压水射流技术的发展、分类及在机械制造业 中应用现状。 关键词 高压水射流；应用；发展 Abstract High pressure water-jet technology is rapid rise technology and process. It used high pressure and high speed water-jet or water abrasive jet for mechanical processing, such as, cutting, washing, polishing, shot peening and surface material removal, etc. This paper introduces high pressure water-jet’s development, types and application status in the machinery manufacture. Keywords high pressure water jet; application; development
第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年 代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其 应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、 抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射 流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问 世。
第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年 代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及 拓展应用范围，先后出现了前混合磨料水射 流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激 振荡水射流技术，并研制成产出以高压水射 流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射 流切割机、高压水射流钢管内磨机等。
1 高压水射流技术的概念 自古以来，人们把水比做柔软的物质，
而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河 道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水 长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识 到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光 等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水 和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观 察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射 流。高压水射流技术是近几十年来发展起来 的一项新技术，是以水为介质，经高压发生 装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的 喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有 清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效 率高、成本低、操作安全方便等优点。目 前，在机械制造业中高压水射流技术多见于 切割、清洗、抛光及喷丸等领域。 2 高压水射流技术的发展
3.3水射流抛光技术 抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而 且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工 工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够 改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特 殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法 触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的 工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无 法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。 水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本 工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过 喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒 的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压 力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数 来完成工件表面的抛光。 与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术 具有以下特点： (1) 水射流抛光的磨具为液态磨具，不 存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定， 面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺 寸精度，而达到较高的表面光度； (2) 由于水射流抛光头为液体住，容易 对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表 面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影 响，应用范围较广，既可用来加工金属材 料，也可以加工非金属材料； (3) 水射流抛光属于冷加工范畴，加工 时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不 会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材 料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液 不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑 [8]； (4) 抛光时噪声低、无尘、无毒、无 味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者 的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用， 实现了绿色抛光； (5) 抛光“磨具”为高速高压液体，抛 光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨 等辅助时间，提高了抛光效率； (6) 设备维护简单，操作方便，可以灵 活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、 数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工 件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触， 可实现高速抛光。 3.4水射流喷丸强化技术 水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末 由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷 开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领