高压水射流喷丸技术应用

高压水射流喷丸技术应用

摘要:喷丸技术是一种冷加工方法，可以提高金属构件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力。高压水射流加工是利用高压、高速的细径液流作为工作介质，对工件表面进行喷射，依靠液流产生的冲击作用去除材料，实现对工件的切割。当降低水压或增大靶距和流量，还可以进行清洗、破碎。高压水射流喷丸技术将喷丸和高压水射流加工这两种现代先进技术结合起来，大大拓展了使用范围，在机械、建材、建筑、国防、轻工、纺织等领域正发挥着日益重要的作用。

关键词：喷丸、高压水射流、强化、切割

喷丸强化加工技术因其具有提高金属构件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力的优点而得到广泛的应用。它产生于本世纪20年代，最先在汽车工业中应用。60年代之后，又在航空行业中得到更广泛的应用。飞机和发动机中一切关键承力件经过喷丸强化之后，其强化效果之显著，成本之低廉，使得所有其它表面强化工艺都相形见绌。

喷丸是使受喷材料在再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由弹丸流在很高的速度下撞击受喷表面而完成的。每颗弹丸好比一只微小的锤头锤击受喷工件，在它的表面形成一个很小的凹坑，弹丸撞击受喷工件时，工件表面迅速伸长，从而引起表层材料在一定深度范围内的塑性流动（塑性变形）。变形层的深度取决于弹丸撞击程度和材料的力学性能，通常变形层深度可达0.12-0.75mm。改变喷丸参数，也可以得到高于或低于上述数值的变形层深度。

当喷丸引起表面材料塑性变形时，与表层相连接的次表层材料也将由于表层变形而发生变形。但与表层相比较，次表层的变形程度较小，并未达到该材料的屈服点而保持弹性变形状态，因此，表层与次表层的这种不均匀塑性变形，能引起材料受喷后表面层的应力场（即应力分布的）改变。实验表明，喷丸后表层呈现残余压缩应力，而在一定深度的次表层则为拉伸应力。表层的残余压缩应力可比次表层的拉伸应力高达数倍。这种残余应力分布模式很有利于疲劳强度和抗应力腐蚀性的提高。

喷丸采用的专门设备，按照驱动弹丸的方式，可分为叶轮式喷丸机、气动式喷丸机和液动式喷丸机三大类。喷丸机又有干喷和湿喷之分。干喷工作条件差；湿喷是将弹丸混合在液体中，呈悬浮状，然后喷射工件表面，工件条件有所改善。

超高压水射流加工是利用高压、高速的细径液流作为工作介质，对工件表面进行喷射，依靠液流产生的冲击作用去除材料，实现对工件的切割。稍微降低水压或增大靶距和流量，还可以进行高压清洗、破碎、表面毛化、去毛刺及强化处理。超高压水射流与激光、离子束、电子束一样，同属于高能束加工的技术范畴。

世界上第一台纯水高压水切割设备诞生于1974年，第一台磨料高压水切割设备诞生于1979年。自20世纪80年代末以来，我国依靠自己的力量，自主开发成功了各类超高压水射流切割设备，并开始了大量的工艺试验研究。目前，该

项技术在国内外得到了广泛的应用，在机械、建材、建筑、国防、轻工、纺织等领域正发挥着日益重要的作用。

中国自古有“滴水穿石”之说，如今利用超高压水射流技术切割石材和其他材料已成为现实。将过滤后的工业用水加压至100-400MPa再经过直径Ф0.08-0.15mm的喷嘴孔后，形成500-900m/s的超高速细径水柱，功率密度高达106w/mm2,可以切割塑料、石棉、碳纤维等软质材料。在超高压水射流中混入磨料，磨料颗粒便被加速，形成磨料高压水射流，可以切割石才、金属等硬质材料。

超高压水射流本身具有较高的刚性，在与工件发生碰撞时，会产生及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（有时可能为负值）因而超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减少，增大了冲击强度，从宏观上看起快速楔劈的作用；而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑排屑的作用。两者的结合，正好象使其在切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工一样。

超高压水射流使用廉价的水作为工作介质，是一种冷态加工新工艺，属于绿色加工范畴，是目前世界上先进的切割工艺方法之一，它可以切割各种金属、非金属材料，各种硬、脆、韧性材料，在石材加工等领域具有其他加工方法无法比拟的优势。

高压水射流喷丸加工将以上的两种先进技术进行了强强整合，最大程度地发挥他们各自的优点，是一种以水为介质的新型加工工艺，它将普通水经过特殊处理后注入一个超高压增压系统，迅速将水增压到380MPa以上，然后再将这种高压水输送到弹丸喷头，经水喷嘴喷出形成高压水射流，并在混合室产生一定的高压。弹丸罐中的弹丸在自重作用下流入下部的供水管路中，靠外界大气压与混合室之间的压力差在管路中形成的气力运输效应将钢丸输送到混合室，并与水射流发生剧烈的掺混和动量交换后，经磨料弹丸喷嘴喷出形成弹丸射流。这就是高压水射流喷丸机的工作原理，选用龙门式机架结构，喷嘴安装在切割头上，沿X 轴作直线运动。同时，横梁还可沿轴在工作台上作直线运动。硬化处理时，工件固定在工作台（水槽）或专用夹具上，切割头在横梁上沿X轴作直线运动；横梁沿Y轴作直线运动。均采用滚珠丝杠驱动装置和线性导轨，这样可以具有高度的运动精度，在数控系统的程序控制下可实现对平面及曲面的表面硬化处理。

高压水射流喷丸机主要包括高压增压器、超高压增压器、蓄能器、高压水/钢丸喷射系统、机械系统、CAD控制器及CAD/CAM套装软件。当常态水被高压增压器加压后，压力可增至15MPa以上，然后进入超高压增压器，经柱塞加压后，压力可增达382MPa再进入蓄能器管腔中，消除高压脉动，经高压喷嘴喷出，在混合室掺混钢丸后钢丸获得巨大能量。这种设备采用工控机进行控制，自动化程度高，加工精度高，控制简便，作业能力强,大大提高了生产效率。

中国作为世界上最大的发展中国家，城市建设得以快速发展。在现代化建设中大量的建筑材料需要进行切割加工，调整不同的射流压力和水喷头，将钢丸换

成细粉金刚砂磨料本机即可改装成水射流切割机；在现代化工业生产中大量金属板材、轴类、心轴类机械零件需要进行硬化处理，喷丸硬化处理功能与传统的加工方式形成了强烈的反差。开辟了冷态加工的新领域，是一种非常有推广价值的技术。

参考文献

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