浅析高压水射流加工技术及应用
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《 装备制造技术） ２ ０ １ ３ 年第 １ ２ 期
浅析 高压水射 流加 工技 术及应 用
明 星 。 杨 佩 ’ （ 中国人 民解放军第 四七－ － ￣ｉ Ｉ ｉ 厂， 河北 邯郸 ０ ５ ７ １ ５ ０ ）
摘 要： 高压水射 流是一 项在 工业上应用广泛 的技术 。介绍 了高压水射 流技术ｋ ＿ ｒ － 特点及 应用 ， 分析 了高压 水射 流切割 ｈ＿ ｒ － 机理 ， 简单介 绍 了该技 术在机 械加 工领域 中的应 用状 况 ， 通过本 文的论述 ， 能 够使 高压 水射 流技 术从 业者更加 了解
１ 高压水射流 技术切割加 工特点
高压水射流技术之所 以能得 到快速发展 ，主要 是 因为这种加工技术与其他加工方法相 比具有一系 列优点 ： （ １ ） 环境污染小。其 以普通水作介质 ， 切割过程 中无尘、 无毒 、 无火花 、 振动小 ， 因而可极 大地改善工 作环境而不会带来任何工业污染 。 （ ２ ） 加工能力强 ， 应 用范围广 ， 可 以加工不 同材
图 １ 高压 水 射 wenku.baidu.com 形成 原 理
质 的工件及某些难 以用传 统ａ ｎ Ｔ ＿ 方法切 割的材 料 。 如： 布、 纸、 皮革 、 各种纤维 、 塑料 、 有 色金属 、 黑色金 属、 复合材 料 、 石材 、 陶瓷 、 玻璃 、 木 材、 各种建材 、 炸 药、 核原料等。 （ ３ ） 被切割材料温升小。 高压水射流切割属于非 热源射流速加工 ，切割过程 中被切割材料温度不会 高于 ８ ０ ℃， 最 大程 度 减小 了材 料 热塑 形 变 。
到“ 套材 ” 下料 ， 最大程度上节约材料。 （ ５ ） 计算机辅助设计与制造 。 与电脑控制系统相 结合 ， 成为计算 机辅助设计 与制造 （ Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ ） 的自 动化设备 ， 可切割任意复杂形状 的图形 。
２ 高压水射 流形成原理
普通 的水源能够成为切割介质 ，完全归功于以 下这两套系统 ， 具体原理如图 １ 所示 。
３ 高压水射流技 术切 割ｍ － ｒ 机理 ４ 高压水射流技术在机械加 工领域 的应用
高 压 高速 水 射流 具 有一 定 的动 能 ，直 接 作 用在 静止的物体上 ， 肯定会产生一个 冲击力 。 一般高压水 射流切割试块的表面较平整 ， 入射角约为 ９ ０ ｏ ， 即高 压水射流垂直冲击试块表面。 当射流作用到物体表面 上时 ， 会产生两种不 同的作用力 ： 一种是射流反阻压 力， 另一种是直接冲击压力 。高压水射流在光滑表面 的冲击发生在喷嘴附近受冲击的一个圆形内， 需要从 不同的视角来观察和研究这种现象。 这是因为可能存 在多种因素来解释材料的破坏。 国内外 的大量试验表 明， 在射流碰撞 固体表面的一瞬间 ， 在射流 的外 圆周 上的边界压力实际是 冲击压力的 ２ ． ５ 倍 以上 ， 脆性材 料的破坏是由射流载荷产生的拉应力决定的， 例如切 割塑料板材时， 破坏形式具体表现如图 ２ 所示。
（ １ ） 供水管路系统 。该系统包括二级水源过滤 器、 升压泵 、 供水泵等部分组成。 普通 自来水经过二级 水 源 过 滤器 （ 通 常包 括 １ 微 米 滤筒 和一 个 ０ ． ４ ５ 微 米 滤筒各一个 ） ， 到达升压泵 ， 压 力升到 ０ ． ６～ ０ ． ８ Ｍ Ｐ ａ ， 之后进入增压泵 ，输出至 １ ． ０毫米直径 的切割砂管 ， 使得压力升高至 ２ ０ ０ ～ ４ ０ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 已达到切割功用 。 （ ２ ） 液压管路系统 。 该系统包括电机 、 液压泵 、 油 （ ４ ） 节约材料 。 “ 水刀切割” 切缝小 、 切割精度高、 箱、 歧管以及活塞 ／ 柱塞、 蓄能器等部分 。 电机驱动液 光洁度高 、 节能、 环保 ， 与数控系统结合使用 ， 能够达 压泵从油箱 吸油 ， 并 把压力 升高至 ３ ０ Ｍ Ｐ ａ， 之后利
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ９ － ０ ４
作者 简介 ： 明 星（ １ ９ ８ ３ 一） ， 男， 吉林 四平人 ， 助理工程师 ， 研究方 向 ： 机械 设计制造及其 自动化 ； 杨 佩（ １ ９ ８ ６ ＿ ＿ ） ， 女， 陕西商洛人 ， 助理工程师 ， 研究方 向： 机械设计 制造及其 自动化 。 ２ ４ １
高压 水射 流加 工技 术 以及 相 关原 理 。
关键词 ： 工程机械 ； 高压水射流 ； 切 割加工机理 中图分类号 ： Ｔ Ｇ６ ６ ４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编 号： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ × （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ２ ４ １ — ０ ２
高压水射流技术是 近几十年发展起来 的技术 ， 其广泛应用于煤炭 、 石油、 冶金、 航空 、 建筑 、 交通 、 化 工、 机械 、 建材 、 市政工程 、 水利及轻工业 等部 门 ， 主 要应用该技术对进行切割 、 破碎和清洗。高压水射流 已成为新型 的切割工具 ， 与激光束 、 电子束 、 等离子 体 等传统热切割加 工相 比，高压水射流是唯一一种 冷切割加工方法 。在对许多材料的切割、 破碎及表面 预加工 中， 高压水射流具有独特的优越性 。 本文针对 高压水射流加工技术 的形成原理 ，以及在切割不 同 种类材料时 ， 材料所发生 的形变 ， 以期对高压水射流 技术的应用推广起到一定作用 。
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ２， ２ ０ １ ３
用大活塞横截面积与活塞杆横截面积的 比值 ，将水 的压力值上升至 ３ ０ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 抑或更高的压力。随着柱 塞／ 活塞组件往复运动， 活塞缸的低压进水与高压出 水交替运行 ， 达到持续超高压力的效果 。
下 的塑性流质变。在射流的碰撞下 ， 塑性流质变先在 射流 中心处发生 ， 造成固体表面的近似半球形压痕 ， 深度 随 着碰 撞 速度 的增加 而 加 深 。射 流 的 碰撞 压 力 大于材料的屈服极 限时 ，固体材料会像液体一样流 动， 从 而形 成塑 性破 坏 ， 达到 切割 效果 。
浅析 高压水射 流加 工技 术及应 用
明 星 。 杨 佩 ’ （ 中国人 民解放军第 四七－ － ￣ｉ Ｉ ｉ 厂， 河北 邯郸 ０ ５ ７ １ ５ ０ ）
摘 要： 高压水射 流是一 项在 工业上应用广泛 的技术 。介绍 了高压水射 流技术ｋ ＿ ｒ － 特点及 应用 ， 分析 了高压 水射 流切割 ｈ＿ ｒ － 机理 ， 简单介 绍 了该技 术在机 械加 工领域 中的应 用状 况 ， 通过本 文的论述 ， 能 够使 高压 水射 流技 术从 业者更加 了解
１ 高压水射流 技术切割加 工特点
高压水射流技术之所 以能得 到快速发展 ，主要 是 因为这种加工技术与其他加工方法相 比具有一系 列优点 ： （ １ ） 环境污染小。其 以普通水作介质 ， 切割过程 中无尘、 无毒 、 无火花 、 振动小 ， 因而可极 大地改善工 作环境而不会带来任何工业污染 。 （ ２ ） 加工能力强 ， 应 用范围广 ， 可 以加工不 同材
图 １ 高压 水 射 wenku.baidu.com 形成 原 理
质 的工件及某些难 以用传 统ａ ｎ Ｔ ＿ 方法切 割的材 料 。 如： 布、 纸、 皮革 、 各种纤维 、 塑料 、 有 色金属 、 黑色金 属、 复合材 料 、 石材 、 陶瓷 、 玻璃 、 木 材、 各种建材 、 炸 药、 核原料等。 （ ３ ） 被切割材料温升小。 高压水射流切割属于非 热源射流速加工 ，切割过程 中被切割材料温度不会 高于 ８ ０ ℃， 最 大程 度 减小 了材 料 热塑 形 变 。
到“ 套材 ” 下料 ， 最大程度上节约材料。 （ ５ ） 计算机辅助设计与制造 。 与电脑控制系统相 结合 ， 成为计算 机辅助设计 与制造 （ Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ ） 的自 动化设备 ， 可切割任意复杂形状 的图形 。
２ 高压水射 流形成原理
普通 的水源能够成为切割介质 ，完全归功于以 下这两套系统 ， 具体原理如图 １ 所示 。
３ 高压水射流技 术切 割ｍ － ｒ 机理 ４ 高压水射流技术在机械加 工领域 的应用
高 压 高速 水 射流 具 有一 定 的动 能 ，直 接 作 用在 静止的物体上 ， 肯定会产生一个 冲击力 。 一般高压水 射流切割试块的表面较平整 ， 入射角约为 ９ ０ ｏ ， 即高 压水射流垂直冲击试块表面。 当射流作用到物体表面 上时 ， 会产生两种不 同的作用力 ： 一种是射流反阻压 力， 另一种是直接冲击压力 。高压水射流在光滑表面 的冲击发生在喷嘴附近受冲击的一个圆形内， 需要从 不同的视角来观察和研究这种现象。 这是因为可能存 在多种因素来解释材料的破坏。 国内外 的大量试验表 明， 在射流碰撞 固体表面的一瞬间 ， 在射流 的外 圆周 上的边界压力实际是 冲击压力的 ２ ． ５ 倍 以上 ， 脆性材 料的破坏是由射流载荷产生的拉应力决定的， 例如切 割塑料板材时， 破坏形式具体表现如图 ２ 所示。
（ １ ） 供水管路系统 。该系统包括二级水源过滤 器、 升压泵 、 供水泵等部分组成。 普通 自来水经过二级 水 源 过 滤器 （ 通 常包 括 １ 微 米 滤筒 和一 个 ０ ． ４ ５ 微 米 滤筒各一个 ） ， 到达升压泵 ， 压 力升到 ０ ． ６～ ０ ． ８ Ｍ Ｐ ａ ， 之后进入增压泵 ，输出至 １ ． ０毫米直径 的切割砂管 ， 使得压力升高至 ２ ０ ０ ～ ４ ０ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 已达到切割功用 。 （ ２ ） 液压管路系统 。 该系统包括电机 、 液压泵 、 油 （ ４ ） 节约材料 。 “ 水刀切割” 切缝小 、 切割精度高、 箱、 歧管以及活塞 ／ 柱塞、 蓄能器等部分 。 电机驱动液 光洁度高 、 节能、 环保 ， 与数控系统结合使用 ， 能够达 压泵从油箱 吸油 ， 并 把压力 升高至 ３ ０ Ｍ Ｐ ａ， 之后利
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ９ － ０ ４
作者 简介 ： 明 星（ １ ９ ８ ３ 一） ， 男， 吉林 四平人 ， 助理工程师 ， 研究方 向 ： 机械 设计制造及其 自动化 ； 杨 佩（ １ ９ ８ ６ ＿ ＿ ） ， 女， 陕西商洛人 ， 助理工程师 ， 研究方 向： 机械设计 制造及其 自动化 。 ２ ４ １
高压 水射 流加 工技 术 以及 相 关原 理 。
关键词 ： 工程机械 ； 高压水射流 ； 切 割加工机理 中图分类号 ： Ｔ Ｇ６ ６ ４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编 号： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ × （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ２ ４ １ — ０ ２
高压水射流技术是 近几十年发展起来 的技术 ， 其广泛应用于煤炭 、 石油、 冶金、 航空 、 建筑 、 交通 、 化 工、 机械 、 建材 、 市政工程 、 水利及轻工业 等部 门 ， 主 要应用该技术对进行切割 、 破碎和清洗。高压水射流 已成为新型 的切割工具 ， 与激光束 、 电子束 、 等离子 体 等传统热切割加 工相 比，高压水射流是唯一一种 冷切割加工方法 。在对许多材料的切割、 破碎及表面 预加工 中， 高压水射流具有独特的优越性 。 本文针对 高压水射流加工技术 的形成原理 ，以及在切割不 同 种类材料时 ， 材料所发生 的形变 ， 以期对高压水射流 技术的应用推广起到一定作用 。
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． １ ２， ２ ０ １ ３
用大活塞横截面积与活塞杆横截面积的 比值 ，将水 的压力值上升至 ３ ０ ０ Ｍ Ｐ ａ ， 抑或更高的压力。随着柱 塞／ 活塞组件往复运动， 活塞缸的低压进水与高压出 水交替运行 ， 达到持续超高压力的效果 。
下 的塑性流质变。在射流的碰撞下 ， 塑性流质变先在 射流 中心处发生 ， 造成固体表面的近似半球形压痕 ， 深度 随 着碰 撞 速度 的增加 而 加 深 。射 流 的 碰撞 压 力 大于材料的屈服极 限时 ，固体材料会像液体一样流 动， 从 而形 成塑 性破 坏 ， 达到 切割 效果 。