水射流加工

水射流加工技术及其应用

水射流加工（Water Jet Machining ）又称为液力加工、水喷射加工或液体喷射加工，俗称“水刀”，主要靠液流能和机械能实现材料加工。

水射流加工是20世纪70年代发展起来的一门高新技术，开始时只是用在大理石、玻璃等非金属材料的加工，现在已发展成为切割复杂三维形状的工艺方法，在国内外得到了广泛的应用。目前在机械、建筑、国防、轻工、纺织等领域，正发挥着日益重要的作用。

1. 加工原理及其特点

（1）加工原理

水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的，如图1所示。储存在水箱中的水或加入添加剂的水液体，经过过滤器处理后，由水泵抽出送至蓄能器中，使高压液体流动平稳。液压机构驱动增压器，使水压增高到70～400MPa 。高压水经控制器、阀门和喷嘴喷射到工件上的加工部分，进行切割。切割工程中产生的切屑和水混合在一起，排入水槽。

（2）主要特点

水射流加工使用水作为工作介质，是一种冷态切割新工艺，属于“绿色”加工范畴，它可以加工各种金属、非金属材料，各种硬、脆、韧件材料，无法且具图1 水射流加工装置示意图

工件

有其他工艺方法比拟的技术优势：

①切割时工件材料不会受热变形，切边质量较好：切口平整，无毛刺、切缝窄、宽度为0.075～0.40mm。材料利用率高，使用水量也不多（液体可循环使用），降低了成本。

②加工过程中，作为“刀具”的高速水流不会变“钝”，各个方向都有切削作用，因而切削过程稳定。

③切割加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排出，故可以用来切割加工木材、纸张、弹药等易燃、易爆材料及制品，这是其它加工方法无法取代的。

④由于切割加工温度低，不会造成火灾。“切屑”混在水中一起流出，加工过程中不会产生粉尘污染，因而有利于满足安全和环保的要求。

⑤加工材料范围广，既可以用来加工非金属材料，也可以用来加工金属材料，而且更适宜于加工切割薄的和软的材料。

⑥加工开始时不需要退刀槽、孔，工件上的任何位置都可以作为加工开始和结束的位置，与数控加工系统相结合，可以进行复杂形状的自动加工。

⑦液力加工过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险。

对某些材料，加裹在射流束中的空气将增加噪声，噪声随压射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整合适的正前角，可以降低噪声，噪声分贝值一般低于标准规定。

目前，水射流加工的存在的主要问题是：喷嘴的成本较高，使用寿命、切削速度和精度仍有待进一步提高。

2.加工设备

目前，国外已有系列化的数控超高压水射流加工设备，但是还没有通用的超高压水射流加工机，通常都是根据具体要求设计制造的。设备主要有增压系统、切割系统、控制系统、过滤设备和机床床身。

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

的要求。高出普通液压传动装置工作压力的10 倍以上，因此系统中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，接头处采用金属弹性密封结构。

②切割系统

喷嘴是切割系统最重要的零件，应具有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的直径、长度、锥角及孔壁表面质量对加工性能有很大影响，通常要根据工件材料性能合理选择。

喷嘴的材料应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和承受高压的性能。常用的喷嘴材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石（主要成分是氧化铝，红色来自铬）和金刚石。其中金刚石喷嘴的寿命最高，可达1500h，但加工困难、成本高。此外，喷嘴位置应可调，以适应加工的需要。

影响喷嘴使用寿命的因素较多，除了喷嘴结构、材料、制造、装配、水压、磨料种类以外，提高水介质的过滤精度和处理质量，将有助于提高喷嘴寿命。另外，选择合适的磨料种类和粒度，对提高喷嘴的使用寿命也至关重要。

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。所以，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，其工作台尺寸为 1.2m X 1.5mm，移动速度为 380mm/s 。

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过滤处理有着重要的意义：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、颗粒等杂质，过滤后的微粒应小于 0.45μm 。

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之间距离的恒定，以保证加工质量，因此要在切削头上安装一个传感器。

3.应用

水射流加工的作用十分广泛，几乎适用于加工所有的材料，除大理石、玻璃外，还可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，如塑料、胶合板、石棉、橡胶、皮革、陶瓷、纸板等。

在汽车工业中，用来切割石绵刹车片、橡胶基地毯、复合材料板、玻璃纤维增强塑料等材料，加工的零部件有：底盘、车箱、仪表盘、罩盖、车门等。

在航空工业中，水射流加工已广泛用于纤维增强复合材料和钛合金的切割以及用来去除发动机涡轮盘、机匣、缸体、火焰筒中孔缘、沟槽、螺纹、交叉孔和盲孔上的毛刺，而不会引起其表层组织的变化。

在航天工业中，用以切割高级复合材料、蜂窝状夹层板、钛合金元件和印刷电路板等，可提高疲劳寿命。在机械加工业中，可用于各种金属（如钛、铝、钼、铜、铁、铬镍合金等）和各种复合材料、工业陶瓷等材料的切割、打孔和切槽等加工。

在核电站中，水射流加工可用于核燃料管的切割，重水管线的情况，燃料废物的再处理以及原子反应堆屏蔽混凝土建筑的切除等。

另外在医疗领域、土木建筑业中也有水射流的加工。

高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于清洗、破碎、表面毛化和强化处理。

水射流加工技术的切削速度主要由工件材料决定，与所用的喷射压力成正比，和材料厚度成反比。切边质量受材料性质的影响很大，塑性好的材料可以切出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起鳞，这时需要选择合适的加工前角。水中加入添加剂（丙三醇、聚乙烯等）能够改善切削性能和减少切削宽带。另外，压射距离对切口斜度的影响很大，压射距离愈小，切口斜度也愈小。切割金属材料厚度一般可达50mm以上，并且对材料几乎无任何影响，切割金属的光洁度达1.6μm，切割精度达±0.10mm，4.发展趋势

水射流加工技术的发展有以下几个趋势：

（1）提高水射流加工的可靠性和寿命，尤其是其中关键零部件高压泵、高压软管、接头和喷嘴的寿命。

（2）优化工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗，以利于