高压水射流切割技术研究

先进制造技术课程大作业2013年10月

高压水射流切割技术研究

刘玉坤

天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2013级硕士生

摘要：水射流切割，又称水刀切割，是一种利用高压水流切割的机器。在电脑的控制下能任意雕琢工件，

而且受材料质地影响小。因为其成本低，易操作，良品率又高，水切割正成为工业切割技术方面的主流切

割方式。

关键词：水刀切割高压工艺参数

0前言

水刀是一种利用高压水射流进行切割

材料的设备。利用超高压技术可以把普通的水加压到250~400MPa，然后再通过内径约0.15~0.25 mm的宝石喷嘴形成速度为

800~1 000 m/s的高速射流，从而切割软基性材料。如果在水射流中加入适量的磨料，则几乎可以用来切割所有的软硬材料。除切割功能外，通过调整压力和流量，水射流还可以用于清洗各种物体，如除胶、除漆、除锈等。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸气，表面不留任何机械变形，具有冷切割、清洁、精度高和材料损耗低等优点，在航空航天、汽车制造、金属加工、电子工程等领域中有着广泛的应用[1]。现在水刀被认为是世界上功能最多样、增长速度最快的一种加工技术，与其他技术如铣床、激光、EDM、等离子和刨床等相辅相成。

高压水射流切割的分类：

以加沙的情况来分：分为无沙切割和加沙切割。

以设备来分：分为大型水切割和小型水切割。

以压力来分：分为高压型和低压型，一般以100 MPa为界限。100 MPa以上为高压型，100 MPa以下为低压型。而200 MPa以上为超高压型。

以技术原理来分：分为前混式和后混式。

高压水射流切割的特点：

1）数控成型各种复杂图案；

2）属冷切割、不产生热变形；

3）无污染、不产生有毒气体及粉尘；

4）可加工高硬度或比较柔软的材料；

5）是一些复合材料，易碎瓷材料复杂加工的唯一手段；

6）切口光滑、无熔渣，无需二次加工；

7）可一次完成钻孔、切割、成型工作；

8）生产成本低；

9）自动化程度高；

10）24 小时连续工作。

1国内外发展现状

1.1国外发展现状

Norman Franz博士一直被公认为水刀之父。1950年，Franz第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴，并能够切割木头和其它材料。最初在20世纪70 年代, 由现美国的Ingersoll Rand 公司在Alton建立了第一套工业应用装置, 由两台增压器供给喷嘴280MPa 、350MPa 的高压水, 喷头相对于靶件上下移动, 用

于家具的外形切割。随着对系统功能的不断

改进与完善及计算机自动控制系统的成功应用, 发展到今天, 压力可达到500MPa , 可切割的材料也扩展到包括轻工、食品、建筑装潢、航空、机械等多种行业。。在近期的水射流会议上, 水切割的研究已经占了相当大的比例。

1.2国内发展现状

20世纪末，水切割技术引入我国，经历了近5年的市场应用及设备的改良，主要应用于建筑陶瓷、石材、金属加工、汽车工业、航空航天、军工、石油化工等行业并得到良好的发展。21世纪初期，针对水切割技术在市场应用中出现的相关问题以及技术单一性，便携式水切割技术应运而生。

水射流切割技术以其诸多的优点得到了越来越广泛的应用, 同时也展现了不同的发展趋势, 目前的产品生产越来越向多品种、大批量、高精度的方向发展, 很多行业的加工工艺在逐渐地被水切割所代替。总之, 水射流切割技术必将作为一门新兴的综合学科形成国际化产业。

2高压水射流切割技术的基本原理和工业应用

2.1 基本原理

高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体, 用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时, 首先通过增压器将水压升到300～1000MPa (动能转变为压力能) , 然后使高压水通过直径为011～016 mm的喷嘴, 以2～3 倍声速

喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时, 如果压力超过材料的破坏强度, 即可切断材料。喷嘴常用人造宝石、陶瓷、碳化钨等耐磨材料制作。

该加工方法分为两类: 一类是以水作为能量载体, 也叫纯水射流切割, 它的结构较简单, 喷嘴磨损慢, 但切割能力较低, 适于切割软材料; 另一类是以水和磨料(磨料约占90% ) 的混合液作为能量载体,也叫磨料射流切割, 由于射流加入磨料, 大大提高切割功效, 即在相同切割速度下, 磨料射流切割的压力可以大大降低, 并极大

地拓宽了切割范围, 但喷嘴磨损快, 且结

构较复杂, 适于切割硬材料。磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前, 使水、磨料均匀混合, 之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出, 磨料和水流具有相

同的压力和速度, 但实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后, 依

靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压来

吸卷和加速磨料, 因而磨料很难进入射流

的核心而得到充分加速, 即磨料很难达到

水的速度, 这导致能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～150目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等[2] , 磨料的状态有干式和湿式两种, 其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵) 输送式, 大数使用干式磨料,

供给方式采用自吸式。

2.2高压水射流技术的工业应用

2.2.1汽车工业

加工各种非金属材料, 如仪表板、地毯、石棉刹车衬垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料燃气箱等, 以及其他内外组件的成形切割。

2.2.2航空工业

可切割特种材料, 如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片, 叶片的切割边缘无热影响区和加工硬化现象, 省

去了后序加工。

2.2.3铸造工业

铸造工厂可用水射流切割技术去除工

件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等。同时, 可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。

2.2.4电子及电脑工业

可以进行印刷电路板及薄膜形状的成形切割。

2.2.5其他工业

水射流和磨料射流切割技术还可在其

他工业加工中应用, 如用于建筑业中切割

大理石、花岗岩、陶瓷等, 造纸业中加工成品纸卷、瓦楞纸、卫生纸等, 木材业中加工胶合板、木板等。