哈工程机械制造基础--读书报告

高压水切割技术

班级：2013

学号：2013

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高压水切割的原理及应用

一、简介：

高压水切割也称水射流切割或水刀切割。高压水射流切割是一种特殊的加工方法。它利用增压器将水加压，达到10MPa一400MPa甚至更高的压力。水获得压力能，再从细小的喷嘴喷射而出，将压力能转换为动能，从而形成高速射流。切割正是利用这种高速射流的动能对工件的冲击破坏作用，达到切断、成形的目高压水切割既不同于传统加工的铣、刨、磨、削，也有别于一般的剪切和冲裁。它属于高能切割。高压水射流切割就是把高压水射流的动能作为切割能，对材料进行冲蚀和挤压、破坏，以达到切割的目的的一种新工艺。它最大特点是非热源的高能量射流束加工，切割过程中无热产生，故可以切割所有的金属和非金属材料，特别是各种热切割方法难以切割的材料。具有：切口快、切口平整、无尘埃、无热变形、无污染、减少材料浪费等特点。主要用于特殊合金材料、厚金属材料、复合材料、大理石、玻璃、有机合成材料、木材、陶瓷、塑料及各种非金属材料等等。是对激光切割理想的补充切割方法。

二、历史背景：

高压水切割技术是利用与水滴石穿相同的原理，把动量加大，缩短时间，达到断石、断铁、切割的目的。高压水切割的“发现”起源于苏格兰，经过100年的试验研究，才出现了工业高压水切割系统。 1936年美国和苏联的采矿工程师成功地利用高压水射流方式进行采煤和采矿，到1956年，前苏联利用2000bar 压力的水切割岩石。实际上高压水切割不是专利，直到1968年被美国的哥伦比亚大学的教授在高压水中加入磨料，通过水的高压喷射和磨料的磨削作用，加速了切割过程的完成。高压水切割技术的真正的商品化应用是上世纪80年代初洛克韦尔飞机公司用水切割机来切割BI轰炸机的钦合金零件，可以节约成本50%。目前许多国外的公司用高压水切割各种材料，甚至用于军舰制造。

三、发展现状：

目前，国际上像美国、德国等都攻破了超高压水切割的技术，最高切割压力可达550MPa左右，并广泛地应用于石材、金属、玻璃、木材、橡胶等各种材料的切割。中国开展这项工作的研究有近四十年的时间，但超高压水切割一直处在实验室阶段，尚未用于稳定的商业运行。国内其它企业也有生产水切割设备的厂家，实际运行压力比较低，属中、低压水平。压力愈高，切割的工艺性愈好，切割速度愈快，尤其在厚板切割时，中低压(200MPa)的水切割机，不能保证被切割材料顶部和底部的切割曲线一致性，甚至切不透，切割速度很慢。

四、主要原理：

高压水射流以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，具有极高的能级密度。

超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时, 可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品, 纸张, 纸尿片, 橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时, 所产生之加砂水射流, 实际上可切割任何硬质材料包

括金属, 复合材料, 石材及玻璃. 超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如船身清洗及汽车喷漆设备清洗.

六、优点：

较之激光、等离子、线切割等传统的切割方式，水射流切割技术确实有其独特、显著的优势：

1.切割品质优异：水射流是一种冷加工方式，‘水刀’不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。

2.几乎没有材料和厚度的限制：无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。

3.节省成本：水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时间及制造成本。

4.清洁环保无污染：在切割过程中不会产生弧光、灰尘及有毒气体。操作环境整洁，符合严格的环保要求。

5.便于实现一机多能和自动化、数控化：高压水射流是全方位点切割器，无硕万孔，可以在任意点切割，切出任何复杂的形状。因此对程序化和数控操作十分便利。另外采用CAM或CAD控制加工，可以达到高精度，重复加工能力强。

6.优化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精确控制，因此样板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一块材料，减少废料。

7.加工能力强，可以加工不同材质的工件;硬质材料的加工厚度达6’‘;可以加工某些难以用传统加工方法切割的材料。

七、不足：

1.高硬度的材料，诸如钢、金属陶瓷、高强度复合材料、坚硬的岩石纯水射流不能切割;而磨料水射流存在喷嘴磨损和切割成本大的问题。

2.高压水射流的设备成本比其他切割方法高。

3.在一些应用中，与激光切割、等离子弧切割、线电极电火花切割等方法比较，存在进给速率低、加工精度差等不足。

4.在切割过程中，影响切割质量的参数多，条件复杂，有时切割导致断面分层和条纹。

八、与其他方法比较：

与激光切割相比较：激光切割设备的投资较大，目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，切割速度较快，精度较高，但激光切割时在切缝处会引起弧痕并引起热效应；另外对有些材料激光切割不理想，如铝、铜等有色金属、合金，尤其是对较厚金属板材的切割，切割表面不理想，甚至无法切割。目前人们对大功率激光发生器的研究，就是力图解决厚钢板的切割，但设备投资、维护保养和运行消耗等成本也很可观。水切割投资小,运行成本低,切割材料范围广,效率高，操作维修方便。

与等离子切割相比较：等离子切割有明显的热效应，精度低，切割表面不容易再进行二次加工。水切割属于冷态切割,无热变形,切割面质量好,无需二次加

工，如需要也很容易进行二次加工。

与线切割相比较：对金属的加工，线切割有更高的精度，但速度很慢，有时需要用其它方法另外穿孔、穿丝才能进行切割，而且切割尺寸受到很大局限，水切割可以对任何材料打孔、切割，切割速度快,加工尺寸灵活。

与其他切割方法相比较：对一些金属零件可采取冲剪工艺方法，效率高、速度快，但需要特定的模具和刀具，水切割与该切割方法相比柔性好，可随时进行任意形状工件的切割加工，尤其在材料厚、硬度高等情况下，冲剪工艺将很难或无法实现，而用水切割方法则较为理想；火焰切割也是金属领域常用的切割工艺，切割的厚度范围非常大，但与水切割相比其热效应明显、切割表面质量和精度较差，另外水切割能很好地解决一些熔点高、合金、复合材料等特殊材料的切割加工。

九、水射流技术在船舶制造方面的应用：

传统的切割船体钢板的方法中，火焰切割由于设备成本低、技术成熟等原因而受到青睐，但缺点也显而易见，比如火焰切割的热影响区较大，从而造成的热变形比较大。现代造船业中，模块化组装建造技术被大量采用，这就必然牵涉到组装精度的问题。采用传统方法对船体钢板进行切割，会因为发热而导致热应力和热变形，会对最终安装精度产生影响。超高压水切割法属于冷态切割，不会在切口发热，导致热变形，而且切口光滑平整，切割面质量好，切割完毕进行焊接时更为方便，可以节省大量成本，进一步减少船舶模块化安装时的误差，因此不管是在军事方面，还是民用方面都值得广泛采用。

十、参考文献：

《高压水切割技术的应用和发展》----刘树恒

《水切割加工工艺与特点》----陈世伟

《高压水切割技术现状和展望》----袁子荣