超高压水切割技术特点及在轨道交通下料中的应用
高压水射流切割技术发展及应用现状

2018年11月第46卷第21期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSNov 2018Vol 46No 21DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2018 21 038收稿日期:2017-06-14基金项目:江苏省自然科学基金-青年基金项目(BK20150344);江苏省自然科学基金面上项目(BK2011379);中国博士后科学基金项目(2016M601885);苏州大学应用技术学院第二十批大学生课外学术科研基金项目(KY2018726B)作者简介:刘海青(1987 ),男,硕士,讲师,主要研究方向为表面工程与摩擦学㊂E-mail:liuhaiqing31311@163 com㊂高压水射流切割技术发展及应用现状刘海青1,王志文1,成明2,胥薇1,刘和剑1,于希辰1,职山杰1(1 苏州大学应用技术学院,江苏苏州215325;2 苏州大学城市轨道交通学院,江苏苏州215000)摘要:作为一种高能束流加工技术,高压水射流切割因其独特的切割模式,被广泛应用于机械加工㊁食品医疗㊁海洋工程等领域㊂介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,并就其研究进展和应用现状做了相关总结和概括,为今后水射流技术的研究和发展提供了参考㊂关键词:高压水射流;切割;磨料;高效射流中图分类号:V261 91㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-3881(2018)21-173-7DevelopmentandApplicationStatusofHighPressureWaterJetCuttingTechnologyLIUHaiqing1,WANGZhiwen1,CHENGMing2,XUWei1,LIUHejian1,YUXichen1,ZHIShanjie1(1 AppliedTechnologyCollegeofSoochowUniversity,SuzhouJiangsu215325,China;2 SchoolofUrbanRailTransportationofSoochowUniversity,SuzhouJiangsu215000,China)Abstract:Highpressurewaterjetcuttingwhichisakindofhighenergybeammachiningtechnologyiswidelyappliedinmachi⁃ning,foodandmedicalindustries,marineengineeringandotherfieldsforitsunparalleledcuttingmode.Themechanismofthehighpressurewaterjetcuttingtechnology,abrasivemixedmodewereintroducedandsummarizes,therelatedresearchandapplicationweresummarized.Itprovidesreferenceforthefuturedevelopmentandresearchofwaterjetcuttingtechnology.Keywords:Highpressurewater⁃jet;Cutting;Abrasive;Efficientjet0㊀前言高压水射流是以水为能量载体,通过液体增压装置和特定喷嘴,将电机机械能转化为水的动能,而形成的高速射流[1-2],已实现切削㊁铣削㊁抛光㊁喷丸等多种加工应用[3-4]㊂1968年美国密执安大学教授NFRANZ博士最早提出了水射流的切割应用模式[5]㊂自此,伴随新材料的不断涌现,以及其切割性能的提升,水射流切割凭借其无热变形㊁无热影响㊁加工应力小㊁加工柔性高等优点,与其他切割技术形成优势互补[5-7]㊂更为重要的是,由于它是一种冷加工技术,所以在处理易燃易爆的危险品㊁天然纤维㊁橡胶等热敏感材料方面,水射流技术发挥着至关重要的作用[8-10]㊂作者较为系统地介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,并就其研究进展和应用现状做了相关总结和概括,以期为水射流技术的研究和发展提供相关参考㊂1㊀磨料水射流的微观侵蚀机理及混合机制MIESZALA等[11]从微观角度揭示了磨料水射流的侵蚀机制㊂首先,射流的冲击引起材料大应变导致位错;其次,随着应变的增加㊁位错的发展,形成新的晶界位错滑移或机械孪生,最终导致材料表征的改变㊂磨料水射流按其磨料混合机制的不同,分为前混合式和后混合式㊂前混合式磨料水射流切割系统的高压水分为两路,一路流经磨料罐与磨料初步混合,之后与分流的另一路高压水汇合,而后从喷嘴中喷出㊂后混式则通过负压吸取磨料的方式,磨料在喷嘴中的混合腔中完成与高压水的混合[5],如图1所示㊂前混合式磨料系统切割能力更强,但对机器设备要求较高㊂后混式切割能力较弱,但由于它易于实现,元件磨损小,因而是最为常见的类型且被广泛应用于工业生产中[12-13]㊂图1㊀后混合式磨料切割系统2㊀水射流切割的研究发展现状2 1㊀传统磨料水射流的发展现状磨料水射流切割性能是受射流能量㊁靶距㊁磨粒浓度㊁材料㊁喷嘴结构等因素影响的非线性冲击动力学问题,主要表现在切割力㊁切割质量等方面[12-15]㊂相同参数条件下,切割深度是切割力大小的重要体现㊂JZHAO等[16]经实验研究发现:切割深度和破碎体积的效率因子随射流速度㊁进给速度㊁磨料浓度的增加而减小㊂XPLONG等[17]发现:较长的准直管可以减少粒子的圆周运动,同时粒子形状因子的减少也将改善粒子加速过程㊂薛尚文等[18]研究靶距的变化与切槽深度的关系,得出靶距与切割深度的公式:2GfD0K=0 335xxcψ2/31-σy2p0φæèçöø÷1-exp2Cfp0φRUæèçöø÷éëêêùûúú式中:σy为材料的屈服强度;R为阻尼系数;Z为穿透速度㊂表面粗糙度是一个量化切割质量的重要指标[19]㊂BEGIC-HAJDAREVICA等[15]发现喷嘴进给速度对底部表面粗糙度影响较大㊂SCHWARTZENTRUBER等[14]提出一种能够预测表面粗糙度的二维和三维模型,该模型表明:切割表面粗糙度随着射流速度的提高㊁切口锥度的减小以及切割目标动态硬度的上升而减小㊂赵宏伟等[20]的实验表明:在磨料水射流切割微晶复合材料时,射流压力增加,光滑区粗糙度先减小后增加;靶距增加,粗糙度增大;磨料流量增加,粗糙度减小㊂在切割参数模型的发展研究方面,现有的预测磨料水射流切割效果的模型,应用于不常见材料的加工中,往往不能取得令人满意的效果,这意味着需要进行大量试验,以扩大经验数据库,这无疑增加了使用者的成本㊂基于现状,APERECE[21]将正交阵列设计方法应用在新材料工艺参数的采集中,能有效减少实验次数,从而降低成本㊂张军等人[22]根据超高压水射流切割目标物体时反射声音特征量不同的加工特点,设计了水射流切割声音采集系统,对切割喷嘴移动速度和声音特征量进行非线性建模,实现水射流切割的自适应速度优化控制㊂2 2㊀以新型高效射流为基础的水射流切割技术水射流按连续性可分为连续性水射流和脉冲水射流,按运动特征可分为空化射流和摆振水射流㊂除磨料射流外,水射流按成分还可分为纯水射流和添加剂水射流等㊂这些新型高效射流的应用有效提高了水射流切割破碎的能力㊂脉冲射流是由一系列离散的高强度的瞬时水锤压力冲击所形成的高速射流[23]㊂自激脉冲水射流是一种利用自身结构产生将连续射流转化为脉冲射流的新型高压水射流,间歇性的水锤压力在靶物表面产生的作用力明显超过了连续射流的滞止压力[24],同时由于射流边界与周围液体之间存在剪切涡旋,使射流兼具空化效果[25],因而切割破碎能力大大提高㊂但由于在脉冲射流作用时切割破碎主要是沿着材料破坏裂纹展开的,难以满足切割时的尺寸精度要求[26],如图2所示[23]㊂但在对切割精度要求不高的石油和煤矿等矿采领域,自激脉冲水射流有着重要意义[27]㊂图2㊀非淹没条件下两种射流的冲蚀效果空化水射流就是含有空化现象的水射流[28]㊂射流中的气泡核长大,溃灭产生的瞬时高温和强烈冲击作用于靶件,达到切割破碎的效果[29-30]㊂AFCONN和VEJOHNSON等[28]利用水声学的方法率先研制了声谐自振空化射流,其中风琴管喷嘴和亥姆霍兹振荡腔喷嘴是最常见的两种自振空化喷嘴,如图3所示㊂图3㊀自振空化喷嘴的两种形式JONHSON[31]的试验结果表明,自振空化射流的切割深度一般比SMITH喷嘴深2 4倍㊂但与连续射流相比,空化射流存在切缝极大㊁射流流量大㊁切割质量不易控制的问题㊂水射流空化作用机制尚不十分清楚,国内外对空化水射流的研究侧重于实际工程应用,很大程度上依赖于经验,进一步研究的空间巨大[32]㊂摆振水射流是在喷嘴相对靶体横向摆动的同时增加一个振动运动,提高水射流相对于被切割物的横移速度㊂邹正龙[33]经实验初步探索验证了摆振磨料水射流的可行性及其高效㊁低耗的切落碳岩特点㊂李震等人[34]研究发现增加流体黏度,由于流动阻力加大,从而使射流的出口速度快速衰减,出口界㊃471㊃机床与液压第46卷面切削力下降;而加入减阻剂的射流,流体的流动阻力降低,致使水射流的流动特性得到改善㊂蔡书鹏等[35]实验发现高分子聚合物作为减阻剂对射流束有集束作用,同等条件下减阻剂磨料射流要比常规磨料射流的切缝窄,而且减阻剂使切割断面粗糙度减小,使切割质量提高㊂于以兵等[36]选用表面活性剂阳离子聚丙烯酰胺(PAM)和十六烷三甲基氯化铵(CTAC)作为减阻剂,实验发现CTAC/NaSal的减阻效果优于PAM,添加CTAC/NaSal后泵压调低5MPa,仍可以获得与无减阻剂时相同的切割深度㊂可以起减阻效果的添加剂分为5类:聚合物㊁表面活性剂㊁纤维㊁微气泡和柔性涂层㊂尽管人们在此领域展开了大量工作,但目前仍没有被广泛接受的减阻机制和模型[37]㊂2 3㊀现代水射流切割技术的发展方向根据现阶段磨料射流的研究动态,可依据射流束直径将其分为3类:传统磨料水射流(500μm以上),精细磨料射流(100 300μm),微细加工磨料射流(100μm以下)[38]㊂微磨料水射流加工技术是在传统磨料水射流基础上发展起来的一种全新的微细加工技术[39]㊂在切口质量㊁切缝宽度㊁加工柔性等方面明显优于传统磨料射流,但也存在喷嘴加工困难且可靠性差㊁运行成本高等问题[40]㊂随着水射流切割技术的发展,水射流的加工模式引起了人们广泛的兴趣,并设想使用液体二氧化碳代替水,从而实现无残渣和干燥加工,以及对热敏和水敏材料的处理[41-43]㊂与水射流相比,二氧化碳射流切割更精准,加工应力更小㊂高压液体二氧化碳射出喷嘴后在大气压下向气体和颗粒转变,以此用于零件加工,目前仍处于研发阶段,仅限于合成和天然材料的处理㊂张东速等[44]基于现有磨料射流技术存在的问题,提出一种悬浮磨料磁流体射流技术㊂利用磁流体推进器代替机械增压,其基本原理是基于法拉第电磁力定律,它能有效控制磨料的杂散路径[45],可产生长距离稳定㊁汇聚的射流束[46],提高了水介质对磨料的能量传输效率,并实现了连续作业的功能,对于磨料射流技术更新具有十分重要的意义㊂3 水射流切割技术应用现状高压水射流切割技术作为一种高效㊁绿色环保的加工技术,有着广阔的应用前景,包括食品医疗㊁航空航天㊁建筑㊁海洋㊁石油和天然气工程等领域㊂WULFKUEHLER等[47]利用水射流切割生鲜蔬菜,与传统刀片切割相比,水射流切割不仅避免了钝刀的情况,还能杜绝交叉污染㊂FLORIAN等[48]实验总结使用0 10mm孔径的喷嘴以及250MPa的水压切割蔬菜的效果最好㊂针对传统甘蔗收割机易磨损堵塞以及重复切割而导致的经济损失,THANOMPUTRA等[49]提出了采用非接触式高压水射流切割的收割模式,在综合考量各项参数的情况下,实现甘蔗茎秆的较远距离切断㊂由于传统磨料石榴石存在可能影响食品质量的因素,在实际加工中,以盐粒㊁糖粒或冰粒做磨料进行切割,能有效保证食品安全和品质[50]㊂医用水刀是一种新型手术分离器械,与普通手术刀㊁电刀㊁超声刀及激光刀等相比,医用水刀在临床上具有高度精准灵活的组织选择性和保护性㊁无热损伤㊁无菌化㊁术中出血量少㊁创伤小等优点,有效避免了 一刀切 的情况㊂合理设计的医用水刀实现了低压水射流时对伤口的冲洗㊁高压水射流时对实质性组织进行切割的作用,有效解决了手术中频繁换刀的麻烦[50-53]㊂在废旧物品的切割破碎㊁回收利用方面,水射流切割有着明显的优势㊂废旧橡胶的循环利用已成为一个全球性的环境问题,水射流切割技术相比传统粉碎方法有着成本相对较低㊁过程简单㊁破碎质量好㊁无二次环境污染等优势[54]㊂刘萍等人[55]通过实验研究发现,冲击粉碎和水楔粉碎是橡胶层粉碎的主要机制,并用正交试验法总结了对胶粉颗粒度大小的影响因素,移动速度的影响最大,其次是射流的驱动压力,最后是靶距㊂在废旧弹药的处理方面,高压水射流在自动化㊁安全㊁绿色处理方面有着先天的优势,在高压水射流的作用下炸药能够从弹壳中分离出来,较之传统融化分离技术而言,水射流切割技术毫无疑问是一种更为有效的手段[56]㊂为了实现海上废弃结构物的回收,在考虑效率的同时也必须兼顾到安全和环保等问题,水射流切割技术无疑是一种较好的选择[57]㊂传统的切割方式在水下的应用受限,对于涉及海洋的行业而言,水下救助打捞㊁船舶和海洋平台水下部分的拆卸㊁潜艇以及港口桥梁建设维护等,都涉及大量切割问题,尤其是沉没的油轮㊁化学品船㊁核潜艇等危险场合的切割处理时,水射流切割的通用性㊁安全性的特点就显得尤为突出了[58]㊂在各种内外因素的影响下,混凝土类建筑常常会出现损坏现象,通过水射流切割技术去除损坏表层是近些年刚兴起的一项技术,相比于传统机械破碎,水射流高效㊁安全㊁环保的技术优势明显,常应用于道路㊁桥梁㊁隧道㊁大坝的修复[59]㊂在煤矿㊁石油㊁油气开采领域,常利用水射流破岩钻井,能有效提高钻井效率并充分清洗井底[60]㊂除此之外,将水射流用于钻孔㊁切缝可以提高松软煤层透气性和瓦斯采集率㊂李晓红等[61]将高压脉冲射流应用于重庆某典型高瓦斯低透气性煤矿,结果表明㊃571㊃第21期刘海青等:高压水射流切割技术发展及应用现状㊀㊀㊀平均百米钻孔煤层瓦斯抽放量较原有工艺提升了7 8倍㊂WANG等[62]利用空化射流声振效应促进瓦斯解吸,实验表明声波振动效应对煤层气解吸和最终甲烷解吸有明显的加速作用㊂复合材料是一种由两种及以上材料通过复合工艺组合而成的具有新性能的材料,表现出各向异性的特点,具有广泛的应用前景,其加工一直是一项工程难题[63]㊂碳纤维复合材料是一种新型工业材料,它兼具硬脆材料和复合材料的加工特点,加工时已发生破碎和分层㊂而在磨料水射流的切割加工下,其切割面质量较好,没有分层现象[64]㊂此外,玻璃纤维增强塑料和芳纶纤维复合材料也是典型的难于切削加工的复合材料,磨料水射流单点冷态的加工优势较好地解决了这些材料的加工问题[65-66]㊂针对材料多维曲面的切割成型,将水射流切割头安装在五轴联动主轴上,从而进行三维立体加工,是一项极其复杂的工程问题,现以应用于生产飞行器机翼㊁机身等大尺度曲面结构件㊁运载火箭壳体等㊂随着水射流切割性能的提升,其应用也越来越广泛㊂冷切割㊁加工柔性高等特点必将使得它在日益发展的现代工业中的地位越来越重要㊂4㊀结束语(1)介绍了高压水射流切割技术的切割机制及磨料混合机制,简述了有关水射流切割技术参数模型㊁切割性能等方面的发展现状和新的发展动态㊂(2)水射流技术作为一种新兴的加工技术,在提高高压水射流切割性能的同时,更应当注重其多方面的应用发展㊂高端超高压水切割机实质是一套集车㊁切㊁铣㊁钻㊁抛于一体的大型多功能智能化的成套设备㊂在现代化的生产中,水射流技术的优势明显,随着新材料的研发㊁射流发生机制的改进以及控制系统的优化,届时高压水射流切割技术才能走向真正意义上的成熟㊂参考文献:[1]赵春红,秦现生.高压水射流切割技术及其应用[J].机床与液压,2006(2):1-3.ZHAOCH,QINXS.HighPressureWaterJetCuttingTechnologyandItsApplication[J].MachineTool&Hydrau⁃lics,2006(2):1-3.[2]张庆良.水射流技术及其应用[J].液压与气动,2012(3):71-72.ZHANGQL.TheApplicationofWaterjetTechnology[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2012(3):71-72.[3]褚聪,戴勇,沈明,等.基于Fluent仿真的强约束磨粒射流抛光特性[J].表面技术,2016,45(6):198-204.CHUC,DAIY,SHENM,etal.MachinabilityofStronglyConstrainedAbrasiveJetPolishingBasedonFluentSimula⁃tion[J].SurfaceTechnology,2016,45(6):198-204.[4]董星,段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术,2005,34(1):48-49.DONGX,DUANX.TechnologyofWaterJetShotPeeningatHighPressure[J].SurfaceTechnology,2005,34(1):48-49.[5]孙旭东.高压水射流切割系统关键技术研究[D].武汉:华中科技大学,2013.[6]冯衍霞,黄传真,WANGJun,等.磨料水射流加工技术的研究现状[J].机械工程师,2005(6):17-19.FENGYX,HUANGCZ,WANGJ,etal.TheResearchSit⁃uationofAbrasiveWaterjetMachiningTechnology[J].MechanicalEngineer,2005(6):17-19.[7]顾承珠,贺云花.高压水射流切割技术和磨料水射流切割技术的机理分析与研究[J].煤矿机械,2004(3):48-49.GUCZ,HEYH.TheAnalysisandStudyoftheMechanismofWaterJetCuttingandAbrasiveWaterJetCutting[J].CoalMineMachinery,2004(3):48-49.[8]邵飞,刘洪军,马颖.磨料水射流抛光技术及其发展[J].表面技术,2007,36(3):64-66.SHAOF,LIUHJ,MAY.PolishingTechniquesandDevel⁃opmentofAbrasiveWaterJet[J].SurfaceTechnology,2007,36(3):64-66.[9]HUY,KANGY,WANGXC,etal.MechanismandExperi⁃mentalInvestigationofUltraHighPressureWaterJetonRubberCutting[J].InternationalJournalofPrecisionEngi⁃neering&Manufacturing,2014,15(9):1973-1978.[10]HUTYROVAZ,SCUCKAJ,HLOCHS,etal.TurningofWoodPlasticCompositesbyWaterJetandAbrasiveWaterJet[J].InternationalJournalofAdvancedManufac⁃turingTechnology,2016,84(5-8):1615-1623.[11]MIESZALAM,TORRUBIAPL,AXINTEDA,etal.Ero⁃sionMechanismsduringAbrasiveWaterjetMachining:ModelMicrostructuresandSingleParticleExperiments[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2017,247:92-102.[12]弓永军.磨料水射流切割技术研究现状及其发展趋势[J].液压与气动,2016(10):1-5.GONGYJ.ResearchStatusandDevelopmentTrendofAbrasiveWaterJetCuttingTechnology[J].ChineseHydrau⁃lics&Pneumatics,2016(10):1-5.[13]成鹏飞,周向红,唐勇.合金盘条高压磨料水射流除鳞系统实验研究[J].表面技术,2016,45(4):144-148.CHENGPF,ZHOUXH,TANGY.ExperimentalStudyonHigh⁃pressureAbrasiveWaterJetDescalingforAlloyWire[J].SurfaceTechnology,2016,45(4):144-148.[14]SCHWARTZENTRUBERJ,SPELTJK,PAPINIM.Pre⁃㊃671㊃机床与液压第46卷dictionofSurfaceRoughnessinAbrasiveWaterjetTrim⁃mingofFiberReinforcedPolymerComposites[J].Interna⁃tionalJournalofMachineTools&Manufacture,2017,122:1-17.[15]BEGIC-HAJDAREVICD,CEKICA,MEHMEDOVICM,etal.ExperimentalStudyonSurfaceRoughnessinAbra⁃siveWaterJetCutting[J].ProcediaEngineering,2015,100:394-399.[16]ZHAOJ,ZHANGGC,XUYJ,etal.MechanismandEffectofJetParametersonParticleWaterjetRockBreak⁃ing[J].PowderTechnology,2017,313:231-244.[17]LONGXP,RUANXF,QIL,etal.NumericalInvestiga⁃tionontheInternalFlowandtheParticleMovementintheAbrasiveWaterjetNozzle[J].PowderTechnology,2017,314:635-640.[18]薛尚文,黄镍,洪啸虎,等.前混合磨料高压水射流切割靶距的研究[J].液压气动与密封,2012,32(2):20-22.XUESW,HUANGN,HONGXH,etal.ResearchontheDistanceofCuttinginPre⁃mixedAbrasiveWater⁃jet[J].HydraulicsPneumatics&Seals,2012,32(2):20-22.[19]MOLITORISM,PITELJ,HOSOVSKYA,etal.AReviewofResearchonWaterJetwithSlurryInjection[J].Proce⁃diaEngineering,2016,149:333-339.[20]赵宏伟,关砚聪,孙艳斌,等.磨料水射流切割微晶复合材料的工艺参数对光滑区粗糙度的影响[J].硬质合金,2016,33(5):350-355.ZHAOHW,GUANYC,SUNYB,etal.InfluenceofAbrasiveWaterJetCuttingParametersonSmoothAreaRoughnessofMicrocrystallineComposite[J].CementedCarbide,2016,33(5):350-355.[21]PERECA.AbrasiveSuspensionWaterJetCuttingOptimi⁃zationUsingOrthogonalArrayDesign[J].ProcediaEngi⁃neering,2016,149:366-373.[22]张军,赵德安,李雪峰,等.超高压水射流切割声音特征提取与喷嘴移动速度控制[J].机械工程学报,2013,49(18):184-189.ZHANGJ,ZHAODA,LIXF,etal.HighPressureWaterJetCuttingSoundFeatureExtractionandNozzleTraverseSpeedControl[J].JournalofMechanicalEngineering,2013,49(18):184-189.[23]申硕.淹没条件下自激脉冲射流的动态特性及冲蚀实验研究[D].株洲:湖南工业大学,2013.[24]弓永军,郭臣,侯交义,等.基于Fluent的脉冲射流喷嘴的全尺寸结构优化[J].液压与气动,2014(11):32-35.GONGYJ,GUOC,HOUJY,etal.Full⁃sizeStructuralOptimizationofPulsedJetNozzlesbyFluent[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2014(11):32-35.[25]崔谟慎,孙家骏.高压水射流技术[M].北京:煤炭工业出版社,1993.[26]薛胜雄.高压水射流技术工程[M].合肥:合肥工业大学出版社,2006.[27]王晖,何学秋,聂百胜,等.自振脉冲磨料水射流切割性能影响因素及矿用安全性分析[J].矿业研究与开发,2012(3):69-73.WANGH,HEXQ,NIEBS,etal.AnalysisonInfluenceFactorsofCuttingPerformanceofSelf⁃vibrationPulseAbrasiveWater⁃jetandItsApplicationSafetyinMine[J].MiningResearchandDevelopment,2012(3):69-73.[28]王建杰,陈立宇,杨夏明,等.空化水射流的研究进展[J].精密成形工程,2016,8(5):156-162.WANGJJ,CHENLY,YANGXM,etal.ResearchPro⁃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高压水射流加工技术在新能源设备加工中的应用分析

高压水射流加工技术在新能源设备加工中的应用分析现如今,随着环境保护和可持续发展的要求日益增加,新能源设备的需求量也呈现出快速增长的趋势。
而在新能源设备制造过程中,高压水射流加工技术作为一种绿色环保、高效能的加工方式,逐渐受到了广泛关注和应用。
高压水射流加工技术是利用高速、高压的水流通过细小喷嘴喷射到工件表面,通过水流的冲击力和剪切力来实现对工件的切削、清洗、抛光等加工过程。
相比传统的机械切削加工方式,高压水射流加工技术具有以下几个显著特点:首先,高压水射流加工技术具有高加工效率和高精度的特点。
在加工过程中,高压水流的速度和压力可以根据需要进行调节,能够实现对不同材料的快速切削和加工。
与传统加工方式相比,高压水射流加工技术无需刀具,避免了刀具磨损造成的加工精度降低问题,同时还能够减少工件变形和热影响区域的产生,提高了加工精度和表面质量。
其次,高压水射流加工技术具有较好的环境适应性和安全性。
水在自然界中广泛存在,是一种可再生资源,因此高压水射流加工技术不会对环境造成污染。
与传统的机械加工方式相比,高压水射流不会产生金属屑、废液等工业废料,确保了工作环境的清洁和安全。
再次,高压水射流加工技术适用范围广泛。
该技术可用于加工金属、陶瓷、玻璃、塑料等多种材料,不受材料硬度、脆性等因素的限制。
同时,高压水射流还能够实现复杂形状和小孔洞的加工,满足了新能源设备复杂结构和特殊要求的加工需求。
基于以上特点和优势,高压水射流加工技术在新能源设备加工中得到了广泛应用。
具体而言,高压水射流加工技术主要应用于以下几个方面:第一,太阳能电池板加工。
太阳能电池板是一种利用光能转化为电能的设备,其表面需要具有一定的光学反射和透光性能。
高压水射流加工技术可以通过调节水射流的速度和压力,对太阳能电池板的表面进行微米级的切削和抛光,提高其表面平整度和光学性能,从而提高太阳能电池的发电效率。
第二,风力发电设备加工。
风力发电设备中的关键部件如叶片、齿轮等,通常需要具有较高的强度和表面质量。
超高压水射流技术的应用

指导老师: 汇报人:
水射流加工(Water JetCuting)
:俗称“水刀加
工”。即是利用超高压(达数百MPa)水射流对各种材料进行切 割、穿孔和工件表层材料去除等加工。
超高压水射流应用广泛,在食品加工,机械加工,石油开 采,工业除锈等方面都有涉及。
一、清洁 二、灭菌 三、切割
超高压水射流灭菌方法的延伸:
1)牛奶保鲜:牛奶经 50MPa 处理,其微生物指标优于“巴
氏杀菌、灭菌乳卫生标准” 中巴氏奶的规定,250~300MPa 超高压奶的保质期可在冷链下保存 5 个月(巴氏奶为 3~5 天)。 2)白酒超高压水射流催陈研究:白酒经 50~300MPa 处理后, 香气优雅,酒体醇和,绵柔爽净,尤其空杯留香纯爽、持久,
谢谢!
2、超高压水射流切割技术的主要应用领域:
5)食品工业领域:用于切割松脆食品、菜、肉等,可减少
细胞组织的损坏,增加存放期。切割食品时,“数控水刀”
用数控装置可以控制其切割速度及路线,可以最大限度地保 持被切割物的营养成分,不会造成细菌传播且形状规整。 6)纺织工业领域:用于切割多层布料,提高切割效率,减 少边端损伤。水切割还广泛应用于服装裁剪、制鞋下料等,
一、清洁
4、箱/罐容器清洁。这是工业清洁中比较难的清洗方式,
比如一个反应釜,一个罐体,操作人员不可能带着机器下
到罐里清洁,这样有很大的危险性,必须采用良好的设备
或良好的工具才能够在罐内做到清洗,所有厂家都会选择 三维罐内清洗方式。比如采用超高压水的压力,在罐内进 行良好清洗,可以做到无死点。
三维罐内清洗系统:包括高压清洗机抽液及抽水系统、长
一、清洁
2、表面处理及清洗。沥青、混凝土或金属涂层在浇
超高压水射流在机械加工中的应用研究

超高压水射流在机械加工中的应用研究随着科技的不断进步,超高压水射流技术作为一种新兴的加工方式,逐渐引起了人们的关注。
它以其独特的优势,在机械加工领域展示出了广阔的应用前景。
本文将对超高压水射流在机械加工中的应用进行探究和研究。
一、超高压水射流技术简介超高压水射流技术是指通过将水经过超高压泵提升到很高的压力,然后通过喷嘴将水流以极高的速度喷射到加工对象表面以达到加工目的的技术。
超高压水射流技术具有以下几个特点:一是加工过程中无化学污染,对环境友好;二是加工时无热影响,不会导致材料变质;三是操作简便,无需大量的设备和大量人力物力投入。
因此,超高压水射流技术得到了广泛的应用和研究。
二、超高压水射流在金属加工中的应用1. 切割超高压水射流切割是指通过将超高压水射流集中到一个细小的水流束上,以高速冲击金属表面并进行切割。
与传统切割方法相比,超高压水射流切割具有速度快、精度高、不产生热影响、不会导致材料变质等优势。
尤其在对薄板、复杂的曲面等进行切割时,超高压水射流切割技术能够发挥出其独特的优势。
2. 表面处理超高压水射流在金属表面处理方面也有广泛的应用。
通过调节超高压水射流的压力和速度等参数,可以达到不同的表面处理效果。
例如,通过控制水射流的压力和角度,可以实现金属表面的去毛刺、清洗、打磨等效果。
超高压水射流表面处理技术具有速度快、精度高、成本低等特点,有着广泛的应用前景。
三、超高压水射流在非金属材料加工中的应用超高压水射流技术不仅在金属加工中有广泛应用,而且在非金属材料加工中也大显身手。
1. 玻璃切割传统的玻璃切割通常需要用到高速旋转的切割工具,容易导致玻璃破碎或者产生裂纹。
而超高压水射流切割技术通过将高压水射流聚焦在狭窄的一点上,以高速冲击玻璃表面,可以实现精确的切割效果,避免了传统切割方法的弊端。
2. 塑料加工超高压水射流在塑料加工中的应用也十分广泛。
通过调节超高压水射流的压力和速度等参数,可以实现对塑料件的高效切割、减薄、整形等加工。
超高压水射流切割及其应用课件

工业加工领域
总结词
超高压水射流切割技术在工业加工领域应用广泛,可对各种材料进行高效、精准 的切割。
详细描述
在工业加工领域,超高压水射流切割技术主要用于金属材料的切割,如钢铁、铜 、铝等。由于其切割速度快、精度高、热影响小等特点,被广泛应用于机械制造 、船舶制造、石油化工等领域。
航空航天领域
总结词
喷嘴
将高压水射流引导至工件表面,控制切割精度 和效果。
切割台
用于固定和支撑工件,确保切割过程中的稳定 性和精度。
关键部件与功能
高压泵
产生超高压水射流,是 实现切割的关键。
喷嘴
控制水射流的形状、方 向和速度,影响切割精
度和效果。
切割台
确保工件在切割过程中 的稳定性和精度,提高
切割质量。
设备的选择与维护
建筑行业领域
总结词
超高压水射流切割技术在建筑行业领域应用广泛,可对各种材料进行高效、精准的切割 。
详细描述
在建筑行业领域,超高压水射流切割技术主要用于石材、混凝土等硬质材料的切割。由 于其切割速度快、精度高、热影响小等特点,被广泛应用于建筑物的改造、维修和装修 等领域。此外,超高压水射流切割技术还可用于桥梁、道路等基础设施的施工和维护。
04
超高压水射流切割技术的前 景与挑战
技术发展趋势
技术创新
随着科技的不断进步,超高压水射流切割技术将不断革新,提高切割效率和精度。
智能化发展
未来超高压水射流切割技术将更加智能化,实现自动化、远程控制和智能监控。
环保化发展
随着环保意识的提高,超高压水射流切割技术的环保性能将得到提升,减少对环境的影响。
面临的主要挑战
技术瓶颈
目前超高压水射流切割技术仍存 在一些技术瓶颈,如切割厚板材 时效率较低、切割表面质量不稳
水射流切割技术及其应用

水射流切割技术及其应用摘要:本文对水射流切割机原理及设备进行了阐述,并介绍了水切割的优点及其在城轨车辆部件铝合金板材下料中的应用。
关键词:水切割加砂水切割增压泵石榴砂铝合金0前言由于用途广泛且易于操作,水射流切割已成为世界上发展最快的主要机床加工技术之一,其加工的能力是无限的,通过使用超高压水进行切割能带来更高的效率和生产力。
它只需要少数的辅助操作,无需加热区域、无热变形或者其它切削方法导致的机械变形,能够加工狭窄的缺口,能够让原材料得到更好的使用。
它可以切割任何材料,并保持切口光滑平整。
目前我公司已大量使用水切割来进行城轨车辆制造铝合金板材的下料,获得了显著的经济效益。
1水切割原理水射流切割技术又称超高压水切割。
当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴通过时,可产生一道每秒达近千米(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、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,所产生的加砂水射流可切割任何硬质材料,包括金属、复合材料、石材和玻璃。
超高压水的形成关键在于高压泵。
绝大多数水切割高压泵使用增压器增压。
增压器的工作过程一般是从油泵来的低压油推动增压器的大活塞,使其往复运动,大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。
另一方面,供水系统先对水进行净化处理,然后由水泵打出低压水,进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。
由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生,而增压器的活塞需要换向,势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。
为获得稳定的高压水射流,需将产生的高压水进入储压器然后再流到喷嘴,从而达到稳定压力的目的。
经过高压泵所产生的高压水经由高压管路流入切割刀头而直达被加工材料,因此另一个关键环节是节流喷嘴。
喷嘴一般采用红宝石、蓝宝石或金刚石,直径通常是0.1mm至0.5mm,水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。
图1为水射流工作原理图。
2水切割机设备水切割加工设备的组成包括:增压泵(超高压泵)、水切割切割头装置、数控切割机台、高压管道、智能型控制器、磨料供给系统、软化水处理装置等。
超高压水射流切割技术在城轨车辆制造中的应用

超高压水射流切割技术在城轨车辆制造中的应用作者简介:刘九高(1965—),男,湖南桃江人,大学本科,工程师,主要研究方向:材料与机械加工。
摘要:文章介绍了超高压水射流技术在工业上的应用,阐述了在城轨车辆铝部件制造中超高压水射流切割设备的选型,分析了水切割设备的使用成本,经过多年的生产实际证明,超高压水射流切割技术应用于城轨车辆铝合金部件生产具有很强的现实意义。
关键词:超高压水射流切割;城轨车辆制造;成本分析;推广应用。
1 引言在国内城轨车辆需求日益增长的背景下,对国内从事城轨车辆制造的企业提出了更高的质量、进度要求和降低加工成本的要求,由于超高压水射流切割技术具有很强加工工艺实用性,并且能够降低加工成本和缩短生产周期,超高压水射流切割技术在城轨车辆铝合金部件生产中的应用应该大力推广。
2 超高压水射流技术和应用简介超高压水射流切割技术(下称水切割),是一项近年来才兴起的一种冷态切割新工艺。
利用超高压技术可以把普通的自来水加压到250-400Mpa压力,然后再通过孔径约0.15-0.35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800-1000m/s的高速射流,并在水箭中加入适量的磨料可用来切割所有的软硬材料。
由于切割实用性强,水射流切割技术在工业上的应用越来越普遍。
在机械制造中,可用来切割金属和非金属板材;在建筑业中,可用来切割大理石、花岗岩、陶瓷、玻璃、水泥构件等;在汽车制造业中,利用水射流切割可加工各种非金属材料,如车用玻璃、汽车内装饰板、仪表板、地毯、石棉刹车衬垫以及其它组件的成形切割;在航空制造业中,利用水射流切割可切割特种材料,如钛合金、碳纤维复合材料、增强塑料等。
水射流和磨料射流切割技术还可在其它工业加工中应用,如在造纸业中用来加工成品瓦楞纸、纸卷等.在木材业中用来加工木板、胶合板等,在铸造业中可用来去除铸件表面的型砂.并可切割铸件的浇冒口等。
另外,超高压水射流技术也应用于食品加工和清洗作业中。
水切割技术应用于国内城轨车辆制造中是本世纪初开始的,特别是针对铝合金材料的地铁车辆配件加工,这些年来得到了较快的应用。
高压水射流加工技术在超硬材料加工中的应用研究

高压水射流加工技术在超硬材料加工中的应用研究引言:在现代科技的推动下,各行业对材料加工的需求越来越高。
超硬材料作为一种重要的工程材料,其硬度和耐磨性能得到了广泛的应用。
然而,由于其特殊的物理和化学性质,超硬材料的加工一直是一个具有挑战性的问题。
传统的机械加工方法对于超硬材料的加工效果并不理想,因此需要寻找一种创新的加工技术。
本文将探讨高压水射流加工技术在超硬材料加工中的应用研究。
一、高压水射流加工技术的原理与优势高压水射流加工技术是一种利用喷射速度极高的水流来实现材料切削的加工方法。
其基本原理是通过将水泵压缩后喷射出来,形成高速的水流,利用水流的高动能来削除材料表面,达到加工的目的。
高压水射流加工技术具有以下几点优势:1. 非接触性加工:高压水射流加工不需要物理接触,避免了材料表面的磨损和热影响区,减少了材料的变形和热变色的风险。
2. 多功能性:高压水射流加工技术可实现多种切削效果,包括切割、打孔、清洗、蚀刻等,适用于不同材料和形状的加工需求。
3. 灵活性:高压水射流加工技术可以根据加工要求进行调整,包括水流压力、喷嘴形状、喷嘴距离等,以获得最佳的加工效果。
二、高压水射流在超硬材料切削中的应用1. 超硬合金切削超硬合金具有极高的硬度和耐磨性,传统加工方法很难满足其切削需求。
高压水射流加工技术可以通过控制水嘴的喷射压力和角度,以高速射流撞击超硬合金表面,达到切削的效果。
该方法可以有效地降低切削力和摩擦热,减少材料的变形和裂纹,并提高切削质量和加工效率。
2. 金刚石的腐蚀切削金刚石是一种具有优异导热性和硬度的材料,常用于切削工具。
然而,金刚石的抗冲击性较差,在传统的加工过程中容易破碎。
高压水射流加工技术可以通过调整水流的喷射压力和方向来控制切削深度和速度,从而降低对金刚石的冲击力,并保持其完整性。
此外,高压水射流还可以通过水流中的磨粒来实现对金刚石的腐蚀切削,达到高效、精密的加工效果。
三、高压水射流在超硬材料加工中的优化策略为了进一步提高高压水射流加工技术在超硬材料加工中的效果,可采取以下优化策略:1. 控制喷射参数:通过调整水嘴的喷射压力、流量和角度等参数,可以控制高压水射流对材料的冲击力和切削深度,从而实现高质量的加工效果。
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另外超高压水切割对于易消耗件要求高,必须定 期更换,否则会影响切割质量;水切割机关键设 备增压泵必须投入成本日常维护,否则将直接影响 切割质量,这些都无形中增加了超高压水切割的切 割成本。针对水切割技术在实际应用中存在的这些 问题,近些年国内外已经有学者开始做了大量的研 究,例如大功率超高压系统的研究,通过提高水切 割机的压力和最大输出流量以提高切割能力;采用 多增压器并联技术从而采用大口径喷嘴进行切割, 可以在提高切割能力的同时降低喷嘴堵塞机率;多 轴水切割技术自校正切割的研发,优化切割轨迹, 切割过程中不断地摆动切割头,从而使切割出来的 工件达到完美的无斜度状态。
冷加工
机加工技术
图4 KM98A煤炭漏斗车端板
图5 KM98A煤炭漏斗车端板 4. 超高压水切割的现状和研究方向 超高压水切割技术作为一种冷态切割技术,其 各项切割指标都很优秀,唯一不足的就是切割效 率不高,在实际使用过程中发现,在切割金属材 料时,需在高压水中添加如细砂等磨料,不仅要 求细砂粒度小,而且必须干燥,否则很容易堵塞.
表1 5~8mm厚的6005铝合金板
指标 设备
穿孔能力
尺寸精度 断面斜度 断面质量
尖角质量 (最小)
/mm (°) /um
/mm
水切割 ±0.1 ≤0.2 好于25 保证尺寸 Φ5
等离子切割 ±0.5 0.5~1
尖角熔断
50
3~5mm Φ50
激光切割 ±0.2 ≤0.05
尖角熔断
25
1~2mm Φ20
图1 超高压水切割原理
图2 高压水切割机
冷加工
169 2016年 增刊1
2016 第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会
任意图形的平面切割加工。 2. 超高压水切割特点以及和其它热切割方面
比较 与传统的“热”切割工艺相比,超高压水切割
以水为切割介质,是一种“冷”切割工艺、它具有 如下功能与优点:
图 3Байду номын сангаас水刀切割断面
(1)不同的切割设备切割板厚的质量和性能 分析 在不同设备上切割普遍使用的材质为6005铝 合金板。切割相同的工件的质量和性能如表1所示 和表2所示
从以上数据可以得出以下结论:①水切割机切 割工件的质量最好。②等离子切割的工件必须进行 加工才能达到标准要求。③激光只能切割t8mm以 下铝合金。④对于眼孔多而且位置尺寸精度高的零 件应用水切割进行切割下料。
(2)对轨道交通铝合金零件分析和制定合适的切 割工艺 铝合金车体的零件按零件所在的部位可以 分为端侧、侧墙用零件、底架用零件。对于铝合金 结构件,由于铝合金金焊接质量很难控制,铝合金 件大多数采用铆接,这些零件为满足结构和组对需 要展开料的形状比较复杂且零件的眼孔特别多,尺 寸规格大,且成形的精度要求较高,如图4和图5所 示的KM98煤炭漏斗车端板。激光切割机的能力限 制根本无法完成以上工件的切割下料。如果用等离 子下料,尺寸较小的眼孔无法完成,切割断面质量 达不到要求,应该增加机械加工工序,而轮廓形状 和眼孔形状复杂的大厚板件决定了要经过多道加工 工序才能完成。而铝合金本身的容易粘刀性决定了 加工的困难度和质量不稳定性。所以对这些零件有 必要用水切割设备进行切割下料,一次性完成轮廓 状和眼孔的加工。
1. 超高压水切割技术 超高压水切割又称水刀,它是将超高压水射 流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平 面切割机床,切割原理如图1所示。超高压水切
割机(见图2)通过将水流的压力提升到足够高 (200MPa以上),使水流具有极大的动能,可以 穿透化纤、木材、皮革、橡胶等,在高速水流中混 合一定比例的磨料,则可以穿透几乎所有坚硬材料 如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控 加工平台的引导下,在材料的任意位置开始加工或 结束加工,按设定的轨迹以适当的速度移动,实现
机加工技术
超高压水切割技术特点及在轨道交通下 料中的应用
中车长江车辆有限公司株洲分公司 (湖南株洲 412000)张文
【摘要】超高压水切割作为一种新的切割工艺具有热切割不具有的优点,广泛运用于轨道交通铝合金下 料,本文主要对高水压切割技术特点和工作原理进行了介绍,并结合轨道交通中铝合金下料,阐述了高水 压切割技术。
(1)切割是无热变形,避免了材料的物理、 化学变化。
(2)工件材料的广泛适应性。因为超高压水 射流切割没有材料和切割尺度的约束,被誉为“全 能切割机”。可用于各种软质与硬质材料、导电与 非导电材料、金 属与非金属材料、塑性与脆性材 料、复合材料等切割加工。
(3)缺口光滑平整无毛刺,一般无需再加 工。切割断面如图3所示。
表2 25mm厚的6005铝合金板
指标 设备
穿孔能力
尺寸精度 断面斜度 断面质量
尖角质量 (最小)
/mm (°) /um
/mm
水切割 ±0.1 ≤0.05 好于25 保证尺寸 Φ12
等离子切割 ±0.5 1.5~3
尖角熔断 50 3~5mm Φ60
激光切割 —
—
—
—
—
170 2016年 增刊1
关键字:高水压切割;铝合金;冷切割
在车辆制造过程中,下料是必不可少的环节, 目前下料方式有剪切下料和切割下料。剪切下料主 要使用于矩形等规则零件,形状稍复杂的零件用剪 切下料的方法就难以满足,切割下料的方法能满足 各种形状的零件下料。目前常用切割下料用火焰切 割、精细等离子切割、线切割和激光切割。此切割 方法属于热切割,它广泛运用于高熔点的金属配件 的下料切割,而随着具有良好的加工性能,高耐腐 性、高安全性、轻量化结构等众多优点的铝合金在 铁道车辆中得到了广泛应用,热切割存在加工热影 响区、热变形方面等的缺点,已经不能满足于轨道 交通下料的要求,超高压水切割具有:①切割时不 产生热量,板材无热影响区,变形小。②切割面光 滑,下料后可不需进行机。③可切割非常复杂的几 何形状。④切割精度高。⑤可切割金属与非金属任 何材料等特点,广泛运用于轨道交通铝合金下料。 本文主要对高水压切割技术特点和工作原理进行了 介绍,并结合轨道交通中铝合金下料,阐述了高水 压切割技术。