水射流摘要

摘要：本文介绍水射流切割的概念，加工技术起源，工作原理，技术特点以及水射流的切割设备，切割的优点，水射流在国民经济部门中发挥这项高新技术在我国现代化建设事业的应用关键词：水射流、切割，水射流技术、高压水射流1什么是水射流切割水射流切割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。

它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，实现任意图形的平面切割加工水射流切割的原理与特点2、水射流加工技术起源“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，然而，作为一项独立而完整的加工技术，高压水射流(wj)、磨料水射流(awj)的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。

直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得。

在最近十多年里，水射流(wj、awj)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。

许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。

目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。

已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20％。

j)的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。

直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得。

在最近十多年里，水射流(wj、awj)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。

许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。

目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。

已可切割500余种材料，其设备年增长率水射流设备超过20％。

3工作原理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. 超高压水的形成关键在于高压泵。

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蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的。

水压越高，水射流速度越快，对高压部份的制造要求也越严格，在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件和水封的寿命。

经过高压所产生之高压水经由高压过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。

喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，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。

由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。

所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。

因此另一个关键环节是节流喷嘴。

喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。

由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。

所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。

4 水射流技术特点水射流切割是水射流或磨料水混合物在压力达400MPa下，以速度达100m/s从直径0.1mm~0.2mm的喷嘴中射出进行的切割。

在磨料水切割时，射流从喷嘴通过小直径（约1mm）硬质合金喷管喷出，并借助于在喷管入口喷射，从专用料斗中吸入磨料粉。

水射流的动能将传给磨料颗粒，从而从被切割毛坯上去除微屑。

这时，实际上在毛坯上完全没有热和力的作用，故切口表面不变形，且无毛刺及材料的组织畸变。

当切割功率达30kW以上时，工作头可用手或机器人的夹持装置自由握住。

机器人的微处理器数控装置可在空间任意角度下实现割。

水射流装置可切割板料、精确直角、打小孔、开窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非导热材料）。

切口可从制件表面的任意点开始。

切口宽度较小（在水切割时为0.1mm~0.3mm，在磨料水切割时为1mm~1.5mm），从而可保证节约材料，降低能耗。

工艺过程具有柔性的生态洁净的特点，通常可用于完成要求快速重调设备的单件订货。

各种方法切割板料的评定结果列于表1（根据Flow公司的数据）。

表1 各种切割方法的比例主要工艺参数是生产率或切割速度V。

对大多数水射流装置：V=0.001m/min~12m/min，切割精度±0.1mm。

表2列举出了Flow公司关于磨料水切割各种材料的速度与毛坯厚度有关的数据。

表3中列出了Ingersoll-Rand公司（德国）关于水射流切割速度的数据。

表2 不同毛坯厚度的切割速度注：工作压力350MPa；磨料供给量680g/min；磨料为80号粒度花岗岩。

表3 Ingersoll-Rand公司采用的切割速度由于采用现代计算机装备水射流切割装置，可利用大量数据库优化切割过程（其中包括实时优化），和解决裁料的优化任务，故本法的工艺性可显著扩大。

水射流切割技术较之激光、等离子、线切割等传统的切割方式它确实有着显著的优势：*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，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm 至1.1mm，砂水混流切割之切口约为 0.8mm至1.8mm。

随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质之单侧斜边为0.076mm至 0.102mm之间)，无需二次加工，无裂痕*几乎没有材料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。

*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*清洁环保无污染在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求5、高压清洗机磨料水射流切割设备使用高压清洗机进行水切割是指将水增至到高压状态，然后通过节流小孔，让水压的热能转化成射流动能，最后采用这种高速密集的水射流来进行切割施工。

磨料水射流切割就是再往水射流中加入磨料粒子，经混合管形成磨料射流进行切割。

那么，高压清洗机磨料水射流切割设备的组成都包括哪些呢？简单地概括起来包括这样几部分，它们分别是：（一）供水装置。

就是将水质软化，这是切割作业时必备的条件，没有供水装置，要达到切割的目的那简直就是空想，也是根本不可能实现的愿望，因此，供水装置势必不可缺的。

（二）增压装置。

增压装置是设备的重要构成部件，其核心是增压器。

增压器能够使水到达可以正常工作的水压，确保切割任务的按时完成，因此，这一构件也是非常重要的。

（三）高压水路装置。

增压系统和切割头装置是由高压水路连接的。

在具体施工时，要采用超高压钢管和旋转接头，钢管要有挠钩性，各类接头要耐用、可靠、灵活，除此之外，旋转接头要有多种旋向型式和一定的工作寿命，才能保证切割工作的正常运行。

（四）磨料供给装置。

这一装置包括料仓、磨料、流量和输送管。

（五）切割头装置。

切割头装置包括——高压水开关阀和宝石喷嘴、水磨料混合室和混合管等部件。

（六）运动控制装置。

现如今的切割设备都是由微机控制或由工业机器人操作，可实行五轴联动。

由此看来，高压水射流切割是一种高精度的切割工艺方法，必须由高精度的切割设备来充分配合才能满足工作的要求。

（七）接收装置。

切工件和割头的处于接收装置的上方，接收装置就是用来收集切割剩余射流。

具有消能、降噪、防溅和安全等功能。

如下是一个高压水射流设备的图片。

6、水射流优点及分类水射流技术之所以能得到这样高速的发展，主要是这种技术与其他加工方法相比具有一系列优点。

一是工作介质成本低廉。

水射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。

如果用于切割加工，由于喷嘴小(直径一般在0．5毫米以下)，用水量很少，而且对水一般无污染。

二是切割时切口窄且整齐。

用水射流切割物料时，水射流对切割物的作用力集中在射流喷射方向上，其横向分力很小。

因此。

切口窄而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工三是工作机件易于实现自动控制。

由于水射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。

利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作。

如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。

四是能降温、除尘和延长截齿寿命。

水射流用在煤矿采掘机上，除参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。

同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个安全、卫生的环境。

五是体积小。

水射流整套装置体积小，方便运输、安装和拆卸。