河南机电高等专科学校
先进制造技术课程论文
论文题目：水射流切割的技术原理、设备、技术特点及实际应用分析
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xxx年 月 日
绪 论
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高压下,由喷嘴发出的高速水射流,具有很大的能量,足以切割坚硬的材料(包括金属和非金属);如果向水射流中加入某种固体硬颗粒,则称为磨料水射流,它具有更大的能量,可以切割更硬更厚的材料,这就是水射流切割技术的简单描述。尽管早在古代,人们就已懂得“滴水穿石”的道理,然而直本世纪60年代,才真正把这个简单原理变成水射流切割工业技术;而磨料水射流技术的应用,还不到10年时间,所以这是一项新兴技术。然而,近年来发展很快,迄今全世界已有几十个国家,共拥有大约2000个水射流切割系统。尽管如此,当前这项技术仍处于初级发展阶段,技术尚不成熟,在理论与实践方面,都有许多空白,有待填补。这项技术起步较晚的原因在于,它涉及到超高压技术,因而对材料、制造工艺、设计方法、理论分析、控制手段、经济承受力等提出了严格要求。开发和应用这项技术,与一个国家的综合发展水平和国力强弱有密切关系。我国已在近年里,逐渐开展研究和应用,尤其在理论研究方面,已取得许多成果,但在制造技术方面,却有较大差距,有待解决。多年的实践证明,水射流切割技术,独具特点,是现代机械加工及技术发展中不可缺少的组成部分,具有很强的生命力,必须充分予以重视,有计划地研究、开发和应用。
现代的高压水射流切割作为一门高新特技术涉及的学科领域较多，如超高压理论、流体动力学、特种材料、材料力学、弹性力学、制造工艺学、高压密封技术、自动控制理论等现代科技内容，其自身是一种标准的机电液一体化产品，其卓越的应用效果更集中体现在高科技产品制造上。某种意义上讲，水射流技术的研究与应用也成为了一个国家综合科技水平和经济实力的标志。
第一章 水射流切割技术原理
水射流切割技术的基本原理是将少量的水加压到极高的压力(高于380MP)迫使高压水
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通过一个小孔(直径0.1~0.5smm),以高速冲击工件,速度可达约915m/S(视压力而定)。高压水柱使工件迅速被冲蚀。如果水柱与工件有相对移动时,就可对工件进行切割加工,切缝很小,仅稍大于小孔直径。在高压水中加人颗粒磨料,能大大增强对材料的磨蚀能力,可以切割坚硬和细密的材料,这种切割方式称为水磨料切割(AwJC)。添加磨料的水射流切割又分为夹带式和直接式两种方式,夹带式一般是在高压条件下工作约200~300MPa,常用磨料是金钢砂。将磨料定量地注人到喷水孔下一个混合室内,高压水流与磨料混合后进入切割喷嘴,对准工件喷射切割,割缝一般在0.76~3mm左右。原理框图见图1-1。直接注人式的水压力较低,约14~90MPa,常用磨料采用铜渣,它与夹带式的区别主要在于磨料是在一个中间容器内与水混合,经混合的料悬浮液和水通过一根软管直接送到切割喷嘴进行切割,原理框图见图1-2。它可在离电源500m远的地方或水下进行切割,并且可降低能耗,节省磨料。
图1-1 夹带式水墨料切割原理图 图1-2直接注入式水墨切割原理图
第二章 高压水射流切割技术的设备
2.1 水射流切割的设备组成
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高压水射流切割设备的基本构成如下2-1图，通常是由以下几部分组成：
2-1高压水射流切割设组成
（1）高压水发生装置（包括给水装置、增压器$高压泵和蓄压等）
（2）割枪组合件（包括喷嘴等）
（3）割枪驱动装置（包括数控装置$机器人等）
（4）其他装置（如集水器或集水槽、磨料储罐及供给装置、水过滤装置等）
高压水射流切割的类型不同，其设备的实际构成不完全相同。比如：纯水型高压水射流切割设备的构成，如图2-2。
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图2-2纯水型高压水射流切割设备构成
2.2系统组成
高压水射流切割系统如图2-3所示,主要包括增压系统、磨料供应系统控制系统及辅助系统等,通常还要配置一钢筋混凝土工作台。
图2-3 高压水射流切割系统原理图
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图2-4 磨料射流切割头
增压系统的关键部分是高压泵或增压器。往复压缩式增压器在液压系统提供的高压油作用下往复运动,把水压增大到300～1000MPa。在增压器与高压水路之间装有蓄能器。磨料供应系统(图略)主要由磨料流量调节系统和磨料切割头构成,其中磨料切割头(图2-4)是超高压射流切割的核心,其工作原理是:高压水经过高压管和水喷嘴至混合腔,与此同时,磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混合腔与水混合,再经磨料喷嘴喷射形成两相磨料射流即把超高压水变成高压的切流。在人工或计算机控制下,控制系统移动工件或切割头,完成所要求的切割过程。简单的手动控制装置是一个安装在手动机构上的固定切割头现已采用5轴或6轴等复杂的多轴数控系统,使用一个以上切割头同时切割复杂的外形。大 多数高压水射流切割系统都装有接收器,既可消除高速射流穿透材料后的射流能量,同时可降低噪声。另外还附有一些安全装置,以防高压水管与各种接头的破裂等。
第三章. 技术特点
水射流切割之所以具有强大生命力,是由于它与传统切割工艺相比,独具许多优点：
a)因为是冷切割,对材料无热损伤,也无热变形。这对许多高性能或热敏感材料尤为可贵。这是其它加工方法，如火焰、激光、等离子、锯切等所无可比拟的。可以说,它对被切材料
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无选择性,因而可以做到一机多用。
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b)具有很强的切割力,可切断180mm厚的钢板、250mm厚的钛板、470层每层厚达65mm的石墨环氧树脂合成板、5mm厚的石材或混凝土等。
c）因为是点能源切割,切割反力很小,只有十几公斤,因而便全方位自由切割形状复杂的工件,便于 自动控制,实现柔性加工。
d)切口质量好且窄,最小切口宽只有0.07mm,公差可达
表面平整光滑,不必二次修整,可节省材料和工时。
,光洁度可达
e)因为是湿法切割,无粉尘、烟雾、火花、气味等,属于清洁安全切割,劳动条件好,噪音不超过9dB。
f）生产效率高,一套系统可配置多喷嘴同时作业,工件可一次达到尺寸要求。
g)可在水中或几百米深的水下切割。
目前，这种技术问题就是投资太大。而且喷嘴磨损也仍待解决,如纯水切割用的人造宝石喷嘴每个40元,可用100左右；但磨料切用的碳化钨喷嘴,每个60元,可用瓷喷嘴,每个100元以上,可用20～100h。
；耐磨陶
切割很薄的延展性材料,易弯曲或出现飞边,宜叠层切割
第四章. 应用实例分析及说明
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4.1 在航天上的应用分析
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现在有几十个国家的数百家工厂应用水射流和磨料水射流加工。使用这种技术的工业部门有汽车、宇航/防御等。航空航天应用包括：切割先进复合材料结构,蜂窝夹层结构,钦、镍、钻、耐热合金和机翼零件。由于不存在层裂和热损坏,同时也由于加工费用减少,磨料水射流切割可与其它常规切割工艺媲美。经水射流切割的航空航天结构,其边缘比常规技术切割的边缘好得多,疲劳寿命也长。如果使用150目的磨料粒度,,疲劳寿命可提高50%以上,但切割速度要相应地降低。
LTv宇航/防御公司在FIOW公司的帮助下开发出5轴水射流系统。射流能跟踪复材料零件的形状、整体加强结构和蜂窝加强板。射流能一次切割116mm厚的复合材料板和142mm厚的铝板而无热影响区。使用100目的磨料粒度和
Pa压力。该系统
。
能切割12.7mm厚的石墨/环氧复合材料和钦,切割表面粗糙度为3·17、6,35
从1980年以来,洛克希德宇航系统公司一直使用水射流切割,目前使用磨料水射流切割金属基和树脂基复合材料、铝、钢、钦,能干净地切割3.2mm石墨/环氧复合材料,且无热影响区和热变形问题。最近的应用是,切割sic或晶须增强铝复合材料的战斗机垂直安定面。切割安定面的肋仅需14min,还包括切削孔。麦道飞机公司使用门式机器人水射流和ASI公司的磨料水射流系统来切割复合材料和钦,所需时间为常规工艺的1/5,由于略去了费用高的和不耐磨的刀具,如金刚石钻头及夹紧装置,降低了生产成本；切割F/舟·8飞机机翼蒙皮,写常短工艺相比,切割时间由2h减少到29min。
4.2 磨料水射流切割技术在高速公路修复中的应用
4.2.1 补范围的确定
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修补范围将所有的重要病害包括在内。为了保证将所有不坚固混凝土包括在选定的修补范围之内,一般要将边界扩展到离可见病害以6处,间隔0.6m的2个修补区应合并成为一个修补区。边界位置还取决于载荷传递水平,修补区应足够大以避免修补区扩散和纵向开裂。最小修补长度为1.sm,最小修补宽度为36m。虽然损坏的混凝土往往是不规则的,但为了避免因为应力集中和收缩不均匀引起的2次开裂和破坏,损坏的切割区域外型要切割成规则的矩形和方型,避免切割成不规则的几何形状。
4.2.2切割系统的设计
实际应用的磨料射流切割系统,高压泵可以由柴油机驱动,并安装在轻便的卡车或者拖车上,以便能随意调动,增加系统的灵活性。切割喷嘴固定在车上,车可以在高速公路上行驶,喷嘴可以上下移动,以调节靶距,根据车的行驶速度可以改变喷嘴的行走速度。高压泵和切割牵引车之间用柔性高压软管连接,这样可以增加系统的灵活性。为了防止软管爆裂时伤及操作者,软管外要附加防爆耐磨层。
4.2.3磨料种类和切割参数的选择
(1)磨料种类的选择根据日本大成建设机械部给野勒衙的研究成果,在各种磨料中石榴石有着最优异的切割性能,因为它比重大、强度高,是切割混凝土最理想的材料。虽然黄沙的切割效果不如石榴石,但考虑到经济性,黄沙不仅便宜,而且在建筑工地上很容易得到,并且切割后回收可以作为混凝土的细集料继续使用,因此黄沙也可以用来作切割混凝土路面的磨料一。磨料粒径以36目最为合适。
(2)影响磨料射流切割深度的主要参数磨料流量、靶距、切割压力、行走速度。
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喷嘴尺寸、压力和磨料粒度的函数。
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(3)磨料流量的选择根据美国流体公司M.哈西斯的研究结果,磨料流量的最佳值应该是
(4)工作压力的选择压力是影响磨料射流切割效果最主要的参数之一,研究表明,要切割混凝土,磨料射流压力的有一个最小值,当工作压力小于这个值时,混凝土不能被切割,通常称这个最小压力为门限压力。当压力大于门限压力时,在其他参数不变的条件下,压力与切割深度的关系几乎是线形的。能够有效地切除棍凝土的压力最小为30MPa。
(5)靶距的选择研究表明,当靶距在5一IOmm时切割深度基本不变;当靶距大于10mrn时切割深度急剧卞降。因此靶距可以在5一10mm之间选择。
(6)行走速度的选择当切割过程中其他参数一定的情况下。行走速度增大,切割深度下降。
4.3超高压水射流切割技术在食品加工中的应用
“数控水刀”切割的独特优点,在食品加工中很有实用价值。“数控水刀”用数控装置可控制其切割的速度和切割线路,可切割各种食物,切割介质除了水外还可用酒精或甘油等,可纯水切割也可加磨料(如盐、糖)切割。“数控水刀”切割食物,食品的营养和功能成分损失少,可最大限度保持食品的营养,提高加工产品质量。用/数控水刀0切食品其断面将更加光滑,而且形状规整,也可以切出特殊的形状,作为新的产品造型。如果安装到食品加工生产线上,可代替或部分代替面刀、锯条等,可以利用它的特性方便地改变某些食品的加工面貌并开发出食品处理设备新产品。水射流切割技术在食品工业中的应用实例如下所述。
4.3.1 饼状食品(如蛋糕、面包等)切割生产线
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如图4-1所示为国外已开发的用“数控水刀”切割蛋糕、面包等生产线。该设备适用于成批生产的食品厂。该食品处理设备以超高压水束作为切割工具,压力为3773MPa,水束直径为0108～0146mm。在切割过程中,约70%的水被汽化,其余的水通过收集槽可重新使用。这种切割系统由数控系统来控制,通过预先输入指令,可以对食品进行复杂的外形加工或分割。由于该食品处理设备不需要用金属刀片,也就是说不需要刃磨工具,因此加工成本低。此外,在切割过程中无噪声,生产过程清洁,无污染。
图4-1 “数控水刀”切割蛋糕、面包等生产线
3.2 肉类等切片与分割的数控超高压水射流切割生产线
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图4-2 用于肉类切割的水刀切割系统生产线
图4-3 水刀切割肉类制品
肉类、禽类和鱼类等加工中需要经过一系列复杂的工序对每一片肉进行分析并修整、
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切割成相同的尺寸或重量。如图4-2、4-3所示为国外已开发的适用于肉制品等切片与分割的机器人喷射水刀切割系统。该系统使用了3D激光扫描仪,强大的计算分析软件和X-Y双轴机器人喷射水刀。用“数控水刀”切割新鲜的肉制品时,可连骨质、皮和纤维等一齐切断,不留碎骨残端,而且较少溢血。使用数控超高压水刀切割肉制品时,并不会造成细菌传播,同时也无使用传统刀具切割时,由于刀具磨损有磨利刀具的停机时间,因此水刀切割时,生产率高。
4.4 磨料水射流切割技术在机械检修中的应用
20世纪50年代初,我国首次在开滦唐家庄煤矿成功使用了水枪落煤，使得这项技术在煤矿开采中得到逐步应用。但是煤矿的自然条件差，地质条件复杂，瓦斯浓度高，煤与瓦斯突出、煤层自然发火、煤尘爆炸等灾害时常发生。因此，高压水射流技术以其独特的优越性，在我国煤矿的煤巷掘进、防治煤与瓦斯突出、治理工作面回风隅角瓦斯积聚，以及清仓泥浆等工作中得到广泛应用。在煤矿井下，经常会遇到轨道铺设、设备检修等需要进行切割的作业。在高瓦斯等危险环境中，采用传统的热切割方法切割热效应很容易引起瓦斯爆炸。磨料水射流技术是冷态切割技术，应用于井下危险环境是安全的。该技术具有无粉尘、无火花、无热效应等优点，已在煤矿成功应用。例如，高压水射流装置用于抽放瓦斯；水射流用于辅助隧道产生裂缝、破岩和除尘；应用磨料水射流切割技术诱导顶板放顶煤；煤矿环境下用磨料水射流切割钢管，等等。这样加大了工作的安全性，也加大了经济效益的提高。
4.5高压水射流切割技术在医学领域的应用
当前在医学领域，高压水射流技术应用还不太普遍，但已经有了一定成果在这些成果中，最突出的应该是临床医学中的水射流手术刀和水射流无针注射器。这两项技术，能够
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提高医院的工作效率。比如在注射预防针类的药水时，水射流注射器在一个小时内，就可以完成 500 多人的注射工作。并且不需要更换针头，大大节省了患者和医生的时间。同时，这种注射器与注射者不会有任何接触，所以更加安全卫生，降低了疾病传染的可能性。
小 结
高压水射流切割技术在我国还是一项新的技术，由于相关切割核心理论问题及耐超高压部件制造还未完全解决，所以中国很多行业所用的高压水射流切割系统多是从外国引进的。所以相对于技术已经相对成熟的美国、日本等发达国家，我们在高压水射流切割技术的发展和创新上，还有很长路要走。尽管由于目前技术水平及经济条件原因,使高压水射流切割技术的应用受到一定的限制,但其优异的性能,能切割其他方法无法切割或不易切割材料,必将使它得到越来越广泛的应用。而且随着现代科学技术的进步,它还将朝着超高压和智能化方向发展。
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