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制造业的一枝奇葩——高压水射流加工技术

注意：本论文已在《机械设计与制造工程》(1999，3:1～2)杂志发表，
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大连理工大学 赵伟 刘晓冰 朱派龙

摘要 论述了高压水射流加工技术的起源、切割机理，并介绍了获得高压水射流的基本原理和应用范围。
关键词 高压 水射流 切割机理

A Exciting Flower of Manufacturing——High Pressure Water Jet Cutting Technology

Zhao Wei Liu Xiaobing Zhu Pailong

Abstract This paper tells the origin and cutting mechanism of water jet cutting technology, and introduces fundamental of getting high pressure water jet and its application .
Key words: high pressure; water jet; cutting mechanism

1. 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，其设备年增长率超过20％。

2.高压水射流加工系统构成与增压原理

高压水射流基本原理归之为：运用液体增压原理，通过特定的装置（增压口或高压泵）,将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。

高压水射流系统见图1，主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。油压系统低压油(10～30MPa)推动大活塞往复来回移动，其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理，并加入防锈添加剂等，然后由供水泵打出低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分，增压器获得高压原理如图2所示，即利用大活塞与小活塞面积之差来实现，理论上：A_大·P_油=A_小·P_水, P_出水=A_大/A_小·P_油, 增压比即大活塞与小活塞面积之比，通常为10：1～25：1，由此，增压器输出高压水压力可达100MPa~750MPa。由于水在400Mpa时其压缩率达12％，因而活塞杆在走过其整个行程八分之一后才会有高压水输出。活塞到达行程终端时，换向阀自动使油路改变方向(图中虚线箭头所示)，进而推动大活塞反向行进，此时高压水在另端输出。如果将此高压水直接送到喷嘴，那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的(图3中虚线)，而且这对管路系统产生周期性振荡，为获得稳定的高压水射流，常在增压器和喷嘴回路之间设置一蓄能(恒压)器，消除水压脉动，达到恒压之目的，常能控制脉动量在5％之内(图3实线)。

3. 切除与切断机理

高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰撞时，产生极高的冲击动压(P=ρVC)和涡流的形成，从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值)，因而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分，刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。

高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程，对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩散为主；而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则，即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值σ_y时，该点即发生断裂。根据弹塑性力学，动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因而这个动态断裂不仅与应力有关，还与拉伸应力的作用时间相关。

4.高压水射流(WJ、AWJ)切割应用范围

高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克服，对其它切割工艺是一种完美补充。目前其用途和优势主要体现在难加工材料方面：如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、耐热合金、钛合金、耐蚀合金、复合材料（FRM、FRP等）、锻烧陶瓷、高速钢（HRC30以下）、不锈钢、高锰钢、模具钢和马氏体钢（HRC<30）、高硅铸铁、可锻铸铁等一般工程材料，高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于清洗、破碎、表面毛化和强化处理。在美国，几乎所有的汽车和飞机制造厂都有应用。目前已在以下行业获得成功应用：汽车制造与修理、航空航天、机械加工、国防、军工、兵器、电子电力、石油、采矿、轻工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、医疗、林业、农业、市政工程等方面。

1.薛胜雄，美国的高压水射流切割技术，《流体机械》 1996，No.5

2.华林等，激光切割与水射流切割技术，《机械制造》 1996，No.3

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