文章就高压水射流技术的切割原理、特点、应用等方面进行了综述。随着新型材料的不断出现,水射流切割作为一项新兴的而且具有“冷”加工特性的绿色切割工艺,必将有更为广阔的应用前景。

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高压水射流切割技术综述 达明艳 (南京师范大学电自学院江苏南京 2 0 9 ) 1 0 7

[摘要]章就高压水射流技术的切割原理、特点、应用等方面进行了综述。随着新型材料的不断出现，水射流切割作为一项新兴的文 而且具有“”加工特性的绿色切割工艺，必将有更为广阔的应用前景冷[关键词]高压水射流切割原理特点应用中图分类号：T 6 G6文献标识码：A 文章编号：1 0— 1 X( 0 8 ( ) 01卜 0 0 9 9 4 2 0 )1 b一 4 l l 近二十年来，随着科学技术的不断发展，人们给液滴赋予了比自由落体运动大得多的打击能量，使漫长的滴水穿石现象在瞬间便可完成，这就是水射流。为了提高效率，人们将水加以高压，并使之从直径较小的喷嘴中喷出，形成一束高速、连续或间断的水流束，这便是高压水射流水射流加工 (a e J t u t n ) W r r e C t i g又称水喷射加工， 是利用高压高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，俗称“水刀加工”,即利用高压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。与其他高能束流2 7技术相比，水射流切割技术具有独特 H-的优越性。目前，该技术已渗透到众多的应用领域。 高压水射流切割原理下图为高压水射流切割原理图[。 储存在水箱 1中的水经过滤器 2处理后，由水泵 3抽出送至蓄能器 4中。 液压机构 5驱动增压器 6,使水压增高。高压水经控制器 7,阀门 8和喷嘴 9喷射到工件 1 0的加工部位，进行切割。切割过程中产生的切屑 和水混合在一起，排入水槽 l1。 一

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利用增压装置将水加压到几十至数百兆帕后从喷嘴中喷出形成高压水射流。高压水射流本身具有较高的刚性，在与工件发生碰撞时，会产生极高的冲击动压和涡流。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 (时可能为负值 )有，因而超高水射流表面上虽然为圆柱模型，而内部刚性高和刚性低的部分并存。刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间减少，增大了冲击强度，宏观上起快速楔劈作用；而低刚性部分相对于高刚性部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用。高速高压水射流，对切割靶物进行冲击，使其表层产生破碎和

微裂纹，水射流进入裂纹中，如楔子般将靶物劈裂、剥离，同时高速水流的冲刷将切下的碎屑带走，形成切缝。 二、高压水射流技术的发展由于压力不能无限制的提高，因此纯水射流切割应用也受到一定的限制，但通过对工作介质的改进，已经发展出了磨料射流、气包射流、间断射流、空化射流、电液脉冲射流等方法。其中，磨料加工已成为水射流加工中的一项重要技术磨料水射流是将一定数量的磨料与高压水互相混合而形成的液固 两相射流。磨料的密度较大，可以使水射流的切割能力更为集中，冲击力也就更为集中，同时磨料表面锋利的尖刃可以对切割靶物进行微切削。大大提高了射流的品质和工作效率[] 2。

热影响，因而工件不会产生热影响区和热变形、不会造成材料的组织结构变化或变质，这对加工热敏感材料如钛合金尤为有利；“水刀” 不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。所加工物料无裂缝、无毛边、无浮渣，切口小且平整，切缝可以达到很高的精度。 ( 2)适应性强，切割范围广。由于超高压水射流切割几乎“无坚不摧”,几乎没有材料和切割尺寸的限制，被誉为“万能切割机”。无论是金属类如普通钢板、不锈钢、钛、铜、铝合金等，还是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡胶、纸张及复合材料，皆可适用。 () 3生产效率高。水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低； 由于高压水经过小直径的喷嘴以后可以产生极高的能量，所以高压水射流技术的效率非常高，能够在很小的区域内集中极大的能量。 ( )可以利用计算机控制，实现自动化加工，进行三维曲面 4的复杂形状加工。 ( 5)清洁环保无污染。以水为主要介质，在加工过程中无尘， 无味，无毒，无火花，操作环境整洁，符合环保要求，符合绿色制造概念的要求。特别适合恶劣的工作环境或有防爆要求的危险工况环境使用。 四、高压水射流切割技术的应用高压水射流切割技术的发展时间虽不长，但目前应用范围己很广， 包括建材工业及装璜业、汽车制造业，航空航天业，造船业，造纸业、 皮革业仍至食品业[。 在建材工业及建筑装璜业，高压水射流技术具有其他切割技术缺少的技术优势，可用于切割大理石。花岗岩、陶

瓷、玻璃纤维，石棉等材料。可切割出复杂形状的石材拼花，切割尺寸精确，无粉尘污染， 使陶瓷地砖一改过去的单调呆板，呈现出五彩缤纷的装饰效果。且高压水射流切割中无热作用和热应力，切割后的陶瓷不会有松散现象。 在汽车制造业，用于切割仪表盘、内饰及外饰件、门板、车窗玻璃不需要模具，可提高生产线的加工柔性。 在航空航天业，用于切割硼纤维、碳纤维等复合材料，切割时不产生分层，无热聚集，工件切割边缘质量高。切割铝合金、不锈钢、钛合金、耐热合金等金属材料时，无金相变化，无热影响区，无热应力， 切缝窄，切口质量高，材料利用率高。 在食品工业，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。 在造纸工业，用于牛皮纸、波纹箱板等的分卷切条，无粉尘污染， 切割速度高。 在电子工业，用于印制电路板的轮廓切割。 在纺织工业，用于切割多层布料，可提高切割效率，减少边缘损伤。 高压水射流切割是切割加工的一项创新，它的出现改变了传统的切割方法，大大提高了切割的效率，以下两个例子能很好地说明这一点： 1.飞机发动机蜗轮叶片加工。原来加工方法及存在的问题： 需要冷剪、精铣、打磨等工序；工序多加工质量不好，易产生翘曲。加工效率低，每分钟才加工 1片。高压水射流切割及效果：采用数控自 动切割装置可以一次加工成形，加工质量良好，并且效率为原来方法 的 6倍。

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三、高压水射流切割技术的特点切割加工用的高压水射流如同一支“水箭”,速度高达音速的 2~ 3倍，这种“水箭”的锋利程度远远超过精良的刀具，可以替代常规的金属切割加工、电火花加工及线切割加工，能与激光加工相媲美、与传统的火焰切割工艺相比，它具有以下优点[] 3: ( 1)切割品质优异。水射流切割是一种先进的“态切割”冷 加工新工艺技术。水刀切割加工时几乎不产生热量，对工件材料无

2.船用锅炉薄板构件加工。原来加工方法及存在问题：放样， 机械切割，割后二次加工，工序多，费时。每件的加工时间需 l 5分钟左右水射流切割及效果：采用数控自动装置加工，不需及割后二次加工，并且每件的切割时间仅需 1分钟，仅为原来方法

的 l/l5。 影响水射流技术广泛采用的主要因素是机床比普通机械昂贵， 次性初期投资较高，而且喷嘴的成本较高，使用寿命短，因此设备成本和加工成本都较高，另外磨料水射流切割产生的废液需进行处理等[ 。综上所述高压水射流，具有较高的切除能力和效率，并且不改变加工件物理结构和化学成分，是一种十分典型的绿色制造技术。目前高压水射流切割技术正向着高效、多功能、智能化、精细化方向 一

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