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水射流加工技术

一、基础介绍

高压水射流技术是近几十年来发展起来的一门新技术，其应用日趋广泛。

从原理上讲，它与我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股水射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。

所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。

水力采煤中使用的水压通常为5~15MPa，水枪出口直径为15~30mm；而高压水射的水压一般为30MPa以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在2mm以下，最小的可达0.1mm。

因此，高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如1000MPa的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌[1]。

图0-1为高压水射流切割系统示意图。

由低压泵站2产生的低压水在增压器3增压后，经高压胶管传送到喷嘴4形成高压水射流。

数控箱6操作喷嘴移动，从而完成各种切割作业。

切割后的废液经回收处理后排放。

由此可见，高压水射流系统一般由压力源，喷嘴及其控制装置以及连接它们的高压管路和其他附属装置所组成。

1.1高压水射流技术的发展概况

自古以来，人们总把水比作柔弱，把岩石比作坚硬。

然而，水滴石穿却正是柔弱的水穿透坚硬岩石的现象。

在大雨中飞行的飞机被雨滴侵蚀的所谓“雨蚀”现象也是柔能克刚的实例。

然而，过去人们都是以消极的态度来研究如何防止高速水流的侵蚀，没有或很少采取积极的态度来研究如何利用高速水流为人类做功而已。

19世纪中叶，在北美洲第一次使用了高压水射流开采非固结的矿床。

在20世纪50年代，苏联和中国的水力采煤就是利用水射流的冲击和输送作用。

随着水力采煤技术的推广，人们开始对高压水射流技术产生了浓厚的兴趣，同时也认识到，提高水的压力适当减小喷嘴直径可以显著地提高水射流的落煤效果。

于是人们便开始研制较高压力的压力源（高压泵和增压器）及高压脉冲射流（俗称水炮）。

进入20世纪60年代大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了高压水射流的研究工作。

当时，部分学者片面认为好像高压水射流的压力越高越好。

日本研制出了1700MPa的增压器，苏联和美国研制出了压力高达5600MPa的脉冲射流发生器。

到了20世纪70年代末，高压水射流技术领域又出现了一个值得分析的新动向，即从单一提高水射流压力的观点开始转向到研究如何提高和充分发挥水射流的威力这方面研究。

开始出现高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力的普通连续水射流。

进入20世纪80年代，磨料射流、空化射流、气水射流的发展，使高压水射流技术推向一个新的阶段。

同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论、切割机理等方面进行研究。

高压水射流技术的应用范围也由单纯的采矿工业扩大到航空、建筑、化工、冶金、市政工程、纺织、金属切割及医学等领域。

高压水射流作为一种良好的切割、破碎及清洗除垢的工具，已被人们所公认，一大批高压水射流切割机、采煤机、掘进机、打桩机和多种形式的多用途的清洗除垢机已投入市场。

1972年英国流体动力学研究协会（BHRA）组织了第一次国际水射流切割技术会议，以后每两年举行一次，至今已召开了八次。

另外美国和日本等国也成立了自己的水射流学会，并邀请国外学者定期召开国际会议，这些国际会议大大推动了世界各国水射流技术的发展。

我国高压水射流技术的研究是继水力采煤技术之后，从20世纪70年代开始的，经过20年来的研究和实践，取得了很大进展，开发出了一批新技术和新产品。

研究领域也由开始的煤炭工业领域发展到石油、冶金、化工、建筑、航空及医学领域，有的在国际上还处于先进水平。

我国从1979年开始每两年召开一次全国水射流技术讨论会，出版了《高压水射流》杂志。

1987年在北京召开了第一届环太平洋国际水射流会议，此后第二届、第三届会议分别在新加坡和中国台湾召开。

为发展我国水射流技术起到了巨大地推动作用。

回顾高压水射流技术的发展概况，大体上可分为四个阶段。

即20世纪60年代初期的探索试验阶段，主要为低压水射流采矿；20世纪60年代初至70年代初为基础设备研制和攻关阶段，主要研制高压泵、增压器和高压管件及推广高压水射流清洗技术；20世纪70年代初至80年代初为工业试验及工业应用阶段，主要特点是大量的高压水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世并进行了工业试验，其应用领域也由采矿发展到其他领域；80年代以来是高压水射流技术迅速发展阶段，主要特点是高压水射流技术的研究进一步深化，磨料射流、空化射流等新型水射流发展更快，许多产品已达到商品化。

1.2高压水射流分类

1.淹没射流和非淹没射流

按射流介质与射流周围介质来分，射流可以分为淹没射流和非淹没射流两种。

对于水射流而言，水射流在水中或其他液体中喷射时称作淹没水射流；在空气中喷射时为非淹没水射流。

2.定常射流和非定常射流

按射流水力学特性，高压水射流又可分为定常射流和非定常射流两种。

定常射流的特点是射流的各个断面上的流体力学特性不随时间而变化，仅为位置的函数；非定常射流则与此相反，射流各断面上的流体力学特性不仅随其位置变化而变化，而且随时间而变化。

定常射流一定是连续射流，而非定常射流可以是连续射流，也可以是非连续射流。

3.连续射流、冲击射流和混合射流

按射流对物料的施载特性，高压水射流又可分为连续射流、冲击射流和混合射流三种。

其对物料的施载特性如图0-2所示。

1）连续射流：

该种射流对物料施载开始时有一个短时的冲击峰值压力，随之而来的是长期的稳定的较低的压力。

这种射流只有冲击峰值压以后的稳定压力才具有代表性。

该种射流常用切割和清洗物料。

2）冲击射流：

其对物料的施载特点是产生一个只持续较短时间的压力峰值，这时只有峰值压力才具有代表性。

高速水滴冲击和脉冲水射流可以看作是冲击施载方式。

3）混合射流：

介于上述两种极端的施载方法之间的称作混合射流。

其施载特点是冲击压力和稳定压力相结合。

含有空化气泡的连续水射流（空化射流）在其连续稳定施载的同时伴随着空化作用的冲击施载。

具有一定长度的液柱间断射流，其施载过程为一冲击压力加上一段稳定压力。

稳定压力维持的时间与柱状液滴的速度和大小有关。

在实际工程中，要实现前两种极端的施载方式是很困难的。

对于通常的连续水射流来讲，高压柱塞泵的柱塞及阀门的作用将产生一定的压力波动，必然影响其稳定施载，只是这种压力波动不太大，频率不太高，可近似地看作稳定施载而已[2]。

另外实现单颗液珠施载更为困难，因为液珠不能太小，而体积较大的液珠又与具有一定长度的液柱的施载相似，属于混合施载，因此，连续施载和冲击施载只能是近似地。

4.单相射流与多相射流

按射流本身介质来分，高压水射流又可分为单相和多相射流。

常见的纯水射流包括加有高分子聚合物的水射流都属于单相水射流。

混有固体磨料微粒的磨料射流及混有微小冰块的冰水射流属于固液两相射流，混有空化气泡的空化射流属于气液两相射流。

1.3高压水射流的特点

高压水射流技术之所以能得到突飞猛进的发展，是由于它与其他加工方法相比具有一些列的优点，充分发挥高压水射流的优势，是我国研究高压水射流技术的宗旨。

高压水射流技术的主要优点有：

（1）高压水射流工作时有降温、灭尘、润滑等作用。

对于煤矿采掘机械来说，水射流除参与切割、提高采掘能力之外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损、提高寿命，并能降低采掘工作面粉尘，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。

同时还消除在一些精密加工中产生的温度应力及变形现象。

（2）高压水射流的工作介质是水，不但丰富易取而且便宜。

这就为高压水射流技术提供了与其他加工方式的竞争力。

（3）高压水射流对被切削物的作用力集中在射流喷射方向，其横向分力非常小。

因而，可以对质地较软的物料或多层复合材料进行精密切割，不仅消除了机械刀具切割时产生的切口变形或分层现象，而且还可以得到非常平整的切口。

（4）高压水射流工作过的水还具有冲运切屑的功能，不必专设排屑装置。

这对于钻孔和采矿等作业来说非常有利。

（5）通过调节高压水射流的压力及流量，可以方便地改变水射流的工作条件，以适应不同的作业要求。

（6）高压水射流的工作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，并且可以从被切赫物料的任何部位开始切割出各种复杂的形状。

利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作，如拆除废旧核反应堆的混泥土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。

（7）高压水射流整套装置体积不大，可以装在汽车上进行远距离操作和野外作业。

高压水射流技术虽然有以上的优点，但还存在着以下一些问题，限制了它的推广应用，有待于进一步研究解决。

高压水射流技术的主要缺点有：

（1）高压水射流的喷嘴虽然很小，但压力很高，所需功率很大[4]，如2mm的喷嘴在压力为50MPa时射流功率近50kw，目前在很多工程作业中，由于种种原因，水射流的能量没有得到充分利用，导致其切割破碎物料的比能较高，严重影响水射流的经济效益。

（2）高压水射流切割时，水滴的飞溅不仅影响工作环境的可视度而且浪费掉一些能量，甚至被加工物表面残留大量的水，增加工作面湿度。

（3）一些高压水射流部件还不太过关，如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴、高压管件等，这些问题不同程度地限制了高压水射流技术的进一步推广，也是各国学者今后研究的方向。

二、加工技术

2.1水射流加工类型

2.1.1.纯水型

纯水型仅利用纯净水增压后从喷嘴喷出的高速水射流进行加工。

如图2a所示。

纯水型加工能力较低，只适用于加工软质材料。

但设备较简单，消耗物少，操作成本低。

所用水压在20~400MPa之间。

2.1.2.高压加磨料型

高压加磨料型的原理如图2b所示。

高压水和磨料分别用管道输送至割枪，在割枪的混合室内混合后，随高压水从磨料喷嘴喷出。

切割所用的水压力通常在100~400MPa之间[3]。

2.1.3.低压加磨料型

低压加磨料型的原理如图2c所示。

水和磨料预先在加压储罐内进行混合，然后在混合好的、带磨料的液浆用于管子直接送至割枪的喷嘴喷出进行加工。

所使用的压力较低，通常在20~100MPa之间[3]。

与高压加磨料型相比，低压加磨料型具有如下特点：

（1）由于压力较低，液浆可使用柔性管子输送到割枪，故割枪能远离高压泵装置，给加工带来方便。

同时低压水泵的成本低。

（2）对设备要求不像高压型那样严格，因浆液中水量大于磨料量，喷嘴的磨耗大为减小，对水源要求也较低，咸水或淡水都可以使用、喷嘴对中度也不像高压型要求严格，而且对工件的不平整也不那么敏感。

（3）结构较简单，可以采用柴油机驱动整个机组，故没有电源的地方也可以使用。

（4）由于磨料悬浮在水中并用软管输送至喷嘴，消除了高压型因干料受潮使磨料在管道中堵塞问题。

（5）能以同样的速度进行切割加工。

更换喷嘴也能用于喷砂作业。

（6）因压力低，能量不足，不适用于深水作业。

对切割某些贵重材料时切口较宽，切割面较粗糙是其不足之处。

2.2水射流加工设备和装置

2.2.1设备的基本组成

设备的基本组成通常有下列几部分，水射流加工的类型不同，其组成也不完全相同。

（1）高压水发生装置（包括给水装置、增压器、高压泵和蓄压器等）。

（2）枪及喷嘴

（3）枪的驱动装置

（4）其他装置（包括集水器、磨料储罐、水过滤装置等）。

2.2.1.1纯水型水射流加工设备

纯水型水射流加工设备较为简单。

图3所示为其构成简图。

目前这种切割设备所用的最高水压为343MPa。

2.2.1.2高压加磨料型水射流加工设备

高压加磨料型和纯水型不同之处，前者附设有磨料罐和磨料供给装置。

其设备组成如图4所示。

图中所示两种供给磨料方式。

一种为干式，即由磨料供给斗以粉末形态供给；另一种为浆液式，是磨料与水预先混和成浆液供给。

高压加磨料型其磨料原则上是利用割枪内水喷嘴喷出的水射流造成的负压，带入水流中加以混合后进行加工的。

2.2.1.3低压加磨料型水射流加工设备

低压加磨料型水射流加工设备如图2c所示。

与高压加磨料型相差不大，只是压力较低一些，磨料供应需要预混装置。

2.2.2高压水发生装置

水射流加工设备中高压水发生装置是重要部件。

现在用于水射流加工的高压水发生装置常用柱塞泵和增压泵。

柱塞泵通常只能用于压力196MPa以下射流加工，不适用于要求超高压力的场合。

增压泵高压水发生装置可获得比柱塞泵高的水压。

现在水射流加工中水压力在98~392MPa的场合经常使用增压泵。

2.2.3枪和喷嘴

枪和喷嘴是水射流加工影响质量和效率的关键部件之一。

图5所示为三种类型水射流加工用的枪体和喷嘴组件的基本结构，其中纯水型加工用的结构最简单，喷嘴孔可采用直筒形。

喷嘴大都采用金刚石或宝蓝石制造。

喷嘴孔径通常为0.1~0.5mm。

高压加磨料型加工用的枪体结构较复杂，由多个部件组成。

其中水喷嘴的材质和孔径可与纯水型相同。

而磨料喷嘴孔会受到磨料的磨损。

为了延长其寿命，保持水射流长期稳定地喷出，常使用碳化钨等硬质合金制造。

同时喷嘴孔道采用两段式结构，上部为锥度缓慢变化的圆锥体，下部为直筒形孔道，且孔道长道较长[5]。

这些孔道的设计要考虑磨损余量，喷嘴孔径通常为1~2mm。

低压加磨料型加工用的喷嘴由于高压水与磨料预先混匀后直接输送到枪中，虽然水压力较低，喷嘴材料也要用碳化钨等硬质合金。

喷嘴孔道也成两段式，但圆锥体段较短。

喷嘴孔径比高压加磨料型要大，在水压力约为35MPa时，通常孔径为2~3mm。

2.2.4枪体驱动装置

水射流加工基本上都采用全自动化，主要是数控装置和机器人。

这既是提高切割质量、精度和效率的需要，也是有利于安全生产。

在加工小尺寸零件时也有采用光电跟踪装置的。

2.2.5水处理装置

水射流加工可以使用管道水，但水中所含悬浮物质和溶解的无机物对高压泵、增压泵以及喷嘴的使用寿命有很大影响，故水在送入高压泵之前须进行净化处理。

水处理装置包括过滤、化学处理和缓冲/过滤装置。

利用过滤装置将粒度大于0.45μm的悬浮物从水中滤去，再利用离子交换法或反渗透法进行化学处理以除去水中的其他化合物。

在纯水型水射流设备进行加工时，还要在高压水送至喷嘴之前，经过缓冲/过滤装置，把残存的微粒除去。

2.2.6集水槽

集水槽置于加工工作台下面，其功能是回收喷射水和磨料。

纯水型和加磨型加工用的集水槽，结构上有所不同，加磨料型的结构要耐磨损，并能回收磨料。

通常在集水槽中放入金属球以缓冲吸收加工后水射流剩余的能量，另外集水槽还要考虑消声和磨料飞散的问题。

2.3水射流加工的工艺要求

2.3.1高压水压力

水射流加工无论是纯水型或加磨料型其加工能力与高水压成正比关系。

水射流切割加工时，当工件材质和割枪一定，高压水喷射压力存在一个临界值。

压力低于临界值就不能实现切割。

此临界值与切割材料的抗拉强度成线性正比关系。

实际切割是从材料表面打孔起割。

高压水压力增大，打孔所需时间就相对缩短。

低压加磨料型水射流切割由于压力低就不适用于深水中切割。

2.3.2切割速度

水射流切割速度与切割厚度一般成反比关系，即切割速度大，切割厚度减小。

反之，当板厚一定时，切割速度存在一个极限值，速度高于此极限值就不能实现切割。

实验表明，水射流切割低碳钢和不锈钢，二者切割速度基本相同。

而切割铝合金的速度要快1倍。

最佳速度约为极限切割速度值的2/3.切割速度过快或过慢切口质量都降低。

2.3.3喷嘴孔径与喷嘴位置

喷嘴孔径大，高压水流量也大，切割能力也相应提高[5]。

喷嘴孔径与切割厚度大致成线性正比关系。

但喷嘴孔径增大，切口宽度增大，精度降低。

喷嘴距工件高度对切割能力和质量都有很大影响。

一般以2mm为合适高度。

太高不仅切割能力下降，切口质量也下降。

喷嘴一般与加割工件表面垂直，只有切削、剥离加工时才使喷嘴倾斜。

2.3.4磨料

加磨料水射流加工时，磨料对中工能力有很大影响。

以下介绍磨料的种类、粒度、供给量对加工工艺的影响，对这些方面的研究正在不断深入。

2.3.4.1磨料种类

一般认为磨料的硬度与切削加工能力成正比。

实践证明，当磨料硬度高于某临界值时，切割加工能力出现突变性的提高。

而有些硬度高的磨料如石英砂、金刚石等，它们硬度高低不同，但切割能力并未因硬度升高而增大。

切割加工能力取决于磨料的颗粒结构和韧性。

尖角状的磨料比圆角形具有较好的切削力，韧性好的磨料在被粉碎之前比脆性磨粒能保持较长时间的切削刃，故切割加工能力较好。

例如铜炉渣，其硬度低于金刚砂，但因具有尖锐的棱角，其切割速率反比金刚砂快30%。

高压加磨料型水射流切割所用磨料常用拓榴石、燧石、石英砂和铸铁砂等。

而低压加磨料型水射流切割所用磨料常用氧化铝粉。

2.3.4.2磨料粒度

磨料粒度对水射流切割加工能力也有很大影响。

如使用拓榴石在其粒度小于200μm时，随粒度增大，切割能力也提高[6]。

当粒度大于200μm时，切割加工能力反而降低，这可能时因为粒度增大，在供给量固定的条件下，与材料相冲击的磨粒数量减少，而且磨粒尺寸过大，其质量也大，故不能用水射流充分加速。

因此磨料粒度要恰当。

用拓榴石磨料平均粒度以200μm为最合适，磨料粒度与切割加工面光洁度也有关，磨料粒度较细光洁度较好。

选用时要根据工件要求全面考虑。

2.3.4.3磨料供给量

通常认为，磨料供给量与切割加工能力成正比关系[6]。

实际上，在混合室一定的条件下，磨料供给量也存在一极限值，超过此极限值再增加供给量反而会使切割加工能力降低，而且，磨料增加，成本上升。

2.4水射流加工技术的应用

2.4.1切割

水射流加工技术目前在切割工艺中应用较多，主要用在汽车制造、石油化工、航空航天、建筑、造船、造纸、皮革及食品等工业部门。

纯水型水射流加工设备主要适用于切割橡胶、布、纸、木板、皮革、泡沫塑料、玻璃、毛织品、地毯、碳纤维织物、纤维增强材料和其他层压材料等。

加磨料型设备主要适用于切割对热敏感的金属材料、硬质合金、表面堆焊硬化层的零件、外包或内衬异种金属和非金属材料的钢质容器和管子、陶瓷、钢筋混凝土、花岗岩及各种复合材料等[7]。

2.4.2其他应用

（1）水射流可用于在各种材料上打孔。

比钻头打孔加工速度快。

如在厚25mm铝板上打一个孔仅需30秒。

纯水型可用于打印刷线路上的小孔，加磨料型适用于软、硬材料。

如航空航天工业已用在碳纤维合成材料模板上打孔。

（2）利用水射流可在各种材料上开凹槽。

如用于堆焊开槽、用以固定另一个零件的开槽以及加工窄间隙焊接接头的坡口等。

（3）用水射流对热敏感金属焊接接头进行背面清根或者清除焊缝中的裂纹等缺陷，相比用火焰或电弧刨削等热加工方法，可免除裂纹在加工过程中继续扩展的危险。

（4）采用水射流对焊趾进行整形加工，比采用砂轮打磨或电弧重熔工艺整形速率快，对提高焊缝的疲劳寿命十分有效。

2.4.3水射流成套技术的工程应用实例

图1所示为沈阳航空航天大学为黎明航空发动机公司设计制造的高压水射流清砂机，整套设备主要由工作装置、传动装置、水枪、压力装置及水处理装置五大部分组成[8]。

（1）工作装置由大小转盘附属构件组成；

（2）传动装置由电动机、联轴器、减速器、电磁离合器以及支架等组成；

（3）水枪由喷嘴及移动装置等组成；

（4）压力装置由高压泵组、蓄能器、控制器等组成；

（5）水处理装置由回收水槽、滤水池、软化水装置等组成。

该设备不仅降低了清砂工序的成本，而且是得单晶叶片的清砂质量得到保证，生产效率也得到提高，工作稳定、可靠，使用寿命较长。

图2所示为沈阳航空航天大学为北京航空材料研究所设计制造的高压水射流脱芯机床，用于单晶叶片的陶瓷型芯去除工序。

脱芯机床以高压水枪发射出的高压水射流冲击铸件内部的软化后陶瓷型芯以达到脱芯的目的。

设备运行时，通过箱体内的模具夹持叶片，靠2组专用快速夹紧装置实现固定夹紧，此时，通过移动箱体和水枪的相对位置来对正叶片内的型芯[8]。

图3所示为沈阳航空航天大学为北京航空材料研究所设计制造的数控高压水射流脱芯机床，整套设备主要由数控系统、传动系统、工作装置、压力系统及水处理装置五大部分组成[8]。

（1）数控系统采用华中数控提供的数控操作系统；

（2）传动系统由XYZ三坐标移动装置组成；

（3）工作装置由水枪及其移动系统、叶片夹持机构、工作室等组成；

（4）压力装置由高压泵组、蓄能器、控制器等组成；

（5）水处理装置由回收槽、滤水池、软化水装置等组成。

通过此设备的应用，极大地提高了脱芯工序的效率，此设备数控编程简单，脱芯时定位精确，脱芯效果好，取得了很好的经济效益。

参考文献

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