水射流技术原理

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1、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系部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师xxx 年月日绪论高压下,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

2、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

3、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） 迫使高压水通过一个小孔 （直径 0.10.5smm）, 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

4、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200300MPa，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0.763mm左右。原理框图见图1-1。直接注人式的水压力 较低，约1490MPa，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

5、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f3O油箱（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）

6、 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。高圧水集水箱图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武射流窖料喷嘴水磨料射流图 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300lOOOMPa。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

7、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

8、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， 它对被切材料无选择性， 因而可以做到一机多用。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0.07

9、mm,公差可达二-厂“，光洁度 可达 2 了旳，表面平整光滑，不必二次修整,可节省材料和工时。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，可用一忙；耐磨陶瓷喷嘴，每个100元以上，可用20100h。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4

10、.1 在航天上的应用分析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

11、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 2X 1。1.8x M*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吋。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

12、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l.sm,最小修补宽度为36m。 虽然损坏的混

13、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

14、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。(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 佳值应该是喷嘴尺寸、压力和磨料粒度的函数。(4) 工作压力的选择压力是影响磨料射流切割效

15、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lOmrn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

16、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