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1、封面机械制造基础课程论文高压水射流加工 摘要 当加工可燃性材料，如塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等， 以往的热切割虽然也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，但水 切割加工不会产生燃烧区和毛刺，被切割材料的物理、机械性能不发生改 变，这是水加工的一大优点；二是加工易燃易爆材料，如弹药和易燃易爆 环境内的切割，这是特点是其它加工方法无法取代的。 关键词：高压水流切割，宝石喷嘴，高压泵 人类自古就利用水流的冲击力，制成水车、水磨等水力机械。如果水流从高 压水枪中喷出，其冲击力就更大。前苏联用于采煤工业，名曰水力采煤。高速喷 出的水流受阻于煤层，速度骤然下降，顷刻间会产生足够大的冲击力，使
2、煤层出 现脆性断裂，完成采煤作业。受此启发，前苏联科学家开发出高压水喷流切割技 术，而美国公司取得了此项技术的专利权，使之商品化，从此出现高压水射流加 工技术。高压水射流加工的起源：Norman Franz 博士一直被公认为水加工之父。他是研究超高压（ UHP ） 水加工的第一人。 Franz 博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干 切割成木材的新方法。 1950 年， Franz 第一次把很重的重物放到水柱上， 迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在 使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续 的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零
3、件的寿命也以分钟计 算，而不是今天的数周或数月。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量这种能量 的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。 1979 年， Mohamed Hashish 博士 在福禄研究室工作，开始研究增加水加工切割能量的方法，以便切割金属 和其它硬质材料。 Hashish 博士被公认为加砂水刀水加工之父，他发明了 在普通水刀中添加砂料的方法。 他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料） 作为砂料。凭借这种方法，水加工（含有砂料）能够切割几乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。 1983 年，世 界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问
4、世，被用于切割汽车玻璃。该技 术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不 锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已 用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、 石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。高压水射流加工的原理 ：由于速度越快物体具有的动能就越大,水在高压下就获得了巨大的动能,由 于水流很细,所以再接触物体时动能转化成的弹力的作用点十分集中,转化而来 的弹力十分巨大,足以断石分金. 加入砂质磨料后,先在水加工作用下使得物体 接触水加工的部位发生形变,一部分淹没剂就会与物体发生摩擦,进而加速切割 物体的
5、能力和速度.因为加入砂质磨料后，水流的质量增大，高速水流具有的动 能就更大，在流速相同的情况下对外做功的本领就更大，从而切割能力大大提高。 利用超高压技术可以把普通的自来水加压到 250-400Mpa 压力，然后再通过内孔 直径约0.15-0.35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800-1000m/s的高速射流，俗 称其为水箭，该水箭具有很高的能量，可用来切割加工一些材料。要做到这点，对水、管道、喷口都有比较高的需求。如管道，水加工是用高 压工具把水加压后射出来的，必须拥有极高的压力才能把坚硬的切割材料切开， 所以管道必须能承受极高的压力，这个压力远远大于700兆帕，因为薄钢板（被 切割材料）本
6、身就能承受700兆帕的压力。其次，水加工用的水完全没有杂质是不对的。因为水压远远大于700兆帕， 那么对于管道等密封设备而言，无论密封性能多么好，纯水总会使它们磨损而渗 漏。为了解决这个问题，水加工用水就要加入 5%的可溶性乳化油，提高密封效 果。对于高压泵，也要加入一些油液提高其密封性能。上面说过了，水加工的喷嘴是用硬质合金、蓝宝石等材料做成的，喷口直 径仅0.05 毫米，而且孔内壁光滑平整，能承受1700兆帕的压力，所以喷出来的 高压水能像刀一样切割材料。有些水还加入了一些长链聚合物，如聚乙烯氧化物， 增加水的“黏度”，使喷出的水犹如一条“细线”。然而要达到超高压就要使用加压工具：泵是水加
7、工系统的核心成员。对水进 行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水加工应 用可以采用两种泵增压泵和直接驱动泵。直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗 器”一样。它是一种直接由电机驱动三个活塞产生运动的三级泵。因为其简单可 靠，这些泵得到了水加工工业的认可。直接驱动泵能够提供的最大连续工作压力 比增压泵低 10 到 25。直接驱动泵也是一种相对新型的高压泵 尽管直接驱动泵被用于某些工业应 用，目前绝大多数用于水加工的超高压泵还是增压泵。 普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和减震器。用入口水过滤系统
8、 过滤普通自来水通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过 滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是90psi保证增压器一定不能缺 水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至60000 psi。在水离开泵并通 过管道输送给切割刀头之前，会首先流经减震器。这个大容器缓冲了压力波动， 确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有减震器，将能够看到并听到水流 脉动，在被切割材料上留下印记。液压管路包括电机（25到200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。 由电机驱动液压泵。液压泵从油箱吸油，并把压力升高至3000 psi。高压油被 输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作
9、（通过把液压油输送给柱塞/活 塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复 运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油 箱的过程中得到冷却。高压水射流加工的类型：从本质上讲，有两类水加工：（ 1）纯水水加工和（ 2） 加砂水加工。设备 设计为只能使用纯水水加工、只能使用加砂水加工、或二者均可。无论何种形 式，必须首先对水加压。高压水射流加工的特点：1、可切割范围广可以切割绝大部分材料，如：金属，大理石，玻璃 等等。2、切割质量好平滑的切口，不会产生粗糙的，有毛刺的边缘。3、无热加工 因为它是采用水和磨料切割，在加工过程中不会产生热（或产生
10、极少 热量），这种效果对被热影响的材料是非常理想的。如：钛。4、环保性 这种机器采用水和沙切割，这种沙在加工过程中不会产生毒气，可直 接排出，较环保。5、无需更换刀具 你不需要更换切割机装置，一个喷嘴就可以加工不同类型的材料和形 状，节约成本和时间。6、减少毛刺 采用磨料砂的水加工切割，切口只有较少的毛刺7、编程迅速 程序主要是由 CAD 制图软件生成，你可以在 layout 中随意设计线图， 或输入从其他软件中生成的 DXF 文件，另外，机器支持第三方软件，如 nesting 嵌套排版软件（用于把图形在工件中添满，能最大限度地减少工件 损耗） .8、快速的编程 可以把其他软件生成的程序调入机
11、器， 它能够从 CAD 建立起刀具路径 并能把刀头的精确定位和切割速度在超过 2,000 点英寸（ 800 点 cm） 计算出来，你需要做的只是指定你要切割的材料和厚度，其他的工作交给 机器去完成 .9、与其他设备组合，可以进行分别操作 . 水切割机可和其他的加工设备组配（如钻削头），充分利用其性能， 优化材料利用程度 .当然水加工也有它的缺点：设备功率大； 喷嘴磨损快 ；加工表面质 量较差 ；不适合于大型零件及去除超大的毛刺加工；对软材料及弹性材料 加工不理想。高压水射流加工的应用：水加工的用途主要有三个，一是加工非可燃性材料，如大理石、磁砖、 玻璃、水泥制品等材料，这是热切割无法加工的材料
12、；二是加工可燃性材 料，如钢板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等，以往的热切割 也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，但水切割加工不会产生 燃烧区和毛刺，被切割材料的物理、机械性能不发生改变，这也是水加工 的一大优点；三是加工易燃易爆材料，如弹药和易燃易爆环境内的切割， 这是其它加工方法无法取代的。一般情况下，能够利用激光、等离子、火焰、线切割、锯、铣削等加 工方法基本满足加工工艺要求时，则不宜采用水切割加工，毕竟水切割的 运行成本较高，喷嘴、导流套、高压密封件都是进口的耗材，价格较贵。 但当您感到激光和等离子所能切割的厚度太薄，所产生的毛刺太大，所产 生的热影响区不利时，您可以考
13、虑选用水切割；当您感到火焰切割的毛刺 太大、粗糙度太差、热影响区太大时，您可以考虑选用水切割；当您感到 线切割的速度太慢，并且不能切割非导电材料时，您可以考虑选用水切割； 当您感到铣削的方法产生了许多废屑，造成了很大的浪费时，您也可以考 虑选用水切割，因为水切割不会产生废屑，而是整片切割，水切割加工割 分开的材料大多是可利用的；当您感到使用圆锯和带锯太慢，而又不能进 行非直线切割时，您照样可以考虑选用水切割；当您切割易燃易爆材料或 在易燃易爆的环境下切割时，更必须考虑选用水切割；当您切割时不想产 生毒副气体、不需二次加工、不想产生热效应或变形或微裂缝、又想产生 良好的切边品质并能同时切割细小的孔时，您更要考虑选用水切割。总之， 水切割是一种万能的切割方式，但某些场合下的使用并不是最佳的，所以 选择时要做具体分析。展望未来：不断扩大水射流加工的应用范围，由二维的切割和去毛刺加 工发展到孔加工和三维型面的加工。加大水射流加工理论的理论研究,特别是有 关水射流加工模型的建立和多相流理论的研究等。磨料水射流加工微型精密零件 和磨料水射流用于车削和铣削的研究。
