高压水射流切割技术及应用浅析.doc

班级：姓名：学号：提交日期：2012年3月30日

班级10夜机电姓名学号提交日期2012.3.30 .
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高压水射流切割技术及应用浅析

毕XX
(常州工学院成人继续教育学院，10夜机电)

摘要：高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法，本文综述了高压水射流技术基本原理和其系统组成，介绍了其在工业、航天和医学等方面的应用，并对高压水射流切割技术国外的发展动向及如何发展我国的水射流切割技术,提出了几点认识。
关键词：切割；水射流技术；水射流切割；高压水射流

前言
1968年,美国密执安大学教授诺曼·弗兰兹博士首次获得水射流切割技术专利。1971年,利用该技术对做家具的硬木进行射流切割获得成功,引起了国际关注。80年代,美国又率先把水磨料射流(AWJ)切割技术推进到了实用阶段,使切割对象更为广泛。高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料,而且是冷切割工艺,因此材料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏,且免除了后序加工。尤其对特种材料,如钛合金、碳纤维材料等,其切割效果更无法比拟。目前,已有3000多套水射流切割设备在数十个。
1基本原理和系统组成
1.1基本原理
高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料[1]，而且是冷切割工艺，因此材料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏，且免除了后序加工。高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体,用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时，首先通过增压器将水压升到300～1000MPa(动能转变为压力能)，然后使高压水通过直径为0.1～0.6mm的喷嘴,以2～3倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时,如果压力超过材料的破坏强度，即可切断材料。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料切割,如纸张、皮革、木材、塑料、各种纤维材料等，进一步提高压力后可用于切割较薄的金属材料，如飞机蒙皮等。
实践中，人们发现通过在水射流中加入磨料可以大幅度提高水射流的切割能力，其原因在于磨料的密度较大，可以使水射流动能更为集中，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，含有磨料的水射流的切割情况就像砂轮一样，只不过一般砂轮的软质基体在这里被水射流代替了。
磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使水、磨料均匀混合，之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出，磨料和水流具有相同的压力和速度,，但实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后，依靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压来吸卷和加速磨料，因而磨料很难进入射流的核心而得到充分加速，即磨料很难达到水的速度，这导致能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～150目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等[2],磨料的状态有干式和湿式两种，其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵)输送式，大多数使用干式磨料，供给方式采用自吸式。
1.2系统组成
高压水射流切割系统如图1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。
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300～1000MPa。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成,其中磨料切割头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割流。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,使用一个以上的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。

图1高压水射流切割系统示意图

2高压水射流切割技术的工业应用
使用水射流技术可以实现多种操作,例如切割、脱胶、清洁、钻孔、修边、开槽以及工件表层材料的去除。工业的发展以及新材料的不断涌现对加工过程提出了新的要求。例如,在航空制造业中使用了一些特种材料,如钛合金、碳纤维复合材料、增强塑料玻璃等,这些材料用其它方法难以进行切割或存在加工质量问题。对于高强度高硬度材料(如钛合金),若采用激光切割,由于激光切割是在高温下进行的,在材料切口处会产生热影响区,热影响区对材料的性能有严重的危害,所以必须通过磨削彻底消除热影响区,增加了加工工序,