淺談高壓水射流加工技術(shù)

摘要 本文論述了高壓水射流加工技術(shù)的起源、切割機理，并介紹了獲得高壓水射流的基本原理和應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞 高壓 水射流 切割機理

一、水射流加工技術(shù)起源

“水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，然而，作為一項獨立而完整的加工技術(shù)，高壓水射流（WJ）、磨料水射流（AWJ）的產(chǎn)生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于十九世紀七十年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們思維。直到本世紀五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項切割技術(shù)專利卻在美國產(chǎn)生，即1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水射流（WJ、AWJ）切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個方面。許多大學、公司和工廠競相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，形成了一種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設(shè)備在數(shù)十個國家?guī)资畟€行業(yè)應(yīng)用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)上更顯優(yōu)勢。已可切割500余種材料，其設(shè)備年增長率超過20%。

二、高壓水射流加工系統(tǒng)構(gòu)成與增壓原理

高壓水射流基本原理歸之為：運用液體增壓原理，通過特定的裝置（增壓口或高壓泵），將動力源（電動機）的機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴（又一換能裝置），再將壓力能轉(zhuǎn)變成動能，從而形成高速射流（WJ）。因而又常叫高速水射流。

高壓水射流系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺系統(tǒng)、集水系統(tǒng)及水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。油壓系統(tǒng)低壓油（10～30MPa）推動大活塞往復(fù)來回移動，其方向由換向閥自動控制。供水系統(tǒng)先對水進行凈化處理，并加入防銹添加劑等，然后由供水泵打出低壓水從單向閥進入高壓缸。增壓恒壓系統(tǒng)包括增壓器和蓄能器兩部分，增壓器獲得高壓原理如圖2所示，即利用大活塞與小活塞面積之差來實現(xiàn)，理論上：A大·P油=A小·P水，P出水=A大/A小·P油，增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為10：1～25：1，由此，增壓器輸出高壓水壓力可達100MPa～750MPa。由于水在400Mpa時其壓縮率達12%，因而活塞桿在走過其整個行程八分之一后才會有高壓水輸出?；钊竭_行程終端時，換向閥自動使油路改變方向，進而推動大活塞反向行進，此時高壓水在另端輸出。如果將此高壓水直接送到噴嘴，那么噴嘴出來的射流壓力將會是脈動的，而且這對管路系統(tǒng)產(chǎn)生周期性振蕩，為獲得穩(wěn)定的高壓水射流，常在增壓器和噴嘴回路之間設(shè)置一蓄能（恒壓）器，消除水壓脈動，達到恒壓之目的，常能控制脈動量在5%之內(nèi)。

三、切除與切斷機理

高速射流本身具有較高的剛性，在與靶物碰撞時，產(chǎn)生極高的沖擊動壓（P= VC）和渦流的形成，從微觀上看相對于射流平均速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)（有時可能為負值），因而高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內(nèi)部實際上存在剛性高和剛性低的部分，剛性高的部分產(chǎn)生的沖擊動壓使傳播時間也減少，增大了沖擊強度，宏觀上看起快速楔劈作用，而低剛度部分相對于高剛度部分形成了柔性空間，起吸屑、排屑作用，這兩者的結(jié)合正好象使得其切割材料時猶如一把軸向“鋸刀”加工。

高速水射流破壞材料的過程是一個動態(tài)斷裂過程，對脆性材料（如巖石）等主要是以裂紋破壞及擴散為主；而對塑性材料符合最大的拉應(yīng)力瞬時斷裂準則，即一旦材料中某點的法向拉應(yīng)力達到或超過某一臨界值 y時，該點即發(fā)生斷裂。根據(jù)彈塑性力學，動態(tài)斷裂強度與靜態(tài)斷裂強度相比要高出一個數(shù)量級左右，主要是因為動態(tài)應(yīng)力作用時間短，材料中裂紋來不及發(fā)展，因而這個動態(tài)斷裂不僅與應(yīng)力有關(guān)，還與拉伸應(yīng)力的作用時間相關(guān)。

四、高壓水射流（WJ、AWJ）切割應(yīng)用范圍

高壓水射流切割是利用具有很高動能的高速射流進行的（有時又稱為高速水射流加工）與激光、離子束、電子束一樣是屬于高能束加工范疇。高壓水射流切割作為一項高新特技術(shù)在某種意義上講是切割領(lǐng)域的一次革命，有著十分廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的成熟及某些局限的克服，對其它切割工藝是一種完美補充。目前其用途和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在難加工材料方面：如陶瓷、硬質(zhì)合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、鎢鉬鈷合金、耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、復(fù)合材料（FRM、FRP等）、鍛燒陶瓷、高速鋼（HRC30以下）、不銹鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼（HRC<30）、高硅鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程材料，高壓水射流除切割外，稍降低壓力或增大靶距和流量還可以用于清洗、破碎、表面毛化和強化處理。在美國，幾乎所有的汽車和飛機制造廠都有應(yīng)用。目前已在以下行業(yè)獲得成功應(yīng)用：汽車制造與修理、航空航天、機械加工、國防、軍工、兵器、電子電力、石油、采礦、輕工、建筑建材、核工業(yè)、化工、船舶、食品、醫(yī)療、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政工程等方面。

（作者單位：長江大學機械工程學院）

參考文獻：

[1]薛勝雄，美國的高壓水射流切割技術(shù)[J].流體機械，1996（5）.

[2]華林等，激光切割與水射流切割技術(shù)[J].機械制造，1996（3）.