高壓水射流技術及其在航空航天中的應用研究

張艷 劉鵬 王洪倫

1，杭州市生產力促進中心 ；2，杭州市人民防空辦公室 ；3，中國人民解放軍 63796部隊

高壓水射流技術及其在航空航天中的應用研究

張艷1劉鵬2王洪倫3

1，杭州市生產力促進中心 ；2，杭州市人民防空辦公室 ；3，中國人民解放軍 63796部隊

簡要介紹了高壓水射流技術發展情況、目前工業上使用的高壓水射流方式和磨料高壓水射流系統的構造，對高壓水射流技術在航空航天上的應用進行了研究，為航空航天材料例如合金材料、復合材料等的加工切割等提供了高效穩定的作業方式。

高壓；水射流；磨料；航空航天

引言

高壓水射流是一項70年代興起，80年代末期應用的新技術、新工藝，是以射流為核心，集泵、閥、密封、液壓、自動化控制為一體的綜合學科，主要以清洗、除銹、切割為目的，目前已應用到國民經濟的各工業部門。近年來，人們通過大量的試驗和實際應用，使射流性能得到很大的提高[1,2]。水射流技術先后出現了高頻沖擊射流、共振射流、磨料射流、空化射流、脈沖射流和自振射流等形式，這些射流水壓并不高，但威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續水射流。

1 目前工業上應用的水射流方式

目前，空化射流、脈沖射流、自振射流等技術大都在試驗階段。工業上應用的主要是磨料水射流，特別是混合磨料水射流。根據加入磨料顆粒方式的不同，磨料水射流可分為后混合磨料水射流和前混合磨料水射流兩種[1]。

1.1 后混合磨料水射流。高壓水經水噴嘴形成水射流后與磨料顆粒進行混合，其系統示意圖如圖1所示。

圖1 后混合磨料水射流系統示意圖

1.2 前混合磨料水射流。前混合磨料水射流與后混合磨料水射流不同之處是磨料顆粒與水流是在形成射流之前預先進行混合的，其系統示意圖如圖2所示。

圖2 前混合磨料水射流系統示意圖

前混合磨料水射流與后混合磨料水射流混合方式相比，由于改變了磨料顆粒與水的混合機理，改善了磨料顆粒與水的混合效果，使磨料顆粒能進入水射流的核心部位，在噴嘴出口處具有更大的速度，獲得較高的能量，因而提高了射流的切割性能。

2 高壓水射流系統的構造

高壓水射流切割系統主要由高壓水發生裝置、磨料供給裝置、噴槍及工作臺裝置等組成[1]。

2.1 高壓水發生裝置。由高壓水泵、安全閥、調壓閥、自動卸荷閥和電動機（或汽油機）等組成，所有部件集成在一起。當系統的壓力超出調定壓力時，卸荷閥自動打開可實現自動卸荷。

2.2 磨料供給系統。后混合磨料水射流供給系統比較簡單，主要由磨料筒和磨料進管組成。前混合水射流磨料供給系統由高壓磨料罐體、流化器、磨料截止閥、混合腔、節流閥等部件組成。

2.3 噴槍。后混合磨料水射流噴嘴結構比較復雜，由磨料噴嘴和水噴嘴組成，磨料與水在噴嘴混合腔內混合。前混合磨料水射流噴嘴為組合式結構，由噴嘴體和噴嘴套組成。

2.4 工作臺裝置。采用交流伺服電動機驅動的二維數控運動系統帶動噴嘴組件(噴槍)，實現自動切割。

3 高壓水射流技術在航空航天上的應用研究

高壓水射流技術在航空航天上主要用于切割加工，具有以下特點[3,4]：切割材料不受限制；切割時不產生熱量，不變形，無熱效應；可進行任意曲線切割加工和打孔，不需要模具，靈活方便；切縫小，切割表面平整、不需或易于二次加工；不會產生有毒氣體，不會帶來新的工業污染。

在航空航天制造業上，人造衛星、火箭及航天飛機等飛行器材料的基本要求是：材質輕、強度高、剛度好，同時要有極高的可靠性和質量保證。不僅材料的選擇重要，它們的切割加工同樣重要。

水射流技術在航空航天上主要應用在有以下幾個方面：

3.1 金屬與合金材料的切割。目前，航空航天用金屬與合金材料包括結構鋼、不銹鋼、變形高溫合金、鑄造高溫合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金等[5-7]。這些材料，如果用機械切割或激光切割等方法加工就會產生熱量，引起材料受損或變形，進而影響飛機、火箭等飛行器的強度。高壓水射流作為唯一的一種“冷切割”手段，不會產生熱量，非常適合這種材料的切割。據有關研究，后混合磨料水射流系統壓力達到300MPa時，就可以快速切割60mm厚的鈦合金或者80mm厚的不銹鋼。

3.2 復合材料的切割加工。復合材料由于密度低也被大量地用于航空航天器[8-11]。復合材料除具有比剛度大、比強度大、抗疲勞性能好等特點外，還具有另外一個顯著的特征，就是它具有可設計性和具有與結構的一致性。但復合材料層間剪切強度較低，用普通刀具切割加工，經常發生層間分層，邊緣部位粗糙等問題。試驗表明，高壓水射流用于切割碳纖維基等復合材料時，切割表面都比較光滑，不會出現上述問題。

3.3 有機非金屬材料的切割加工。塑料，橡膠，纖維等有機非金屬材料在航空制造業中應用較多，在航天領域的火箭、航天器和地面設備上也廣泛應用。磨料水射流在較低的壓力下就能達到良好的切割效果。

3.4 無機非金屬材料的切割加工。機窗玻璃、夾膠玻璃、金屬陶瓷等特種無機非金屬材料在航空航天制造業中也具有廣泛應用。這些材料比較脆，普通切割不能達到很好的切割效果，而高壓水射流技術能很好地達到切割目的。

此外，用高壓水射流清洗的功能來除污除銹也開始應用到航空航天行業中。

4 結語

高壓水射流技術近年來得到突飛猛進的發展，因為它和其它加工技術相比，具有操作簡便、作業質量高、材料利用率高、工作環境好，易實現自動控制等優點。隨著水射流技術的發展，將會有越來越多的水射流作業形式應用到航空航天行業，為我國航空航天事業的發展做出重大貢獻。

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[5]樂秀衛. 航天飛行器用新材料的現狀與發展趨勢[J]. 上海有色金屬，1995（2）：104-112

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[8]Ramulu M.Jenkins M.G. Abrasive water jet machining mechanisms in continuous-fiber ceramic composites. Composites Technology & Research.2001 Vol(23)No.2:54-58

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.021