高壓水射流切割技術及在航空制造和維修中的應用

摘 要：該文介紹了高壓水射流切割技術的基本概念、工作原理、技術特點、同其他典型切割方法的技術比較以及這項技術的最新發展動向，并根據其技術特點和技術優勢介紹了高壓水射流切割技術在航空制造和維修領域的應用情況。

關鍵詞：高壓水射流 切割技術 航空制造維修

中圖分類號：TG356 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0056-02

1 什么是高壓水射流切割技術

高壓水射流切割技術簡稱水切割（以下同），又稱為水刀，即以水為刀。作為一種冷切割工藝，這項技術于20世紀70年代在美國發展起來，用以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性材料。隨著現代裝備制造業及數控技術的日新月異，水切割技術近年來也得到了飛速發展，并以其獨有的優勢在眾多領域得到廣泛的應用。

1.1 工作原理

水切割是把普通的水經過發生器（增壓系統）將壓力提升到幾十至幾百MPa，然后再通過內孔極小的束流噴嘴（直徑約0.15～0.35 mm）噴射形成每秒近千米的高速水射流，利用這種高速水射流的動能對工件的沖擊破壞作用，達到切割成型的目的。

1.2 技術特點

水切割技術主要有以下幾個特點：（1）是真正的冷態切割。因為采用水和磨料切割，加工過程中基本不產生熱效應，工件無受熱變形，不會改變物理和化學性質，受熱影響大的材料比如鈦尤其適用。（2）可切割范圍廣。不論是金屬還是非金屬材料幾乎都可以切割，如不銹鋼、銅、鋁、各種合金、陶瓷、玻璃、復合材料等，而且不受厚度限制。（3）切割精度高。切割面整齊平滑，不會在切割過程中使被切割物體有任何損傷，可以完成許多切割工具無法實現的切割作業；割縫極小，可以降低材料浪費率。（4）適應性好。生產效率高，切割可從工件上任意點開始，向任意方向進行，結合數控技術CNC可實現復雜形狀工件的批量生產。而且一個噴嘴可以加工不同類型的材料和形狀，無需更換刀具，節省了時間和成本，提高了生產效率。（5）安全性和環保性高。切割過程中不產生有毒煙霧，而且無火花、無熱效應、振動小，是安全環保的切割工藝，特別適合有特殊要求的危險作業環境。

2 同其他切割方法的技術比較

同其他切割方法比較，水切割有著自身獨特的優勢。

2.1 與激光切割比較

激光切割是一種非常先進的切割技術，其切割速度快、精度高，但局限性在于多用于薄鋼板、部分非金屬材料的切割，而且切割時在切縫處會引起熱效應，對鋁、銅等有色金屬、合金切割效果不理想，對厚度較大的金屬板材，切割速度慢，甚至無法切割。水切割幾乎適用各種材料，切割厚度大，無熱效應，基本沒有激光切割的局限。但水切割的切割速度沒有激光切割快。

2.2 與等離子切割比較

等離子切割是利用高溫等離子電弧進行切割，熱效應明顯，精度不高，切割過程產生大量有毒煙氣，環保性差。屬于冷態切割的水切割，不產生熱變形，切割精度好，安全環保。

2.3 與線切割比較

線切割屬電加工范疇，對金屬加工有很高的精度。缺點是只能切割導電的金屬材料，且速度慢、效率低，有時需要提前在工件上打出工藝孔，用來穿絲，切割用的電極絲易斷，而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制，切割速度快、效率高，加工尺寸可選余地大。

2.4 與其他傳統切割方法比較

火焰切割常用于金屬板材的切割，與水切割相比其熱效應明顯、切割表面質量和精度較差，一般需要二次加工；沖剪加工，效率高、速度快，一般適用于大批量的小件加工，缺點是需要特定的模具和刀具，而且很難或無法對厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形狀、厚度、硬度等的影響，通用性更好。

3 高壓水射流切割技術的發展動向

3.1 “水切割”數控機床的出現，使加工的定位精度、切割速度和補償間隙，都得到了極大的提高通過采用高精度測量器具檢測機床的幾何精度，并給予精度修正，可以制造出高精度的水切割設備。

3.2 斜度切割由于五軸控制技術的出現而得以實現

原理是在原有X、Y、Z三軸平臺的基礎上，增加兩個旋轉軸，使噴嘴可向任意方向擺動，并利用在系統中預先設置的斜度模型，通過對切割軌跡的實時分析及計算，再考慮對被切工件的材料與厚度進行修正，在切割過程中不斷擺動切割頭，使得切割出來的工件達到完美的斜度（或角度）。

3.3 六軸水切割即空間曲線水切割系統，俗稱“機器人水刀”，具備更高的靈活性，而且切割精度更高，可以切割任意空間曲線

目前，這項技術已趨成熟，在空間曲線構件的加工上得到了廣泛應用。

3.4 影響水切割切割能力的主要參數是壓力和輸出流量，水射流能量越大，切割效果越好

提高系統壓力可以使切割能力得到增強，但同時會帶來許多技術難題，相比之下，增加系統的流量會容易一些。另外，在壓力不變的情況下，采用多增壓器并聯技術提高射流的功率，同樣可使切割能力得到提高，增大噴嘴口徑進行切割，水射流有效切割能量更大，效果更好。

4 高壓水射流切割技術在航空制造和維修中的應用

隨著航空工業的迅猛發展，各種新材料、新工藝、新結構得到廣泛采用，因此迫切需要尋求制造和維修的新方法。對于飛機上各種合金材料和復合材料切割精度和切割時應有的熱度等都有很高的要求。而水切割技術，以其切割精度高、適用材料廣、切割厚度大以及特有的冷態切割不會產生熱變形等優勢，可以在航空制造和維修中得到廣泛的應用。

（1）飛機的機身多采用鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金及碳纖維材料制成，針對這些材質部件的制造，可以應用大型水切割機，采用大功率高壓系統、五軸控制切割頭進行切割加工。

（2）飛機內飾、座椅等部件多采用鋁合金、工程塑料制作承重部分，采用泡沫塑料為襯墊，用化纖織品、皮革、人造革為包皮，可采用機器人水刀（六軸控制）、中小功率高壓系統，純水切割頭進行切割加工。

（3）飛機門窗以及內隔屏等都采用玻璃和夾膠玻璃制成。可采用中小型切割機，小功率高壓系統，通用水切割頭或水切割加工中心進行切割加工。

（4）在飛機結構戰傷搶修領域，應用水切割技術可以快速切除損傷、變形的結構，并且獲得光滑、美觀、無損傷的邊緣，為實施修復創造施工條件，節省寶貴時間。用在戰傷搶修中可采用便攜式水切割機和小型化的、可用于損傷部位的運動控制和執行系統。

（5）在飛機修理中，利用高壓水切割的噴流清洗，是一種非常理想的表面涂層消除方法。對于飛機機體和結構部件 ，其表面噴涂了各種合金、陶瓷涂層，在對其表面重新加工前，必須清除原有涂層，相比傳統磨削、浸酸等方法，用高壓水射流清除，可控制清除深度、不損傷表面，而且大量節省修理時間。

5 結語

近年來，高壓水射流切割技術不斷成熟和發展，相關設備的國家標準已于2011年正式執行。隨著技術創新的持續升級、應用領域的進一步深入拓展、專業認知度的不斷提高，高壓水射流切割技術憑借其獨有的優勢，必將在各個行業，尤其在航空制造和維修領域發揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1] 孫家駿.水射流切割技術[M].中國礦大出版社，2007.

[2] 黃業平.水切割技術回顧與展望[C]//中國機械工程學會機械傳動專業學會機構學專業委員會.2009.