高压水射流切割技术研究

先进制造技术课程大作业2013年10月高压水射流切割技术研究刘玉坤天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2013级硕士生摘要：水射流切割，又称水刀切割，是一种利用高压水流切割的机器。在电脑的控制下能任意雕琢工件，而且受材料质地影响小。因为其成本低，易操作，良品率又高，水切割正成为工业切割技术方面的主流切割方式。关键词：水刀切割高压工艺参数0前言水刀是一种利用高压水射流进行切割材料的设备。利用超高压技术可以把普通的水加压到250~400MPa，然后再通过内径约0.15~0.25mm的宝石喷嘴形成速度为800~1000m/s的高速射流，从而切割软基性材料。如果在水射流中加入适量的磨料，则几乎可以用来切割所有的软硬材料。除切割功能外，通过调整压力和流量，水射流还可以用于清洗各种物体，如除胶、除漆、除锈等。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸气，表面不留任何机械变形，具有冷切割、清洁、精度高和材料损耗低等优点，在航空航天、汽车制造、金属加工、电子工程等领域中有着广泛的应用[1]。现在水刀被认为是世界上功能最多样、增长速度最快的一种加工技术，与其他技术如铣床、激光、EDM、等离子和刨床等相辅相成。高压水射流切割的分类：以加沙的情况来分：分为无沙切割和加沙切割。以设备来分：分为大型水切割和小型水切割。以压力来分：分为高压型和低压型，一般以100MPa为界限。100MPa以上为高压型，100MPa以下为低压型。而200MPa以上为超高压型。以技术原理来分：分为前混式和后混式。高压水射流切割的特点：1）数控成型各种复杂图案；2）属冷切割、不产生热变形；3）无污染、不产生有毒气体及粉尘；4）可加工高硬度或比较柔软的材料；5）是一些复合材料，易碎瓷材料复杂加工的唯一手段；6）切口光滑、无熔渣，无需二次加工；7）可一次完成钻孔、切割、成型工作；8）生产成本低；9）自动化程度高；10）24小时连续工作。1国内外发展现状1.1国外发展现状NormanFranz博士一直被公认为水刀之父。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，并能够切割木头和其它材料。最初在20世纪70年代,由现美国的IngersollRand公司在Alton建立了第一套工业应用装置,由两台增压器供给喷嘴280MPa、350MPa的高压水,喷头相对于靶件上下移动,用于家具的外形切割。随着对系统功能的不断22013年10月刘玉坤：高压水射流切割技术研究改进与完善及计算机自动控制系统的成功应用,发展到今天,压力可达到500MPa,可切割的材料也扩展到包括轻工、食品、建筑装潢、航空、机械等多种行业。。在近期的水射流会议上,水切割的研究已经占了相当大的比例。1.2国内发展现状20世纪末，水切割技术引入我国，经历了近5年的市场应用及设备的改良，主要应用于建筑陶瓷、石材、金属加工、汽车工业、航空航天、军工、石油化工等行业并得到良好的发展。21世纪初期，针对水切割技术在市场应用中出现的相关问题以及技术单一性，便携式水切割技术应运而生。水射流切割技术以其诸多的优点得到了越来越广泛的应用,同时也展现了不同的发展趋势,目前的产品生产越来越向多品种、大批量、高精度的方向发展,很多行业的加工工艺在逐渐地被水切割所代替。总之,水射流切割技术必将作为一门新兴的综合学科形成国际化产业。2高压水射流切割技术的基本原理和工业应用2.1基本原理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011～016mm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。喷嘴常用人造宝石、陶瓷、碳化钨等耐磨材料制作。该加工方法分为两类:一类是以水作为能量载体,也叫纯水射流切割,它的结构较简单,喷嘴磨损慢,但切割能力较低,适于切割软材料;另一类是以水和磨料(磨料约占90%)的混合液作为能量载体,也叫磨料射流切割,由于射流加入磨料,大大提高切割功效,即在相同切割速度下,磨料射流切割的压力可以大大降低,并极大地拓宽了切割范围,但喷嘴磨损快,且结构较复杂,适于切割硬材料。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,大数使用干式磨料,供给方式采用自吸式。2.2高压水射流技术的工业应用2.2.1汽车工业加工各种非金属材料,如仪表板、地毯、石棉刹车衬垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料燃气箱等,以及其他内外组件的成形切割。2.2.2航空工业可切割特种材料,如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片,叶片的切割边缘无热影响区和加工硬化现象,省去了后序加工。2.2.3铸造工业铸造工厂可用水射流切割技术去除工件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等。同时,可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。2.2.4电子及电脑工业可以进行印刷电路板及薄膜形状的成形切割。2.2.5其他工业水射流和磨料射流切割技术还可在其他工业加工中应用,如用于建筑业中切割大理石、花岗岩、陶瓷等,造纸业中加工成品纸卷、瓦楞纸、卫生纸等,木材业中加工胶合板、木板等。32013年10月刘玉坤：高压水射流切割技术研究3高压水射流技术的系统结构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[3]。图1高压水射流切割系统示意图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。磨料供应系统主要由磨料流量调节系图2磨料射流切割头统和磨料切割头构成,其中图2中的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。4高压水射流技术的发展前景作为一种新技术,高压水射流切割有着十分广阔的应用前景，正朝着超高压、大功率、智能化、多用途、高精度的方向发展，涉及的领域从采矿工业、煤炭、建筑、机械等领域发展到航空航天、医疗等领域。目前水射流技术正在向自动化、便携式方向发展，是人们的生活更加方便。参考文献[1]费修莹,胡善明,费隽明.真正的冷加工——水刀切割[J].金属加工:冷加工,2008(3):37-38.[2]王维德.水射流切割技术的发展[J].国外金属矿山,19(6):66-70.[3]和俊红,王新利,洪飞.浅析现代先进制造技术——水刀切割[J].2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编,2010.[4]朱派龙,周锦进.高压水射流切割技术原理和应用前景[J].电加工,1997(6):1-6.[5]刘丽萍,王祝炜.高压水射流切割技术及应用[J].农业机械学报,2000,31(5):118-120.[6]张运祺.高压水射流切割原理及其应用[J].武汉工业大学学报,1994,16(4):13-18.[7]郭新,张西正,徐晓莹,等.水刀技术及其在医学领域的应用[J].医疗卫生装备,2009,30(7):34-36.[8]陈波,程轶伦.“水刀”在金属加工领域的应用[J].焊接,2006,9:009.