水射流技術(shù)原理

1、河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 河南機(jī)電高等專科學(xué)校先進(jìn)制造技術(shù)課程論文論文題目：水射流切割的技術(shù)原理、設(shè)備、技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用分析系 部： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： xxx年 月 日緒 論高壓下,由噴嘴發(fā)出的高速水射流,具有很大的能量,足以切割堅(jiān)硬的材料(包括金屬和非金屬);如果向水射流中加入某種固體硬顆粒,則稱為磨料水射流,它具有更大的能量,可以切割更硬更厚的材料,這就是水射流切割技術(shù)的簡(jiǎn)單描述。盡管早在古代,人們就已懂得“滴水穿石”的道理,然而直本世紀(jì)60年代,才真正把這個(gè)簡(jiǎn)單原理變成水射流切割工業(yè)技術(shù);而磨料水射流技術(shù)的應(yīng)用,還不到10年時(shí)間,所以這是一項(xiàng)新興技術(shù)。然

2、而,近年來發(fā)展很快,迄今全世界已有幾十個(gè)國(guó)家,共擁有大約2000個(gè)水射流切割系統(tǒng)。盡管如此,當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)仍處于初級(jí)發(fā)展階段,技術(shù)尚不成熟,在理論與實(shí)踐方面,都有許多空白,有待填補(bǔ)。這項(xiàng)技術(shù)起步較晚的原因在于,它涉及到超高壓技術(shù),因而對(duì)材料、制造工藝、設(shè)計(jì)方法、理論分析、控制手段、經(jīng)濟(jì)承受力等提出了嚴(yán)格要求。開發(fā)和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù),與一個(gè)國(guó)家的綜合發(fā)展水平和國(guó)力強(qiáng)弱有密切關(guān)系。我國(guó)已在近年里,逐漸開展研究和應(yīng)用,尤其在理論研究方面,已取得許多成果,但在制造技術(shù)方面,卻有較大差距,有待解決。多年的實(shí)踐證明,水射流切割技術(shù),獨(dú)具特點(diǎn),是現(xiàn)代機(jī)械加工及技術(shù)發(fā)展中不可缺少的組成部分,具有很強(qiáng)的生命力,必須充

3、分予以重視,有計(jì)劃地研究、開發(fā)和應(yīng)用。 現(xiàn)代的高壓水射流切割作為一門高新特技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多，如超高壓理論、流體動(dòng)力學(xué)、特種材料、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、制造工藝學(xué)、高壓密封技術(shù)、自動(dòng)控制理論等現(xiàn)代科技內(nèi)容，其自身是一種標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電液一體化產(chǎn)品，其卓越的應(yīng)用效果更集中體現(xiàn)在高科技產(chǎn)品制造上。某種意義上講，水射流技術(shù)的研究與應(yīng)用也成為了一個(gè)國(guó)家綜合科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志。第一章 水射流切割技術(shù)原理水射流切割技術(shù)的基本原理是將少量的水加壓到極高的壓力(高于380MP)迫使高壓水通過一個(gè)小孔(直徑0.10.5smm),以高速?zèng)_擊工件,速度可達(dá)約915m/S(視壓力而定)。高壓水柱使工件迅速被沖蝕。如

4、果水柱與工件有相對(duì)移動(dòng)時(shí),就可對(duì)工件進(jìn)行切割加工,切縫很小,僅稍大于小孔直徑。在高壓水中加人顆粒磨料,能大大增強(qiáng)對(duì)材料的磨蝕能力,可以切割堅(jiān)硬和細(xì)密的材料,這種切割方式稱為水磨料切割(AwJC)。添加磨料的水射流切割又分為夾帶式和直接式兩種方式,夾帶式一般是在高壓條件下工作約200300MPa,常用磨料是金鋼砂。將磨料定量地注人到噴水孔下一個(gè)混合室內(nèi),高壓水流與磨料混合后進(jìn)入切割噴嘴,對(duì)準(zhǔn)工件噴射切割,割縫一般在0.763mm左右。原理框圖見圖1-1。直接注人式的水壓力較低,約1490MPa,常用磨料采用銅渣,它與夾帶式的區(qū)別主要在于磨料是在一個(gè)中間容器內(nèi)與水混合,經(jīng)混合的料懸浮液和水通過一根

5、軟管直接送到切割噴嘴進(jìn)行切割,原理框圖見圖1-2。它可在離電源500m遠(yuǎn)的地方或水下進(jìn)行切割,并且可降低能耗,節(jié)省磨料。 圖1-1 夾帶式水墨料切割原理圖 圖1-2直接注入式水墨切割原理圖第二章 高壓水射流切割技術(shù)的設(shè)備2.1 水射流切割的設(shè)備組成 高壓水射流切割設(shè)備的基本構(gòu)成如下2-1圖，通常是由以下幾部分組成：2-1高壓水射流切割設(shè)組成（1）高壓水發(fā)生裝置（包括給水裝置、增壓器$高壓泵和蓄壓等）（2）割槍組合件（包括噴嘴等）（3）割槍驅(qū)動(dòng)裝置（包括數(shù)控裝置$機(jī)器人等）（4）其他裝置（如集水器或集水槽、磨料儲(chǔ)罐及供給裝置、水過濾裝置等）高壓水射流切割的類型不同，其設(shè)備的實(shí)際構(gòu)成不完全相同。比

6、如：純水型高壓水射流切割設(shè)備的構(gòu)成，如圖2-2。圖2-2純水型高壓水射流切割設(shè)備構(gòu)成2.2系統(tǒng)組成高壓水射流切割系統(tǒng)如圖2-3所示,主要包括增壓系統(tǒng)、磨料供應(yīng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等,通常還要配置一鋼筋混凝土工作臺(tái)。圖2-3 高壓水射流切割系統(tǒng)原理圖圖2-4 磨料射流切割頭增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是高壓泵或增壓器。往復(fù)壓縮式增壓器在液壓系統(tǒng)提供的高壓油作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng),把水壓增大到3001000MPa。在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器。磨料供應(yīng)系統(tǒng)(圖略)主要由磨料流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和磨料切割頭構(gòu)成,其中磨料切割頭(圖2-4)是超高壓射流切割的核心,其工作原理是:高壓水經(jīng)過高壓管和水噴嘴至混合腔,與此同時(shí),

7、磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混合腔與水混合,再經(jīng)磨料噴嘴噴射形成兩相磨料射流即把超高壓水變成高壓的切流。在人工或計(jì)算機(jī)控制下,控制系統(tǒng)移動(dòng)工件或切割頭,完成所要求的切割過程。簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制裝置是一個(gè)安裝在手動(dòng)機(jī)構(gòu)上的固定切割頭現(xiàn)已采用5軸或6軸等復(fù)雜的多軸數(shù)控系統(tǒng),使用一個(gè)以上切割頭同時(shí)切割復(fù)雜的外形。大多數(shù)高壓水射流切割系統(tǒng)都裝有接收器,既可消除高速射流穿透材料后的射流能量,同時(shí)可降低噪聲。另外還附有一些安全裝置,以防高壓水管與各種接頭的破裂等。第三章. 技術(shù)特點(diǎn)水射流切割之所以具有強(qiáng)大生命力,是由于它與傳統(tǒng)切割工藝相比,獨(dú)具許多優(yōu)點(diǎn)：a)因?yàn)槭抢淝懈?對(duì)材料無熱損傷,也無熱變形。這對(duì)

8、許多高性能或熱敏感材料尤為可貴。這是其它加工方法，如火焰、激光、等離子、鋸切等所無可比擬的?？梢哉f,它對(duì)被切材料無選擇性,因而可以做到一機(jī)多用。b)具有很強(qiáng)的切割力,可切斷180mm厚的鋼板、250mm厚的鈦板、470層每層厚達(dá)65mm的石墨環(huán)氧樹脂合成板、5mm厚的石材或混凝土等。c）因?yàn)槭屈c(diǎn)能源切割,切割反力很小,只有十幾公斤,因而便全方位自由切割形狀復(fù)雜的工件,便于 自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)柔性加工。d)切口質(zhì)量好且窄,最小切口寬只有0.07mm,公差可達(dá),光潔度可達(dá)表面平整光滑,不必二次修整,可節(jié)省材料和工時(shí)。e)因?yàn)槭菨穹ㄇ懈?無粉塵、煙霧、火花、氣味等,屬于清潔安全切割,勞動(dòng)條件好,噪音不超

9、過9dB。f）生產(chǎn)效率高,一套系統(tǒng)可配置多噴嘴同時(shí)作業(yè),工件可一次達(dá)到尺寸要求。g)可在水中或幾百米深的水下切割。目前，這種技術(shù)問題就是投資太大。而且噴嘴磨損也仍待解決,如純水切割用的人造寶石噴嘴每個(gè)40元,可用100左右；但磨料切用的碳化鎢噴嘴,每個(gè)60元,可用；耐磨陶瓷噴嘴,每個(gè)100元以上,可用20100h。切割很薄的延展性材料,易彎曲或出現(xiàn)飛邊,宜疊層切割第四章. 應(yīng)用實(shí)例分析及說明4.1 在航天上的應(yīng)用分析現(xiàn)在有幾十個(gè)國(guó)家的數(shù)百家工廠應(yīng)用水射流和磨料水射流加工。使用這種技術(shù)的工業(yè)部門有汽車、宇航/防御等。航空航天應(yīng)用包括：切割先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu),蜂窩夾層結(jié)構(gòu),欽、鎳、鉆、耐熱合金和機(jī)翼

10、零件。由于不存在層裂和熱損壞,同時(shí)也由于加工費(fèi)用減少,磨料水射流切割可與其它常規(guī)切割工藝媲美。經(jīng)水射流切割的航空航天結(jié)構(gòu),其邊緣比常規(guī)技術(shù)切割的邊緣好得多,疲勞壽命也長(zhǎng)。如果使用150目的磨料粒度,疲勞壽命可提高50%以上,但切割速度要相應(yīng)地降低。LTv宇航/防御公司在FIOW公司的幫助下開發(fā)出5軸水射流系統(tǒng)。射流能跟蹤復(fù)材料零件的形狀、整體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和蜂窩加強(qiáng)板。射流能一次切割116mm厚的復(fù)合材料板和142mm厚的鋁板而無熱影響區(qū)。使用100目的磨料粒度和Pa壓力。該系統(tǒng)能切割12.7mm厚的石墨/環(huán)氧復(fù)合材料和欽,切割表面粗糙度為317、6,35 。從1980年以來,洛克希德宇航系統(tǒng)公司一

11、直使用水射流切割,目前使用磨料水射流切割金屬基和樹脂基復(fù)合材料、鋁、鋼、欽,能干凈地切割3.2mm石墨/環(huán)氧復(fù)合材料,且無熱影響區(qū)和熱變形問題。最近的應(yīng)用是,切割sic或晶須增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的戰(zhàn)斗機(jī)垂直安定面。切割安定面的肋僅需14min,還包括切削孔。麥道飛機(jī)公司使用門式機(jī)器人水射流和ASI公司的磨料水射流系統(tǒng)來切割復(fù)合材料和欽,所需時(shí)間為常規(guī)工藝的1/5,由于略去了費(fèi)用高的和不耐磨的刀具,如金剛石鉆頭及夾緊裝置,降低了生產(chǎn)成本；切割F/舟8飛機(jī)機(jī)翼蒙皮,寫常短工藝相比,切割時(shí)間由2h減少到29min。4.2 磨料水射流切割技術(shù)在高速公路修復(fù)中的應(yīng)用4.2.1 補(bǔ)范圍的確定修補(bǔ)范圍將所有的重要

12、病害包括在內(nèi)。為了保證將所有不堅(jiān)固混凝土包括在選定的修補(bǔ)范圍之內(nèi),一般要將邊界擴(kuò)展到離可見病害以6處,間隔0.6m的2個(gè)修補(bǔ)區(qū)應(yīng)合并成為一個(gè)修補(bǔ)區(qū)。邊界位置還取決于載荷傳遞水平,修補(bǔ)區(qū)應(yīng)足夠大以避免修補(bǔ)區(qū)擴(kuò)散和縱向開裂。最小修補(bǔ)長(zhǎng)度為1.sm,最小修補(bǔ)寬度為36m。雖然損壞的混凝土往往是不規(guī)則的,但為了避免因?yàn)閼?yīng)力集中和收縮不均勻引起的2次開裂和破壞,損壞的切割區(qū)域外型要切割成規(guī)則的矩形和方型,避免切割成不規(guī)則的幾何形狀。4.2.2切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用的磨料射流切割系統(tǒng),高壓泵可以由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),并安裝在輕便的卡車或者拖車上,以便能隨意調(diào)動(dòng),增加系統(tǒng)的靈活性。切割噴嘴固定在車上,車可以在高速公

13、路上行駛,噴嘴可以上下移動(dòng),以調(diào)節(jié)靶距,根據(jù)車的行駛速度可以改變噴嘴的行走速度。高壓泵和切割牽引車之間用柔性高壓軟管連接,這樣可以增加系統(tǒng)的靈活性。為了防止軟管爆裂時(shí)傷及操作者,軟管外要附加防爆耐磨層。4.2.3磨料種類和切割參數(shù)的選擇(1)磨料種類的選擇根據(jù)日本大成建設(shè)機(jī)械部給野勒衙的研究成果,在各種磨料中石榴石有著最優(yōu)異的切割性能,因?yàn)樗戎卮?、?qiáng)度高,是切割混凝土最理想的材料。雖然黃沙的切割效果不如石榴石,但考慮到經(jīng)濟(jì)性,黃沙不僅便宜,而且在建筑工地上很容易得到,并且切割后回收可以作為混凝土的細(xì)集料繼續(xù)使用,因此黃沙也可以用來作切割混凝土路面的磨料一。磨料粒徑以36目最為合適。(2)影響

14、磨料射流切割深度的主要參數(shù)磨料流量、靶距、切割壓力、行走速度。(3)磨料流量的選擇根據(jù)美國(guó)流體公司M.哈西斯的研究結(jié)果,磨料流量的最佳值應(yīng)該是噴嘴尺寸、壓力和磨料粒度的函數(shù)。 (4)工作壓力的選擇壓力是影響磨料射流切割效果最主要的參數(shù)之一,研究表明,要切割混凝土,磨料射流壓力的有一個(gè)最小值,當(dāng)工作壓力小于這個(gè)值時(shí),混凝土不能被切割,通常稱這個(gè)最小壓力為門限壓力。當(dāng)壓力大于門限壓力時(shí),在其他參數(shù)不變的條件下,壓力與切割深度的關(guān)系幾乎是線形的。能夠有效地切除棍凝土的壓力最小為30MPa。(5)靶距的選擇研究表明,當(dāng)靶距在5一IOmm時(shí)切割深度基本不變;當(dāng)靶距大于10mrn時(shí)切割深度急劇卞降。因此靶

15、距可以在5一10mm之間選擇。(6)行走速度的選擇當(dāng)切割過程中其他參數(shù)一定的情況下。行走速度增大,切割深度下降。4.3超高壓水射流切割技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用“數(shù)控水刀”切割的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),在食品加工中很有實(shí)用價(jià)值。“數(shù)控水刀”用數(shù)控裝置可控制其切割的速度和切割線路,可切割各種食物,切割介質(zhì)除了水外還可用酒精或甘油等,可純水切割也可加磨料(如鹽、糖)切割?！皵?shù)控水刀”切割食物,食品的營(yíng)養(yǎng)和功能成分損失少,可最大限度保持食品的營(yíng)養(yǎng),提高加工產(chǎn)品質(zhì)量。用/數(shù)控水刀0切食品其斷面將更加光滑,而且形狀規(guī)整,也可以切出特殊的形狀,作為新的產(chǎn)品造型。如果安裝到食品加工生產(chǎn)線上,可代替或部分代替面刀、鋸條等,可以

16、利用它的特性方便地改變某些食品的加工面貌并開發(fā)出食品處理設(shè)備新產(chǎn)品。水射流切割技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例如下所述。4.3.1 餅狀食品(如蛋糕、面包等)切割生產(chǎn)線如圖4-1所示為國(guó)外已開發(fā)的用“數(shù)控水刀”切割蛋糕、面包等生產(chǎn)線。該設(shè)備適用于成批生產(chǎn)的食品廠。該食品處理設(shè)備以超高壓水束作為切割工具,壓力為3773MPa,水束直徑為01080146mm。在切割過程中,約70%的水被汽化,其余的水通過收集槽可重新使用。這種切割系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)來控制,通過預(yù)先輸入指令,可以對(duì)食品進(jìn)行復(fù)雜的外形加工或分割。由于該食品處理設(shè)備不需要用金屬刀片,也就是說不需要刃磨工具,因此加工成本低。此外,在切割過程中無噪聲

17、,生產(chǎn)過程清潔,無污染。圖4-1 “數(shù)控水刀”切割蛋糕、面包等生產(chǎn)線3.2 肉類等切片與分割的數(shù)控超高壓水射流切割生產(chǎn)線圖4-2 用于肉類切割的水刀切割系統(tǒng)生產(chǎn)線圖4-3 水刀切割肉類制品肉類、禽類和魚類等加工中需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的工序?qū)γ恳黄膺M(jìn)行分析并修整、切割成相同的尺寸或重量。如圖4-2、4-3所示為國(guó)外已開發(fā)的適用于肉制品等切片與分割的機(jī)器人噴射水刀切割系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了3D激光掃描儀,強(qiáng)大的計(jì)算分析軟件和X-Y雙軸機(jī)器人噴射水刀。用“數(shù)控水刀”切割新鮮的肉制品時(shí),可連骨質(zhì)、皮和纖維等一齊切斷,不留碎骨殘端,而且較少溢血。使用數(shù)控超高壓水刀切割肉制品時(shí),并不會(huì)造成細(xì)菌傳播,同時(shí)也無使

18、用傳統(tǒng)刀具切割時(shí),由于刀具磨損有磨利刀具的停機(jī)時(shí)間,因此水刀切割時(shí),生產(chǎn)率高。4.4 磨料水射流切割技術(shù)在機(jī)械檢修中的應(yīng)用 20世紀(jì)50年代初,我國(guó)首次在開灤唐家莊煤礦成功使用了水槍落煤，使得這項(xiàng)技術(shù)在煤礦開采中得到逐步應(yīng)用。但是煤礦的自然條件差，地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯?jié)舛雀?，煤與瓦斯突出、煤層自然發(fā)火、煤塵爆炸等災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。因此，高壓水射流技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，在我國(guó)煤礦的煤巷掘進(jìn)、防治煤與瓦斯突出、治理工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚，以及清倉(cāng)泥漿等工作中得到廣泛應(yīng)用。在煤礦井下，經(jīng)常會(huì)遇到軌道鋪設(shè)、設(shè)備檢修等需要進(jìn)行切割的作業(yè)。在高瓦斯等危險(xiǎn)環(huán)境中，采用傳統(tǒng)的熱切割方法切割熱效應(yīng)很容易引起瓦斯爆炸。

19、磨料水射流技術(shù)是冷態(tài)切割技術(shù)，應(yīng)用于井下危險(xiǎn)環(huán)境是安全的。該技術(shù)具有無粉塵、無火花、無熱效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在煤礦成功應(yīng)用。例如，高壓水射流裝置用于抽放瓦斯；水射流用于輔助隧道產(chǎn)生裂縫、破巖和除塵；應(yīng)用磨料水射流切割技術(shù)誘導(dǎo)頂板放頂煤；煤礦環(huán)境下用磨料水射流切割鋼管，等等。這樣加大了工作的安全性，也加大了經(jīng)濟(jì)效益的提高。4.5高壓水射流切割技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高壓水射流技術(shù)應(yīng)用還不太普遍，但已經(jīng)有了一定成果在這些成果中，最突出的應(yīng)該是臨床醫(yī)學(xué)中的水射流手術(shù)刀和水射流無針注射器。這兩項(xiàng)技術(shù)，能夠提高醫(yī)院的工作效率。比如在注射預(yù)防針類的藥水時(shí)，水射流注射器在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，就可以完成 500 多人的注射工作。并且不需要更換針頭，大大節(jié)省了患者和醫(yī)生的時(shí)間。同時(shí)，這種注射器與注射者不會(huì)有任何接觸，所以更加安全衛(wèi)生，降低了疾病傳染的可能性。小 結(jié) 高壓水射流切割技術(shù)在我國(guó)還是一項(xiàng)新的技術(shù)，由于相關(guān)切割核心理論問題及耐超高壓部