水射流研究現(xiàn)狀

1、水滴石穿”的實(shí)質(zhì)是微小的沖量對時(shí)間的積分。高壓水射流加工技術(shù)正是利用相同的原理，把動(dòng)量加大，縮短時(shí)間，達(dá)到斷石、斷鐵、切割的目的。人們在很早的時(shí)間就開始利用很高壓力的水進(jìn)行材料的加工和切割。1870年前后，美國在加利福尼亞的金礦中用增壓后的水流開采礦石，俄國人也曾用水采煤。在上世紀(jì)60年代，密蘇里大學(xué)林業(yè)系的諾曼弗朗茲教授發(fā)明了高壓水射流的切割實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的核心是一個(gè)單缸增壓器，壓力可以達(dá)到344.7MPa(s000opsi),用這樣的高壓水可以來切割木材。這一裝置引起包括著名的依格所爾公司在內(nèi)的許多壓力設(shè)備制造商和研究單位的興趣。1971年第一臺(tái)商用水切割試驗(yàn)機(jī)在杰克遜的阿爾頓紙品公司投

2、入應(yīng)用，用于切割層壓紙管，其厚度達(dá)到12.7mln(0.sin),并且可以在紙管上切出各種形狀。高壓水切割技術(shù)的真正的商品化應(yīng)用是上世紀(jì)80年代初洛克韋爾飛機(jī)公司用水切割機(jī)來切割BI轟炸機(jī)的欽合金零件，可以節(jié)約成本50%。目前許多國外的公司用高壓水切割各種材料，甚至用于軍艦制造。高壓水除用于切割之外，還可用于除銹、清洗，以及建筑與道路施工等方面，涉及到造船、航空、汽車、機(jī)械制造、輕工、城建等許多行業(yè)。1987年洛克希德航空系統(tǒng)公司開發(fā)了四軸水切割機(jī)器人，用于石墨增強(qiáng)樹脂、欽合金板材以及薄壁大口徑管材的切割。依格所爾公司的水切割系統(tǒng)與ASES的機(jī)器人組合成汽車工業(yè)機(jī)器人，在瑞典得到應(yīng)用，切割汽車

3、車頭的襯里、門板和地毯。在軍工上，美國人應(yīng)用高壓水切割軍艦用異型橡膠零件，以及潛艇外貼降噪橡膠層。高壓水射流技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用開始于上世紀(jì)80年代，并隨著國際上水射流理論的成熟和成功的商業(yè)化，國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)也不斷地加深，很多的專家學(xué)者52,對此開展了大量的研究和探討，把國內(nèi)的高壓水射流切割技術(shù)不斷推進(jìn)。新型射流的應(yīng)用和研究得到很快的發(fā)展，在落煤、破巖、船舶除銹、噴射鉆井、機(jī)場除膠和除漆等得到極為迅速的推廣。2高壓水射流切割工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用高壓水射流切割技術(shù)之所以能夠迅速地在實(shí)踐中得到應(yīng)用和關(guān)注，是與其具備鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，能夠滿足日益增長社會(huì)生產(chǎn)的需求分不開的。水射流加工是一種現(xiàn)代的有別于傳

4、統(tǒng)的加工方式。有兩種類型：純水射流(，厄terjet)和磨料水射流(Abrasive研/aterjet)。水射流從切割紙板開始，到今天能廣泛地應(yīng)用于各種軟硬材料，包括紙、食物、玻璃纖維、絕緣材料、塑料和復(fù)合材料。在WJ的切割過程中，切割是超聲速的沖蝕過程。WJ與AWJ的主要區(qū)別在于提高切割能力的一種磨料介質(zhì)。在高科技日益發(fā)展的社會(huì)中，只有創(chuàng)新才會(huì)發(fā)展。高壓水射流切割技術(shù)開拓了一個(gè)大連理工大學(xué)碩卜學(xué)位論文新的特種加工領(lǐng)域，可以輕松應(yīng)對那些新奇的因?yàn)闊嵊绊懞蜋C(jī)械性能約束而不能切割的材料。AWJ磨料水射流可以廣泛地應(yīng)用于材料的加工，如：欽金屬、鋼、銅、鋁、石材、玻璃和其他復(fù)合材料。AWJ還可以彌補(bǔ)其

5、他加工方法的不足。使用AWJ預(yù)開孔可以提高EDM(放電加工)的性能，其可以擴(kuò)展EDM和激光加工對某些惰性和非傳導(dǎo)材料的加工能力。由于AWJ的反沖力較小，因此對易碎脆性材料的AWJ加工不必?fù)?dān)心變形和破碎。高壓水射流既不同于傳統(tǒng)加工的銃、包1J、磨、削，也有別于一般的剪切和沖裁。它屬于高能切割。高壓水射流切割就是把高壓水射流的動(dòng)能作為切割能，對材料進(jìn)行沖蝕和擠壓、破壞，以達(dá)到切割的目的的一種新工藝。圖1一2是高壓水射流的工作示意圖。水射流切割機(jī)包括四個(gè)基本組成部分：壓力發(fā)生裝置提供切割動(dòng)能，如：高強(qiáng)度的加壓泵、蓄能器：水供給裝置，如過濾器、輸送管線；切割裝置，如：控制閥門、噴嘴等；回收裝置等。有的

6、還具備精確控制裝置；磨料供給裝置等。具體結(jié)構(gòu)將在以后詳細(xì)闡述。人連理工人學(xué)碩L學(xué)位論文器運(yùn)行時(shí)發(fā)生不正常磨損，影響使用壽命。特別是有些機(jī)械零件上的深小孔內(nèi)壁毛刺難以去除。目前國內(nèi)外先后研制了超聲波、電解、氫氧爆炸、流體塑料冷擠壓等多種工藝和設(shè)備，但去除效果不甚理想，成本也較高。自從200MPa以上壓力的超高水射流設(shè)備研制成功后，為解決小孔去除毛刺的問題開辟了新的途徑。隨著水射流技術(shù)的不斷發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)的理論研究也逐漸深入。人們首先認(rèn)識(shí)到射流必須具備一定的壓力，即要超過被加工材料的門限壓力(thresholdpressure),另外,AWJ加工誤差取決與一系列參數(shù)，從磨料供給量到工件的厚度。切割

7、的質(zhì)量在采礦、碎石等應(yīng)用上沒有足夠的重視。隨著其他精確切割方式的采用，切割質(zhì)量的要求和切割能力、效率上都需要不斷地發(fā)展、進(jìn)步。于是，水射流技術(shù)也出現(xiàn)新的動(dòng)向。即從單純提高水射流的射流壓力轉(zhuǎn)向研究提高水射流的總體沖擊效果(如沖蝕量、射流打擊能量等)，從而相繼出現(xiàn)了新型射流，脈沖射流、空化射流，提高對被加工工件的刮削、沖蝕和擠壓，以提高水射流的切割能力。然而，高壓水射流系統(tǒng)仍不是盡善盡美的，還存在如下的缺點(diǎn)：1、高硬度的材料，諸如鋼、金屬陶瓷、高強(qiáng)度復(fù)合材料、堅(jiān)硬的巖石純水射流不能切害U;而磨料水射流存在噴嘴磨損和切割成本大的問題。2、高壓水射流的設(shè)備成本比其他切割方法高。3、在一些應(yīng)用中，與激光

8、切割、等離子弧切割、線電極電火花切割等方法比較，存在進(jìn)給速率低、加工精度差等不足。4、在切割過程中，影響切割質(zhì)量的參數(shù)多，條件復(fù)雜，有時(shí)切割導(dǎo)致斷面分層和條紋。表1-1表示出水射流切割金屬材料的某些特點(diǎn)和與其他切割法的比較。3國內(nèi)外高壓水射流技術(shù)的發(fā)展高壓水射流(HighPressurewate6ets)己經(jīng)被工業(yè)領(lǐng)域看作標(biāo)準(zhǔn)的切割工具。許多非金屬材料都可以采用水射流迅速而有效地切割。在造紙、服裝、建材、塑料、玻璃纖維和中等硬度巖石采礦都使用水射流切割。它的巨大潛力和前景一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就引起各國的高度重視。工業(yè)發(fā)達(dá)國家不惜投入巨額資金，資助開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。目前，在美國、日本、英國成立射流行業(yè)協(xié)會(huì)，定

9、期舉辦國際交流，出版刊物，制定標(biāo)準(zhǔn)，積極促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。中國勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)水射流技術(shù)專業(yè)委員會(huì)秘書處設(shè)立在石油大學(xué)。目前，世界上的水射流技術(shù)組織有：英國流體技術(shù)研究協(xié)會(huì)(BHRG);日本水射流協(xié)會(huì)(ISWJT);美國水射流技術(shù)協(xié)會(huì)(WJI'A)等行業(yè)組織；主辦刊物有JetNewS,IntemationalJoumalofWaterJetTeehnology等。許多有關(guān)水射流技術(shù)的手冊，技術(shù)資料、數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。國際上還舉辦了二十幾次的國際射流學(xué)術(shù)會(huì)議，為國際間對射流技術(shù)的交流和發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。其中著名的交流活動(dòng)有：(l)國際水射流切割技術(shù)會(huì)議1972年召開第一次會(huì)議，

10、主辦者是英國流體技術(shù)研究協(xié)會(huì)(BHRG)。(2)美國水射流會(huì)議緒論4、便于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能和自動(dòng)化、數(shù)控化。高壓水射流是全方位點(diǎn)切割器，無碩萬孔，可以在任意點(diǎn)切割，切出任何復(fù)雜的形狀。因此對程序化和數(shù)控操作十分便利。另外采用CAM或CAD控制加工，可以達(dá)到高精度，重復(fù)加工能力強(qiáng)。5、優(yōu)化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精確控制，因此樣板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一塊材料，減少廢料。6、高壓水射流還具有不產(chǎn)生粉塵，環(huán)保；切口質(zhì)量好、切割速度快，沒有火災(zāi)危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。在切割過程中，完全可以作為某些工件的最終工序。7、應(yīng)用靈活、適用廣泛，也是高壓水射流的特點(diǎn)之一。高壓水射流的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)是切割

11、頭，其余均為輔助單元。因此，利用高壓軟管將切割頭和輔助設(shè)備分開，可以遠(yuǎn)距離、獨(dú)立、靈活地使用。國外商業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)有緣壁切割機(jī)、機(jī)器人除銹、清洗等設(shè)備，從高空到水下都可以應(yīng)用。另外，高壓水射流可以根據(jù)切割材料的硬度調(diào)整壓力，把血管和病變組織分離，因此在醫(yī)療手術(shù)上也有應(yīng)用。正是由于高壓水射流具有以上這些特點(diǎn)，近幾年來，該項(xiàng)技術(shù)得到迅速的發(fā)展。在非金屬材料切割（各種礦石、混凝土、橡膠、皮革、布、陶瓷材料和現(xiàn)代復(fù)合材料等）和金屬材料的切割（鋼、鋁、銅、欽等），水力采礦、除垢等領(lǐng)域得到應(yīng)用。國外廣告資料上說使用者在應(yīng)用水射流技術(shù)唯一受限制的是他們的想象力。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，高壓水射流技術(shù)作為

12、一門集流體力學(xué)、機(jī)械制造、自動(dòng)化控制為一體的新興綜合學(xué)科在國內(nèi)外迅速崛起，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從一般機(jī)械零件、建筑物的清洗到以管道、容器為主的工業(yè)清洗，從機(jī)場跑道除膠到船舶除銹，從金屬、非金屬材料常規(guī)切割到曲面、異型材料仿形切割，從水力采煤到開采巖石，從噴射注漿到破碎路面，從無刀手術(shù)到水幕電影等等，林林總總，不一而足。1、工業(yè)清洗和建筑物清洗應(yīng)用各種工業(yè)設(shè)備在日常運(yùn)行中，由于溫度、壓力、介質(zhì)的物理化學(xué)作用，常常會(huì)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生高溫聚合物，結(jié)焦、水垢、油垢、沉積物、腐蝕物等污垢，使設(shè)備效率下降，能耗物耗增加，工藝流程中斷，裝置失效，甚至導(dǎo)致惡性事故發(fā)生。所以工業(yè)設(shè)備一般采取定期清洗的方式來恢復(fù)正

13、常生產(chǎn)或恢復(fù)原有生產(chǎn)效率。通常采用人工清洗、化學(xué)清洗及氣體噴砂等方法，但人工清洗的清洗質(zhì)量差、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大；化學(xué)清洗對設(shè)備有一定的腐蝕作用，廢液難以回收，污染環(huán)境，且對某些污垢作用不大；氣體噴砂只能適用于設(shè)備表面污垢，噪聲粉塵較大。后來發(fā)展起來的超聲波清洗雖也得到推廣應(yīng)用，但應(yīng)用范圍只能對小型物件進(jìn)行清洗，難以適用于大型設(shè)備的清洗。應(yīng)用高壓水射流清洗方法，是對工業(yè)清洗方法的一項(xiàng)重大改革，由于其通用性、快速高效的清洗能力、成本低、無污染等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、船舶、民航、水利、核電、建筑等工業(yè)部門。隨著我國城市建設(shè)的日益現(xiàn)代化，城市中高樓大廈林立，各類大型建筑物拔地而起，也

14、帶來了許多建筑物外墻的清洗問題。應(yīng)用高壓水射流清洗技術(shù)，就可使“蓬頭垢面”的建筑物不必重新裝飾而重現(xiàn)光彩，清洗效果大大改善，整修成本大大降低。2、切割技術(shù)應(yīng)用目前世界上主要應(yīng)用領(lǐng)域在航空、航天工業(yè)，用于切割先進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、耐熱合金和機(jī)翼零件等。在汽車制造業(yè)用于復(fù)合材料的切割、飛邊的切除、成型、清洗等。兵器工業(yè)上用于火藥的修整、彈體的分解等。3、機(jī)械零件小孔去除毛刺：機(jī)械零件在加工中產(chǎn)生的毛刺不僅影響外觀，而且在機(jī)高壓水射流己經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，與其他諸如機(jī)械切割、火焰切割、激光切割、等離子切割相比，高壓水射流切割具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。1、加工能力強(qiáng)，可以加工不同材質(zhì)的工件；硬

15、質(zhì)材料的加工厚度達(dá)6''可以加工某些難以用傳統(tǒng)加工方法切割的材料。2、不產(chǎn)生熱變形和金相組織變化。由于水本身就是切割工具和最佳冷卻液，因此切割過程中所產(chǎn)生的熱量絕大部分被迅速帶走，不會(huì)造成零件切口附近的燒蝕、熔瘤、氧化和金相組織變化，因而避免了零件的熱變形和零件材料的熱損失，可以減少零件的后繼工序的加工量。因此，可以有效地進(jìn)行熱敏材料、易燃易爆材料和易變形材料的切割。3、不會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力變形。由于水射流屬于點(diǎn)切割，無接觸切割，尤其是沿進(jìn)給方向和側(cè)向，切割反作用力小，從而避免了零件由于附加應(yīng)力而產(chǎn)生的變形。對于薄壁零件的切割十分有利。緒論由美國水射流技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，1981年起每兩

16、年召開一次，是國際上規(guī)模較大的水射流技術(shù)會(huì)議。(3)環(huán)太平洋地區(qū)水射流技術(shù)國際會(huì)議第一屆在北京舉行，會(huì)議由中國、日本及國際水射流技術(shù)協(xié)會(huì)主辦。每三年召開一次。(4)日本水射流會(huì)議由日本水射流協(xié)會(huì)主辦。會(huì)議內(nèi)容豐富并具有實(shí)用意義。我國學(xué)者經(jīng)常提交論文并參加。緒論了獲得某些特殊的性能，制造了它們。這些材料不但難于加工且不易分離。高壓水射流技術(shù)滿足并適應(yīng)這些需要，靈活和冷切割的特性能夠充分、有效地加工那些復(fù)合材料甚至是多層復(fù)合材料。雖然水射流在切割上得到很大的重視，但人們更多的關(guān)注其冷切割的特點(diǎn)以及在最大切深方面的研究。實(shí)際上，水射流在精細(xì)切割和快速高質(zhì)量的切割方面仍然存在一定的問題。水射流只能應(yīng)用

17、于薄的構(gòu)件精確切割和一些質(zhì)量要求不高的，粗糙的工作，如清洗、采礦等。然而，日益發(fā)展的社會(huì)，需要更先進(jìn)的生產(chǎn)力，這就迫切要求我們加大科技投入，把更先進(jìn)、成本更低、實(shí)用性強(qiáng)的成果提供給社會(huì)。目前，國內(nèi)的水射流技術(shù)雖然己經(jīng)起步，但在切割機(jī)理上研究不透徹，實(shí)際應(yīng)用上多為試驗(yàn)性，先進(jìn)性不足，還不能形成高效的生產(chǎn)力，這也是水射流技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展空間小的原因。本文結(jié)合前人的研究成果，從基本的射流切割過程微觀研究入手，對于切害面質(zhì)量的控制機(jī)理詳細(xì)地研究，以能量守恒方法建立切割模型，并著重討論了切割模型對加工質(zhì)量的影響，并初步討論了水射流在3D切割的實(shí)際應(yīng)用的可能性。上世紀(jì)70年代，高壓柱塞泵和增壓器的誕生，大大

18、促進(jìn)了高壓水射流技術(shù)的研究和發(fā)展?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)能夠生產(chǎn)450MPa的柱塞泵和1100MPa的增壓器。另外，社會(huì)的需求永遠(yuǎn)是開發(fā)科研的推動(dòng)力。水射流的商業(yè)化應(yīng)用越來越廣泛。目前，從事射流行業(yè)的主要的大公司有：AeeurationSystemsIne.;AmericanClimflexCrop;Aramstrong-BlumMgfCo.:AseaRoboties:SeikoInstrulnents;FlowSystern:Ingersoll-Land;RajaxSystems;JetEdgeCroP;PowerJetIne;ThermwoodCroP;Heekler;Koch等。其中FlowSy

19、stems公司自從1974年以來已經(jīng)銷售3000多臺(tái)套高壓水射流切割系統(tǒng)，占全球的銷量80%,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前從事水射流加工技術(shù)研究和應(yīng)用的國家己超過四十個(gè)：主要有美國、俄羅斯、日本、德國、瑞士、英國、法國、加拿大、澳大利亞、印度、韓國、新加坡等國。我國高壓水射流技術(shù)的研究和應(yīng)用，通過幾年來的發(fā)展，取得了許多令人矚目的成績。國內(nèi)的大連理工大學(xué)、石油大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等幾所大學(xué)和機(jī)械部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、機(jī)械部通用機(jī)械研究所、航空工藝研究所等研究機(jī)構(gòu)，先后開展了水射流加工技術(shù)的研究。通過全國性學(xué)術(shù)交流和許多學(xué)者的努力，我國的水射流理論水平也不斷提高。在很多國際

20、水射流會(huì)議上，都有中國學(xué)者參加提交論文。1981年我國舉辦第一次全國高壓水射流技術(shù)討論會(huì)，以后每兩年舉辦一次。但目前我國水射流交流活動(dòng)，無論從規(guī)模、內(nèi)容、收錄的論文，以及國外學(xué)者參加的人數(shù)上與日本、美國相比有很大的差距。我國的水射流技術(shù)起步于上世紀(jì)50年代，主要用于采礦業(yè)。到1980年以后，開始引進(jìn)超高壓水射流設(shè)備，進(jìn)行仿制和自主的研究開發(fā)，用于航空復(fù)合材料的切割。同時(shí)，在船舶工業(yè)，水射流主要用于清洗、除銹。1993年我國正式推出第一臺(tái)國產(chǎn)高壓（最大壓力392MPa）磨料水射流切割設(shè)備。自上世紀(jì)90年代開始，我國的高壓水射流設(shè)備發(fā)展很快，從小功率到大功率、從單機(jī)到成套設(shè)備、從高壓到超高壓，從通

21、用設(shè)備到專用設(shè)備，新產(chǎn)品不斷開發(fā)，促進(jìn)了高壓水射流技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。但是應(yīng)當(dāng)看到我們在產(chǎn)品化、商品化方面還很薄弱。在關(guān)鍵技術(shù)上還存在如下的問題：1、機(jī)理研究不夠深入，創(chuàng)新不足。2、超高壓動(dòng)密封、進(jìn)出水閥組和控制閥和噴嘴的使用壽命問題。3、超高壓軟管的研制。4、國外的水射流切割技術(shù)已經(jīng)向智能化發(fā)展。在數(shù)控切割平臺(tái)CNC程序設(shè)計(jì)、三維仿型切割、六軸機(jī)器人等技術(shù)上與世界領(lǐng)先技術(shù)存在差距。5、理論創(chuàng)新能力不足。我國目前的水射流切割技術(shù)應(yīng)用還不是很廣泛，并未引起應(yīng)有的重視，這也是推廣和提高的障礙。4本文的研究背景目前，世界上有超過50,000種的材料。這其中有不少是人造材料。材料科學(xué)家為高壓水射流切割系統(tǒng)簡介料己經(jīng)被分別加壓后在噴嘴前的混合室內(nèi)混合，也稱挾帶式水射流。切割用壓力一般在100