特種加工技術(shù)課件第11章 高壓水射流加工

第十一章高壓水射流切割（WJ）11.1高壓水射流切割原理、特點(diǎn)及應(yīng)用高壓水射流切割技術(shù)是以水（或加入添加劑）作為攜帶動(dòng)能能量的載體,用高速水射流對(duì)各類材料進(jìn)行切斷加工的一種方法。通過增壓器將水壓升到300～1000MPa(動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，然后使高壓水通過藍(lán)(紅)寶石制造的直徑為0.1～0.6mm的噴嘴形成的高能液體束流（又叫高速水射流，如圖11.1是連續(xù)的，而圖11.2是間斷的水炮形式）,以2～4倍聲速噴出(壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能)。當(dāng)水射流沖擊被切割材料時(shí)（動(dòng)能再次轉(zhuǎn)換為壓力能）如圖11.3如果壓力對(duì)工件產(chǎn)生應(yīng)力的超過被切割材料的斷裂極限σb，即可切斷材料從而達(dá)到去除材料的加工目的(圖11.4)。純水射流切割適用于一些較軟而有韌性的物料切割,如紙張、皮革、木材、塑料、各種纖維材料等，進(jìn)一步提高壓力后可用于切割較薄的金屬材料，如飛機(jī)蒙皮等。高壓水射流：Highpressurewaterjet，簡記WJ11.1.1切割原理11.1.2高壓水射流切割工藝特點(diǎn)通常人們習(xí)慣于把用于切割的高壓水射流稱作“水刀”，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①水來源廣泛，價(jià)格低廉，易于處理并循環(huán)利用；②噴嘴直徑小(0.1～0.6mm)，盡管水射流速度極高，加工的耗水量很少(100～200L/h)；切割的槽縫較窄，節(jié)省材料。③工具(寶石噴嘴)不易磨損，水射流本身不存在磨損，故不需“磨刀”；④“冷切割”屬性不會(huì)對(duì)工件材料產(chǎn)生分解，最適合于低熔點(diǎn)材料，易燃易爆物品和有潛在爆炸危險(xiǎn)的場合應(yīng)用；⑤“無塵切割”特性最適合于有毒物質(zhì)或致病材料的加工，如，石棉材料、玻璃纖維、纖維增強(qiáng)材料、鈹板等，加工中不會(huì)揚(yáng)塵，對(duì)操作者無危害，無化學(xué)反應(yīng)，十分利于環(huán)保；⑥即可切割脆性材料，又可加工塑性材料，且切割的邊口干凈、鋒利而無毛刺；還可以做到“選擇性切割”，如剝離廢舊導(dǎo)線膠皮而不傷內(nèi)層的金屬材料；⑦適合于激光難于加工的反光材料：如，銅、鋁、玻璃等；⑧理想的單刀尖刀具，夾具簡單，切割可直接進(jìn)行，不需象電火花線切割那樣需要預(yù)孔；⑨壓力水可遠(yuǎn)程傳輸，動(dòng)力單元和增壓泵可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場，現(xiàn)場噪音??；⑩加工工件殘余應(yīng)力極小，水射流施加于工件的力一般不超過50N；如下缺點(diǎn)：①設(shè)備昂貴，廣大投資大，加工成本高；②工作現(xiàn)場有高壓破裂的隱患，高壓水射流一旦接觸人體任何部位都會(huì)造成傷害；③操作者需要嚴(yán)格的培訓(xùn)和訓(xùn)練；④設(shè)備維護(hù)成本高，不太適合于批量生產(chǎn)。11.1.3應(yīng)用場合工業(yè)上的應(yīng)用主要在以下方面：①航空工業(yè)的金屬和復(fù)合材料；②水下切割和造船業(yè)；③礦山、花崗巖、大理石等巖石；④軟質(zhì)材料的理想切割工具：如，木材、紙張、布匹、皮革、橡膠和塑料；⑤冷凍食品的切割、處理，面包、鮮肉，此時(shí)，采用酒精、甘油、食用油作為工作液；⑥高壓水射流還可用于：清洗、拋光、表面脫脂，核污染去除、管道清洗和清理、除銹、檢測準(zhǔn)備、表面強(qiáng)化和去毛刺等。11.2高壓水射流切割設(shè)備

圖11.5是高壓水射流切割設(shè)備簡圖，主要由多級(jí)過濾單元、高壓泵單元和切割站單元三個(gè)部分構(gòu)成。11.2.1多級(jí)過濾單元能夠過濾直徑大于0.5μm的固態(tài)顆粒，在這個(gè)階段最好能夠?qū)λ鋈ルx子和除礦物的處理，更利于機(jī)器零件的性能保持并延長噴嘴壽命，過濾后的水要加入一些聚合物添加劑以便噴出的水射流集束性更佳。11.2.2增壓器單元電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵能夠達(dá)到約20MPa的油壓，用以驅(qū)動(dòng)增壓器的雙作用柱塞泵大面積端，大端面積約為小端面積的20倍，這樣兩邊小端輸出的水壓可達(dá)400MPa的高壓，其作用原理見圖圖11.6。缸體兩邊末端都安裝有極限開關(guān)可以發(fā)出控制方向閥換向的控制信號(hào)，從而改變柱塞的方向。當(dāng)增壓器的一端在進(jìn)水位置時(shí)，其另一端就產(chǎn)生超高壓的輸出，反之亦然。輸出的超高壓水流入蓄能器的水箱里，蓄能器能夠消除水壓的波動(dòng)形成穩(wěn)定的壓力供給切割單元用以切割工作。切割單元的控制閥處于截至狀態(tài)時(shí)，高壓水儲(chǔ)存于蓄能器里隨時(shí)可以用于切割加工，增壓器還能夠適應(yīng)切割和清洗不同用途的靈活需求。高壓水還可以供給多個(gè)切割噴嘴來提高生產(chǎn)率。11.2.3.切割單元

集束切割噴嘴（如圖11.7）將約400Mpa的高壓轉(zhuǎn)換成高400～1400m/s的高速，噴嘴具有好的集束性的射流可以優(yōu)化切割。通過添加諸如擁有4百萬分子重量的聚氧化乙烯等長鏈聚合物可以改善噴嘴的集束能力。這些聚合物增加了水的粘度從而增加的集束長度可達(dá)噴嘴直徑的600倍大，噴嘴直徑一般在0.1～0.35mm之間,即集束長度范圍可在3～210mm之間，最佳的切割靶距（Stand-offdistance，SOD，即噴嘴端面到工件上表面的距離）就是在這個(gè)范圍內(nèi)選取，如圖11.8。噴嘴材料要求硬度高、耐磨好，通常采用硬質(zhì)合金、人造寶石（圖11.9）、或人工合成金剛石，硬質(zhì)合金壽命最短，金剛石壽命最長。人造寶石的工作壽命可達(dá)200小時(shí)，如果水未經(jīng)處理和過濾，其破壞主要是因?yàn)橼E物、雜質(zhì)顆粒和礦物質(zhì)沉積顆粒對(duì)它的磨損。如圖11.10所示的高壓引水管將高壓水引致切割噴嘴，厚管的直徑范圍在6～14mm，內(nèi)外直徑比為0.1～0.2，見圖a。極高的壓力情況有可能超過引水管的材料屈服極限，此時(shí)就應(yīng)采用圖b所示的緊縮套管。高壓開關(guān)閥最好采用針閥，噴嘴頭部的設(shè)計(jì)必需結(jié)構(gòu)緊湊才易于與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一體化集成。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以是二軸X-Y工作臺(tái)，也可能是復(fù)雜的多軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)。為了加工復(fù)雜的外廓，噴嘴需要安裝在裝置配備的機(jī)器人操作臂上。盡管多數(shù)情況的作用力不超過50N，但是開關(guān)閥的開停引起的壓力波動(dòng)會(huì)傳至機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)而影響加工精度。切割單元還需配備結(jié)水器，也被用作水池，并過濾收集加工產(chǎn)生的渣屑，更重要的是它能吸收參與切割后的水射流余能，據(jù)估計(jì)這個(gè)余能可占到射流總能量的90%。另一個(gè)作用是降低噪音，能將與射流相關(guān)的105分貝噪音從3馬赫降至次聲水平。高壓水射流切割設(shè)備的示意圖影響材料去除率、加工精度和表面質(zhì)量的因素有工件材料和加工參數(shù)。垂詢材料易破裂，而塑性材料切割良好。切割材料的厚度可在0.8～25mm不等。表11.1是高壓水射流切割多種材料的加工速度和厚度列表。噴嘴一定時(shí)，壓力增加能量增多切割速度和速度都加大。高壓低速移動(dòng)可以改進(jìn)切割質(zhì)量，同時(shí)提升切割厚度。11.3高壓水射流切割工藝能力主要應(yīng)用領(lǐng)域：11.3.1工業(yè)制造超高壓水射流切割幾乎適用于所有工業(yè)領(lǐng)域!如機(jī)器制造業(yè)、模具制造業(yè)、金屬加工業(yè)、航空制造業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)、汽車制造業(yè)、石材加工和建筑業(yè)、陶瓷業(yè)、輕工業(yè)、造紙業(yè)、橡膠業(yè)、紡織和皮革工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)等行業(yè)中。用水射流切割碳纖維復(fù)合材料，各種堅(jiān)硬的金屬及非金屬材料，或帶有蜂窩結(jié)構(gòu)的材料等。以汽車制造業(yè)為例，其中汽車內(nèi)部裝飾材料：如汽車地毯、儀表板、頂蓬等。還用于汽車后架、車輪罩和隔熱材料等的切割。國內(nèi)外已安裝了數(shù)千條水射流自動(dòng)切割生產(chǎn)線應(yīng)用于各行各業(yè)。。應(yīng)用實(shí)例圖

11.3.12安全減災(zāi)環(huán)保高壓水射流技術(shù)廣泛應(yīng)用于橋梁、水電工程等大量使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的部門。特別在煤炭、石油、化工、軍工、核工業(yè)等自然條件惡劣的工作危險(xiǎn)的部門應(yīng)用。能高效作業(yè)，大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改勞動(dòng)環(huán)境，降低和防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。在地震搶險(xiǎn)和災(zāi)后重建工作中，高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結(jié)構(gòu)等能夠發(fā)揮重要作用。11.3.3建筑物的切割或破碎高壓水射流可以按人們的意愿在各種建筑物上切割、開孔、破碎，可用于拆除舊建筑物、維修橋梁、開挖鋪設(shè)電纜或煤氣管道的溝槽、破碎馬路等等。應(yīng)用三原則：雖然理論上說超高壓水切割可以切割任何材料，但在應(yīng)用上還是有所側(cè)重。超高壓水切割的用途主要有三個(gè)：一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷磚、玻璃、水泥制品等熱切割無法加工的材料。二是切割可燃性材料，如鋼板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡膠等。以往的熱切割也可以加工這些材料，但容易產(chǎn)生燃燒區(qū)和毛刺，而水切割加工不會(huì)產(chǎn)生燃燒區(qū)和毛刺。被切割材料的物理、機(jī)械性能不發(fā)生改變，這也是水切割的一大優(yōu)點(diǎn)。三是切割易燃易爆材料，如彈藥和易燃易爆環(huán)境內(nèi)的切割，這是其它無法取代的。

一般情況下，能夠利用激光、等離子、火焰、線切割、鋸、銑削等加工方法基本滿足加工工藝要求時(shí)，則不宜采用水切割加工，畢竟水切割的運(yùn)行成本較高。當(dāng)您感到激光和等離子所能切割的厚度太薄，所產(chǎn)生的毛刺太大，所產(chǎn)生的熱影響區(qū)不利時(shí)，您可以考慮選用水切割。當(dāng)您感到火焰切割的毛刺太大、粗糙度太差、熱影響區(qū)太大時(shí)，您可以考慮選用水切割。當(dāng)您感到線切割的速度太慢，并且不能切割非導(dǎo)電材料時(shí)，您可以考慮選用水切割。當(dāng)您感到銑削的方法產(chǎn)生了許多廢屑，造成了很大的浪費(fèi)時(shí)，您也可以考慮選用水切割。當(dāng)您感到使用圓鋸和帶鋸太慢，而又不能進(jìn)行非直線切割時(shí)，您可以考慮選用水切割。當(dāng)您切割時(shí)不想產(chǎn)生毒副氣體，不需二次加工，不想產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或微裂縫，又想產(chǎn)生良好的切邊品質(zhì)并能同時(shí)切割細(xì)小的孔時(shí)，您更要考慮選用水切割。總之，水切割是一種萬能的切割方式，但某些場合下的使用并不是最佳的，所以選擇時(shí)要做具體分析。11.4高壓水射流工業(yè)清洗11.4.1工業(yè)清洗概述西方發(fā)達(dá)國家的主流清洗技術(shù)，占到了清洗業(yè)市場份額的80%以上；美國，高壓水射流清洗已占到了清洗業(yè)的90%；我國工業(yè)清洗目前80%是用化學(xué)方法。11.4.2高壓水射流清洗的原理和特點(diǎn)

原理：使用高壓泵打出高壓水，并經(jīng)過一定管路到達(dá)噴嘴，再把高壓力低流速的水轉(zhuǎn)換為高壓力高流速的射流，然后射流以其很高的沖擊動(dòng)能，連續(xù)不斷地作用在被清洗表面，從而使垢物脫落，最終實(shí)現(xiàn)清洗目的。高壓水射流清洗具有如下特點(diǎn)：(1)選擇適當(dāng)?shù)膲毫Φ燃?jí)，高壓水射流清洗不會(huì)損傷被清洗設(shè)備的基體。(2)是用普通自來水于高速度下的沖刷清洗，所以它不污染環(huán)境，不腐蝕設(shè)備，不會(huì)造成任何機(jī)械損傷，還可除去用化學(xué)清洗難溶或不能溶的特殊垢。(3)洗后的設(shè)備和零件不用再進(jìn)行潔凈處理。(4)能清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，能在空間狹窄，環(huán)境復(fù)雜、惡劣、有害的場合進(jìn)行清洗。(5)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，便于數(shù)字控制。(6)節(jié)省能源，清洗效率高，成本低。11.4.3工業(yè)清洗應(yīng)用領(lǐng)域高壓水射流清洗的對(duì)象主要包括：①管道類：即地下水排污、輸油管道、煤氣、排煙管道；②各類熱交換器、冷卻塔、冷凝器；③盛裝氣、水、油、溶液、漿體等流體介質(zhì)的各種箱、柜、釜、罐、槽、艙等工業(yè)容器；④壓力容器，包括儲(chǔ)氣缸、高壓