水噴射加工技術

水噴射加工技術第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日水射流加工的起源“水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力。十九世紀七十年代人們利用高壓水開采金礦，剝落樹皮。直到1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼·弗蘭茲博士獲得第一項切割技術專利。第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日而在80年代末才由莫斯科金屬切削機床實驗科學研究所開始深入研究。1997年的漢諾威和1999年的巴黎EMO展覽會上證明，該方法有了很大發(fā)展，且在該領域中的技術進步十分顯著。僅在巴黎就展出3臺大型的工作裝置，它們是德國、瑞士和法國的機械公司。后來開始在研制水射流切割裝置。

第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日在最近十多年里，高壓水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)切割技術和設備有了長足進步，其應用遍及工業(yè)生產和人們生活各個方面。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、水噴射加工定義

水噴射加工（WaterJetMachining）又稱水射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高壓（數(shù)十至數(shù)百兆帕）水射流對各種材料進行切割、穿孔和工件表層材料去除等加工。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日

人們利用高壓水服務于生產始于19世紀70年代，當時主要用來開采金礦、剝落樹皮等。20世紀50年代前蘇聯(lián)科學家對高壓水射流加工技術進行了研究，并利用純水液的高壓射流進行煤層開采和隧道開挖，但在機械加工領域還是在解決了高壓噴射裝置的性能和可靠性后，才作為一項獨立而完整的加工技術，首先在美國的飛機和汽車行業(yè)中成功應用于復合材料的切割和缸體毛刺的去除。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日后來在此基礎上又發(fā)展起一項新技術——混合磨料射流加工技術（AWJ，AbrasiveWaterJet），它是將具有一定粒度的磨料粒子加入高壓水管路系統(tǒng)中，使其與高壓水進行充分混合后再經噴嘴噴出，從而形成具有極高速度的磨料射流，相對于純水射流來說，它成倍地提高了切割力，拓寬了切割材料的范圍，幾乎可以切割一切硬質材料。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、水噴射加工系統(tǒng)的組成水噴射加工系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺系統(tǒng)、集水系統(tǒng)和水循環(huán)處理系統(tǒng)等構成。如果是磨料射流加工裝置，則還有磨料與水的混合系統(tǒng)。如圖1所示。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日如圖1所示,貯存在水箱中的水經過濾器2處理后,由水泵抽出送至由液壓機構驅動的增壓器增壓,水壓增高。然后高壓水通過蓄能器,使脈動水流平滑化。高壓水與磨料（加壓水噴砂）在混合腔內混合后,由具有精細小孔的噴嘴(一般由藍寶石制成)噴射到由工作臺固定的工件表面上,射流速度可達300~900m/s(約為音速的1~3倍),可產生如頭發(fā)絲細的射流,從而對工件進行切割、打孔等。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日排水器噴嘴閥控制器蓄能器供水器過濾器泵增壓器液壓裝置工件射流d水噴射工作流程第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水射流能量轉換原理動力源（電動機、柴油機等）機械能壓力能換能裝置（小孔噴嘴）動能第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、水噴射加工的原理

水噴射加工的基本原理是利用液體增壓原理,通過特定的裝置(增壓器或高壓泵),將動力源(電動機)的機械能轉換成壓力能,具有巨大壓力能的水再通過小孔噴嘴將壓力能轉變成動能,從而形成高速射流,噴射到工件表面,達到去除材料的加工目的。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日主要完成兩種功能：1）高壓水射流切割。將水增至超高壓100～400MPa，經節(jié)流小孔（φ0.15～φ0.4mm），使流速高達100~600m/s。用這種高速密集的水射流對物體進行切割。

磨料水射流切割則是再往水射流中混入磨料粒子，經混合管形成磨料射流進行切割。在磨料射流中，水射流作為載體使磨料粒子加速，由于磨料質量大、硬度高，磨料水射流較之水射流其射流動能更大，切割效能更強。2）高壓水射流清洗,高壓30～140MPa。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水射流切割機床如下圖第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水噴射流切割機第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水射流清洗機第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日超高壓水射流加工設備1.增壓系統(tǒng)增壓系統(tǒng)主要包括增壓器、控制器、泵、閥及密封裝置等。增壓器是液壓系統(tǒng)中重要的設備，要求增壓器使液體的工作壓力達到100~400MPa，以保證加工的需要。高出普通液壓傳動裝置液體工作壓力的10倍以上，因此系統(tǒng)中的管路和密封是否可靠，對保障切割過程的穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。對于增壓水管采用高強度不銹鋼厚壁無縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用金屬彈性密封結構。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.切割系統(tǒng)噴嘴是切割系統(tǒng)最重要的零件。噴嘴應具有良好的射流特性和較長的使用壽命。噴嘴的結構取決于加工要求、常用的噴嘴有單孔和分叉兩種。3.控制系統(tǒng)可根據(jù)具體情況選擇機械、氣壓和液壓控制。工作臺應能縱、橫向靈活移動，適應大面積和各種型面加工的需要。當采用程序控制和數(shù)字控制系統(tǒng)是理想的。目前，已出現(xiàn)程序控制液體加工機，其工作臺尺寸1.2m×1.5m，移動速度為380mm/s。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.過濾設備在進行超高壓水射流加工時，對工業(yè)用水進行必要的處理和過濾有著重要意義：延長增壓系統(tǒng)密封裝置、寶石噴嘴等的壽命，提高切割質量，提高運行的可靠性。因此要求過濾器很好的濾除液體中的塵埃、微粒、礦物質沉淀物，過濾后的微粒應小于0.45。液體經過過濾以后，可以減少對噴嘴的腐蝕。切削時摩擦阻尼很小，夾具簡單。當配有多個噴嘴時，還可以采用多路切削，提高切削速度。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日5.機床床身

機床床身結構通常采用龍門式或懸臂式機架結構，一般都是固定不動的。為了保證噴嘴與工件距離的恒定，以保證加工質量，因此要在切削頭上安裝一只傳感器。為了實現(xiàn)加工三維復雜形狀零件，切削頭和關節(jié)式機器人手臂或三軸的數(shù)控系統(tǒng)控制結合，可以加工出復雜的立體形狀。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日超高壓水射流加工的工作參數(shù)及其對加工的影響(1)流速與流量。水噴射加工采用高速水流，速度可高達每秒數(shù)百米，是聲速的2～3倍。超高壓水射流加工的流量可達7.5L/min。流速和流量越大對，加工效率越大。(2)水壓。加工時，在由噴嘴噴射到工件加工面之前，水的壓力經增壓器作用變?yōu)槌邏?，可高達700MPa。提高水壓，將有利于提高切割深度和切割速度。但會增加超高壓水發(fā)生裝置及超高壓密封的技術難度，增加設備成本。目前，常用超高壓水射流切割設備的最高壓力一般控制在400MPa以內。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日(3)能量密度。即高壓水從噴嘴噴射到工件單位面積上的功率，也稱功率密度，可達1010W/m2。(4)噴射距離。指從噴嘴到加工工件的距離，根據(jù)不同的加工條件，噴射距離有一個最佳值。一般范圍為2.5~50mm，常用范圍為3mm。(5)噴射角度。噴射角度可用正前角來表示。水噴射加工時噴嘴噴射方向與工件加工面的垂線之間的夾角稱為正前角。超高壓水噴射加工時一般正前角為0°~30°。噴射距離與切割深度有密切關系，在具體加工條件下，噴射距離有一個最佳值，可經過試驗來尋求。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日(6)噴嘴直徑。用于加工的噴嘴直徑一般小于1mm，常用的直徑為0.05~0.38mm。增大噴嘴直徑可以提高加工速度。水噴射加工工藝參數(shù)第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日水射流加工噴嘴第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、水噴射加工的特點1.適用范圍廣。既可用來加工金屬材料，也可以加工非金屬材料。2.加工質量高。切縫窄（約為0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口質量好，幾乎無飛邊、毛刺，切割面垂直、平整，光潔度好。

第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.加工時對材料無熱影響，工件不會產生熱變形和熱影響區(qū)，對加工熱敏感材料如鈦合金尤為有利；切削無火花，同時由于水的冷卻作用，工件溫度較低，非常適合對易燃易爆物件如木材、紙張等的加工。4.加工清潔，不產生有害人體健康的有毒氣體和粉塵等，對環(huán)境無污染，提高了操作人員的安全性。5.加工“刀具”為高速高壓水流，加工過程中不會變鈍，減少了刀具準備、刃磨等時間，生產效率高。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日水噴射加工樣件第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水射流切割大理石第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日高壓水射流加工的零件第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日五、水噴射加工的類型及其適用范圍1.純水射流只用水作介質。它是利用潔凈水增壓后從噴嘴噴出的高速水射流進行切割的,設備簡單,成本較低,但加工能力也較低。主要用于切割軟材料,如橡膠、紙張、塑料、毛毯、玻璃和木材等。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.磨料水射流在水中加入各種磨料(常用60~100目的石英砂和氧化鋁等),綜合了由超高速液流沖擊產生的穿透割裂能力和由懸浮于液體中磨料的游離磨削作用,故可成倍提高加工能力。但設備較復雜,成本高。它幾乎可切割所有的硬質材料,如金屬、非金屬、金屬基及陶瓷基復合材料等,是應用最廣的射流加工方法。3.聚合物水射流向水中加入少量添加劑(高分子長鏈聚合物),如聚乙烯酰胺等,可提高射流密集度及射程。主要用于切割較軟或稍硬材料。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日在機械領域中的主要應用1.切割加工水噴射加工技術應用于切割，從某種意義上來說是切割領域的一次革命，隨著技術的成熟及某些局限的克服，水射流切割對其他切割工藝是一種完善的補充。水射流切割所加工的材料品種很多，主要是一般切割方法不易加工或不能加工的非金屬或金屬材料，特別是一些新型和合成材料，第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日如陶瓷、硬質合金、模具鋼、鈦合金、鎢鉬鈷合金、復合材料，如以金屬為基體的纖維增強金屬（FRM）、纖維增強橡膠（FRR）等、不銹鋼、高硅鑄鐵及可鍛鑄鐵等的加工。

以汽車制造業(yè)為例，其中汽車內部裝飾材料的加工占水射流加工的40%，此外，還用于汽車后架、車輪罩和隔熱材料等的切割。第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.去毛刺各種小型精密零件上交叉孔、內螺紋、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加工方法就十分困難甚至于無法完成，而利用水噴射加工技術（稍降低壓力或增大噴距等），就十分方便且質量好，具有獨特的效果。3.打孔水射流可用于在各種材料上打孔以代替鉆頭鉆孔，不僅質量好，而且加工速快。例如在厚25mm鋁板上打一個孔僅需圖水刀切割30s。不過水射流所能加工的