水噴射加工技術(shù)

水噴射加工技術(shù)第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(jì)七十年代人們利用高壓水開(kāi)采金礦，剝落樹(shù)皮。直到1968年由美國(guó)密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼·弗蘭茲博士獲得第一項(xiàng)切割技術(shù)專利。第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日而在80年代末才由莫斯科金屬切削機(jī)床實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所開(kāi)始深入研究。1997年的漢諾威和1999年的巴黎EMO展覽會(huì)上證明，該方法有了很大發(fā)展，且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步十分顯著。僅在巴黎就展出3臺(tái)大型的工作裝置，它們是德國(guó)、瑞士和法國(guó)的機(jī)械公司。后來(lái)開(kāi)始在研制水射流切割裝置。

第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(shù)和設(shè)備有了長(zhǎng)足進(jìn)步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(duì)各種材料進(jìn)行切割、穿孔和工件表層材料去除等加工。第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

人們利用高壓水服務(wù)于生產(chǎn)始于19世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)主要用來(lái)開(kāi)采金礦、剝落樹(shù)皮等。20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)高壓水射流加工技術(shù)進(jìn)行了研究，并利用純水液的高壓射流進(jìn)行煤層開(kāi)采和隧道開(kāi)挖，但在機(jī)械加工領(lǐng)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(xiàng)獨(dú)立而完整的加工技術(shù)，首先在美國(guó)的飛機(jī)和汽車行業(yè)中成功應(yīng)用于復(fù)合材料的切割和缸體毛刺的去除。第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日后來(lái)在此基礎(chǔ)上又發(fā)展起一項(xiàng)新技術(shù)——混合磨料射流加工技術(shù)（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(jìn)行充分混合后再經(jīng)噴嘴噴出，從而形成具有極高速度的磨料射流，相對(duì)于純水射流來(lái)說(shuō)，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(zhì)材料。第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(tái)系統(tǒng)、集水系統(tǒng)和水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日如圖1所示,貯存在水箱中的水經(jīng)過(guò)濾器2處理后,由水泵抽出送至由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的增壓器增壓,水壓增高。然后高壓水通過(guò)蓄能器,使脈動(dòng)水流平滑化。高壓水與磨料（加壓水噴砂）在混合腔內(nèi)混合后,由具有精細(xì)小孔的噴嘴(一般由藍(lán)寶石制成)噴射到由工作臺(tái)固定的工件表面上,射流速度可達(dá)300~900m/s(約為音速的1~3倍),可產(chǎn)生如頭發(fā)絲細(xì)的射流,從而對(duì)工件進(jìn)行切割、打孔等。第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日排水器噴嘴閥控制器蓄能器供水器過(guò)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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水射流能量轉(zhuǎn)換原理動(dòng)力源（電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等）機(jī)械能壓力能換能裝置（小孔噴嘴）動(dòng)能第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(guò)特定的裝置(增壓器或高壓泵),將動(dòng)力源(電動(dòng)機(jī))的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能,具有巨大壓力能的水再通過(guò)小孔噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能,從而形成高速射流,噴射到工件表面,達(dá)到去除材料的加工目的。第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(jīng)節(jié)流小孔（φ0.15～φ0.4mm），使流速高達(dá)100~600m/s。用這種高速密集的水射流對(duì)物體進(jìn)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(jīng)混合管形成磨料射流進(jìn)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(zhì)量大、硬度高，磨料水射流較之水射流其射流動(dòng)能更大，切割效能更強(qiáng)。2）高壓水射流清洗,高壓30～140MPa。第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水射流切割機(jī)床如下圖第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水噴射流切割機(jī)第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水射流清洗機(jī)第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日超高壓水射流加工設(shè)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(shè)備，要求增壓器使液體的工作壓力達(dá)到100~400MPa，以保證加工的需要。高出普通液壓傳動(dòng)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(duì)保障切割過(guò)程的穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。對(duì)于增壓水管采用高強(qiáng)度不銹鋼厚壁無(wú)縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用金屬?gòu)椥悦芊饨Y(jié)構(gòu)。第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(yīng)具有良好的射流特性和較長(zhǎng)的使用壽命。噴嘴的結(jié)構(gòu)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(jī)械、氣壓和液壓控制。工作臺(tái)應(yīng)能縱、橫向靈活移動(dòng)，適應(yīng)大面積和各種型面加工的需要。當(dāng)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(jī)，其工作臺(tái)尺寸1.2m×1.5m，移動(dòng)速度為380mm/s。第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4.過(guò)濾設(shè)備在進(jìn)行超高壓水射流加工時(shí)，對(duì)工業(yè)用水進(jìn)行必要的處理和過(guò)濾有著重要意義：延長(zhǎng)增壓系統(tǒng)密封裝置、寶石噴嘴等的壽命，提高切割質(zhì)量，提高運(yùn)行的可靠性。因此要求過(guò)濾器很好的濾除液體中的塵埃、微粒、礦物質(zhì)沉淀物，過(guò)濾后的微粒應(yīng)小于0.45。液體經(jīng)過(guò)過(guò)濾以后，可以減少對(duì)噴嘴的腐蝕。切削時(shí)摩擦阻尼很小，夾具簡(jiǎn)單。當(dāng)配有多個(gè)噴嘴時(shí)，還可以采用多路切削，提高切削速度。第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日5.機(jī)床床身

機(jī)床床身結(jié)構(gòu)通常采用龍門式或懸臂式機(jī)架結(jié)構(gòu)，一般都是固定不動(dòng)的。為了保證噴嘴與工件距離的恒定，以保證加工質(zhì)量，因此要在切削頭上安裝一只傳感器。為了實(shí)現(xiàn)加工三維復(fù)雜形狀零件，切削頭和關(guān)節(jié)式機(jī)器人手臂或三軸的數(shù)控系統(tǒng)控制結(jié)合，可以加工出復(fù)雜的立體形狀。第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日超高壓水射流加工的工作參數(shù)及其對(duì)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(dá)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(dá)7.5L/min。流速和流量越大對(duì)，加工效率越大。(2)水壓。加工時(shí)，在由噴嘴噴射到工件加工面之前，水的壓力經(jīng)增壓器作用變?yōu)槌邏海筛哌_(dá)700MPa。提高水壓，將有利于提高切割深度和切割速度。但會(huì)增加超高壓水發(fā)生裝置及超高壓密封的技術(shù)難度，增加設(shè)備成本。目前，常用超高壓水射流切割設(shè)備的最高壓力一般控制在400MPa以內(nèi)。第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(dá)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(gè)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(lái)表示。水噴射加工時(shí)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(shí)一般正前角為0°~30°。噴射距離與切割深度有密切關(guān)系，在具體加工條件下，噴射距離有一個(gè)最佳值，可經(jīng)過(guò)試驗(yàn)來(lái)尋求。第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日水射流加工噴嘴第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日四、水噴射加工的特點(diǎn)1.適用范圍廣。既可用來(lái)加工金屬材料，也可以加工非金屬材料。2.加工質(zhì)量高。切縫窄（約為0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口質(zhì)量好，幾乎無(wú)飛邊、毛刺，切割面垂直、平整，光潔度好。

第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3.加工時(shí)對(duì)材料無(wú)熱影響，工件不會(huì)產(chǎn)生熱變形和熱影響區(qū)，對(duì)加工熱敏感材料如鈦合金尤為有利；切削無(wú)火花，同時(shí)由于水的冷卻作用，工件溫度較低，非常適合對(duì)易燃易爆物件如木材、紙張等的加工。4.加工清潔，不產(chǎn)生有害人體健康的有毒氣體和粉塵等，對(duì)環(huán)境無(wú)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(guò)程中不會(huì)變鈍，減少了刀具準(zhǔn)備、刃磨等時(shí)間，生產(chǎn)效率高。第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日水噴射加工樣件第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水射流切割大理石第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日高壓水射流加工的零件第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，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(zhì)。它是利用潔凈水增壓后從噴嘴噴出的高速水射流進(jìn)行切割的,設(shè)備簡(jiǎn)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(yè)，共三十八頁(yè)，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(chǎn)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(shè)備較復(fù)雜,成本高。它幾乎可切割所有的硬質(zhì)材料,如金屬、非金屬、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料等,是應(yīng)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(zhǎng)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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日在機(jī)械領(lǐng)域中的主要應(yīng)用1.切割加工水噴射加工技術(shù)應(yīng)用于切割，從某種意義上來(lái)說(shuō)是切割領(lǐng)域的一次革命，隨著技術(shù)的成熟及某些局限的克服，水射流切割對(duì)其他切割工藝是一種完善的補(bǔ)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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日如陶瓷、硬質(zhì)合金、模具鋼、鈦合金、鎢鉬鈷合金、復(fù)合材料，如以金屬為基體的纖維增強(qiáng)金屬（FRM）、纖維增強(qiáng)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(nèi)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(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2.去毛刺各種小型精密零件上交叉孔、內(nèi)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(wú)法完成，而利用水噴射加工技術(shù)（稍降低壓力或增大噴距等），就十分方便且質(zhì)量好，具有獨(dú)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(zhì)量好，而且加工速快。例如在厚25mm鋁板上打一個(gè)孔僅需圖水刀切割30s。不過(guò)水射流所能加工的