水切割的原理及應(yīng)用

1、水切割的原理及應(yīng)用科目：先進(jìn)制造系統(tǒng)導(dǎo)論專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其白動(dòng)化學(xué)號(hào)：110606423:XXX水切割的原理及應(yīng)用摘要：水切割也稱水射流切割或水刀切割。高壓水射流切割是一種特殊的加工方法。它利用增壓器將水加壓，到達(dá)10MP400MPW至更高的壓力。水獲得壓力能，再?gòu)募?xì)小的噴嘴噴射而出，將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而形成高速射流。切割正是利用這種高速射流的動(dòng)能對(duì)工件的沖擊破壞作用，到達(dá)切斷、成形的目的。高壓水射流既不同丁傳統(tǒng)加工的鐵、刨、磨、肖U,也有別丁一般的剪切和沖裁。它屆丁高能切割。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(duì)材料進(jìn)行沖蝕和擠壓、破壞，以到達(dá)切割的目的的一種新工藝。它最

2、大特點(diǎn)是非熱源的高能量射流束加工，切割過(guò)程中無(wú)熱產(chǎn)生，故可以切割所有的金屆和非金屆材料，特別是各種熱切割方法難以切割的材料。具有：切口快、切口平整、無(wú)塵埃、無(wú)熱變形、無(wú)污染、減少材料浪費(fèi)等特點(diǎn)?？汕懈睿衡伜辖稹~板、鋼板、鋁板、鑄鐵、花崗巖、大理石、瓷磚、化纖、木材、布匹、紙張、皮革、塑料等材料。已應(yīng)用丁航空、軍工、石材、建筑、裝潢等精加工領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：水刀，超高壓，高能量，安全，成本低，無(wú)污染，高速度，精加工。水在人們的概念里往往是“柔”、“軟”的代表，然而自古就有水滴石穿之說(shuō)。以柔克剛水滴石穿給水賦予了新的定義，如今利用柔軟的水也能夠進(jìn)行切割物體了，不管是純鋼的鋼板還是堅(jiān)硬的石頭，在水刀面

3、前變得輕而易舉。高壓水射流加工技術(shù)正是利用與水滴石穿相同的原理，把動(dòng)量加大，縮短時(shí)問(wèn)，到達(dá)斷石、斷鐵、切割的目的。人們?cè)诤茉绲臅r(shí)間就開(kāi)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(guó)在加利福尼業(yè)的金礦中用增壓后的水流開(kāi)采礦石，俄國(guó)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，壓力可以到達(dá)344.7MPa(s000opsi),用這樣的高壓水可以來(lái)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入應(yīng)用，用丁切

4、割層壓紙管，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(lái)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(guó)外的公司用高壓水切割各種材料，甚至用丁軍艦制造。普通的加工方式即利用硬度較強(qiáng)的金屆制作刀具，在主軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)刀具進(jìn)行切割多余材料來(lái)到達(dá)加工目的，然而由丁，這種方式是用硬的材料來(lái)切軟的材料，那么較硬的材料采用這種方式就會(huì)比較難加工，況且加工過(guò)程中，產(chǎn)生大量的熱量，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致工件的熱變形，影響加工精度，直接接觸切割也容易導(dǎo)致刀具的磨損，使刀具使用壽命降低，在加工過(guò)程中的冷卻液也會(huì)造成加工質(zhì)量的不穩(wěn)定，增加相應(yīng)制造成本，

5、造成環(huán)境污染。高壓水射流足以水為工作介質(zhì)，通過(guò)增壓設(shè)備和特定形狀的噴嘴產(chǎn)生高速射流束，具有極高的能級(jí)密度。一些新型射流如脈沖射流、空化射流和磨料射流的相繼出現(xiàn)，大大提高了其切割、剝離、破碎能力，更進(jìn)一步拓寬了水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍，可用于活洗、活理、切割、注水鉆孔、噴霧、破碎、研磨等作業(yè)，具有活潔、無(wú)熱效應(yīng)、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等特點(diǎn)，超高壓水刀的基本技術(shù)既簡(jiǎn)單乂極為復(fù)雜。當(dāng)水被加壓至很高的壓力并且從特制的噴嘴小開(kāi)孔（其直徑為0.1mmffi0.5mm）通過(guò)時(shí)，可產(chǎn)生一道每秒達(dá)近千公尺（約音速的三倍）的水箭，此高速水箭可切割各種軟質(zhì)材料包括食品,紙張,紙尿片，橡膠及泡

6、棉，此種切割被稱為純水切割。而當(dāng)少量的砂如石榴砂被加入水射流中與其混合時(shí),所產(chǎn)生之加砂水射流,實(shí)際上可切割任何硬質(zhì)材料包括金屆,復(fù)合材料，石材及玻璃.超高壓水刀也可使用于各種不同的工業(yè)外表處理應(yīng)用如船身活洗及汽車噴漆設(shè)備活洗.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：水供應(yīng)裝置，如過(guò)濾器、輸送管線；切割裝置，如：控制閥門、噴嘴等；回收裝置等。有的還具備精確控制裝置；磨料供應(yīng)裝置等。水射流技術(shù)特點(diǎn)較之激光、等離子、線切割等傳統(tǒng)的切割方式，水射流切割技術(shù)確實(shí)有其獨(dú)特、顯著的優(yōu)勢(shì)：1. 切割品質(zhì)優(yōu)異：水射流是一種冷加工方式，水刀不磨損且半徑很小，能加工具

7、有銳邊輪廓的小圓弧。加工本身無(wú)熱量產(chǎn)生且加工力小，加工外表不會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)，自然切口處材料的組織結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化,也幾乎不存在熱和機(jī)械的應(yīng)力與應(yīng)變，無(wú)需二次加工，無(wú)裂縫、無(wú)毛邊、無(wú)浮渣，因此其切割品質(zhì)優(yōu)良。2. 幾乎沒(méi)有材料和厚度的限制：無(wú)論是金屆類如普通鋼板、不銹鋼、銅、鈦、鋁合金等，或是非金屆類如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、紙張及復(fù)合材料，皆可適用。3. 節(jié)省成本：水切割所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小，不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或細(xì)微的裂縫，不需二次加工，既可鉆孔亦可切割，降低了切割時(shí)間及制造成本。4. 活潔環(huán)保無(wú)污染：在切割過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生弧光、灰塵及有蠹?xì)怏w。操作環(huán)境整潔，符合嚴(yán)格的環(huán)保要求。5.

8、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(wú)碩萬(wàn)孔，可以在任意點(diǎn)切割，切出任何復(fù)雜的形狀。因此對(duì)程序化和數(shù)控操作十分便利。另外采用CAhMCAD空制加工，可以到達(dá)高精度，重復(fù)加工能力強(qiáng)。6. 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?gòu)U料。7. 加工能力強(qiáng)，可以加工不同材質(zhì)的工件；硬質(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。水刀的分類兩種水刀是指純水水刀和加砂水刀。純水水刀是最早的水切割方法.第一次商業(yè)應(yīng)用始于二十世紀(jì)七十年代中期，用于切割瓦楞紙板。純水水刀最大的應(yīng)用是切

9、割拋棄式尿布、棉紙和汽車內(nèi)飾件。對(duì)于棉紙和拋棄式尿布，與其它技術(shù)相比，水刀技術(shù)在材料上留下的水分最少。純水水刀的特點(diǎn)非常詳細(xì)的幾何形狀非常少的材料切割損失，切割時(shí)不產(chǎn)生熱量，切割厚度可以很大也可切得很薄，切割速度快，能夠切割軟、輕質(zhì)材料例如厚達(dá)24"的纖維玻璃絕緣材料，極小的切削力，夾具簡(jiǎn)單，每天24小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行。加砂水刀與純水水刀只有幾點(diǎn)不同。在純水水刀中，由超音速水流侵蝕材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料顆粒，然后由這些顆粒而非水侵蝕材料。加砂水刀的能力比純水水刀強(qiáng)大成白上千倍。純水水刀和加砂水刀都有其用武之地。純水水刀可切割軟質(zhì)材料，而加砂水刀則切割硬質(zhì)材料，如鋼材、石材、

10、復(fù)合材料和陶瓷。使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的加砂水刀能夠切割硬度等于甚至稍稍超過(guò)氧化鋁陶瓷常常稱作研土，AD99.9的材料。我們將在下面介紹加砂水刀的特點(diǎn)，以及加砂水刀切割刀頭的工作方式。加砂水刀的特點(diǎn)水流細(xì)直徑0.020到0.050英寸，可切割非常復(fù)雜的幾何形狀，薄材料切割10英寸厚度切割，堆積切割，材料切割損失非常少，夾具簡(jiǎn)單，切割力小切割時(shí)低于1磅，對(duì)幾乎所有加砂水刀作業(yè)都只需設(shè)置一次，可方便地從單切割刀頭切換到多切割刀頭，可快捷地從純水水刀切換為加砂水刀，減少了輔助操作，毛刺很少或無(wú)毛刺。水切割的不足之處1、高硬度的材料，諸如鋼、金屆陶瓷、高強(qiáng)度復(fù)合材料、堅(jiān)硬的巖石純水射流不能切割；而磨料水射流存在

11、噴嘴磨損和切割成本大的問(wèn)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(guò)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。水切割的發(fā)展目前從事水射流加工技術(shù)研究和應(yīng)用的國(guó)家己超過(guò)四十個(gè)：主要有美國(guó)、俄羅斯、日本、德國(guó)、瑞士、英國(guó)、法國(guó)、加拿大、澳大利業(yè)、印度、韓國(guó)、新加坡等國(guó)。我國(guó)高壓水射流技術(shù)的研究和應(yīng)用，通過(guò)幾年來(lái)的發(fā)展，取得了許多令人矚目的成績(jī)。國(guó)內(nèi)的大連理工大學(xué)、石油大學(xué)、中國(guó)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

12、究所、航空工藝研究所等研究機(jī)構(gòu)，先后開(kāi)展了水射流加工技術(shù)的研究。通過(guò)全國(guó)性學(xué)術(shù)交流和許多學(xué)者的努力，我國(guó)的水射流理論水平也不斷提高。我國(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)，用于航空復(fù)合材料的切割。同時(shí)，在船舶工業(yè)，水射流主要用于活洗、除銹。1993年我國(guó)正式推出第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)高壓（最大壓力392MPa爵料水射流切割設(shè)備。自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)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，從通用設(shè)備到專用設(shè)備，新產(chǎn)品不斷開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了高壓水射流技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和

13、領(lǐng)域十分廣泛。一般包括工業(yè)切割、挖掘、開(kāi)采和鉆探、巖石切割和掘進(jìn)、外表活洗、材料破碎等。水射流技術(shù)在切割方面的應(yīng)用水射流應(yīng)用于造紙業(yè)、橡膠業(yè)，而加砂水刀則可應(yīng)用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、金屆加工業(yè)。尤其值得一提的汽車制造業(yè)，隨著近幾年中國(guó)汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商產(chǎn)值的擴(kuò)大，車型的不斷更新，生產(chǎn)周期的縮短，對(duì)配套的汽車內(nèi)飾件如汽車地毯、儀表板、頂蓬等廠家來(lái)說(shuō)，早期手工加工汽車內(nèi)飾件的切邊及打孔的方法、由于效率低下、產(chǎn)品精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，顯然已不能滿足當(dāng)前汽車業(yè)發(fā)展的需求。此時(shí)，與機(jī)器人相結(jié)合的的水射流設(shè)備脫穎而出。高壓水管以螺旋形繞在機(jī)器人手臂上，利用機(jī)器人手臂

14、和手腕可使水射流頭的噴嘴快速沿直線或弧線運(yùn)行，到達(dá)3維加工內(nèi)飾件的目的。水射流技術(shù)在工業(yè)清洗方面的應(yīng)用水射流技術(shù)可應(yīng)用于汽車業(yè)噴漆房活洗、石化業(yè)熱交換器內(nèi)外管活洗、飛機(jī)跑道的橡膠活洗、工業(yè)上除銹防蝕工程外表處理、航天工業(yè)引擎零件活洗、核能發(fā)電廠活除輻射污染等。近幾年，國(guó)外已有公司通過(guò)超高壓技術(shù)，將其應(yīng)用于食品殺蠹到達(dá)食品保鮮的目的，并成功打入食品保鮮行業(yè)如美國(guó)著名的HEMEL公司已使用超高壓設(shè)備進(jìn)行食品保鮮，取得了良好的口碑。水射流可用來(lái)活洗汽車、高層建筑物、飛機(jī)場(chǎng)跑道、化工廠換熱器等，近年來(lái)這類業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。各種活洗機(jī)和活洗設(shè)施相繼問(wèn)世,并大量投放市場(chǎng),各種活洗公司和服務(wù)公司也相繼成立，為用戶提供服務(wù)。美國(guó)密蘇里？羅拉大學(xué)的最新研究說(shuō)明，高壓水射流在使用上還有很大潛力，它可將煤粉碎成細(xì)小顆粒，以便進(jìn)行活洗和生產(chǎn)活潔的燃料，還可用水力制漿法別離木纖維。2002年，美國(guó)FLOM司將超高壓技術(shù)帶入了一個(gè)革命性的階段，發(fā)布了最高壓可達(dá)87000mpa的超高壓水射流設(shè)備，在大大提高了生產(chǎn)效率