水射流切割技术的发展及应用.docx

论文题目： 水射流切割技术的发展及应用 学生姓名：学生学号：专业班级：机械设计制造及其自动化学院名称：信息工程学院指导老师：水射流切割技术的发展及应用摘要: 磨料水射流切割技术是近 20 年来发展起来的新技术和新工艺,其发展相当迅速。文章阐述了高压水射流加工技术的起源、切割机理及其分类，以及磨料水射流切削加工的优越性和其在工业中的应用。关键词：高压 水射流切割机理一、水射流加工技术起源“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力,然而，作为一项独立而完整的加工技术，高压水射流（WJ）、磨料水射流（AWJ）的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联,但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得。在最近十多年里，水射流（WJ、AWJ切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用,尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%。2、我国水射流技术发展概述随着我国经济的迅猛发展,各行各业对切割技术的需求越来越大,对切割质量的要求也越来越高.激光束、电子束、等离子体和水射流等都已成为新型的切割加工方法。其中激光束、电子束和等离子体都属于热切割加工,而水射流是唯一的冷切割加工技术。水射流不仅可以切割各类金属、非金属、塑性或脆性硬材料,而且工艺简单, 工件材料的物理、机械性能不会破坏。在各种新材料与复合材料相继涌现的当今时代,水射流的冷切割性能是无与伦比的。水射流切割分为纯水射流切割和磨料水射流切割两种。纯水射流切割是以纯水作为能量载体, 其结构简单,喷嘴磨损慢, 但切割能力差。磨料水射流切割以水和磨料(磨料约占90%) 的混合液作为能量载体, 切割能力强,能切割几乎所有的材料, 其卓越的应用效果越来越被人们所认识。3、水射流工作原理及其分类高压水射流切割的原理是将水压增至超高压100 400MPa,经节流小孔(0. 150. 4mm) 使水压热能转变为射流动能(流速高达900mm/ s) ,用这种高速密集的水射流进行切割。磨料水射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子,经混合管形成磨料射流进行切割。水射流作为载体使磨料粒子加速, 由于磨料质量大、硬度高, 磨料水射流较之水射流,其射流动能更大, 切割效能更强。根据磨料和高压水混合的情况磨料射流可分为前混合式、后混合式。其中, 在后混合式磨料水射流的形成过程中,磨料以很低的初始速度与高速的水射流互相接触,发生的情况是随机的; 有些磨料被水射流直接带走; 有些磨料飞溅到混合腔的壁面, 再反弹回到水射流表面; 少数的磨料则贴附在混合腔的内壁面, 其中的一些磨料还可能被偶然的冲刷而重新返回水射流中。总的看来, 后混合式的原理与结构,都不能使磨料与高速流动的水进行紊动混合,明显降低了水介质对于磨料的能量传输效率。前混合式磨料射流是将磨料先与从高压泵泵出的水在高压输水管路中混合均匀, 形成磨料与水相混合的固液两相流,再经喷嘴喷出。而后混合式磨料射流正好相反,磨料与水的混合是在水喷出后进行的, 最后一起经磨料喷嘴喷出。在前混合磨料射流系统中磨料罐处于泵压作用下,必须是一个能承受一定压力的容器。高压水与磨料在磨料罐内初步混合, 使磨料处于似流体的流化状态,然后,在高压输送管的混合室内流化磨料与水混合, 经磨料喷嘴加速过程使磨料获得更大的动能而喷射形成液固两相介质射流磨料射流。其工作原理图如下:图 1. 2 前混合磨料射流系统图磨料水射流加工磨料水射流的切割、车 、铣 、钻工作系统的组成和流程如下：供水系统 增压系统 磨料供给系统 磨料水射流喷头运动机构 接收器。其中，只是运动机构和接收器随具体应用而变更 ,其它部分的组成都相同。前混合式磨料射流大大改善了液固两相介质的混合效果,磨料在喷射前能较均匀地混合于水流中, 射流中的磨料在喷射前可以获得很高的动能, 从而使其冲蚀物料的效果大大提高, 同时也降低了泵的工作压力。这样, 在完成同样切割任务时,前混合式磨料射流与后混合式磨料射流相比其压力可降低了一个数量级。此外,前混合磨料射流还具有磨料可以回收利用、 切割比能耗较低等优点。因为前混合磨料射流具有上述的优点, 所以前混合磨料射流有广泛的应用基础。例如用前混合磨料射流进行切割加工,可以在较低压力下对机械刀具难以加工的陶瓷、金属基或纤维树脂复合材料等进行加工。在除锈方面, 前混合磨料射流是较有效的手段,可用于船舶、 车辆、 工程装备、钢板等容积内外壁的除锈、剥层。实际应用表明前混合磨料射流的除锈效率高,并且可以达到很好的除锈效果。4、磨料水射流切削金属材料机理磨料水射流切削金属材料 ,实质上就是磨料冲击下金属的冲蚀磨损。不同材料磨料的冲蚀磨损机理不同,一般金属材 料的特性介于脆性材料与弹性材料之间 ,均属于韧性材料。韧性材料的磨料冲蚀磨损有两种方式，一是微切割磨损,就是带尖角的坚硬磨料以较小角度冲击物料，磨料尖端依惯性压入材料表面而运动时，材料将被切割掉微体积，并在磨料运动方向上形成切屑；另一种是磨料垂直冲击下，材料表面因塑性变形引起的变形磨损。而实际磨料的冲蚀磨损过程常同时存在磨料的微切割磨损与变形磨损。图为高压磨料水射流切割 A3钢板切口的纵截面图。由切口纵截面图形状可以看出,钢板切透点在射流直径内，此时，切割过程包括3 个区间，第1区间，切口受磨料冲击的角度较小 ,这一区间主要由微切割磨损完成 ,变形磨损为次要因素。第3区间，切口受磨料冲击的角度较大 ,这一区间主要由变形磨损完成 ,微切割磨损为次要因素。第2区间,是磨料冲击角度由小到大的过渡区间，该区间由两种磨损方式的复合磨损完成 。5、磨料水射流切削加工与其它加工方法比较具有以下优点( 1)几乎能够加工任何材料 能够加工各种非金属 、金属包括极软、极硬的材料。如石墨、橡胶带、玻璃 、陶瓷、钦合金、金属基复合物等。( 2)工作点温度低 避免了机械或热切削如激光加工、电火花加工、等离子加工等在工作点产生热影响区和变形现象。因此 已加工表面金属的金相组织没有变化。( 3)切削过程无尘、无味、无毒、无火花（淹没磨料水射流），其在工件上的作用力很小 ,也不产生振动 ,所以工件不需要笨重的夹具。适合于恶劣的工作环境和有防爆要求的危险环境。( 4)切割加工的切口宽度窄 全向切割最小半径可达0.6mm，如用悬浮磨料水射流切割厚度为0.15mm 的镀金石英 片,切缝宽度仅0.075mm。磨料水射流可以开细缝、打小孔 ,还可以在大工件中嵌套小工件 。( 5)切割加工 的深切能力强 可以切割厚达150mm的钢板。( 6)切割加工的生产效率高 一套磨料水射流系统可配置多个喷头同时进行多道切割。(7 )设置接收器的磨料水射流系统 ,噪声不超过80-90dB（A），符合环保要求。(8)可控性好 由于磨料喷嘴与工件不接触，磨料水射流加工具很高的机动性 ,加工可以从工件上任意点开始 ,在任意方向上进行。能够加工任意形状的复杂工件,加工传统工艺难以加工的部位。易于与 电脑数控的机械手结合全方向的加工 。( 9) 兼容性好 在大多数现有机械操纵装置上所需的改装费低廉。它可以与X 一Y工作台定位器、悬臂式镂铣机、铣床、车床和钻床等配合使用。6、应用( 1) 汽车工业。加工各种非金属材料, 如仪表板、毯、石棉刹车衬垫、门框、 车顶玻璃、 汽车内装饰板、 橡胶、 塑料燃气箱等。( 2) 航空工业。可切割特种材料, 如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片, 叶片的切割边缘无热影响区和加工硬化现象, 省去了后序加工。( 3) 铸造工业。铸造工厂可用水射流切割技术去除工件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等。同时, 可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。( 4) 电子及电脑工业。可以进行印刷电路板及薄膜形状的成形切割。( 5) 煤炭工业。对于煤矿井下危险环境中铺设轨道、检修设备等需要进行切割的作业。这些作业在高瓦斯等危险环境中采用传统的热切割方法不能直接进行,因为在切割时都伴有热,而利用磨料水射流切割技术 ,切割作业是在常温下进行 ,切割时无尘、无味、无气体