磨料水射流加工技术

1、 磨料水射流加工技术 目录目录 磨料水射流加工技术的特点、应用领域和发展磨料水射流加工技术的特点、应用领域和发展 磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割机理及切割规律 1.简介简介 水射流技术是近20多年发展起 来的新技术，其应用日益广泛。目 前已在煤炭、机械、石油、冶金、 航空、建筑、水利及轻工业等部门 应用，主要用来对物料进行切割、 破碎和清洗。尤其近年来随着高科 技的迅速发展，激光束、电子束、 等离子体和水射流，业已成为新型 的切割工具。其中激光束、电子束 和等离子体属于热切割加工，而水 射流是唯一一种冷加工手段。在对 许多材料的切割、破碎及表面预加 工中，水射流有其独特的优越性

2、。 1.简介简介 水射流的发展概况大体分四个阶段: 第一阶段（探索实验阶段）：上世纪60年代初，主 要研究低压水射流采矿。 第二阶段（设备研制阶段）：60年代初至70年代初， 主要研制高压泵、增压器和高压管件，同时推广水射流技 术。 第三阶段（工业应用阶段）：70年代初至80年代初， 主要特点是大量的水射流采矿机、切割机和清洗机相继问 世。 第四阶段（迅速发展阶段）：80年代初至今，水射流 技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流和自激振动射 流等新型射流发展很快，许多产品已达到商品化。 1.简介简介 第四阶段第四阶段 第三阶段第三阶段 第二阶段第二阶段 第一阶段第一阶段 迅速发展阶段迅速发展阶

3、段 工业应用阶段工业应用阶段 设备研制阶段设备研制阶段 试验探索阶段试验探索阶段 水射流发展的四个阶段水射流发展的四个阶段 1.简介简介 磨料水射流的概念：磨料水射流的概念： 磨料水射流是以水为介质，通过高压发生装置获 得巨大能量，然后通过供料和混合装置把磨料加入到 高压水束中，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高 压水束的高速冲击和冲刷，实现材料去除的一种特种 加工方法。 1.简介简介 磨料水射流的加工原理：磨料水射流的加工原理： 磨料水射流加工是运用液压增压原理，通过增压器或高压泵将水 增压至超高压，将电动机的机械性能转换成压力能，具有巨大压力能 的水再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能，从而形

4、成高速水射流并在 混合室内产生一定的真空度，磨料在自重和压力差的作用下被吸入混 合室，与水射流产生剧烈紊动扩散和混合，形成了高速磨料水射流， 并以极高的速度经磨料喷嘴冲击工件。磨料水射流冲击工件后，材料 上局部应力场高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至材 料失效而被切除。 在磨料水射流加工过程中，起加工作用的主要是磨料粒子，水射 流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以磨料水 射流与纯水射流比较，其射流动能更大，加工效果更强。 磨料水射流装置包括:供水系统，增压系统，高压水路系统，磨料供给系 统，切割头装置，接收装置，执行机构和控制系统，如下图所示。供水系统的 作用是使

5、水质软化，降低水质对高压水路的腐蚀，提高高压系统往复密封的工 作寿命。增压系统的核心部件是增压器，一般采用液压作用往复式，增压器通 常选用10:1，20:1，增压器的输出水压可由改变输入端液压系统的油压来调节; 可使水的压力增至100-400MPa，甚至高达690MPa和700MPa。高压水路系统连接 增压系统和切割头装置，为了输送高压水和适应切割头快速灵活运动的要求， 高压水管道通常采用具有挠性的耐超高压不锈钢管，并由若干个旋转管接头组 成。磨料供给系统包括料仓、磨料流量阀和输送管。纯水射流切割头包括高压 水开关阀和宝石喷嘴;磨料水射流切割头则还包括使水射流与磨料混合的混合 室和混合喷嘴;混

6、合喷嘴要求耐磨性高，一般采用硬质合金制成。接收装置置 于工件下方，用来收集剩余磨料射流，具有消能、降噪、防溅和安全等功能。 执行机构和控制系统控制切割头运动轨迹的控制装置，控制方式有手动、机动、 NC和CNC等方式。 1.简介简介 磨料水射流装置 1.简介简介 1.简介简介 磨料：磨料： 一般分为矿物系、金属系和人造系三类。一般分为矿物系、金属系和人造系三类。 选用原则：选用原则： （1）切割效果好；）切割效果好； （2）价格低廉，货源充足。）价格低廉，货源充足。 1.简介简介 常见磨料：常见磨料： 1.简介简介 喷头喷头: 由水射流喷嘴、混合室和磨料射流喷嘴组成。由水射流喷嘴、混合室和磨料射

7、流喷嘴组成。 分类：分类： （1）按水射流的股数：单股射流喷头、多股射流）按水射流的股数：单股射流喷头、多股射流 喷头喷头 （2）按磨料输入方式：磨料侧进式射流喷头、磨）按磨料输入方式：磨料侧进式射流喷头、磨 料中进式射流喷头、磨料切向进给式射流喷头料中进式射流喷头、磨料切向进给式射流喷头 1.简介简介 1.1.单射流磨料侧进式喷头单射流磨料侧进式喷头 优点：结构简单，射流的优点：结构简单，射流的 密集性和稳定性都较好。密集性和稳定性都较好。 缺点：磨料与水混合的效缺点：磨料与水混合的效 果较差。果较差。 1.简介简介 2.2.单射流磨料切向进给式喷头单射流磨料切向进给式喷头 磨料与水射流充分

8、混合，同时磨料与水射流充分混合，同时 减少磨料间的相互碰撞，提高磨料射减少磨料间的相互碰撞，提高磨料射 流的切割能力。流的切割能力。 1.简介简介 3.3.多射流磨料中进式喷头多射流磨料中进式喷头 多用于磨料射流清洗或除锈多用于磨料射流清洗或除锈 1.简介简介 4.4.带准直管的磨料射流喷头带准直管的磨料射流喷头 结构简单，操作方便，被广泛用于磨料射流切割工业结构简单，操作方便，被广泛用于磨料射流切割工业 磨料水射流加工技术的分类 根据磨料与水 的混合方式 前混合式磨料水射流 后混合式磨料水射流 1.简介简介 前混合式磨料水射流 ：磨料先和水在高压管路 中均匀混合成磨料浆水，然后经磨料喷嘴喷射

9、形成 的射流称为前混合磨料射流，这种混合效果好，所 需的压力低，但装置复杂，且喷嘴磨损严重。 后混合式磨料水射流 ：在水射流形成后加入磨 料的称为后混合磨料水射流，混合效果稍差，所需 的压力高，但喷嘴磨损小一些。后混合磨料水射流 的理论研究和应用技术都比较成熟，目前在工业许 多部门得到了广泛的应用。 1.简介简介 根据射流加工 时的环境条件 淹没式磨料水射流 非淹没式磨料水射流 磨料水射流加工技术的分类 1.简介简介 淹没式水射流 是指射流从出口到工件是在水中， 具有射流扩散快、速度和动压分布均匀等特点。 非淹没式水射流 指射流从出口到工件是在空气自 然状态下，与淹没式相比，其射程大，核心段长

10、 度长，但是速度分布不均匀。 1.简介简介 磨料水射流的切割机理磨料水射流的切割机理 磨料水射流切割靶件时，在一定的射流横移速度下，水射流的一部分以恒定的速度 射向靶件，另一部分则随着射入深度地增加切割效力减弱，于是切割面沿射流横移相反 方向出现弯曲，如下图a所示;弯曲切割面轴线与原射流轴线之间的角度，从射流进入靶 件处开始逐渐增大，射流随之沿横移相反方向偏转越来越大。但由于磨粒自身惯性较大， 并不随水射流载体偏转，因而导致磨粒与水射流分离和磨粒的局部过分集中冲蚀。磨粒 加速度越大，分离折射角越大，集中冲蚀也越剧烈。磨料局部集中冲蚀使得沿切割面的 磨削量明显增加，从而在切割面上形成阶梯，因此，

11、在形成阶梯的冲蚀中，阶梯以上水 流偏转角不断增大，水射流偏转切割面越远，阶梯以下的磨削量越小，直至上阶梯与原 射流方向垂直，如下图b所示;随着射流横移送进，切割面重新变为平滑切割磨削，如下 图c所示。以后由平滑切割磨削过程到变形冲蚀磨削过程重新开始，即进入切割循环过程。 在此过程中，整个切割面继续转变为行程间隔，由于磨料水射流偏转近似弧线，所以沿 射流横移方向形成波纹间隔的切割断面。 2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割机理及切割规律 2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割机理及切割规律 磨料水射流加工数学模型 M. Hashish根据Finnie和Bitter的固体

12、粒子冲蚀理论，在一系列可视化实验的基础上， 认为磨料水射流去除材料的过程由切割磨损和变形磨损两个区域组成，如下图所示。在切割 磨损区域，即在切割深度达到hC以前，磨料粒子以小角度冲击材料，材料是以微切割模式去除 的。当切割深度达到hC以后，磨料粒子冲击材料的速度降低，材料的去除模式发生了改变，磨 料粒子以大角度冲击材料，材料是以变形磨损模式去除的。 在这个前提下，M. Hashish得出了切割磨损区切 深和变形磨损区切割深度的数学模型: 式中,hC一切割磨损模式的切割深度(mm) ; hd一变形磨损模式的切割深度(mm);Ck一特征速 度(m/s) ; dj一射流直径(mm);m一磨料质量流量

13、(g/s) ; Ve一磨料粒子的临界速度(m/s) ; Vo一 磨料粒子的初始速度(m/s) ; 一磨料粒子的密度(g/cm3) ; u一喷嘴的横移速度(mm/s) ;Cf摩 擦系数; 一流动应力(MPa)。 该模型几乎包含了磨料水射流加工所涉及的所有参数，然而，其中一些参数如Vo, Ve等须由 实验测定，因此当由不同的操作人员操作时，所取的结果是不同的。 P 磨料水射流切割性能的影响因素 由于磨料水射流切割是一个非常复杂的过程，因此影响磨 料水射流切割性能的参数很多，包括动力学参数(水喷嘴直径、 水压力)、磨料参数(磨料材料、尺寸大小、流量)、磨料喷嘴参 数(磨料喷嘴直径、长度、材料)、切割

14、参数(切割速度、靶距、 冲击角度、切割次数)、工件参数(硬度)等。但易于控制的工艺 参数主要有水压力、磨料参数、切割速度和靶距等。 评价切割性能的指标主要包括切穿深度、切口形状(切口上、 下部的宽度和切口锥角)、加工表面质量(粗糙度和波纹度)等。 2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割机理及切割规律 磨料水射流的切割规律 （1）切割深度随水压、磨料硬度和切割次数的提高而增加，随切割速度的提高 而减小，与靶距、磨料供给量和磨料粒度存在最佳值关系。随着切割深度的增大， 切割断面条纹的凸起峰值及偏斜角度逐渐增大，而条纹的出现频率减小。 （2）切口宽度与切割速度存在最佳值关系，最佳切速约为

15、最高切速的1 /5。一次 切断，切割速度由材料性能、厚度和断面质量要求而定。当横移速度一定时，压 力越大切割表面越光滑;当切割表面粗糙度相同时，压力越大横移速度越大。 （3）随着射流压力的增大或切割速度的减小，切割断面质量明显提高。与脆性 材料相比，塑性材料的切割断面较光滑，其断面形貌受射流压力和切割速度的影 响较明显。 （4）磨料水射流对材料的切断面积速度，随材料破坏能量值的增大而减小，随 压力的增加而增加，随靶距的增大而减小，与磨料的供给量存在最佳值关系。在 横移速度、材料厚度一定时，存在最佳靶距值，使切割深度最深;随着靶距的增大， 切槽宽度逐渐增大。在喷嘴横移速度一定时，随着压力增加，切

16、割深度逐渐增大。 在压力一定时，横移速度越小切割深度越深。 2.磨料水射流的切割机理及切割规律磨料水射流的切割机理及切割规律 磨料水射流切割 磨料水射流铣削 磨料水射流钻削 磨料水射流车削 磨料水射流其他加工方式 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流切割 M.Hashish是最早研究磨料水射流加工的研究者之一，他通过磨料水射流切割实验研究指 出，磨料水射流可用于切割钦、陶瓷、金属、玻璃、石墨烧结复合材料而不产生分层，在切 割区不会产生热应力与变形应力，并讨论了不同切割参数对材料加工性能和材料去除率的影 响，指出优化切割参数将大幅提高切削性能。此后，国内 外磨料水

17、射流加工的大量研究和应用主要集中在切割加工 方面，磨料水射流切割示意图与试样切割断面如图3所示。 从微观角度上讲，磨料水射流切割的实质为大量磨料粒子对工件材料微磨削的累积作用， 需解决的关键问题是切口形貌和切割深度的控制。磨料水射流关键装备及精确切割机理数学 模型的发展与完善，使目前该技术能够切割100一200 mm厚的金属材料和约50 mm厚的硬脆材 料结构件。然而，在大厚度结构件的磨料水射流切割过程中，射流束会因能量衰减而产生 “甩尾”现象，如图4所示。切割平滑区位于切口的上边缘， 而越靠近工件底部，则“甩尾”现象越明显，这极大地影响 切割工件的表面粗糙度、形状与位置精度。通过优化切割工

18、艺及利用带有公差控制器的摆动切割头技术可以对切口加工 精度进行智能补偿，从而提高加工质量。 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流铣削 通过控制磨料水射流加工参数，使射流束不穿透工件而只去除工件表层材料的加工方 法被称为磨料水射流铣削，其加工示意图及产品如图5所示。虽然该技术尚处于实验研究 阶段，但是许多研究者对这一新的磨料水射流加工技术的机理、工艺进行了研究。在塑 性材料的磨料水射流铣削方面，M.Hashish等提出了磨料水射流铣削加工的可行性，并研 究发现喷嘴横移速度是影响铣削均匀性的重要参数。Hocheng H等研究了磨料水射流铣削 纤维增强塑料的可行性，通

19、过研究单次铣削、两次铣削和多次铣削的碎屑形成机理，预 测出变形磨损为铣削纤维增强塑料的主要切割机理，并分析了射流压力、靶距、喷嘴横 移速度和磨料流量对材料去除率、铣削深度、铣削宽度的影响。Fowler和Shipway等研究 了磨料水射流铣削的材料表面特征，指出高的喷嘴移动速度、细颗粒磨料、低的射流压 力和小冲蚀角度可以得到波纹度较小的铣削表面。Paul等研究 了不同铣削参数对磨料水射流铣削槽深和材料去除率的影响， 并利用回归分析建立了经验模型。磨料水射流铣削硬脆材料的 研究较少，Zeng J Y等研究了射流冲击角度对磨料水射流铣削 多晶陶瓷的影响，指出了当射流角度为900时可获得铣削冲击时 最

20、优的材料去除率，并建立、验证了冲蚀速率的数学模型。 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流钻削可以分为套孔和钻孔两种加 工方法。套孔是将材料沿圆周曲线切割，形成直 径较大的孔，该工艺是由磨料水射流轮廓切割演 变而来的，如右图所示(第9#孔)。钻孔加工是在 无孔的条件下加工出直径较小的孔，如右图所示 (第3#一8#孔)。 Guo Z等研究了A12 O3,Si3 N4和 SiC等陶瓷材料的磨料水射流钻孔加工机理及加 工工艺，认为在磨料水射流钻孔加工中材料的去 除主要是微断裂、微切削和冲蚀作用。Yong Z等 建立了基于冲蚀过程混沌现象的磨料水射流钻孔 深度与工艺参数之

21、间的关系。邢西哲等介绍了磨 料水射流不同的孔加工方式，并指出了磨料水射 流钻孔加工的储多优点，如可用于硬脆材料及层 状复合材料的钻孔，可以钻深孔、微小孔及异型 孔，无热影响区，能得到较高的尺寸精度和较低 的表面粗糙度，可以方便地实现对倾斜工件表面 的孔加工等。 磨料水射流钻削 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流车削 磨料水射流车削加工与普通车床上单刃刀具车削相似，是利用工件的旋转运 动和切割头的直线或曲线运动来完成工件材料的去除，其加工示意图及产品如图 7所示。磨料水射流车削加工的优点是作用力小、工件无热损伤、切屑为细小碎 块而不存在断屑问题。 M.Hashi

22、sh等于1987年首次提出了磨料水射流 车削的概念，并指出磨料水射流可用于车削碳/金 属复合材料、玻璃和陶瓷等特种难加工材料，可以 得到复杂形状产品。Ansari等研究表明，难加工材 料的磨料水射流车削优于普通车床车削，如加工SiC 陶瓷比普通车床速度快5一10倍。Zhang Z W等研究了 磨料水射流车削玻璃时工艺参数对材料表面质量的 影响，并指出在低的喷嘴横移速度下可以获得较优 的表面质量。Manu等研究了磨料水射流车削过程 中喷嘴的加工倾角对产品外形的影响。 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流其他加工方式 除上述介绍的磨料水射流加工技术外，国内外的研究者

23、在 磨料水射流复合加工技术方面也有部分研究与报道。例如， 微磨料水导激光微细加工是水射流与激光的复合加工技术， 该技术充分利用水射流技术的特点，有效解决了传统激光加 工有效加工范围较小、热熔渣、热影响区等问题，使其在微 细加工领域有广阔的应用前景；超声辅助磨料水射流加工是 水射流与超声波的复合加工技术，是一种可行的脆性材料高 效加工方法；水射流喷丸强化技术是针对提高金属零部件疲 劳寿命的冷加工工艺，属于新型材料表面处理方法，其具有 喷丸强度高、喷丸压力低和强化效果好等优点。 3.磨料水射流加工技术研究现状磨料水射流加工技术研究现状 磨料水射流加工的优点磨料水射流加工的优点 由于相对纯水射流来说

24、，磨料射流大大降低了同等切割目的下所需的压力而突出的 表现了安全可靠的优势； 使用磨料水射流切割金属时，一般不会产生火花，避免了着火或切割区附近有害气 体的爆炸事故； 切割时不发热或产生的少量热量能很快地被水射流所带走，在切割面上几乎不产生 热影响区； 切割面上受力小，即使切割薄板成型材，切口也不会被破坏； 切缝窄，被切割材料损耗小，切面光滑，无毛边（切割速度太快会产生少量毛刺）； 切割时几乎无粉尘，也不产生有毒气体，工作条件相对来说较清洁； 切割反作用力小，所以机械手容易移动喷嘴； 可以全方位进行切割，三维曲面的切割也很容易，能切割各种形状的工件； 切割条件容易控制，便于使用计算机实现自动调

25、节和控制。 4.磨料水射流加工技术的特点磨料水射流加工技术的特点、应用领域、应用领域和发展和发展 磨料水射流加工的缺点磨料水射流加工的缺点 设备功率大 喷嘴磨损快 不适合于大型零件及去除超大的毛刺加工 缺乏适用于水射流加工的软件 4.磨料水射流加工技术的特点磨料水射流加工技术的特点、应用领域、应用领域和发展和发展 磨料水射流技术的应用领域磨料水射流技术的应用领域 (1)航空航天工业:切割特种材料，如铝合金、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，用水射流切割飞机叶片，切割边缘无热影响区和加工硬化现象，省去了 后续加工。 (2)汽车制造与修理业:切割各种非金属材料及复合材料构件，如仪表板、地毯、石棉刹