特种加工技术课件第11章 高压水射流加工

第十一章高压水射流切割（WJ）11.1高压水射流切割原理、特点及应用高压水射流切割技术是以水（或加入添加剂）作为携带动能能量的载体,用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。通过增压器将水压升到300～1000MPa(动能转变为压力能)，然后使高压水通过蓝(红)宝石制造的直径为0.1～0.6mm的喷嘴形成的高能液体束流（又叫高速水射流，如图11.1是连续的，而图11.2是间断的水炮形式）,以2～4倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时（动能再次转换为压力能）如图11.3如果压力对工件产生应力的超过被切割材料的断裂极限σb，即可切断材料从而达到去除材料的加工目的(图11.4)。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料切割,如纸张、皮革、木材、塑料、各种纤维材料等，进一步提高压力后可用于切割较薄的金属材料，如飞机蒙皮等。高压水射流：Highpressurewaterjet，简记WJ11.1.1切割原理11.1.2高压水射流切割工艺特点通常人们习惯于把用于切割的高压水射流称作“水刀”，具有如下优点：①水来源广泛，价格低廉，易于处理并循环利用；②喷嘴直径小(0.1～0.6mm)，尽管水射流速度极高，加工的耗水量很少(100～200L/h)；切割的槽缝较窄，节省材料。③工具(宝石喷嘴)不易磨损，水射流本身不存在磨损，故不需“磨刀”；④“冷切割”属性不会对工件材料产生分解，最适合于低熔点材料，易燃易爆物品和有潜在爆炸危险的场合应用；⑤“无尘切割”特性最适合于有毒物质或致病材料的加工，如，石棉材料、玻璃纤维、纤维增强材料、铍板等，加工中不会扬尘，对操作者无危害，无化学反应，十分利于环保；⑥即可切割脆性材料，又可加工塑性材料，且切割的边口干净、锋利而无毛刺；还可以做到“选择性切割”，如剥离废旧导线胶皮而不伤内层的金属材料；⑦适合于激光难于加工的反光材料：如，铜、铝、玻璃等；⑧理想的单刀尖刀具，夹具简单，切割可直接进行，不需象电火花线切割那样需要预孔；⑨压力水可远程传输，动力单元和增压泵可以远离现场，现场噪音小；⑩加工工件残余应力极小，水射流施加于工件的力一般不超过50N；如下缺点：①设备昂贵，广大投资大，加工成本高；②工作现场有高压破裂的隐患，高压水射流一旦接触人体任何部位都会造成伤害；③操作者需要严格的培训和训练；④设备维护成本高，不太适合于批量生产。11.1.3应用场合工业上的应用主要在以下方面：①航空工业的金属和复合材料；②水下切割和造船业；③矿山、花岗岩、大理石等岩石；④软质材料的理想切割工具：如，木材、纸张、布匹、皮革、橡胶和塑料；⑤冷冻食品的切割、处理，面包、鲜肉，此时，采用酒精、甘油、食用油作为工作液；⑥高压水射流还可用于：清洗、抛光、表面脱脂，核污染去除、管道清洗和清理、除锈、检测准备、表面强化和去毛刺等。11.2高压水射流切割设备

图11.5是高压水射流切割设备简图，主要由多级过滤单元、高压泵单元和切割站单元三个部分构成。11.2.1多级过滤单元能够过滤直径大于0.5μm的固态颗粒，在这个阶段最好能够对水做去离子和除矿物的处理，更利于机器零件的性能保持并延长喷嘴寿命，过滤后的水要加入一些聚合物添加剂以便喷出的水射流集束性更佳。11.2.2增压器单元电动机驱动的液压泵能够达到约20MPa的油压，用以驱动增压器的双作用柱塞泵大面积端，大端面积约为小端面积的20倍，这样两边小端输出的水压可达400MPa的高压，其作用原理见图图11.6。缸体两边末端都安装有极限开关可以发出控制方向阀换向的控制信号，从而改变柱塞的方向。当增压器的一端在进水位置时，其另一端就产生超高压的输出，反之亦然。输出的超高压水流入蓄能器的水箱里，蓄能器能够消除水压的波动形成稳定的压力供给切割单元用以切割工作。切割单元的控制阀处于截至状态时，高压水储存于蓄能器里随时可以用于切割加工，增压器还能够适应切割和清洗不同用途的灵活需求。高压水还可以供给多个切割喷嘴来提高生产率。11.2.3.切割单元

集束切割喷嘴（如图11.7）将约400Mpa的高压转换成高400～1400m/s的高速，喷嘴具有好的集束性的射流可以优化切割。通过添加诸如拥有4百万分子重量的聚氧化乙烯等长链聚合物可以改善喷嘴的集束能力。这些聚合物增加了水的粘度从而增加的集束长度可达喷嘴直径的600倍大，喷嘴直径一般在0.1～0.35mm之间,即集束长度范围可在3～210mm之间，最佳的切割靶距（Stand-offdistance，SOD，即喷嘴端面到工件上表面的距离）就是在这个范围内选取，如图11.8。喷嘴材料要求硬度高、耐磨好，通常采用硬质合金、人造宝石（图11.9）、或人工合成金刚石，硬质合金寿命最短，金刚石寿命最长。人造宝石的工作寿命可达200小时，如果水未经处理和过滤，其破坏主要是因为赃物、杂质颗粒和矿物质沉积颗粒对它的磨损。如图11.10所示的高压引水管将高压水引致切割喷嘴，厚管的直径范围在6～14mm，内外直径比为0.1～0.2，见图a。极高的压力情况有可能超过引水管的材料屈服极限，此时就应采用图b所示的紧缩套管。高压开关阀最好采用针阀，喷嘴头部的设计必需结构紧凑才易于与运动控制系统一体化集成。运动控制系统可以是二轴X-Y工作台，也可能是复杂的多轴计算机数控(CNC)系统。为了加工复杂的外廓，喷嘴需要安装在装置配备的机器人操作臂上。尽管多数情况的作用力不超过50N，但是开关阀的开停引起的压力波动会传至机器人关节点而影响加工精度。切割单元还需配备结水器，也被用作水池，并过滤收集加工产生的渣屑，更重要的是它能吸收参与切割后的水射流余能，据估计这个余能可占到射流总能量的90%。另一个作用是降低噪音，能将与射流相关的105分贝噪音从3马赫降至次声水平。高压水射流切割设备的示意图影响材料去除率、加工精度和表面质量的因素有工件材料和加工参数。垂询材料易破裂，而塑性材料切割良好。切割材料的厚度可在0.8～25mm不等。表11.1是高压水射流切割多种材料的加工速度和厚度列表。喷嘴一定时，压力增加能量增多切割速度和速度都加大。高压低速移动可以改进切割质量，同时提升切割厚度。11.3高压水射流切割工艺能力主要应用领域：11.3.1工业制造超高压水射流切割几乎适用于所有工业领域!如机器制造业、模具制造业、金属加工业、航空制造业、飞机制造业、汽车制造业、石材加工和建筑业、陶瓷业、轻工业、造纸业、橡胶业、纺织和皮革工业、电子工业、食品工业等行业中。用水射流切割碳纤维复合材料，各种坚硬的金属及非金属材料，或带有蜂窝结构的材料等。以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材料：如汽车地毯、仪表板、顶蓬等。还用于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。国内外已安装了数千条水射流自动切割生产线应用于各行各业。。应用实例图

11.3.12安全减灾环保高压水射流技术广泛应用于桥梁、水电工程等大量使用钢筋混凝土结构的部门。特别在煤炭、石油、化工、军工、核工业等自然条件恶劣的工作危险的部门应用。能高效作业，大大减轻工人劳动强度，改劳动环境，降低和防止危险事故的发生。在地震抢险和灾后重建工作中，高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等能够发挥重要作用。11.3.3建筑物的切割或破碎高压水射流可以按人们的意愿在各种建筑物上切割、开孔、破碎，可用于拆除旧建筑物、维修桥梁、开挖铺设电缆或煤气管道的沟槽、破碎马路等等。应用三原则：虽然理论上说超高压水切割可以切割任何材料，但在应用上还是有所侧重。超高压水切割的用途主要有三个：一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷砖、玻璃、水泥制品等热切割无法加工的材料。二是切割可燃性材料，如钢板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等。以往的热切割也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，而水切割加工不会产生燃烧区和毛刺。被切割材料的物理、机械性能不发生改变，这也是水切割的一大优点。三是切割易燃易爆材料，如弹药和易燃易爆环境内的切割，这是其它无法取代的。

一般情况下，能够利用激光、等离子、火焰、线切割、锯、铣削等加工方法基本满足加工工艺要求时，则不宜采用水切割加工，毕竟水切割的运行成本较高。当您感到激光和等离子所能切割的厚度太薄，所产生的毛刺太大，所产生的热影响区不利时，您可以考虑选用水切割。当您感到火焰切割的毛刺太大、粗糙度太差、热影响区太大时，您可以考虑选用水切割。当您感到线切割的速度太慢，并且不能切割非导电材料时，您可以考虑选用水切割。当您感到铣削的方法产生了许多废屑，造成了很大的浪费时，您也可以考虑选用水切割。当您感到使用圆锯和带锯太慢，而又不能进行非直线切割时，您可以考虑选用水切割。当您切割时不想产生毒副气体，不需二次加工，不想产生热效应或变形或微裂缝，又想产生良好的切边品质并能同时切割细小的孔时，您更要考虑选用水切割。总之，水切割是一种万能的切割方式，但某些场合下的使用并不是最佳的，所以选择时要做具体分析。11.4高压水射流工业清洗11.4.1工业清洗概述西方发达国家的主流清洗技术，占到了清洗业市场份额的80%以上；美国，高压水射流清洗已占到了清洗业的90%；我国工业清洗目前80%是用化学方法。11.4.2高压水射流清洗的原理和特点

原理：使用高压泵打出高压水，并经过一定管路到达喷嘴，再把高压力低流速的水转换为高压力高流速的射流，然后射流以其很高的冲击动能，连续不断地作用在被清洗表面，从而使垢物脱落，最终实现清洗目的。高压水射流清洗具有如下特点：(1)选择适当的压力等级，高压水射流清洗不会损伤被清洗设备的基体。(2)是用普通自来水于高速度下的冲刷清洗，所以它不污染环境，不腐蚀设备，不会造成任何机械损伤，还可除去用化学清洗难溶或不能溶的特殊垢。(3)洗后的设备和零件不用再进行洁净处理。(4)能清洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄，环境复杂、恶劣、有害的场合进行清洗。(5)易于实现机械化、自动化，便于数字控制。(6)节省能源，清洗效率高，成本低。11.4.3工业清洗应用领域高压水射流清洗的对象主要包括：①管道类：即地下水排污、输油管道、煤气、排烟管道；②各类热交换器、冷却塔、冷凝器；③盛装气、水、油、溶液、浆体等流体介质的各种箱、柜、釜、罐、槽、舱等工业容器；④压力容器，包括储气缸、高压