5.5水射流加工技术

5.5　水射流加工技术

水射流是由喷嘴流出的不同形状的高速水流束，其流速取决于喷嘴出口直径及压力差。水射流加工(Water Jet Machining，WJM)又称为超高压水射流加工、液力加工、水喷射加工或液体喷射加工，俗称“水刀”，主要靠液流能和机械能实现材料加工。即运用液体增压原理，通过特定的装置(增压口或高压泵)，将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置，将压力能转变成动能)，从而形成一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，通过将水射流的动能变成去除材料的机械能，对材料进行清洗、剥层、切割的加工技术。

早在19世纪70年代左右，人们在生产过程中就开始利用高压水用来开采金矿、剥落树皮。第二次世界大战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏的现象启发了人们的思维。20世纪50年代，苏联人提出了高压水射流切割的可能性，但第一项切割技术专利却产生于美国，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得。随着研究进展，美、英、日和苏联等国研制出了既实用又耐久性好的高压水发生装置(包括高压密封装置)，并于1971年制造出了世界上第一台高压纯水射流切割设备并用于家具制造中的切割加工。

在显示出水射流切割的独特优点的同时，鉴于纯水型的切割能力有限，可切割加工的材料受到限制，故20世纪80年代初开始研究在水中加入磨料的水射流加工技术，而且取得了迅速的进展。1982年第一台高压加磨料(即挟带式)水射流切割设备诞生，使得切割各种金属和陶瓷等硬质材料成为可能，从而引起工业界对水射流切割技术的重视。

其后，英国流体力学研究协会(BHRA)又在此基础上开发低压加磨料水射流技术。1990年，该协会下属的Fluid Developments公司正式推出低压加磨料型二轴数控水射流切割机，该技术被认为是目前水射流切割法中最有效的。

1993年中，我国经过一段时间的开发，正式推出国产高压(最大水压为392 MPa)加磨料型水射流切割设备并开始销售。

水射流加工起初用在大理石、玻璃等非金属材料的加工，现在已发展成为可用于切割复杂三维形状的工艺方法。水射流加工属“绿色”加工方法，在国内外得到了广泛的应用。近年来，水射流加工技术和设备的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。目前，水射流加工技术已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。

5.5.1　水射流加工原理及特点

(1)水射流加工原理

如图5.23所示给出了水射流加工系统构成与工作原理示意图，储存在水箱中的水或加入添加剂的水液体，经过过滤器处理后，由水泵抽出送至蓄能器中，使高压液体流动平稳。液压机构驱动增压器，使水压增高到70～400 MPa。高压水经控制器、阀门和喷嘴喷射到加工部位进行切割，产生的切屑和水一起排入水槽。

水射流加工是利用高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，大体可分为以下两个过程:

图5.23　水射流加工系统构成及工作原理示意图

1)射流液滴与材料的相互作用过程

射流液滴接触到物体表面时，速度发生突变，导致液滴状态、内部压力及接触点材料内应力场也发生突变。在液／固接触面上存在着极高的压应力区域，对材料的破坏过程起着重要的作用。当液滴作用于物体表面时，在冲击的第一阶段射流保持平坦，液／固边缘的液体可自由径向流动。在高速射流冲击下，材料表面受冲击区处的中心产生微变形，从而形成突增的局部压力(即水锤压力)。

液滴的中心则在强大的水锤压力下处于受压状态。随着液／固边缘液体的径向流动，流体压力得到释放。同时，压缩波由液／固接触面边缘向中心传播。当其达到中心后，物体表面的压力全部从最高压力降至冲击液滴的滞止压力，液体内部的受压状态消失。上述作用过程取决于液滴的大小及压缩波的传递速度，维持的时间极短，仅是微秒量级。在此过程中液滴内部压力随时间波动，液滴与材料相互作用过程的最高压力维持时间也很短(1～2 μ s) ，它同射流压力、射流结构及压缩波速度有关。

2)材料的失效过程

在高速射流冲击下，造成材料失效的首要因素是射流冲击力；此外，材料的力学性能(抗拉、抗压强度)、结构特性(微观裂缝、孔隙率等)以及液体对材料的渗透性等也是影响材料失效速度的重要因素。射流作用的初始阶段，施加在材料表面极小区域内的水射流产生极高的压强，材料受到切应力的作用发生变形。当切应力达到临界值时，导致材料失效。这一过程的特征是材料微粒在射流或磨料的冲击下迅速自本体分离。

随着高压射流对材料的穿透，流体深入微小裂缝和微小孔隙等材料缺陷处，降低了材料的强度，并在材料内部造成了瞬时的强大压力，造成裂缝数量的增加与扩展。当作用力超过材料的强度时，导致一些微粒从大块材料上破裂出来，并最终导致材料失效。

材料的破坏形式大致可分为两类:一是以金属为代表的延展性材料在切应力作用下的塑性破坏；二是以岩石为代表的脆性材料在拉应力或应力波作用下的脆性破坏。有一些材料在破坏过程中，两种破坏形式会同时发生。

(2)水射流加工特点

水射流加工是目前世界上先进的加工工艺方法之一，可加工各种金属、非金属材料，各种硬、脆、韧性材料，尤其在石材加工等领域具有其他工艺方法无法比拟的技术优势。

与其他高能束流加工技术相比，水射流加工技术特点鲜明突出，具有独特的优越性。

①水射流是一种冷加工方式，加工过程无热量产生，加工时工件材料不会受热变形，加工表面不会出现热影响区，几乎不存在机械应力与应变，切割缝隙及切割斜边都很小，切口平整，无毛刺，无浮渣，无须二次加工，切割品质优良。所使用的水可循环利用，成本低。

②加工过程中，作为“刀具”的高速水流不会变“钝”，各个方向都有切削作用，切削过程稳定。

③清洁环保无污染。在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁。

④切割加工过程中，温度较低，无热变形、烟尘、渣土等，加工产物随液体排出，可用于加工木材、纸张等易燃材料及制品。

⑤加工开始时不需退刀槽、孔，工件上的任何位置都可作为加工开始和结束点。

⑥液力加工过程中，“切屑”混入液体中，不存在灰尘，不存在爆炸或火灾危险。

对某些材料，夹裹在射流束中的空气将增加噪声，噪声随压射距离的增加而增加，可通过在液体中加入添加剂或调整到合适的正前角的方法降低噪声。

目前，超高压水射流加工存在的主要问题是喷嘴成本较高，使用寿命、切割速度和精度仍有待进一步提高。

5.5.2　水射流加工设备

通常情况下，数控超高压水射流加工设备都是根据具体要求设计制造的，主要由增压系统、切割系统、控制系统、过滤设备和机床床身等部分构成。

图5.24　增压器工作原理

(1)增压系统

增压系统主要包括增压器、控制器、泵、阀及密封装置等。增压器是液压系统中重要的设备，要求增压器使液体的工作压力达到100～400 MPa，以保证加工的需要。由于增压器工作压力高出普通液压传动装置液体工作压力的10倍以上，因此系统中的管路和密封是否可靠，对保障切割过程的稳定性、安全性具有重要意义。对于增压水管采用高强度不锈钢厚壁无缝管或双层不锈钢管，接头处采用金属弹性密封结构。

如图5.24所示，增压器是利用大活塞与小活塞面积之差来实现增压效果的。理论上，大活塞面积(A大)，油压(P油)，小活塞面积(A小)，水压(P水)之间满足关系

A大×P油＝A小×P水

由此可得

P水＝A大/A小×P油

式中，A大/A小(即大活塞与小活塞面积之比)称为增压比，通常为10∶1～25∶1。由此，增压器输出高压水压力可达100～750 MPa。

(2)切割系统

喷嘴是切割系统最重要的零件。喷嘴应具有良好的射流特性和较长的使用寿命。喷嘴的结构取决于加工要求，常用的喷嘴有单孔和分叉孔两种。

喷嘴的直径、长度、锥角及孔壁表面质量对加工性能有很大影响，通常要根据工件材料合理选择。喷嘴的材料应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和承受高压的性能。

常用的喷嘴材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石及金刚石。其中，金刚石喷嘴的寿命最高，可达1 500 h，但加工困难、成本高。此外，喷嘴位置应可调，以适应加工的需要。

影响喷嘴使用寿命的因素较多，除了喷嘴结构、材料、制造、装配、水压、磨料种类以外，提高水介质的过滤精度和处理质量，将有助于提高喷嘴寿命。通常，水的pH值为6～8，精滤到0.1 μm以下。另外，选择合适的磨料种类和粒度，对提高喷嘴的使用寿命也至关重要。

(3)控制系统

可根据具体情况选择机械、气压和液压控制。工作台应能纵、横向灵活移动，适应大面积和各种型面的加工需要。因此，适宜采用程序控制和数字控制，已经应用的程序控制液体加工机，主作台尺寸为1.2 m×1.5 m，移动速度为380 mm/s。

(4)过滤设备

在进行超高压水射流加工时，对工业用水进行必要的处理和过滤可延长增压系统密封装置、宝石喷嘴等的寿命，提高切割质量，提高运行的可靠性。因此要求过滤器能很好地滤除液体中的尘埃、微粒、矿物质等沉淀物，过滤后的微粒应小于0.45 μm。液体经过滤后，可减少对喷嘴的腐蚀，切削时摩擦阻尼小。

(5)机床床身

机床床身结构通常采用龙门式或悬臂式机架结构，一般都是固定不动的。在切削头上安装一只传感器以保证喷嘴与工件间距离的恒定，从而保证加工质量。通过切削头和关节式机器人手臂或三轴的数控系统控制结合，可实现三维复杂形状零件的加工。

如图5.25所示为美国一家公司生产的PASER型水射流切割设备的组成和布置图。高压水发生装置由口压力可补偿的可调式柱塞泵加液压驱动的增压器组成，能把水升压至200～400 MPa。增压器带有一个高压安全阀，在按下“急停”按钮时用来释放压力，以保证安全。

图5.25　PASER型水射流切割设备布置图

该设备既可用于纯水切割，也可在开启磨料储罐、更换割枪后用于磨料流切割。所采用的磨料主要为石榴石。

5.5.3　水射流加工工作参数

水射流加工的工作参数主要包括流速与流量、水压、能量密度、喷射距离、喷射角度及喷嘴直径等。下面分别介绍这些参数对加工的影响。

(1)流速与流量

流速和流量越大，加工效率就越高。通常水射流加工的水流束速度可高达每秒数百米，是声速的2～3倍，流量可达7.5 L/min。

(2)水压

加工时，在由喷嘴喷射到工件加工面之前，水的压力经增压器作用后可高达700 MPa。水压对切缝质量影响很大，水压过低，会降低切边质量，尤其对于复合材料，容易引起材料离层或起鳞。提高水压有利于提高切割深度和切割速度，但会增加水发生装置及密封技术的难度，增加设备成本。目前，常用水射流切割设备的最高压力一般控制在400 MPa以内。

(3)能量密度

水流束从喷嘴喷射到工件单位面积上的功率，也称功率密度，可达10¹⁰W/m²。

(4)喷射距离

喷嘴到加工工件的距离，喷射距离与切割深度有密切关系，在具体加工条件下，喷射距离有一个最佳值，可经过试验来寻求，一般范围为2.5～50 mm，常用可取为3 mm。

(5)喷射角度

喷射角度一般用正前角表示。喷嘴喷射方向与工件加工面的垂线之间的夹角称为正前角。加工时正前角一般取0°～30° 。

(6)喷嘴直径

用于加工的喷嘴直径一般小于1 mm，常用的直径为0.05～0.38 mm。增大喷嘴直径可提高加工速度。

5.5.4　水射流加工工艺及应用

(1)水射流清洗

水射流清洗是物理清洗方法中的一项重要的新技术，利用高压射流的冲击动能，连续不断地对被清洗基体进行打击、冲蚀、剥离、切除以达到清除基体污垢的目的。水射流可除去用化学方法不能或难以清洗的特殊垢层，主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污泥、高分子聚合垢等的清除。

水射流清洗具有以下优点:

①压力等级可根据需要选择，不会损伤被清洗的基体。

②清洗后的零部件不需再进行洗后处理。

③能清洗形状和结构复杂的零件，易于实现机械化、自动化和智能控制。

④清洗速度快，清洗效果好、成本低，节能，同时还不污染环境。

⑤能胜任空间狭窄、环境复杂、条件恶劣的场合的清洗作业，如长管道的内壁、小口径大容器的内部除垢以及有发生爆炸危险物品的清洗等。

水射流清洗主要用于清洗汽车、化工罐车、船舶、高速路面及机场跑道、高层建筑物，轻工、食品、冶金等工业部门的各种生产线、管束、煤气管线、换热器、下水道和锅炉等容器，机械加工设备及模具的清洗、金属构件除锈、铸件清砂、去毛刺及钢板除鳞等，军事工程中防化洗消、弹药清除，固体火箭发动机燃烧室推进剂装药及火箭弹装药的清除及发动机燃烧室壳体的清洗以及核电站及核化条件的清洗等。

(2)水射流切割

水射流切割某种意义上讲是切割领域的一次革命，对其他切割工艺是一种完美补充，在难加工材料的加工方面尤其体现其优势，广泛用于陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、钛合金、复合材料等的切割加工。

在建筑业中，水射流切割技术用来切割大理石、花岗岩、陶瓷、玻璃、水泥构件等，首先切出形状复杂的孔和曲线，切口光滑而且很窄，然后拼成不同花色图案，非常方便、省时省力、附加值高。

在航空航天工业中，水射流切割技术可用于切割特种材料，如钛合金、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，省去了后序加工。

在汽车制造业中，人们利用水射流切割各种非金属材料及复合材料构件，如车用玻璃、汽车内装饰板、橡胶、石棉刹车衬垫等。

如图5.26所示为水射流切割头及部分利用水射流切割加工的工件示意图，左图为水射流切割头，右图为加工出的工件。

图5.26　水射流切割头及部分利用水射流切割加工的工件

(3)水射流粉碎

携带有巨大能量的水射流作用在被粉碎的物料上，在颗粒内部的晶粒交界处产生应力波反射而引起张力，并在物料的裂隙和节理面中产生压力瞬变，从而使物料粉碎。水射流冲击下物料颗粒所受到的作用力非常复杂，目前对于引起粉碎的主要作用机理还无统一看法，但归结起来有水射流冲击的压缩粉碎机理，水射流冲击的水楔——拉伸粉碎机理，紊流——空化冲蚀粉碎机理，脉冲射流的水锤作用粉碎机理，颗粒与靶物的冲击粉碎和颗粒与管壁的摩擦粉碎机理等。

高压水射流粉碎技术以其简单的设备结构、良好的解理与分离特性，以及清洁、节能、高效成为一项新型粉碎技术，近年来得到发展并在工业中得到了初步的应用。

(4)水射流除锈

利用水射流的打击力作用于锈层表面，同时高速切向流产生水楔作用，扩展锈层裂纹，继而在水流冲刷作用下将锈蚀去除。

该方法属于湿法除锈，不产生粉尘，安全卫生，劳动条件好，对环境无污染。因此，在金属除锈工业领域的广泛应用是将来发展的趋势。为了提高除锈效果，同时降低高压系统的压力，常在水中添加磨料形成磨料射流。