高压水射流切割的基本原理

时间：2022/12/30 11:46:44

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水切割，又称水刀切割，即高压水射流切割技术，是一种利用高压水流切割的机器。在电脑的控制下能任意雕琢工件，而且受材料质地影响小。因为其成本低，易操作，良品率又高，水切割正逐渐成为工业切割技术方面的主流切割方式。

高压水射流切割的基本原理
高压水射流切割的基本工作原理是以水为介质，运用液体增压原理，将动力源的机械能转换成水的压力能，再将压力能转变成动能，通过高压发生设备增压获得巨大能量，形成高速水射流，喷射到工件表面，当水射流冲击被切工件时，若压力能超过材料的破坏强度时，即可切断材料，达到去除材料的加工目的。

高压水射流切割时不产生热量和有害物质，材料无热效应(冷态切割)，切割后不需要或易于二次加工，安全、环保，成本低、速度快、效率高，可实现任意曲线的切割加工，方便灵活、用途广泛。水切割是目前适用性Zui强的切割工艺方法。

水切割技术特点
水切割技术主要有以下几个特点：

1、是真正的冷态切割：因为采用水和磨料切割，加工过程中基本不产生热效应，工件无受热变形，不会改变物理和化学性质，受热影响大的材料比如钛尤其适用。

2、可切割范围广：不论是金属还是非金属材料几乎都可以切割，如不锈钢、铜、铝、各种合金、陶瓷、玻璃、复合材料等，而且不受厚度限制。

3、切割精度高：切割面整齐平滑，不会在切割过程中使被切割物体有任何损伤，可以完成许多切割工具无法实现的切割作业;割缝极小，可以降低材料浪费率。

4、适应性好：生产效率高，切割可从工件上任意点开始，向任意方向进行，结合数控技术CNC可实现复杂形状工件的批量生产。而且一个喷嘴可以加工不同类型的材料和形状，无需更换刀具，节省了时间和成本，提高了生产效率。

5、安全性和环保性高：切割过程中不产生有毒烟雾，而且无火花、无热效应、振动小，是安全环保的切割工艺，特别适合有特殊要求的危险作业环境。

高压水射流切割技术的分类
水射流切割按照有无磨料添加，可以分为纯水射流切割和磨料水射流切割。相比较于纯水射流，磨料水射流由于添加了一定硬度和数量的磨料颗粒，磨料颗粒的密度比水大2～6倍，且具有棱角，大大提高了射流的打击效果。根据磨料供给的方式不同，磨料水射流又分为后混合磨料水射流和前混合磨料水射流，其中前混合磨料水射流技术是在后混合磨料水射流技术基础上发展而来的。

后混合磨料水射流是高速水与低速磨料通过虹吸作用进行混合，从磨料喷嘴喷出。由两者间巨大的速度差，且磨料颗粒加速的过程较短，大量的磨料颗粒不能达到射流的中心，无法使磨料颗粒达到很高的速度，一般只能达到水的速度的25%。所以要达到切割硬物的目的时，后混合磨料水射流往往需要较高的工作压力，对系统的性能要求较高。

相比较于后混合磨料水射流，前混合磨料水射流其磨料是在射流形成之前与水在磨料罐中进行了充分的混合，在高压水的作用下形成了固液两相流，能够使磨料颗粒进入射流的中心，使磨料颗粒能够获得较大的动能，从而获得更好的切割效果。对两种磨料混合方式水射流进行性能对比如下表所列。

高压水射流切割技术应用领域
高压水切割设备与工艺是近年各国水射流行业的研究热点，从历次国际水射流会议来看，随着水切割设备与工艺的商品化，水射流技术从凤毛麟角发展为主导内容，已渗透到许多工业领域。二十世纪八十年代中期，英国流体力学研究协会(British Hydrody-namics Research Association)提出将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中。

1、航空航天领域，如钛合金、碳纤维、特种夹层厚玻璃、有机玻璃、蜂窝板、陶瓷隔热层、特种橡胶、金属基及陶瓷基复合材料、火箭固体燃料的切割、仪表盘加工等。

2、军事领域，用于切割高强度钢板、装甲板、各种特殊装修材料，各种战车的装甲板、履带、炮塔、保险杠、火炮、枪xie、防弹玻璃、车体、弹药等。清理战争遗留的di雷和炸dan以及应对恐怖主义、分裂势力制造的爆炸wu处理，军用机场跑道附胶层及冰层的剥离、原子核反应堆及废料的切割、军港水下结构物及沉船的切割、军事工事及工程的破岩等。

3、采掘业领域，射流切割岩石时产生的粉尘和摩擦火花少，使其特别适合在密闭环境，如地下开采岩石。粉尘的减少改善了工作环境，摩擦火花的减少使得采煤时引发瓦斯爆炸的可能性大大减小。针对不同硬度煤层和不同类型钻孔扩孔的超高压水射流扩孔设备能够增加钻孔周围煤体的暴露面积，增大钻孔的卸压范围和影响半径，从而提高钻孔的抽排效果。

4、汽车制造业领域，用于切割仪表盘、内饰及外饰件、门板、车窗玻璃，不需要模具，可提高生产线的加工柔性。

5、建材工业和建筑装潢领域，具有其他切割技术缺少的技术优势，可用于切割大理石、花岗岩、玻璃纤维、陶瓷、石棉等材料，也可切割复杂形状的石材拼花，切割尺寸精确，无污染。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，也可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。

6、电子工业领域，用于印制电路板的轮廓切割，集成电路芯片制造中的晶圆切割和陶瓷拼花工艺中的切割工序等。

7、食品工业领域，用于切割松脆食品、菜、肉等，可减少细胞组织的损坏，增加存放期。切割食品时，“数控水刀”用数控装置可以控制其切割速度及路线，可以Zui大限度地保持被切割物的营养成分，不会造成细菌传播而且形状规整。

8、造纸工业领域，可用于牛皮纸、波纹箱板等的分卷切条，无粉尘污染。

9、纺织工业领域，用于切割多层布料，提高切割效率，减少边端损伤。水切割还广泛应用于服装裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能够节省多达18%的原材料。

10、水下切割领域，海底石油及固体矿藏的开采、船舶及舰艇的维修都不可避免的需要水下切割技术。超高压水射流切割可用于水下营救和水下修理、打捞作业、水下演示取样、石油钻井、海上平台拆卸、码头建设与维护、舰船的水下作业和海洋工程等各个场合。随着海洋的开发和利用，超高压磨料水射流水下切割技术必将得到快速发展。

11、有害有毒现场的在线切割，在地震抢险和灾后重建工作中，超高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等。水射流切割技术，特别适合于易燃易爆环境下切割工件。

水切割和其他切割方法的技术比较
同其他切割方法比较，水切割有着自身独特的优势。

1、与激光切割比较

激光切割是一种非常先进的切割技术，其切割速度快、精度高，但局限性在于多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，而且切割时在切缝处会引起热效应，对铝、铜等有色金属、合金切割效果不理想，对厚度较大的金属板材，切割速度慢，甚至无法切割。水切割几乎适用各种材料，切割厚度大，无热效应，基本没有激光切割的局限。但水切割的切割速度没有激光切割快。

2、与等离子切割比较

等离子切割是利用高温等离子电弧进行切割，热效应明显，精度不高，切割过程产生大量有毒烟气，环保性差。属于冷态切割的水切割，不产生热变形，切割精度好，安全环保。

3、与线切割比较

线切割属电加工范畴，对金属加工有很高的精度。缺点是只能切割导电的金属材料，且速度慢、效率低，有时需要提前在工件上打出工艺孔，用来穿丝，切割用的电极丝易断，而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制，切割速度快、效率高，加工尺寸可选余地大。

4、与其他传统切割方法比较

火焰切割常用于金属板材的切割，与水切割相比其热效应明显、切割表面质量和精度较差，一般需要二次加工;冲剪加工，效率高、速度快，一般适用于大批量的小件加工，缺点是需要特定的模具和刀具，而且很难或无法对厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形状、厚度、硬度等的影响，通用性更好。

高压水射流切割技术存在的问题
国内高压水射流加工技术已经取得了大量的研究成果，这使得国内各种高压水射流技术的发展取得了长足的进步，但是相比水射流技术发达的美日德等国，我国的水射流加工技术的发展还存在许多不足，主要集中在以下几个方面。

1、在加工精度方面：国内很多学者研究了不同工艺参数对高压水射流切削加工精度的影响，认为射流集中度、靶距、喷嘴结构都对水射流切割的精度有较大影响，但是对于如何解决加工精度不高、切口锥度的补偿措施等或者涉及较少，或者只是简单说明关联性而已，对于提高加工精度具体有效的工程解决方案尚未能解决。

2、加工表面质量方面：水射流清洗时因为现场条件限制很多情况下可见性很差，所以针对于特定零件的清洗机器人及采用旋转喷嘴等可以有效提高清理质量，国内这方面需要很大提高。在水射流喷丸强化方面，国内大多数研究仍处于实验室阶段，真正工业应用的很少。

3、加工能力方面：利用高压水射流进行清洗时，考虑到水射流的剪切力对于清洗各种材质均有着很大的作用，所以旋转喷头得到了完全的普及，但国内受成本和技术水平等影响，旋转喷头的使用并不广泛，进而降低了清洗效率。

4、加工机理方面：对于普通的高压水射流及磨料水射流加工机理，国内外研究水平相差不大，只是国内研究人员对于磨料射流中磨料颗粒的分布情况，磨料射流的速度能量分布研究较少，对应的能量分布模型更是很少研究。

5、磨料水射流加工系统方面：前混合磨料系统因为其加工精度容易提高，加工效率、加工能力远超后混合磨料系统，所以在美日德等国家得到了更广泛的应用。但在国内由于前混合磨料系统对于磨料的混合液研究不足，使得前混合磨料系统中磨料在混合液中分布相差较大，进而使得磨料供给不稳定，限制了前混合磨料系统在精加工中的应用效果。

高压水射流切割技术展望
高压水射流加工技术的进一步发展主要在以下几个方面。

1、发展智能化控制。采用高压水射流加工具有较高精度要求或复杂形状的零件， 5轴以上的水射流数控加工机床的生产和应用是必要的前提。这就需要通过大量的加工实验来确定不同情况下的工艺参数，使得工艺参数在加工过程中能够自适应调整，这样才能提高机床的加工精度。对于这类高精尖水射流加工机床的设计研发是极其必要的，直接关乎高压水射流技术是否可以满足从粗加工到精加工整个工艺流程的实用上。

2、提高加工效率。优化磨料水射流加工工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗，使得磨料水射流加工的成本更有竞争力。利用磨料水射流加工各种不同材质的难加工材料及各种复合材料的切削，目前其加工效率仍比较低，进一步发展水射流加工技术提高这些材料的加工效率和质量是未来技术发展的重点也是难点。

3、开辟新型射流的研究。不同的加工需求必然需要不同类型的加工能力，空化射流、脉冲射流、冷剂束射流、高粘性添加剂射流、磁流变液射流、常温冰点射流等不同类型的高压水射流必然有着更广泛的应用前景。

4、不断扩大水射流加工的应用范围。随着各种新材料的研究应用，与之对应的加工技术必然迅速发展，而水射流技术因其独特的优势必将得到越来越广泛的应用。水射流技术在精加工及超精密加工领域仍有着极为广泛的应用前景，但需要克服的问题难度也是极大。

5、综合应用其他加工技术。将其他加工技术如激光、超声波、电解加工等加工技术与高压水射流技术进行有机结合将显著提高水射流技术的应用范围和加工效率。
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