水喷射加工技术

水喷射加工技术第一页，共三十八页，2022年，8月28日水射流加工的起源“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。十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿，剥落树皮。直到1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得第一项切割技术专利。第二页，共三十八页，2022年，8月28日而在80年代末才由莫斯科金属切削机床实验科学研究所开始深入研究。1997年的汉诺威和1999年的巴黎EMO展览会上证明，该方法有了很大发展，且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展出3台大型的工作装置，它们是德国、瑞士和法国的机械公司。后来开始在研制水射流切割装置。

第三页，共三十八页，2022年，8月28日在最近十多年里，高压水射流(WJ)、磨料水射流(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。第四页，共三十八页，2022年，8月28日一、水喷射加工定义

水喷射加工（WaterJetMachining）又称水射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高压（数十至数百兆帕）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层材料去除等加工。第五页，共三十八页，2022年，8月28日

人们利用高压水服务于生产始于19世纪70年代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。20世纪50年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进行了研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。第六页，共三十八页，2022年，8月28日后来在此基础上又发展起一项新技术——混合磨料射流加工技术（AWJ，AbrasiveWaterJet），它是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流来说，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以切割一切硬质材料。第七页，共三十八页，2022年，8月28日二、水喷射加工系统的组成水喷射加工系统主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统和水循环处理系统等构成。如果是磨料射流加工装置，则还有磨料与水的混合系统。如图1所示。第八页，共三十八页，2022年，8月28日第九页，共三十八页，2022年，8月28日如图1所示,贮存在水箱中的水经过滤器2处理后,由水泵抽出送至由液压机构驱动的增压器增压,水压增高。然后高压水通过蓄能器,使脉动水流平滑化。高压水与磨料（加压水喷砂）在混合腔内混合后,由具有精细小孔的喷嘴(一般由蓝宝石制成)喷射到由工作台固定的工件表面上,射流速度可达300~900m/s(约为音速的1~3倍),可产生如头发丝细的射流,从而对工件进行切割、打孔等。第十页，共三十八页，2022年，8月28日排水器喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置工件射流d水喷射工作流程第十一页，共三十八页，2022年，8月28日高压水射流能量转换原理动力源（电动机、柴油机等）机械能压力能换能装置（小孔喷嘴）动能第十二页，共三十八页，2022年，8月28日三、水喷射加工的原理

水喷射加工的基本原理是利用液体增压原理,通过特定的装置(增压器或高压泵),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再通过小孔喷嘴将压力能转变成动能,从而形成高速射流,喷射到工件表面,达到去除材料的加工目的。第十三页，共三十八页，2022年，8月28日主要完成两种功能：1）高压水射流切割。将水增至超高压100～400MPa，经节流小孔（φ0.15～φ0.4mm），使流速高达100~600m/s。用这种高速密集的水射流对物体进行切割。

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。在磨料射流中，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。2）高压水射流清洗,高压30～140MPa。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日高压水射流切割机床如下图第十五页，共三十八页，2022年，8月28日高压水喷射流切割机第十六页，共三十八页，2022年，8月28日第十七页，共三十八页，2022年，8月28日高压水射流清洗机第十八页，共三十八页，2022年，8月28日超高压水射流加工设备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100~400MPa，以保证加工的需要。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。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日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两种。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加工的需要。当采用程序控制和数字控制系统是理想的。目前，已出现程序控制液体加工机，其工作台尺寸1.2m×1.5m，移动速度为380mm/s。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日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有着重要意义：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。因此要求过滤器很好的滤除液体中的尘埃、微粒、矿物质沉淀物，过滤后的微粒应小于0.45。液体经过过滤以后，可以减少对喷嘴的腐蚀。切削时摩擦阻尼很小，夹具简单。当配有多个喷嘴时，还可以采用多路切削，提高切削速度。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日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。为了保证喷嘴与工件距离的恒定，以保证加工质量，因此要在切削头上安装一只传感器。为了实现加工三维复杂形状零件，切削头和关节式机器人手臂或三轴的数控系统控制结合，可以加工出复杂的立体形状。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日超高压水射流加工的工作参数及其对加工的影响(1)流速与流量。水喷射加工采用高速水流，速度可高达每秒数百米，是声速的2～3倍。超高压水射流加工的流量可达7.5L/min。流速和流量越大对，加工效率越大。(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变为超高压，可高达700MPa。提高水压，将有利于提高切割深度和切割速度。但会增加超高压水发生装置及超高压密封的技术难度，增加设备成本。目前，常用超高压水射流切割设备的最高压力一般控制在400MPa以内。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日(3)能量密度。即高压水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。指从喷嘴到加工工件的距离，根据不同的加工条件，喷射距离有一个最佳值。一般范围为2.5~50mm，常用范围为3mm。(5)喷射角度。喷射角度可用正前角来表示。水喷射加工时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。超高压水喷射加工时一般正前角为0°~30°。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。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日(6)喷嘴直径。用于加工的喷嘴直径一般小于1mm，常用的直径为0.05~0.38mm。增大喷嘴直径可以提高加工速度。水喷射加工工艺参数第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日水射流加工喷嘴第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日四、水喷射加工的特点1.适用范围广。既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料。2.加工质量高。切缝窄（约为0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质量好，几乎无飞边、毛刺，切割面垂直、平整，光洁度好。

第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日3.加工时对材料无热影响，工件不会产生热变形和热影响区，对加工热敏感材料如钛合金尤为有利；切削无火花，同时由于水的冷却作用，工件温度较低，非常适合对易燃易爆物件如木材、纸张等的加工。4.加工清洁，不产生有害人体健康的有毒气体和粉尘等，对环境无污染，提高了操作人员的安全性。5.加工“刀具”为高速高压水流，加工过程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间，生产效率高。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日水喷射加工样件第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日高压水射流切割大理石第三十页，共三十八页，2022年，8月28日高压水射流加工的零件第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日五、水喷射加工的类型及其适用范围1.纯水射流只用水作介质。它是利用洁净水增压后从喷嘴喷出的高速水射流进行切割的,设备简单,成本较低,但加工能力也较低。主要用于切割软材料,如橡胶、纸张、塑料、毛毯、玻璃和木材等。第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日2.磨料水射流在水中加入各种磨料(常用60~100目的石英砂和氧化铝等),综合了由超高速液流冲击产生的穿透割裂能力和由悬浮于液体中磨料的游离磨削作用,故可成倍提高加工能力。但设备较复杂,成本高。它几乎可切割所有的硬质材料,如金属、非金属、金属基及陶瓷基复合材料等,是应用最广的射流加工方法。3.聚合物水射流向水中加入少量添加剂(高分子长链聚合物),如聚乙烯酰胺等,可提高射流密集度及射程。主要用于切割较软或稍硬材料。第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日在机械领域中的主要应用1.切割加工水喷射加工技术应用于切割，从某种意义上来说是切割领域的一次革命，随着技术的成熟及某些局限的克服，水射流切割对其他切割工艺是一种完善的补充。水射流切割所加工的材料品种很多，主要是一般切割方法不易加工或不能加工的非金属或金属材料，特别是一些新型和合成材料，第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日如陶瓷、硬质合金、模具钢、钛合金、钨钼钴合金、复合材料，如以金属为基体的纤维增强金属（FRM）、纤维增强橡胶（FRR）等、不锈钢、高硅铸铁及可锻铸铁等的加工。

以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材料的加工占水射流加工的40%，此外，还用于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日2.去毛刺各种小型精密零件上交叉孔、内螺纹、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加工方法就十分困难甚至于无法完成，而利用水喷射加工技术（稍降低压力或增大喷距等），就十分方便且质量好，具有独特的效果。3.打孔水射流可用于在各种材料上打孔以代替钻头钻孔，不仅质量好，而且加工速快。例如在厚25mm铝板上打一个孔仅需图水刀切割30s。不过水射流所能加工的