水噴射加工技術(shù)

1、水噴射加工技術(shù)水噴射加工技術(shù) 演講主題： 水射流加工的起源水射流加工的起源 “水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的 水本身潛在的威力。 十九世紀(jì)七十年代人們利用高壓水開采金礦， 剝落樹皮。直到1968年由美國(guó)密蘇里大學(xué)林 學(xué)教授諾曼弗蘭茲博士獲得第一項(xiàng)切割技 術(shù)專利。 而在80年代末才由莫斯科金屬切削機(jī)床 實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所開始深入研究。1997年的漢 諾威和1999年的巴黎EMO展覽會(huì)上證明，該方 法有了很大發(fā)展，且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步 十分顯著。僅在巴黎就展出3臺(tái)大型的工作裝 置，它們是德國(guó)、瑞士和法國(guó)的機(jī)械公司。 后來開始在研制水射流切割裝置。 在最近十多年里，高壓水射流(WJ)、磨 料水射

2、流(AWJ) 切割技術(shù)和設(shè)備有了長(zhǎng)足進(jìn) 步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方 面。 一、水噴射加工定義一、水噴射加工定義 水噴射加工（Water Jet Machining）又稱水 射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高 壓（數(shù)十至數(shù)百兆帕）水射流對(duì)各種材料進(jìn)行切 割、穿孔和工件表層材料去除等加工。 人們利用高壓水服務(wù)于生產(chǎn)始于19世紀(jì)70年 代，當(dāng)時(shí)主要用來開采金礦、剝落樹皮等。20世 紀(jì)50年代前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)高壓水射流加工技術(shù)進(jìn) 行了研究，并利用純水液的高壓射流進(jìn)行煤層開采 和隧道開挖，但在機(jī)械加工領(lǐng)域還是在解決了高壓 噴射裝置的性能和可靠性后，才作為一項(xiàng)獨(dú)立而完 整的加工技術(shù)，首先

3、在美國(guó)的飛機(jī)和汽車行業(yè)中成 功應(yīng)用于復(fù)合材料的切割和缸體毛刺的去除。 后來在此基礎(chǔ)上又發(fā)展起一項(xiàng)新技 術(shù)混合磨料射流加工技術(shù)（AWJ， Abrasive Water Jet），它是將具有一定 粒度的磨料粒子加入高壓水管路系統(tǒng)中， 使其與高壓水進(jìn)行充分混合后再經(jīng)噴嘴噴 出，從而形成具有極高速度的磨料射流， 相對(duì)于純水射流來說，它成倍地提高了切 割力，拓寬了切割材料的范圍，幾乎可以 切割一切硬質(zhì)材料。 二、水噴射加工系統(tǒng)的組成二、水噴射加工系統(tǒng)的組成 水噴射加工系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、供水 系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù) 控工作臺(tái)系統(tǒng)、集水系統(tǒng)和水循環(huán)處理系 統(tǒng)等構(gòu)成。如果是磨料射流加工裝置，則

4、 還有磨料與水的混合系統(tǒng)。如圖1所示。 如圖1 所示, 貯存在水箱中的水經(jīng)過濾器2 處 理后, 由水泵抽出送至由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的增壓 器增壓, 水壓增高。然后高壓水通過蓄能器, 使脈動(dòng)水流平滑化。高壓水與磨料（加壓水噴 砂）在混合腔內(nèi)混合后, 由具有精細(xì)小孔的噴 嘴( 一般由藍(lán)寶石制成) 噴射到由工作臺(tái)固定 的工件表面上, 射流速度可達(dá)300 900 m/ s( 約為音速的13 倍) , 可產(chǎn)生如頭發(fā)絲細(xì)的 射流, 從而對(duì)工件進(jìn)行切割、打孔等。 排水器 噴嘴噴嘴 閥閥 控制器控制器蓄能器蓄能器 供水器供水器 過濾器過濾器 泵泵 增壓器增壓器 液壓裝置液壓裝置 工件工件 射流射流 d 高壓水射流能

5、量轉(zhuǎn)換原理 動(dòng)力源（電動(dòng) 機(jī)、柴油機(jī)等） 機(jī)械能 壓力能 換能裝置 （小孔噴 嘴） 動(dòng)能 三、水噴射加工的原理三、水噴射加工的原理 水噴射加工的基本原理是利用液體增壓原 理, 通過特定的裝置( 增壓器或高壓泵) , 將 動(dòng)力源( 電動(dòng)機(jī))的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能, 具 有巨大壓力能的水再通過小孔噴嘴將壓力能轉(zhuǎn) 變成動(dòng)能, 從而形成高速射流, 噴射到工件表 面, 達(dá)到去除材料的加工目的。 主要完成兩種功能： 1）高壓水射流切割。將水增至超高壓 100400MPa，經(jīng)節(jié)流小孔（0.15 0.4mm），使流速高達(dá)100600m/s。用這種 高速密集的水射流對(duì)物體進(jìn)行切割。 磨料水射流切割則是再往水射流中

6、混入磨 料粒子，經(jīng)混合管形成磨料射流進(jìn)行切割。在 磨料射流中，水射流作為載體使磨料粒子加速， 由于磨料質(zhì)量大、硬度高，磨料水射流較之水 射流其射流動(dòng)能更大，切割效能更強(qiáng)。 2）高壓水射流清洗,高壓30140MPa 。 高壓水射流切割機(jī)床如下圖高壓水射流切割機(jī)床如下圖 高壓水噴射流切割機(jī) 高壓水射流清洗機(jī) 超高壓水射流加工設(shè)備超高壓水射流加工設(shè)備 1. 增壓系統(tǒng) 增壓系統(tǒng)主要包括增壓器、控制器、泵、閥 及密封裝置等。增壓器是液壓系統(tǒng)中重要的設(shè)備， 要求增壓器使液體的工作壓力達(dá)到100400MPa， 以保證加工的需要。高出普通液壓傳動(dòng)裝置液體 工作壓力的10倍以上，因此系統(tǒng)中的管路和密封 是否可靠

7、，對(duì)保障切割過程的穩(wěn)定性、安全性具 有重要意義。對(duì)于增壓水管采用高強(qiáng)度不銹鋼厚 壁無縫管或雙層不銹鋼管，接頭處采用金屬?gòu)椥?密封結(jié)構(gòu)。 2. 切割系統(tǒng) 噴嘴是切割系統(tǒng)最重要的零件。噴嘴應(yīng)具 有良好的射流特性和較長(zhǎng)的使用壽命。噴嘴的 結(jié)構(gòu)取決于加工要求、常用的噴嘴有單孔和分 叉兩種。 3. 控制系統(tǒng) 可根據(jù)具體情況選擇機(jī)械、氣壓和液壓控 制。工作臺(tái)應(yīng)能縱、橫向靈活移動(dòng)，適應(yīng)大面 積和各種型面加工的需要。當(dāng)采用程序控制和 數(shù)字控制系統(tǒng)是理想的。目前，已出現(xiàn)程序控 制液體加工機(jī)，其工作臺(tái)尺寸1.2m1.5m， 移動(dòng)速度為380mm/s。 4. 過濾設(shè)備 在進(jìn)行超高壓水射流加工時(shí)，對(duì)工業(yè)用 水進(jìn)行必要

8、的處理和過濾有著重要意義：延 長(zhǎng)增壓系統(tǒng)密封裝置、寶石噴嘴等的壽命， 提高切割質(zhì)量，提高運(yùn)行的可靠性。因此要 求過濾器很好的濾除液體中的塵埃、微粒、 礦物質(zhì)沉淀物，過濾后的微粒應(yīng)小于0.45。 液體經(jīng)過過濾以后，可以減少對(duì)噴嘴的腐蝕。 切削時(shí)摩擦阻尼很小，夾具簡(jiǎn)單。當(dāng)配有多 個(gè)噴嘴時(shí)，還可以采用多路切削，提高切削 速度。 5. 機(jī)床床身 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)通常采用龍門式或懸臂式機(jī) 架結(jié)構(gòu)，一般都是固定不動(dòng)的。為了保證噴嘴 與工件距離的恒定，以保證加工質(zhì)量，因此要 在切削頭上安裝一只傳感器。為了實(shí)現(xiàn)加工三 維復(fù)雜形狀零件，切削頭和關(guān)節(jié)式機(jī)器人手臂 或三軸的數(shù)控系統(tǒng)控制結(jié)合，可以加工出復(fù)雜 的立體形狀。

9、 超高壓水射流加工的工作參數(shù)及其對(duì)加工的影響超高壓水射流加工的工作參數(shù)及其對(duì)加工的影響 (1) 流速與流量。水噴射加工采用高速水流，速 度可高達(dá)每秒數(shù)百米，是聲速的23倍。超高 壓水射流加工的流量可達(dá)7.5L/min。流速和流 量越大對(duì)，加工效率越大。 (2) 水壓。加工時(shí)，在由噴嘴噴射到工件加工面 之前，水的壓力經(jīng)增壓器作用變?yōu)槌邏?，?高達(dá)700MPa。提高水壓，將有利于提高切割 深度和切割速度。但會(huì)增加超高壓水發(fā)生裝置 及超高壓密封的技術(shù)難度，增加設(shè)備成本。目 前，常用超高壓水射流切割設(shè)備的最高壓力一 般控制在400MPa以內(nèi)。 (3) 能量密度。即高壓水從噴嘴噴射到工件單位 面積上的

10、功率，也稱功率密度，可達(dá) 1010W/m2。 (4) 噴射距離。指從噴嘴到加工工件的距離，根 據(jù)不同的加工條件，噴射距離有一個(gè)最佳值。 一般范圍為2.550mm，常用范圍為3mm。 (5) 噴射角度。噴射角度可用正前角來表示。水 噴射加工時(shí)噴嘴噴射方向與工件加工面的垂線 之間的夾角稱為正前角。超高壓水噴射加工時(shí) 一般正前角為030。噴射距離與切割深度 有密切關(guān)系，在具體加工條件下，噴射距離有 一個(gè)最佳值，可經(jīng)過試驗(yàn)來尋求。 (6) 噴嘴直徑。用于加工的噴嘴直徑一般小于 1mm，常用的直徑為0.050.38mm。增大噴 嘴直徑可以提高加工速度。 水噴射加工工藝參數(shù) 水射流加工噴嘴 四、水噴射加工

11、的特點(diǎn)四、水噴射加工的特點(diǎn) 1.適用范圍廣。既可用來加工金屬材料， 也可以加工非金屬材料。 2.加工質(zhì)量高。切縫窄（約為 0.0750.38mm），提高材料利用率；切口質(zhì) 量好，幾乎無飛邊、毛刺，切割面垂直、平 整，光潔度好。 3.加工時(shí)對(duì)材料無熱影響，工件不會(huì)產(chǎn)生 熱變形和熱影響區(qū)，對(duì)加工熱敏感材料如鈦合 金尤為有利；切削無火花，同時(shí)由于水的冷卻 作用，工件溫度較低，非常適合對(duì)易燃易爆物 件如木材、紙張等的加工。 4.加工清潔，不產(chǎn)生有害人體健康的有毒 氣體和粉塵等，對(duì)環(huán)境無污染，提高了操作人 員的安全性。 5.加工“刀具”為高速高壓水流，加工過 程中不會(huì)變鈍，減少了刀具準(zhǔn)備、刃磨等時(shí)間，

12、生產(chǎn)效率高。 水噴射加工樣件水噴射加工樣件 高壓水射流切割大理石高壓水射流切割大理石 高壓水射流加工的零件高壓水射流加工的零件 五、水噴射加工的類型及其適用范圍五、水噴射加工的類型及其適用范圍 1. 純水射流只用水作介質(zhì)。它是利用潔 凈水增壓后從噴嘴噴出的高速水射流進(jìn)行切 割的, 設(shè)備簡(jiǎn)單, 成本較低, 但加工能力也較 低。主要用于切割軟材料, 如橡膠、紙張、 塑料、毛毯、玻璃和木材等。 2.磨料水射流在水中加入各種磨料( 常用 60 100 目的石英砂和氧化鋁等) , 綜合了由超 高速液流沖擊產(chǎn)生的穿透割裂能力和由懸浮于 液體中磨料的游離磨削作用, 故可成倍提高加 工能力。但設(shè)備較復(fù)雜,成本

13、高。它幾乎可切 割所有的硬質(zhì)材料, 如金屬、非金屬、金屬基 及陶瓷基復(fù)合材料等, 是應(yīng)用最廣的射流加工 方法。 3. 聚合物水射流向水中加入少量添加劑( 高 分子長(zhǎng)鏈聚合物) , 如聚乙烯酰胺等, 可提高射 流密集度及射程。主要用于切割較軟或稍硬材 料。 在機(jī)械領(lǐng)域中的主要應(yīng)用在機(jī)械領(lǐng)域中的主要應(yīng)用 1.切割加工水噴射加工技術(shù)應(yīng)用于切割， 從某種意義上來說是切割領(lǐng)域的一次革命， 隨著技術(shù)的成熟及某些局限的克服，水射流 切割對(duì)其他切割工藝是一種完善的補(bǔ)充。 水射流切割所加工的材料品種很多，主要 是一般切割方法不易加工或不能加工的非金 屬或金屬材料，特別是一些新型和合成材料， 如陶瓷、硬質(zhì)合金、模具鋼、鈦合金、鎢鉬鈷 合金、復(fù)合材料，如以金屬為基體的纖維增 強(qiáng)金屬（FRM）、纖維增強(qiáng)橡膠（FRR）等、 不銹鋼、高硅鑄鐵及可鍛鑄鐵等的加工。 以汽車制造業(yè)為例，其中汽車內(nèi)部裝飾材 料的加工占水射流加工的40%，此外，還用 于汽車后架、車輪罩和隔熱材料等的切割。 2.去毛刺各種小型精密零件上交叉孔、內(nèi)螺 紋、窄槽、盲孔等毛刺的去除，用其他一般加 工方法就十分困難甚至于無法完成，而利用水 噴射加工技術(shù)（稍降低壓力或增大噴距等）， 就十分方便且質(zhì)量好，具有獨(dú)特的效果。 3.打孔水射流可用于在各種材料上打孔以代 替鉆頭鉆孔，不僅質(zhì)量好，而且加工速快。