制造業(yè)的一枝奇葩-高壓水射流加工技術(shù)

制造業(yè)的一枝奇葩——高壓水射流加工技術(shù)留意：本文已在《機械設計與制造工程》(1999，3:1～2)雜志發(fā)表，
使用者請注明文章出處大連理工大學(xué) 趙偉 劉曉冰 朱派龍摘要 論述了高壓水射流加工技術(shù)的起源、切割機理，并先容了獲得高壓水射流的基本原理和應用范圍。
關(guān)鍵詞 高壓 水射流 切割機理a exciting flower of manufacturing——high pressure water jet cutting technologyzhao wei liu xiaobing zhu pailongabstract this *** tells the origin and cutting mechanism of water jet cutting technology, and introduces fundamental of getting high pressure water jet and its application .
key words: high pressure; water jet; cutting mechanism水射流加工技術(shù)起源 “水滴石穿”體現了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛伏的威力，然而，作為一項獨立而完整的加工技術(shù)，高壓水射流(wj)、磨料水射流(awj)的產(chǎn)生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于十九世紀七十年代左右，用來(lái)開(kāi)采金礦，剝落樹(shù)皮，直到二戰期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現象啟發(fā)了人們思維。直到本世紀五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項切割技術(shù)專(zhuān)利卻在美國產(chǎn)生，即1968年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水射流(wj、awj)切割技術(shù)和設備有了長(cháng)足進(jìn)步，其應用遍及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。很多大學(xué)、公司和工廠(chǎng)競相研究開(kāi)發(fā)，新思維、新理論、新技術(shù)不斷涌現，形成了一種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設備在數十個(gè)國家幾十個(gè)行業(yè)應用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)上更顯上風(fēng)。已可切割500余種材料，其設備年增長(cháng)率超過(guò)20％。2.高壓水射流加工系統構成與增壓原理高壓水射流基本原理回之為：運用液體增壓原理，通過(guò)特定的裝置（增壓口或高壓泵）,將動(dòng)力源(電動(dòng)機)的機械能轉換成壓力能，具有巨大壓力能的水在通過(guò)小孔噴嘴(又一換能裝置)，再將壓力能轉變成動(dòng)能，從而形成高速射流(wj)。因而又常叫高速水射流。高壓水射流系統見(jiàn)圖1，主要由增壓系統、供水系統、增壓恒壓系統、噴嘴管路系統、數控工作臺系統、集水系統及水循環(huán)處理系統等構成。油壓系統低壓油(10～30mpa)推動(dòng)大活塞往復往返移動(dòng)，其方向由換向閥自動(dòng)控制。供水系統先對水進(jìn)行凈化處理，并加進(jìn)防銹添加劑等，然后由供水泵打出低壓水從單向閥進(jìn)進(jìn)高壓缸。增壓恒壓系統包括增壓器和蓄能器兩部分，增壓器獲得高壓原理如圖2所示，即利用大活塞與小活塞面積之差來(lái)實(shí)現，理論上：a大·p油=a小·p水, p出水=a大/a小·p油, 增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為10：1～25：1，由此，增壓器輸出高壓水壓力可達100mpa~750mpa。由于水在400mpa時(shí)其壓縮率達12％，因而活塞桿在走過(guò)其整個(gè)行程八分之一后才會(huì )有高壓水輸出�；钊�到達行程終端時(shí)，換向閥自動(dòng)使油路改變方向(圖中虛線(xiàn)箭頭所示)，進(jìn)而推動(dòng)大活塞反向行進(jìn)，此時(shí)高壓水在另端輸出。假如將此高壓水直接送到噴嘴，那么噴嘴出來(lái)的射流壓力將會(huì )是脈動(dòng)的(圖3中虛線(xiàn))，而且這對管路系統產(chǎn)生周期性振蕩，為獲得穩定的高壓水射流，常在增壓器和噴嘴回路之間設置一蓄能(恒壓)器，消除水壓脈動(dòng)，達到恒壓之目的，常能控制脈動(dòng)量在5％之內(圖3實(shí)線(xiàn))。切除與切斷機理 高速射流本身具有較高的剛性，在與靶物碰撞時(shí)，產(chǎn)生極高的沖擊動(dòng)壓(p=ρvc)和渦流的形成，從微觀(guān)上看相對于射流均勻速度存在著(zhù)超高速區和低速區(有時(shí)可能為負值)，因而高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內部實(shí)際上存在剛性高和剛性低的部分，剛性高的部分產(chǎn)生的沖擊動(dòng)壓使傳播時(shí)間也減少，增大了沖擊強度，宏觀(guān)上看起快速楔劈作用，而低剛度部分相對于高剛度部分形成了柔性空間，起吸屑、排屑作用，這兩者的結合正好象使得其切割材料時(shí)如同一把軸向“鋸刀”加工。高速水射流破壞材料的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程，對脆性材料(如巖石)等主要是以裂紋破壞及擴散為主；而對塑性材料符合最大的拉應力瞬時(shí)斷裂準則，即一旦材料中某點(diǎn)的法向拉應力達到或超過(guò)某一臨界值σy時(shí)，該點(diǎn)即發(fā)生斷裂。根據彈塑性力學(xué)，動(dòng)態(tài)斷裂強度與靜態(tài)斷裂強度相比要高出一個(gè)數目級左右，主要是由于動(dòng)態(tài)應力作用時(shí)間短，材料中裂紋來(lái)不及發(fā)展，因而這個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂不僅與應力有關(guān)，還與拉伸應力的作用時(shí)間相關(guān)。4.高壓水射流(wj、awj)切割應用范圍高壓水射流切割是利用具有很高動(dòng)能的高速射流進(jìn)行的(有時(shí)又稱(chēng)為高速水射流加工)與激光、離子束、電子束一樣是屬于高能束加工范疇。高壓水射流切割作為一項高新特技術(shù)在某種意義上講是切割領(lǐng)域的一次革命，有著(zhù)十分廣闊的應用遠景，隨著(zhù)技術(shù)的成熟及某些局限的克服，對其它切割工藝是一種完美補充。目前其用途和上風(fēng)主要體現在難加工材料方面：如陶瓷、硬質(zhì)合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、鎢鉬鈷合金、耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、復合材料（frm、frp等）、鍛燒陶瓷、高速鋼（hrc30以下）、不銹鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼（hrc

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