1.1 基本原理



高壓水射流切割不僅可以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性硬材料[1 ]

，而且是冷切割工藝，因此材

料的物理、機械性能及材質(zhì)的晶間組織結(jié)構(gòu)不會遭到破壞，且免除了后序加工。高壓水射流切割技術(shù)是

以水作為攜帶能量的載體, 用高速水射流對各類材料進(jìn)行切斷加工的一種方法。工作時，首先通過增壓器

將水壓升到300～1 000M Pa (動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ? ，然后使高壓水通過直徑為0.1～ 0.6 mm 的噴嘴, 以2～

3 倍聲速噴出(壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。當(dāng)水射流沖擊被切割材料時, 如果壓力超過材料的破壞強度， 即可切

斷材料。純水射流切割適用于一些較軟而有韌性的物料切割,如紙張、皮革、木材、塑料、各種纖維材料

等，進(jìn)一步提高壓力后可用于切割較薄的金屬材料，如飛機蒙皮等。

實踐中，人們發(fā)現(xiàn)通過在水射流中加入磨料可以大幅度提高水射流的切割能力，其原因在于磨料的密

度較大，可以使水射流動能更為集中，沖擊力也就更為集中，同時磨料表面鋒利的尖刃可以對切割靶物

進(jìn)行微切削，含有磨料的水射流的切割情況就像砂輪一樣，只不過一般砂輪的軟質(zhì)基體在這里被水射流

代替了。

磨料射流切割根據(jù)磨料加入的方法又分成前混和后混兩種。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使

水、磨料均勻混合，之后在高壓下水和磨料從噴嘴中高速噴出， 磨料和水流具有相同的壓力和速度,，但

實現(xiàn)有一定難度。后混磨料射流切割是在高壓水射流形成后，依靠高壓水流經(jīng)過水噴嘴時所產(chǎn)生的負(fù)壓

來吸卷和加速磨料， 因而磨料很難進(jìn)入射流的核心而得到充分加速，即磨料很難達(dá)到水的速度，這導(dǎo)致

能量的浪費。磨料通常采用粒度為80～ 150 目的二氧化硅、氧化鋁、柘榴石等[2 ] ,

磨料的狀態(tài)有干式和

濕式兩種，其供給方式分自吸式和動力機械(壓縮空氣和泵) 輸送式， 大多數(shù)使用干式磨料， 供給方式采

班級： 姓名： 學(xué)號： 提交日期： 2012年3 月 30 日

用自吸式。



1.2 系統(tǒng)組成

高壓水射流切割系統(tǒng)如圖1 所示, 主要包括增壓系統(tǒng)、磨料供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等, 通常

還要配置一鋼筋混凝土工作臺。

增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是高壓泵或增壓器。往復(fù)壓縮式增壓器在液壓系統(tǒng)提供的高壓油作用下往復(fù)運動,

把水壓增大到300～ 1 000M Pa。在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器。磨料供應(yīng)系統(tǒng)(圖略) 主要由磨

料流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和磨料切割頭構(gòu)成, 其中磨料切割頭是超高壓射流切割的核心, 其工作原理是: 高壓水

經(jīng)過高壓管和水噴嘴至混合腔, 與此同時, 磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混合腔與水混合, 再

經(jīng)磨料噴嘴噴射形成兩相磨料射流, 即把超高壓水變成高壓的切割流。在人工或計算機控制下, 控制系

統(tǒng)移動工件或切割頭, 完成所要求的切割過程。簡單的手動控制裝置是一個安裝在手動機構(gòu)上的固定切

割頭?，F(xiàn)已采用5 軸或6 軸等復(fù)雜的多軸數(shù)控系統(tǒng), 使用一個以上的切割頭同時切割復(fù)雜的外形。大多

數(shù)高壓水射流切割系統(tǒng)都裝有接收器, 既可消除高速射流穿透材料后的射流能量, 同時可降低噪聲。另

外還附有一些安全裝置, 以防高壓水管與各種接頭的破裂等。





2 高壓水射流切割技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用 使用水射流技術(shù)可以實現(xiàn)多種操作, 例如切割、脫膠、清潔、鉆孔、修邊、開槽以及工件表層材料的

去除。工業(yè)的發(fā)展以及新材料的不斷涌現(xiàn)對加工過程提出了新的要求。例如, 在航空制造業(yè)中使用了一

些特種材料, 如鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、增強塑料玻璃等, 這些材料用其它方法難以進(jìn)行切割或存在

加工質(zhì)量問題。對于高強度高硬度材料(如鈦合金), 若采用激光切割, 由于激光切割是在高溫下進(jìn)行的,

在材料切口處會產(chǎn)生熱影響區(qū), 熱影響區(qū)對材料的性能有嚴(yán)重的危害, 所以必須通過磨削徹底消除熱影

響區(qū), 增加了加工工序, 降低了生產(chǎn)效率。而對于碳纖維復(fù)合材料, 在用普通方法高速切割時, 易在刀

具上產(chǎn)生纏繞。高壓水射流切割由于其獨特的優(yōu)點, 對這些用其它方法難以切割的航空材料, 是非常理

想或唯一的加工手段。

作為一種非傳統(tǒng)的冷切割方法, 高壓水射流切割具有如下優(yōu)點: 切割時幾乎不產(chǎn)生熱量因而不會造成

金屬變質(zhì); 切縫窄且切割表面光滑；切割用水及磨料來源充足； 無塵埃、無公害等。更重要的是, 此種

加工方法很適合與微機控制的工作臺和機械手結(jié)合起來, 能滿足特殊的或復(fù)雜的加工要求, 實現(xiàn)鈦合

金、復(fù)合材料等的高效切割。

目前工業(yè)中使用的水射流技術(shù)主要有兩種實現(xiàn)方法: 純水射流和磨料水射流。在過去的20年中, 純水

射流已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用, 并為磨料水射流技術(shù)奠定了基礎(chǔ)使用純水射流可以進(jìn)行清潔和去毛刺等操

作。當(dāng)水壓在100MPa以上時, 塑料、紙張和紡織品等軟材料可以被切割。然而, 對于硬質(zhì)材料的切割而

言, 由噴嘴射出的高壓水的力量還不夠充足。20世紀(jì)80年代中期, 英國流體力學(xué)研究協(xié)會( British H

ydrodynamics Research Association) 提出了一種方法, 可以將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的

水流中[ 3] 。磨料的加入使得水射流具有了鋸條的特性, 射流的力量被大大加強了。磨料水射流幾乎可以

切割任何材料, 例如玻璃、金屬、合金、陶瓷材料和碳化金屬。近年來, 高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用獲得了

極大發(fā)展。在國外, 水切割還被作為一種革命性的工具應(yīng)用于外科手術(shù)當(dāng)中[ 4- 5]。

D．K．Shanmugam 和F.L.Chen 使用磨料水射流、純水射流和激光分別切割了兩種不同材料。與純水射

流和激光切割相比, 磨料水射流切割可以獲得更好的切割效果。對于磨料水射流和純水射流兩種方式下