摘 要：高压水射流是一项在工业上应用广泛的技术。文中介绍了高压水射流技术加工特点
及应用，分析了高压水射流切割加工机理，介绍了其特点和应用范围，简单介绍了该技术的应用状况及技术发展方向。
关键词： 冷加工 高压水射流技术 切割
高压水射流技术是近几十年发展起来的技术，其应用日益广泛。目前，在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、建材、市政工程、水利及轻工破碎和清洗。高压水射流业已成为新型的切割工具，与激光束、电子束、等离子体等热切割加工相比，高压水射流是唯一一种冷切割加工方法。在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，高压水射流具有独特的优越性。
1.1高压水射流技术系统组成
高压水射流切割系统如图1 所示, 主要包括增压系统、磨料供应系统、控制系统及辅助系统等, 通常还要配置一钢筋混凝土工作台。
增压系统的关键部分是高压泵或增压器。往复压缩式增压器在液压系统提供的高压油作用下往复运动, 把水压增大到300～ 1 000M Pa。在增压器与高压水路之间装有蓄能器。磨料供应系统金属包覆垫片>校园网管理系统(图略) 主要由磨料流量调节系统和磨料切割头构成, 其中磨料切割头是超高压射流切割的核心, 其工作原理是: 高压水经过高压管和水喷嘴至混合腔, 与此同时, 磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混合腔与水混合, 再经磨料喷嘴喷射形成两相磨料射流, 即把超高压水变成高压的切割流。在人工或计算机控制下, 控制系统移动工件或切割头, 完成所要求的切割过程。简单的手动控制装置是一个安装在手动机构上的固定切割头。现已采用5 轴或6 轴等复杂的多轴数控系统, 使用一个以上的切割头同时切割复杂的外形。大多数高压水射流切割系统都装有接收器, 既可消除高速射流穿透材料后的射流能量, 同时可降低噪声。另外还附有一些安全装置, 以防高压水管与各种接头的破裂等。
2.2高压水射流技术切割加工机理
高速射流具有一定的动能，作用在静止的物体上，肯定会产生一个力。一般高压水射流切割试块的表面较平整，入射角为9O。，即射流垂直冲击试块表面。当射流作用到物体表面上时，会产生两种不同的作用力：一种是射流滞止压力；另一种是冲击压力。滞止压力P可以根据伯努力方程给出：
P：1／2po (1)
式中：Ioo为射流的密度； 为射流的速度。射流在射到固体表面之后发生碰撞的一瞬间，由于射流压缩的作用，在固体接触表面产生非常高的冲击动压P ，体现出射流的刚性：
P =poCo (2)
式中：co为射流在液体中的声速，在水中约为1 500m／s。
由式(1)和式(2)可得：
当射流速度 -775 m／s时，产生的滞止压力为300 MPa，而产生的冲击压力为1 162．5 MPa，冲击动压约为射流滞止压力的4倍。高压水射流在光滑表面的冲击发生在喷嘴附近受冲击的一个圆形内，需要从不同的视角来观察和研究这种现象。这是因为可能存在多种因素来解释 材料的破坏。国外的大量试验表明，在射流碰撞固体表面的一瞬间，在射流的外圆周上的边界压力实际是冲击压力的2．5倍以上。脆性材料的破坏是由射流载荷产生的拉应力决定的。破坏形式如下：射流撞击试块表面，形成以撞击点为中心的放射状裂纹。
在没有破坏的中央区周围有环形裂纹，该环形裂纹的外径与射流直径相同。增加射流速度，该区域破坏程度增加，直到变成一个凹坑。上述现象仅发生在材料的屈服强度小于射流碰撞力的情况。如果材料屈服强度大于射流碰撞力，单次碰撞不会出现明显的可见环形裂纹，但多次重复碰撞后由于材料的疲劳，也可产生上述环形裂纹。由于射流连续不断地冲击材料，又存在表面径流的冲刷和剪切，破碎的材料不断被带走，材料发生剥蚀，逐步深入，造成材料的切割和穿透。塑性材料的破坏并不主要靠拉伸破坏，而是在射流切应力作用下的塑性流变。在射流的碰撞下，塑性流变先在射流中心处发生，造成固体表面的近似半球形压痕，深度随着碰撞速度的增加而加深。射流的碰撞压力大于材料的屈服极限时，固体材料会像液体一样流动，从而形成塑性破坏。高压水射流初始作用材料时产生缺坑并伴随裂纹和压力波的出现。在碰撞区，一定的碰撞能量被材料破碎所吸收，其余则转化为应力波形式传播膨胀应力波在碰撞区产生的最大剪应力取决于供给水压，最大剪应力超过一定值时，立刻造成工件材料的射流穿透、缺坑和大裂纹，同时还有连续射流的滞止静压力作用于初始凹坑和裂纹中，这样裂纹得以扩展，造成凹坑逐渐增大。这个过程中，凹坑周围压力得以释放，从而更多的材料被冲挖出来。随着时间的推移，将产生更宽、形状不规则、也不对称的缺口。如果喷头和试块相对移动将形成切槽。射流压力不足时，产
生的剪应力不足以使裂纹扩展，只产生小的凹口，材料的破坏不会继续。所以固体材料的破坏只有当射流所产生的碰撞压力大于或等于该材料的临界破坏应力(f-1限压力)时才会发生。对于脆性材料，只有当射流压力近似等于材料的屈服应力时，才能获得最小的比能或最大的切割、破碎效果。
2.3高压水射流技术切割加工特点
高压水射流技术之所以能得到快速发展，主要是因为这种加工技术与其他加工方法相比具有一系列优点：
1)工作介质成本低，没有环境污染。射流工作介质一般是水，不仅易取而且成本低廉。在切割加工过程中，由于喷嘴直径较小，水的用量很少，而且水一般无污染。
2)加工能力强，应用范围广，可以加工不同材质的工件及某些难以用传统加工方法切割的材料。利用高压软管将切割头和辅助设备分开，可以实现远距离、独立、灵活的使用。国外商业应用中已经有切割机、机器人除锈、清洗等设备，从高空到水下都可以应用。另外，高压水射流可以根据切割材料的硬度调整压力，把血管和病变组织分离开，因此，在医疗手术上也有应用。
3)高压水射流冲击到切割件表面时，会在滞止点(射流中心线与被切割平面的交点)及其附近产生很高的局部传热率，使被切割件的温度升高很小，切口中(包括切割面)的温度低于100℃。因此，在高压水射流切割过程中不会产生热变形和热影响区，从而不会改变被切割材料的性能，不产生热变形和金相组织变化。
4)不会产生附加应力变形。高压水射流属于点切割、无接触切割，尤其是沿进给方向和侧向的切割反作用力小，从而避免了零件由于附加应力而产生的变形，对于薄壁零件的切割十分有利。
5)切口窄而整齐，能提高材料的利用率。用高压水射流切割物料时，射流切口小，切割可以精确控制，因此，样板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一块材料，减少废料。
6)高压水切割压力高(数十兆帕至几百兆帕)，喷嘴直径(O．1～2．5 ram)小，能量高度集中，因此，切割反力小，只有十几公斤，便于实现一机多能和自动化、数控化。
7)高压水切割为非接触式切割，被切割材料对切割刀具无磨损。但是，高压水射流也存在一些问题：①与机械切割相比，消耗比能高；②一些高压水射流部件的性能不过关，如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件。
3高压水射流切割技术的工业应用
使用水射流技术可以实现多种操作, 例如切割、脱胶、清洁、钻孔、修边、开槽以及工件表层材料的去除。工业的发展以及新材料的不断涌现对加工过程提出了新的要求。例如, 在航空制造业中使用了一些特种材料, 如钛合金、碳纤维复合材料、增强塑料玻璃等, 这些材料用其它方法难以进行切割或存在加工质量问题。对于高强度高硬度材料(如钛合金), 若采用激光切割, 由于激光切割是在高温下进行的, 在材料切口处会产生热影响区, 热影响区对材料的性能有严重的危害, 所以必须通过磨削彻底消除热影响区, 增加了加工工序, 降低了生产效率。而对于碳纤维复合材料, 在用普通方法高速切割时, 易在刀具上产生缠绕。高压水射流切割由于其独特的优点, 对这些用其它方法难以切割的航空材料, 是非常理想或唯一的加工手段。
作为一种非传统的冷切割方法, 高压水射流切割具有如下优点: 切割时几乎不产生热量因而不会造成金属变质; 切缝窄且切割表面光滑；切割用水及磨料来源充足； 无尘埃、无公害等。更重要的是, 此种加工方法很适合与微机控制的工作台和机械手结合起来, 能满足特殊的或复杂的加工要求, 实现钛合金、复合材料等的高效切割。
目前工业中使用的水射流技术主要有两种实现方法: 纯水射流和磨料水射流。在过去的20年中, 纯水射流已经得到了广泛的应用, 并为磨料水射流技术奠定了基础使用纯水射流可以进行清洁和去毛刺等操作。当水压在100MPa以上时, 塑料、纸张和纺织品等软材料可以被切割。然而, 对于硬质材料的切割而言, 由喷嘴射出的高压水的力量还不够充足。20世纪80年代中期, 英国流体力学研究协会( British H ydrodynamics Research Association) 提出了一种方法, 可以将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中[ 4] 。磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性, 射流的力量被大大加强了。磨料水射流几乎可以切割任何材料, 例如玻璃、金属、合金、陶瓷材料和碳化金属。近年来, 高压水射流技术的应用获得了极大发展。在国外, 水切割还被作为一种革命性的工具应用于外科手术当中[ 5- 6]蒸汽消音器。
D．K．Shanmugam 和F.L.Chen 使用磨料水射流、纯水射流和激光分别切割了两种不同材料。与纯水射流和激光切割相比, 磨料水射流切割可以获得更好的切割效果。对于磨料水射流和纯水射流两种方式下最好和最差情况的表面粗糙度进行分析, 结果表明电梯运行检测平台:磨料水射流的效果要比纯水射流好得多[7]。
工业上常用的磨料水射流切割技术包括磨料注射切割和磨料悬浮切割, 即我们通常所说的前
混合式磨料切割和后混合式磨料切割。这两种方法的本质区别在于磨料加入水中的方式不同, 同时磨料悬浮切割技术能提供更好的切割效果。还有一种被称为聚合物水射流的方法, 即向水中加入少量高分子长链聚合物的添加剂, 提高射流密集度及射程, 主要用于切割较软或稍硬材料[8]。
汽车工业：加工各种非金属材料, 如仪表板、地毯、石棉刹车衬垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料、燃气箱等, 以及其他内外组件的成形切割。航空工业:可切割特种材料, 如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片, 叶片的切割边缘无热影响区和加工硬化现象, 省去了后序加工。铸造工业：铸造工厂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等。同时, 可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。电子及电脑工业，可以进行印刷电路板及薄膜形状的成形割。其他工业水射流和磨料射流切割技术还可在其他工业加工中应用, 如用于建筑业中切割大理石、花岗岩、陶瓷等, 造纸业中加工成品纸卷、瓦楞纸、卫生纸等, 木材业中加工胶合板、木板等。
4 技术发展方向
高压水射流切割有着十分广阔的应用前景。我国的高压水射流切割技术虽然有了很大的发展, 与世界先进水平相比, 擀筋棒在向商品转化方面仍有较大差距。发展方向主要有以下几个方面:
4.1 提高功率
我国的高压水射流机组功率多在55～130 kW之间, 压力在100M Pa 以内。一些欧美同类产品机组功率多在100～300 kW , 压力为100～200M Pa,典型参数可达功率500 kW , 压力150～200M Pa。大功率多为柴油机组, 除了机动、方便、易于调节外,分动力驱动液压系统可以作为周边设备的动力源。
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