水射流加工技术的应用及优势

7.3.4.1 水射流切割

1.工程陶瓷的水射流切割

工程陶瓷有许多固有的特点，如高硬度、高耐蚀性、高耐磨性和低电磁感应性，所以被不断应用于光学、电子、机械和生物工程等领域。但由于其特殊的力学性能，对传统加工技术来说，陶瓷属于难加工材料。此外，依据切割精度、质量和效率等高性能切割的要求，需要利用先进的切割技术，如磨料水射流切割技术等。

过去多年的研究和使用磨料水射流切割各种工业陶瓷的实践表明，磨料水射流切割技术是用于加工工程陶瓷材料的最有效手段之一。

（1）蚀除机理 从总体上讲，脆性材料的去除是通过粒子冲击造成微观裂纹的形成、扩展和成核的过程来实现的。通常包括锥形的、横向的、径向的和晶界裂纹等形式，还包括晶粒间的、穿晶界间的和环形裂纹的微破坏及其混合式破坏形式的去除。

用磨料水射流技术加工氧化铝陶瓷材料，选择部分切割表面在SEM下观察研究，发现射流移动速度低于0.083～0.33mm/s范围时，磨料对材料加工表面最明显的损坏是由于塑性流动和亚表面变形形成环形裂纹的去除过程，这是由于高速粒子冲击的结果。在粒子冲击陶瓷材料过程中，粒子的高速冲击使材料表面的局部应力迅速升高，包括切削热的快速累积和陶瓷材料的导热性差使局部温度升高导致材料软化，因而引起局部一定程度的塑性变形和高应变率。这个过程主要产生塑性变形而没有明显的径向或横向裂纹损坏形成的蚀除过程。

当射流移动速度调整在1～2.33mm/s范围内切割材料时，观察发现由于粒子的冲击作用在冲击区及其周围有许多裂纹形成并扩展到材料内部，因此，微观裂纹和晶界裂纹是这种移动速度切割条件下的材料主要蚀除模式。

有的学者认为，材料的总去除率是塑性流动和网格裂纹两种磨蚀的总和，随着材料脆性的增大，粒子冲击的初期就可能立即产生裂纹，甚至产生包括塑性流动、环形裂纹和微碎屑引起的磨蚀。另外的研究显示，从原始裂纹到塑性流动和变形磨蚀的过程是：由于射流移动速度降低可以被看作是射流对材料局部作用的能量密度相对增高，所以高能量密度也会导致局部温升并引起塑性流动和变形磨蚀。

（2）切口轮廓和形状 磨料水射流可能产生通切口和不通切口两种类型，总体上切口上部比切口下部宽，因而有切口锥度形成。如前面所述，两边切口壁形成的夹角称为切口锥角，这个特点对通切口和不通切口都是适用的。加工脆性材料与塑性材料明显不同，磨料水射流切割陶瓷过程在切口入口处无明显的圆角，在切口出口处也无明显的毛刺。

一般情况下，对于不通切口在切口底部总有一大“袋”状的形状产生。对于不通切口壁倾角分成几段，在切口上部锥角较大，在中部锥角较小并保持以下部分几乎不变到第三段。所以切口表面可以被分成三个区：切口上部光滑区，特征为表面没有明显纹路和麻点，切口中间区表面特征是有明显的纹路但无麻点，切口下部区域特点是有大量的凹坑。放大照片还显示，在切口表面明显存在有光滑区域与纹路区的分界线。上部切口光滑区域是切削磨蚀区，加工过程主要是由于粒子的小角度冲击产生的材料去除。切口下部区域的加工蚀除主要是由于粒子的大角度冲击产生变形磨蚀的过程。对于不通切口，变形磨蚀与射流向上反射有关，切口中间区从切削磨蚀区到变形磨蚀区的转换过渡小于总穿透深度的15%。

与切割塑性材料不同，磨料水射流切割脆性材料时，随水压力和磨料流量增加以及射流移动速度的降低，切口宽度稳定增大。通过这三个加工参数改变上切口宽度基本参数，虽然悬距也对上切口宽度有明显地影响，例如，当悬距从2mm增加到5.5mm时，上切口宽度大约增加50%，因为射流的有效直径在材料上表面增大，但是无论是从加工性能还是从经济性方面，悬距都应该选择得尽量靠近工件表面。

试验研究还发现，切口锥角随移动速度和悬距增大而增大，随水压力降低而增大，磨料流量的变化对切口宽度和切口锥角的影响都不明显。因此，当射流切入工件时，在较高的射流移动速度和较大悬距条件下，磨料水射流表现为对整个切口宽度影响减小而形成较大的切口锥度。相反，值得重视的是较高的水压力可以更有效地切割材料并产生较小的切口锥角。

（3）切深和光滑切深 切割氧化铝陶瓷试验研究表明，水压力和射流移动速度对切割深度有明显影响，如图7.3-4所示。当水压力从138MPa增加到345MPa，射流移动速度从0.83mm/s降低到0.33mm/s时，磨料水射流切割脆性材料穿透深度增加一倍，反映出两个主要加工参数对穿透深度影响。其中，悬距对切割性能的影响同切割塑性材料的趋势一样，同样应该尽量选择较小的悬距。

图7.3-4 水压和移动速度对穿透深度的影响

a）水压的影响 b）射流移动速度的影响

2.石材的水射流切割

石材以其丰富多彩及天然的质感成为地台、墙身的装饰材料，深受人们的喜爱，尤其是以不同颜色的石材组合拼成的拼花图案更是高级宾馆装饰必不可少的。如何把石材切割成拼花所需的尺寸和形状，确实令一些石材厂商大伤脑筋。因为组成拼花需要切割的石材是任意形状的，要切割的有直线、圆弧、多段曲线组合或复杂的曲线，而且大多数情况下需要断点切割。断点切割是指在一块板材上的不同位置有切割起点。切完一块材料后，需要切割别的颜色的材料与第一块料镶嵌，而且相互镶嵌的石材的曲线必须是吻合的。因此，使用传统的加工方法，如手工修磨、金刚石锯片、线切割等都是难以做到的。

手工修磨只能胜任简单的直线或大圆弧构成的拼花，需经验丰富的技师才能完成，且手工开料容易造成材料浪费而增加加工成本。手工加工出的拼花图案断面粗糙，尺寸精度差，拼接接缝大小不一，刀具成本高，加工效率低。带锯是一种比较常用的拼花机械，同样有尺寸精度差、刀具成本高的缺点，尤其是加工曲率小的圆弧线比较困难，如果要切割半径比带锯条的宽度小的曲线时，便无能为力了。线切割比上述两种方法的加工质量要高得多，但每次开始切割和切完一刀再移至另一地方重新切割（断点切割）时，都需要预先打孔，且速度慢效率低。因此，随着石材的加工品种的不断增多，组合图案越来越复杂，传统的手工切割和带锯及线切割都无法满足加工需要，超高压水射流切割机切割石材拼花却有着不可比拟的优越性，可完全胜任石材拼花的各种工艺要求。

影响水射流石材切割能力和质量的因素有很多，但最主要因素是高压水的喷出压力和喷射头的移动速度。下面是关于这两个参数的试验，试验参数为：水喷嘴孔径为0.28mm；混砂管孔径为0.8mm；磨料为F80石榴石，供给量为0.25kg/min。试验结果如下。

（1）高压水的喷出压力 切割速度一定的条件下，高压水压力与切割深度呈直线关系，如图7.3-5所示。

在实际操作时往往需从板材中间打孔起割。图7.3-6所示为磨料水射流打孔所需的时间与高压水压力的关系。由该图可见，因为材料比较厚，打穿孔需要很长的时间，但高压水压力增大，打孔所需时间就可相对缩短。

图7.3-5 水压和切割深度的关系

注：切割材料为大理石，切割速度为40mm/min。

图7.3-6 水压与打孔时间的关系

（2）喷射头的移动速度（切割速度）切割速度既影响切割能力，又影响切割质量。图7.3-7示出了高压磨料水射流切割切割深度与切割速度的关系。由该图可见，切割速度与切割深度大致成反比关系，即切割速度增大，切割深度减少。影响水射流切割石材能力的因素还有磨料、种类、粒度和供给量等。

3.玻璃的切割

当今，玻璃在各行各业中的使用越来越多，一方面促进了玻璃行业的发展，另一方面也对玻璃制品的加工提出了更多样化的需求。水刀切割技术的加入，为玻璃制品的多样性提供了一种快速方便的解决方案。

图7.3-7 切割速度与切割深度

注：切割材料为大理石板材。

对于平面的玻璃，水刀切割可以加工出用户想要的任何几何图形。无论是造型还是钻孔，水刀切割都能得心应手。其主要特点如下：

1）多样、精确、美观，切口不碰瓷，切口处呈磨沙状。

2）切割时不产生热量，切缝处不会引起弧痕，安全、环保，不需要再次加工并且易于再加工。

3）可进行任意曲线的切割加工和打孔，不需要模具，灵活方便，工件不需特殊装夹，操作简单方便。

4）切缝仅1mm，切面光洁、圆滑，无爆边，切割范围宽，玻璃的厚度可达100mm。

图7.3-8所示为家电玻璃的水刀切割样品图片。

4.水射流引导激光切割技术

1993年，瑞士联邦科技研究所的科学家在洛桑应用光学协会上宣告了水射流导引激光（Water jet guided laser）技术，亦称之为激光微射流（laser-microjet，LMJ）的诞生。最初，水射流导引激光加工主要是用于减少切割区域附近的热效应，但事实上用水射流取代传统激光切割中的辅助气体束流还有很多别的优点，特别是在微电子和半导体制造行业，被证明是有效且可靠的。

（1）基本原理 水射流导引激光技术利用蓝宝石或钻石喷嘴（直径ϕ30μm、ϕ50μm、ϕ75μm、ϕ100μm、ϕ150μm）在恒压（50～500Pa）状态下产生一束稳定水射流，同时将激光聚焦于喷嘴入口，通过窗口经水射流喷嘴被引入水束中，在水和空气的接触表面进行全反射，从而引导激光束作用于被加工工件（其原理类似于光纤的传输），如图7.3-9所示。水射流能够引导不同波长的激光，并消除了传统的激光加工必须要调焦的问题。

图7.3-8 家电玻璃的水刀切割样品图片

图7.3-9 水射流引导激光示意图

（2）水射流导引激光切割的效率 对于GaAs晶圆加工方法一般有三种：金刚石锯片锯、划线折断和水射流导引激光加工技术。由于砷化镓的特殊性，加工硅晶片的一些方法将是不利的。如表7.3-4所示，金刚石锯片切割GaAs芯片的宽度必须是比较大的，其切痕也要变宽，这将会减少每个芯片上晶片的数量，由于机械约束的存在，芯片边角会变得容易碎裂，从而导致芯片报废。一般为了得到所需的切割质量，锯的加工速度不得不降低到3～12mm/s，由于晶片厚度的影响不得不考虑减慢整个加工过程。

表7.3-4 三种加工方法加工GaAs晶圆比较

（3）水射流导引激光切割的表面质量 在高科技发展的今天，传统的加工方法也能具有较高的加工效率和加工质量，前提是晶圆的厚度足够厚。然而，如今的芯片越来越向紧凑型和灵活型发展，传统的切割方法由于在加工过程中会产生机械应力和加工热效应，造成晶圆的损坏或者报废，特别是微裂纹的产生。水射流导引激光技术基本消除了机械应力的产生（小于0.1N），大幅度地减少了热渗透效果（在GaAs试验过程中切割的最高温度不会超过160℃）。加工结果显示，在晶圆的表面基本无碎片和毛刺，同时也解决了微裂纹的产生及其扩散现象，如图7.3-10所示。

图7.3-10 厚度为178μm晶圆的顶端面切割比较

a）速度为1.8mm/s的锯片切割放大了50倍的效果 b）激光微射流在15mm/s的速度下的切痕放大400倍的效果（晶圆在切割后没有清洗） c）干激光切割表面质量

7.3.4.2 水射流抛光

1.水射流抛光的基本原理

磨料水射流加工是自19世纪80年代迅速发展起来的一种新技术，和传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响、反作用力小、加工柔性高等优点，目前已被广泛应用到多种加工行业，用于加工陶瓷、石英、复合材料等多种材料。

磨料水射流抛光技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。目前，国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性试验研究，尚未形成系统的研究成果。

一般认为，磨料水射流以一定角度冲击抛光工件时，磨料对工件的冲击力可分解为水平分力和垂直分力。水平分力对工件上的凸峰产生削凸整平作用，垂直分力对工作表面产生挤压，使工件表面产生冷硬作用。

抛光初期，工件表面的凹谷处会滞留一部分磨料水射流混合液，形成一层薄膜。露置在薄膜外的凸峰，会先受到磨料的冲击作用而被去除掉，使工作表面得到明显的平整。通常表面粗糙度值为微米级，这一过程通常被称为一级抛光（即粗抛光）。在此过程中，材料的去除量较大，需选用颗粒较大的磨料，其材料去除机理目前被认为与普通磨料水射流加工机理相似。在磨料水射流抛光过程中，磨料去除工件表面材料的机制主要有两种，一种是塑性变形机制引起的，磨料对工件表面的冲击使材料向两侧隆起，这种过程并不会直接引起材料的切削过程，但在随后磨粒的作用下材料产生脱落而形成二次切屑。同时，磨粒也对工件表面如刨削一样有切削过程，这个过程可直接去除材料，形成一次切屑。另一种是利用混有磨料粒子的抛光液对工件的碰撞冲击、剪切刻划作用来去除材料。

粗抛光后，工件表面上只留下较小的凸峰，这时水平冲击分力减小了，垂直冲击分力增大，使得磨料对工作表面的挤压作用增强了，这一过程通常被称为二级抛光，即精抛光。在这一过程中，材料去除量很小，需选用细颗粒磨料。这一阶段材料的去除机理至今还处于研究阶段。有学者认为，当材料去除尺度为纳米级别时，由于去除深度小于其临界切削深度，这时塑性流动便成为材料去除的主要方式，纳米尺度的磨料对工件的作用主要是挤压磨削作用。

2.工艺参数对抛光效果的影响

利用磨料水射流进行抛光加工时，加工质量受到诸多因素的影响。例如：射流压力，射流喷嘴直径，靶距，倾角，砂喷管的直径、形状和长度，作用时间，磨粒的流量、大小、形状和硬度以及被加工材料的性质等，都会对抛光效果产生影响，见表7.3-5。

表7.3-5 工艺参数对抛光效果的影响

3.目前磨料水射流抛光技术存在的主要问题

理想的磨料水射流抛光加工结果是材料去除量小，表面质量高。若想得到理想的抛光结果，需选用压力低、磨料尺寸小的磨料水射流，即微磨料水射流。但目前微磨料水射流的理论还不成熟，存在表7.3-6所列的主要问题。

表7.3-6 磨料水射流抛光技术存在的主要问题

7.3.4.3 水射流铣削

1.水射流铣削的基本原理

磨料水射流铣削是通过提高喷嘴的横移速度、降低射流压力或增加靶距，以确保射流不切穿工件，在工件上只留下一定深度和宽度的切口，众多切口组合起来在工件上留下一定深度和一定形状的凹坑的加工工艺。磨料水射流铣削加工示意图如图7.3-11所示。

2.水射流铣削试验

磨料水射流铣削可分为单次铣削和多次铣削。单次铣削是通过提高喷嘴的横移速度或增加靶距，以确保射流不切穿工件，而只留下一定深度和宽度切口的加工。而多次铣削就是把单次铣削组合起来在工件上留下一定深度和一定形状的凹坑的加工。为了研究各铣削参数对铣削表面形状的影响，这里对氧化铝材料进行了单次铣削和两次铣削加工。图7.3-12所示为单次铣削加工的示意图，图7.3-13所示为两次铣削轨迹图。

图7.3-11 磨料水射流铣削加工示意图

试验所用的设备是福禄公司生产的磨料水射流切割机，其最高压力可达413MPa，铣削材料为Al₂O₃陶瓷，厚度为5mm，试验所改变的加工参数包括水压力、喷嘴横移速度、靶距和横向进给量。水压力分别为240MPa、280MPa、320MPa，喷嘴横移速度分别为600mm/min、1000mm/min、1400mm/min，靶距分别为10mm、20mm、30mm，磨料流量相对于水压力是不变的，分别是水压力为240MPa时，磨料流量为0.439kg/min，水压力为280MPa时，磨料流量为0.462kg/min，水压力为320MPa时，磨料流量为0.474kg/min。横向进给量是铣削时附加的一个参数，它指的是铣削时相邻两条射流轨迹的距离，试验中采用0.2mm、0.4mm、0.6mm。试验中使用的磨料是F80石榴石，冲击角度是90°，磨料水射流喷嘴直径是0.762mm。用实体显微镜观察了单次铣削和两次铣削所得的凹槽的横截面结构形状，并借助于扫描电镜对凹槽底面的形状进行了观察。

图7.3-12 单次铣削加工示意图(www.xing528.com)

图7.3-13 两次铣削加工示意图

图7.3-14所示为磨料水射流铣削所得表面扫描电镜照片，放大倍数为100倍。从该图可以看出，铣削表面是凹凸不平的，沿着喷嘴移动方向可以看到明显的突起，这些突起是组成铣削表面粗糙度的一部分。

（1）水压力对铣削横截面形状的影响 水压力是影响磨料水射流加工性能的一个很重要的参数，增加水压力可以提高材料的去除率。图7.3-15所示为靶距为10mm、喷嘴横移速度为1400mm/min时改变水压力对单次铣削横截面形状的影响。从该图可以看出，改变压力，铣削横截面宽度变化不大，而凹槽的深度发生了改变，即随着压力的增加铣削横截面的凹槽深度增加。这是由于水压力增加时，射流能量增加，磨料粒子所获得的动能增加，因此铣削深度增加。

（2）横向移动速度对铣削横截面形状的影响 图7.3-16所示为水压力为280MPa、靶距为10mm时喷嘴横移速度对单次铣削横截面形状的影响。从该图可看出，随着喷嘴横移速度的增加，铣削横截面凹槽宽度变化不大，但深度逐渐减小。喷嘴横移速度为1000mm/min时所得凹坑深度大约为喷嘴横移速度600mm/min时的一半，当喷嘴横移速度为1400mm/min时，凹槽深度变得更小。这是由于随着喷嘴横移速度增加，射流对材料的冲击时间减少，单位面积内冲击的磨料粒子减少，因此随着横移速度增加，铣削深度减小。

图7.3-14 磨料水射流铣削表面的微观形貌

图7.3-15 水压力对铣削横截面形状的影响

a）水压力240MPa b）水压力280MPa c）水压力320MPa

图7.3-16 横移速度对铣削横截面形状的影响（水压力280MPa；靶距10mm）

a）横移速度600mm/min b）横移速度1000mm/min c）横移速度1400mm/min

（3）靶距对铣削横截面形状的影响 图7.3-17所示为水压力为320MPa、横移速度为600mm/min时靶距对铣削横截面形状的影响。从该图可以看出，随着靶距的增加，铣削横截面形状发生了改变，横截面凹槽的宽度增加，而深度减小。这是由于随着靶距的增加，射流冲击材料的横截面积也增加，因此凹槽的宽度增大。但是由于相同的压力下，射流的能量是一定的，因此当靶距增加时，射流冲击材料的横截面积增加，单位面积内冲击材料的磨料粒子减少，因此铣削深度减小。

图7.3-17 靶距对铣削横截面形状的影响

a）靶距10mm b）靶距20mm c）靶距30mm

（4）横向进给量对铣削横截面形状的影响 图7.3-18和图7.3-19是水压力为280MPa、横移速度为600mm/min、靶距分别为10mm和30mm时横向进给量对铣削横截面形状的影响。从这两幅图可以看出，随着横向进给量的增加，铣削横截面凹槽宽度增加，而深度减小。这是由于随着横向进给量的增加，磨料射流对材料的重叠加工减少，即磨料粒子对材料的重复冲击较少，因此当横向进给量增大时铣削所得的凹槽深度减小。但是当横向进给量增加时，铣削面积增加，因此铣削横截面凹槽宽度增加。从这两幅图还可以观察到，随着横向进给量的增加，凹槽底部变得粗糙，当横向进给量增大到0.6mm时，凹槽底部出现了由于射流加工不充分而形成的突起，如图7.3-18c所示。但当靶距为30mm时，凹槽底部的突起消失，如图7.3-19c所示。出现这种情况的原因主要是由于射流内能量的分布是不均匀的，射流外围的能量较小，可能不足以引起材料的去除，因此随着横向进给量的增加，射流对材料表面的重复加工减少，两条铣削轨迹之间的材料有可能去除得不充分，因此会形成图7.3-18c所示的凹槽底部形状。但是随着靶距的增加，射流冲击工件的横截面积也增加，使得两条铣削轨迹之间的材料能够均匀地去除。

图7.3-18 横向进给量对铣削表面质量的影响（靶距为10mm）

a）横向进给量0.2mm b）横向进给量0.4mm c）横向进给量0.6mm

图7.3-19 横向进给量对铣削表面质量的影响（靶距为30mm）

a）横向进给量0.2mm b）横向进给量0.4mm c）横向进给量0.6mm

7.3.4.4 水射流清洗

1.水射流清洗的基本原理

所谓高压水射流清洗就是使用高速水射流使一种或多种材料从另一种材料表面脱离的过程。高压水射流清洗的原理是用高压泵打出高压水，经管子到达喷嘴，喷嘴则把高压低流速的水转换为低压高流速的射流，正向或切向冲击被清洗件的表面；射流在垢层或沉积物上产生足够的压力使其粉碎，一旦垢层被射透，流体呈楔形插入垢层和清洗件表面间，使垢层脱落而露出被清洗件的表面。呈层状或多孔状的垢物容易碎裂，因为喷射流的撞击可击中一个孔，在垢层表面以下形成一个内压而使上部垢层裂开。在许多喷射操作中，冲碎的颗粒夹杂在射流中能够帮助冲击出更多的颗粒。高压水射流清洗与化学清洗相比较，具有不污染环境、不腐蚀清洗对象、清洗效率高及节省能源等特点，且对一些化学药剂难溶或不溶的特殊垢可有效去除。因此，高压水射流清洗技术在清洗领域中成为一支后起之秀，在很大程度上代替了传统的人工机械清洗和部分化学清洗。

射流清洗的机理主要取决于附着层和基体的材料性能，以及它们与射流的相互影响。由于附着层与基体在材质上往往是相异的，对高压水射流清洗的主要要求是最有效地清除附着层而不损伤基体，因此射流的特性随着附着层的不同，在压力、距离和喷嘴类型方面要相应变化，射流的加载时间，横移的速度和次数也应随着变化。

2.高压水射流清洗装置的结构

高压水射流清洗装置主要由高压柱塞泵、动力部分、喷嘴、高压软管及工作附件等组成，如图7.3-20所示。各部分的功能如表7.3-7所示。

图7.3-20 高压水射流清洗装置的结构框图

表7.3-7 高压水射流清洗装置各部分的功能

（续）

7.3.4.5 水射流喷丸

1.水射流喷丸强化的机理

高压水射流喷丸强化的原理就是喷嘴垂直于材料表面，并在表面平行移动，将携带巨大能量的高压纯水射流或混入弹丸的混合水射流束，按一定的方式高速喷射到金属零构件的表面，使表层材料在再结晶温度下产生塑性变形，从而获得一定厚度的喷丸表面强化层，在表面获得理想的组织和应力分布。图7.3-21所示为水射流喷丸系统示意图。

图7.3-21 水射流喷丸加工示意图

高压水射流喷丸强化和传统的喷丸强化具有相似的工艺过程和功能。水射流冲击在零构件表层形成塑性变形区，产生残余压应力，增加了材料表面硬度，从而可以有效控制疲劳源的萌生和裂纹的扩展，提高零构件的疲劳强度。另外，水射流喷丸还具有比传统喷丸法更好的优点，它是真正高效、节能、安全、无害的环保型加工方法。它操作简单，性能稳定，喷丸覆盖率达到100%，弥补了传统喷丸强化应力集中点增多，操作中有死角且易产生大量粉尘等缺陷。

2.高压水射流喷丸强化的种类和影响因素

（1）高压水射流喷丸技术的种类 高压水射流喷丸技术的种类见表7.3-8。

表7.3-8 高压水射流喷丸技术的种类

尽管目前用于水射流喷丸的形式不是很多，但相信通过不断的研究探索，在不久的将来会发现更多新的射流形式。高压水射流喷丸技术的应用也将越来越广，越来越丰富。

（2）高压水射流喷丸的影响因素 随着高压水射流喷丸强化技术的问世，各国学者纷纷对此展开了大量的研究，并取得了一定的成果。经过试验研究发现，材料表面喷丸质量的优劣与高压水射流喷丸加工时的很多参数有关，主要的有提供的射流压力p_s、喷嘴的直径d_m、喷嘴横移速度v、磨料供给量、磨粒粒度、射流的速度、喷射角度α、表面侵蚀区的深度h、喷嘴到表面的距离SOD及喷丸时间等。

在喷嘴直径一定的情况下，距离SOD尤为关键，它是影响喷丸质量最重要的参数。研究发现，喷丸后材料表面的侵蚀区由距离SOD来决定的，当距离SOD最小时，侵蚀区最窄、最深，相反SOD最大，则侵蚀区最浅。另外，距离SOD还与材料表面粗糙度值的大小有一定的关系，若距离SOD减小时，表面粗糙度值将增大。为了保证喷丸质量能达到最好，今后有必要加大对喷丸参数最优化的研究。除此之外，距离SOD还和提供的射流压力p_s、零质量亏损位置（SOD）0，侵蚀开始时的距离SOD、表面压应力大小等有关。表面压应力的大小可以通过RIM的检测测试，当距离SOD不同时，表面压应力大小也不相同。所以寻求最优距离（SOD）f就成为重中之重。

喷嘴到表面的距离SOD/mm

另外，Ramulu等人通过各种条件下连续水射流对铝合金7075—T6的喷丸强化的研究还发现：零质量亏损位置（SOD）0和喷丸压力p_s之间呈线性关系，它与射流喷射的速度无关。在给定射流曝光时间内，这一线性关系与相关系数R有关，当R₂=0.9618时（SOD）0=0.269p_s-3.261。因此，通过这一等式可以计算出在给定射流压力p_s下的零质量亏损位置（SOD）0，从而可以确定表面侵蚀区的开始。另外，（SOD）0位置的确定对距离SOD的调节图7.3-22表面残余应力与距离SOD的关系曲线图范围也起到一个下限的作用，为最优距离（SOD）f的确定奠定了基础。其次，材料喷丸后表面压应力的大小与射流压力p_s、距离SOD关系密切，当压力p_s增大，SOD减小时，残余压应力增大，如图7.3-22曲线所示。由图7.3-22可知，喷丸后表面压应力是基础应力的3倍以上。这说明高压水射流喷丸对提高材料表面压应力的大小十分有效。当然，提供的条件不同，最终的喷丸效果也不尽相同。

7.3.4.6 水射流粉碎

1.水射流粉碎的基本原理

高压水射流粉碎技术是近年来发展起来的一门新的超细粉体制备技术。与传统的能耗大、效率低、成本高、污染严重的粉碎工艺相比，高压水射流粉碎技术具有设备简单、解离与分离特性良好、清洁、节能、高效等优点。目前，水射流粉碎技术已被应用于木材制浆、水煤浆、云母、原盐、铁鳞等矿物的粉碎生产中。

高压水射流是以极高的速度和高度聚集的能量加载于被粉碎物料，加之在粉碎过程中通常可以形成的空化作用，使得物料的裂隙和解理面中产生压力瞬变而使物料发生解理破碎的。由于高压水射流具有良好的解理性，因此采用这种粉碎技术在降低粉碎能耗的同时，还可以制备高质量、高纯度、保持颗粒的原始结晶形状与表面光泽的超细粉体。

高压水射流对物料的粉碎作用主要体现在水射流对颗粒冲击和水楔作用、颗粒相互之间以及颗粒与管壁之间的摩擦剪切作用、颗粒与靶物之间的冲击作用等。

2.水射流粉碎系统装置

水射流超细粉碎系统是一个典型的多相流系统，除了液相的水之外，还包括固相的煤粉和与煤粉一起加入振荡腔的气泡。图7.3-23所示为水射流对撞式超细粉碎系统的示意图。

在振荡腔内，大涡流以一定的频率卷吸周围的流体形成混合脉冲，在低压区，随煤粉进入系统的空气提供了大量气核；气核在低压区逐渐涨大，伴随混合脉冲进入高压区；在高压区，气泡突然破裂，造成微气蚀，高压水射流在颗粒表面的微裂纹内形成水楔；在水楔作用下，微裂纹得以扩张。混合脉冲在加速管中加速，与对应部分在对撞室相互碰撞，使颗粒得以进一步粉碎。

图7.3-23 水射流对撞式超细粉碎系统示意图

7.3.4.7 水射流除锈

1.水射流除锈的基本原理

高压水射流除锈是以水为工作介质，通过高压发生设备和特定形状的喷嘴产生高速射流，通过对金属表面的锤击、切削和冲刷作用去除锈蚀产物的工艺方法。流体介质中混有硬质颗粒的高压水射流就成为磨料射流。利用此技术除锈与常规的喷丸、喷砂除锈或酸洗、碱洗除锈相比，具有除锈质量高、效率高、除锈彻底、费用低，劳动强度小、不腐蚀金属基体、不污染环境等优点。并且此技术的应用范围已由板材、钢带、型材扩大到机械行业中的各类锈蚀零件及毛坯，其适用领域遍布各行业，如机械车辆、矿山机械、食品加工、服务业等，在维修业中其应用也是不可限量的。

2.水射流除锈系统的组成

水射流除锈系统由三部分组成，如图7.3-24和表7.3-9所示。

表7.3-9 水射流除锈系统的组成

上述三个主要部分在结构上是相互独立的，通过工作介质把它们互相联接起来。工作介质如果用清水，则称之为高压纯水射流。用高压纯水射流除锈，需将水加压调到70～100MPa，甚至更高。这样高的压力对高压泵、管路、密封等整个系统的要求十分严格，况且如此高的压力除锈效率却不是很高。因此，工程上很少应用高压纯水射流来进行除锈。

图7.3-24 水射流除锈工艺系统

3.水射流除锈系统的典型应用

（1）弹药的除锈 弹药修理中要求除锈后的弹药金属表面应露出金属基体并且有金属光泽，药筒表面允许有标志字的光亮痕迹和纯铜颜色，药筒根部喷砂部位和药筒底平面允许有轻微锈痕，弹带沟槽内允许有轻微氧化痕迹，但不允许有锈蚀产物和残漆。

试验表明，在工作压力为7～10MPa、水流量为40～55L/min、射流液体的质量分数为25%～30%的情况下，对表面锈蚀C级的金属表面进行除锈试验，结果平均除锈效率达20m²/h，除锈质量达到了GB 8923—1988的Sa2.5级，即金属表面除锈比较彻底，不放大的情况下进行观察时，表面无可见的油脂和污垢，没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，任何残留物的痕迹仅是点状或条纹状的轻微色斑。

经磨料射流技术除锈后金属表面的表面粗糙度，主要取决于射流的喷射角度和磨料粒度。试验表明，当喷射角大于30°时主要是锤击作用。小于30°时，则为切削和冲刷作用，当以较细的磨粒和很小的角度喷射时，可获得精整度很高的表层。因此，控制磨料的粒度和射流角度能够使弹药除锈后表面满足修理要求。

（2）石油管道的预处理 油管内外表面涂装前的预处理主要包括除油、除锈以及为防止重新生锈和提高涂层附着力的化学处理。传统的预处理工艺要分步进行，工艺复杂。所谓磨料射流是指流体介质中混有了硬质颗粒的高压水射流。这里采用的是后混合式磨料射流，即把混合均匀且浓度适宜的磨料浆体（如石英砂浆体）输送到喷头的混合腔内，被高速喷射到混合腔内的高压水射流加速，并一起进入混合管，在混合管内获得高能量的磨料粒子像高速子弹一样喷射到油管内外表面，把表面上的油污、锈层及氧化物等迅速清理干净。紧接着，清洗干净的油管被一种高效钝化液淋洗或浸泡，可以实现长时间存放。被磨料射流喷射过的油管不仅表面彻底干净，有适当的表面粗糙度值，而且其抗疲劳强度也有所提高。