水射流加工技术：高速、精确、低成本

1.水射流加工基本原理

图9-9　水射流加工原理及结构

1—带有过滤器的水箱；2—水泵；3—储液蓄能器；4—控制器；5—阀；6—蓝宝石喷嘴；7—射流；8—工件；9—排水口；10—压射距离；11—液压机构；12—增压器

水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的，如图9-9所示。采用带有添加剂的水，以高达3倍声速的速度冲击工件进行加工或切削。水由水泵抽出，通过增压器增压，储液蓄能器使脉动的液流平稳。液体从人造蓝宝石喷嘴喷出，以接近3倍声速的高速度直接压射在工件加工部位上。加工深度取决于液压压射的速度、压力以及压射距离。“切屑”进入液流排出，流速的功率密度达106W/mm2。

2.材料去除速度和加工精度

切割速度主要由工件材料决定，并与功率大小成正比，和材料的厚度成反比。加工精度主要受机床精度的影响，切缝比喷嘴孔径大0.025mm，加工复合材料时，采用的射流速度要高、喷嘴直径要小，并具有小的前角，压射距离小。切边质量受材料性质影响很大，塑性好的材料可以切割出高质量的切边。液压过低会降低切边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起磷。进给速度低可以改善切割质量。

水中加入添加剂（丙三醇、聚乙烯、长链型聚合物）能改善切割性能和减少切割宽度。另外，压射距离对切口斜度的影响很大，压射距离越小，切口斜度也越小。高能量密度的射流束将引起温度的升高，进给速度低时有可能使某些塑料熔化，但温度不会高到影响纸质材料的切割。

3.水射流加工设备

水射流加工设备和元件要求能够承受系统压力达到400～800 MPa，液压系统通过小的柱塞泵使液体增压到1 500～4 000 MPa，增压后的液体通过内外径之比达5～10的不锈钢管道和特殊的管道配件，再经过针型阀，通过喷嘴进行加工。(www.xing528.com)

4.喷嘴

通过喷嘴把高压液体转变成高速射流，为了使侵蚀最小，喷嘴材料应是极其坚硬的，但为了有光滑的轮廓结构，材料应具有韧性和易机械加工性。可以利用黏结的金刚石或蓝宝石材料作为喷嘴，并可把它们放进钢套里作为镶嵌件使用，以满足强度和韧性的需要。金刚石、碳化物硬质合金和特种钢，也已经成功地用于制造优质的喷嘴。图9-10所示为喷嘴的组件。喷嘴喷口的直径一般为0.05～0.35mm，喷射时会产生一般长达3～4 cm的聚合射流，例如用相对分子量为400万的聚乙烯氧化物作为添加物，可以使液体的黏度大为提高，使聚合射流的长度达到直径的600倍。

5.实际应用

水射流加工的液体流束直径为0.05～0.38mm，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，例如加工铜、铝、铅、塑料、木材、橡胶、纸等多种材料。水射流加工可以代替硬质合金切槽刀具切割加工，而且切边的质量很好，所加工的材料厚度少则几毫米，多则几百毫米，例如切割19mm厚的吸声天花板，采用的水压为310 MPa，切割速度为76 m/min。可加工厚度125mm的玻璃绝缘材料。由于水射流加工的切缝较窄，故可节约材料和降低加工成本。又由于加工温度较低，因而可以加工木板和纸品，还能在一些化学加工的保护层表面上划线等。

图9-10　喷嘴

1—连接螺母；2—圆锥体；3—喷口；4—喷嘴；5—接头