水射流加工技术及应用探析

1.水射流加工基本原理

水射流加工是利用高速水流对工件的冲击来侵蚀材料的。图7-11所示为水射流加工原理，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割。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106 W/mm2。

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0.025 mm，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的影响很大，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，尤其是对复合材料，容易引起材料离层或起鳞。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、长链形聚合物）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。

图7-11　水射流加工原理图

1—水箱；2—水泵；3—蓄能器；4—控制器；5—阀；6—蓝宝石喷嘴；7—水射流；8—工件；9—排水器；10—液压机构；11—增压器；12—混合腔；13—水喷嘴；14—磨料喷嘴；15—水磨料射流
（a）水射流加工原理；（b）磨料射流切割头

2.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，再经过针形阀，通过喷嘴进行加工。

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特性。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、碳化钨硬质合金和特种钢，也已经成功地用于制造优质的喷嘴。图7-12所示为喷嘴的组件。喷嘴喷口的直径一般为0.05～0.35 mm，喷射时会产生一股长达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。(www.xing528.com)

3.水射流加工的特点

①可切割范围广，可以切割绝大部分材料，如金属、大理石、玻璃等。

②切割质量好，平滑的切口，不会产生粗糙的有毛刺的边缘。

③无热加工，因为它是采用水和磨料切割，在加工过程中不会产生热（或产生极少热量），这种效果对会被热影响的材料的加工是非常理想的。

④环保性，这种机器采用水和沙切割，这种沙在加工过程中不会产生毒气，可直接排出，较环保。

⑤无须更换刀具，你不需要更换切割机装置，一个喷嘴就可以加工不同类型的材料和形状，节约成本和时间。

⑥减少毛刺，采用磨料砂的水加工切割，切口只有较少的毛刺。

4.水射流加工应用

水射流加工的液体流束直径为0.05～0.38 mm，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19 mm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125 mm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零件保护层表面上划线等。