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制造業的一枝奇葩——高壓水射流加工技術

注意:本論文已在《機械設計與制造工程》(1999,3:1~2)雜志發表,
使用者請注明論文出處

大連理工大學 趙偉 劉曉冰 朱派龍

摘要 論述了高壓水射流加工技術的起源、切割機理,并介紹了獲得高壓水射流的基本原理和應用范圍。
關鍵詞 高壓 水射流 切割機理

A Exciting Flower of Manufacturing——High Pressure Water Jet Cutting Technology

Zhao Wei Liu Xiaobing Zhu Pailong

Abstract This paper tells the origin and cutting mechanism of water jet cutting technology, and introduces fundamental of getting high pressure water jet and its application .
Key words: high pressure; water jet; cutting mechanism

  1. 水射流加工技術起源

 

“水滴石穿”體現了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力,然而,作為一項獨立而完整的加工技術,高壓水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的產生卻是最近三十年的事,利用高壓水為人們的生產服務始于十九世紀七十年代左右,用來開采金礦,剝落樹皮,直到二戰期間,飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現象啟發了人們思維。直到本世紀五十年代,高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯,但第一項切割技術專利卻在美國產生,即1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里,水射流(WJAWJ)切割技術和設備有了長足進步,其應用遍及工業生產和人們生活各個方面。許多大學、公司和工廠競相研究開發,新思維、新理論、新技術不斷涌現,形成了一種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設備在數十個國家幾十個行業應用,尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術上更顯優勢。已可切割500余種材料,其設備年增長率超過20%。

2.高壓水射流加工系統構成與增壓原理

高壓水射流基本原理歸之為:運用液體增壓原理,通過特定的裝置(增壓口或高壓泵),將動力源(電動機)的機械能轉換成壓力能,具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴(又一換能裝置),再將壓力能轉變成動能,從而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。

高壓水射流系統見圖1,主要由增壓系統、供水系統、增壓恒壓系統、噴嘴管路系統、數控工作臺系統、集水系統及水循環處理系統等構成。油壓系統低壓油(1030MPa)推動大活塞往復來回移動,其方向由換向閥自動控制。供水系統先對水進行凈化處理,并加入防銹添加劑等,然后由供水泵打出低壓水從單向閥進入高壓缸。增壓恒壓系統包括增壓器和蓄能器兩部分,增壓器獲得高壓原理如圖2所示,即利用大活塞與小活塞面積之差來實現,理論上:A·P=A·P, P出水=A/A·P, 增壓比即大活塞與小活塞面積之比,通常為101251,由此,增壓器輸出高壓水壓力可達100MPa~750MPa。由于水在400Mpa時其壓縮率達12%,因而活塞桿在走過其整個行程八分之一后才會有高壓水輸出。活塞到達行程終端時,換向閥自動使油路改變方向(圖中虛線箭頭所示),進而推動大活塞反向行進,此時高壓水在另端輸出。如果將此高壓水直接送到噴嘴,那么噴嘴出來的射流壓力將會是脈動的(3中虛線),而且這對管路系統產生周期性振蕩,為獲得穩定的高壓水射流,常在增壓器和噴嘴回路之間設置一蓄能(恒壓)器,消除水壓脈動,達到恒壓之目的,常能控制脈動量在5%之內(3實線)

 

  1. 切除與切斷機理

 

高速射流本身具有較高的剛性,在與靶物碰撞時,產生極高的沖擊動壓(P=ρVC)和渦流的形成,從微觀上看相對于射流平均速度存在著超高速區和低速區(有時可能為負值),因而高壓水射流表面上雖為圓柱模型,而內部實際上存在剛性高和剛性低的部分,剛性高的部分產生的沖擊動壓使傳播時間也減少,增大了沖擊強度,宏觀上看起快速楔劈作用,而低剛度部分相對于高剛度部分形成了柔性空間,起吸屑、排屑作用,這兩者的結合正好象使得其切割材料時猶如一把軸向“鋸刀”加工。

高速水射流破壞材料的過程是一個動態斷裂過程,對脆性材料(如巖石)等主要是以裂紋破壞及擴散為主;而對塑性材料符合最大的拉應力瞬時斷裂準則,即一旦材料中某點的法向拉應力達到或超過某一臨界值σy時,該點即發生斷裂。根據彈塑性力學,動態斷裂強度與靜態斷裂強度相比要高出一個數量級左右,主要是因為動態應力作用時間短,材料中裂紋來不及發展,因而這個動態斷裂不僅與應力有關,還與拉伸應力的作用時間相關。

4.高壓水射流(WJ、AWJ)切割應用范圍

高壓水射流切割是利用具有很高動能的高速射流進行的(有時又稱為高速水射流加工)與激光、離子束、電子束一樣是屬于高能束加工范疇。高壓水射流切割作為一項高新特技術在某種意義上講是切割領域的一次革命,有著十分廣闊的應用前景,隨著技術的成熟及某些局限的克服,對其它切割工藝是一種完美補充。目前其用途和優勢主要體現在難加工材料方面:如陶瓷、硬質合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、鎢鉬鈷合金、耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、復合材料(FRMFRP等)、鍛燒陶瓷、高速鋼(HRC30以下)、不銹鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼(HRC<30)、高硅鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程材料,高壓水射流除切割外,稍降低壓力或增大靶距和流量還可以用于清洗、破碎、表面毛化和強化處理。在美國,幾乎所有的汽車和飛機制造廠都有應用。目前已在以下行業獲得成功應用:汽車制造與修理、航空航天、機械加工、國防、軍工、兵器、電子電力、石油、采礦、輕工、建筑建材、核工業、化工、船舶、食品、醫療、林業、農業、市政工程等方面。

參考文獻

1.薛勝雄,美國的高壓水射流切割技術,《流體機械》 1996No.5

2.華林等,激光切割與水射流切割技術,《機械制造》 1996No.3

 


站長點評:

此文對水射流技術的論述還不是很詳細,但對初學者是有幫助的。如果有專家知道的更多,請發表評論。2001.

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