高压水射流切割技术及应用浅析.pdf
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高压水射流切割技术及应用浅析,1.1 基本原理高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料[1 ] ，而且是冷切割工艺，因此材料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏，且免除了后序加工。高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体, 用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时，首先通过增压器将水压升到300～1 0...
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1.1 基本原理
高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料[1 ]
，而且是冷切割工艺，因此材
料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏，且免除了后序加工。高压水射流切割技术是
以水作为携带能量的载体, 用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时，首先通过增压器
将水压升到300～1 000M Pa (动能转变为压力能) ，然后使高压水通过直径为0.1～ 0.6 mm 的喷嘴, 以2～
3 倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时, 如果压力超过材料的破坏强度， 即可切
断材料。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料切割,如纸张、皮革、木材、塑料、各种纤维材料
等，进一步提高压力后可用于切割较薄的金属材料，如飞机蒙皮等。
实践中，人们发现通过在水射流中加入磨料可以大幅度提高水射流的切割能力，其原因在于磨料的密
度较大，可以使水射流动能更为集中，冲击力也就更为集中，同时磨料表面锋利的尖刃可以对切割靶物
进行微切削，含有磨料的水射流的切割情况就像砂轮一样，只不过一般砂轮的软质基体在这里被水射流
代替了。
磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使
水、磨料均匀混合，之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出， 磨料和水流具有相同的压力和速度,，但
实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后，依靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压
来吸卷和加速磨料， 因而磨料很难进入射流的核心而得到充分加速，即磨料很难达到水的速度，这导致
能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～ 150 目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等[2 ] ,
磨料的状态有干式和
湿式两种，其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵) 输送式， 大多数使用干式磨料， 供给方式采
班级： 姓名： 学号： 提交日期： 2012年3 月 30 日
用自吸式。
1.2 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(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 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[ 3] 。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[ 4- 5]。
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
高压水射流切割不仅可以切割各类金属或非金属、塑性或脆性硬材料[1 ]
，而且是冷切割工艺，因此材
料的物理、机械性能及材质的晶间组织结构不会遭到破坏，且免除了后序加工。高压水射流切割技术是
以水作为携带能量的载体, 用高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。工作时，首先通过增压器
将水压升到300～1 000M Pa (动能转变为压力能) ，然后使高压水通过直径为0.1～ 0.6 mm 的喷嘴, 以2～
3 倍声速喷出(压力能转变为动能)。当水射流冲击被切割材料时, 如果压力超过材料的破坏强度， 即可切
断材料。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料切割,如纸张、皮革、木材、塑料、各种纤维材料
等，进一步提高压力后可用于切割较薄的金属材料，如飞机蒙皮等。
实践中，人们发现通过在水射流中加入磨料可以大幅度提高水射流的切割能力，其原因在于磨料的密
度较大，可以使水射流动能更为集中，冲击力也就更为集中，同时磨料表面锋利的尖刃可以对切割靶物
进行微切削，含有磨料的水射流的切割情况就像砂轮一样，只不过一般砂轮的软质基体在这里被水射流
代替了。
磨料射流切割根据磨料加入的方法又分成前混和后混两种。前混磨料射流切割是在水射流形成前，使
水、磨料均匀混合，之后在高压下水和磨料从喷嘴中高速喷出， 磨料和水流具有相同的压力和速度,，但
实现有一定难度。后混磨料射流切割是在高压水射流形成后，依靠高压水流经过水喷嘴时所产生的负压
来吸卷和加速磨料， 因而磨料很难进入射流的核心而得到充分加速，即磨料很难达到水的速度，这导致
能量的浪费。磨料通常采用粒度为80～ 150 目的二氧化硅、氧化铝、柘榴石等[2 ] ,
磨料的状态有干式和
湿式两种，其供给方式分自吸式和动力机械(压缩空气和泵) 输送式， 大多数使用干式磨料， 供给方式采
班级： 姓名： 学号： 提交日期： 2012年3 月 30 日
用自吸式。
1.2 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(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 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[ 3] 。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[ 4- 5]。
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
