水切割-水切割技術(shù)特點(diǎn)-高壓水切割的基本原理

水切割，又稱(chēng)水刀切割，即高壓水射流切割技術(shù)，是一種利用高壓水流切割的機(jī)器。在電腦的控制下能任意雕琢工件，而且受材料質(zhì)地影響小。因?yàn)槠涑杀镜?，易操作，良品率又高?strong>水切割正逐漸成為工業(yè)切割技術(shù)方面的主流切割方式。

高壓水射流切割的基本原理

　　高壓水射流切割的基本工作原理是以水為介質(zhì)，運(yùn)用液體增壓原理，將動(dòng)力源的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成水的壓力能，再將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，通過(guò)高壓發(fā)生設(shè)備增壓獲得巨大能量，形成高速水射流，噴射到工件表面，當(dāng)水射流沖擊被切工件時(shí)，若壓力能超過(guò)材料的破壞強(qiáng)度時(shí)，即可切斷材料，達(dá)到去除材料的加工目的。

　　高壓水射流切割時(shí)不產(chǎn)生熱量和有害物質(zhì)，材料無(wú)熱效應(yīng)(冷態(tài)切割)，切割后不需要或易于二次加工，安全、環(huán)保，成本低、速度快、效率高，可實(shí)現(xiàn)任意曲線(xiàn)的切割加工，方便靈活、用途廣泛。水切割是目前適用性Zui強(qiáng)的切割工藝方法。

水切割技術(shù)特點(diǎn)

　　水切割技術(shù)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1、是真正的冷態(tài)切割：因?yàn)椴捎盟湍チ锨懈?，加工過(guò)程中基本不產(chǎn)生熱效應(yīng)，工件無(wú)受熱變形，不會(huì)改變物理和化學(xué)性質(zhì)，受熱影響大的材料比如鈦尤其適用。

　　2、可切割范圍廣：不論是金屬還是非金屬材料幾乎都可以切割，如不銹鋼、銅、鋁、各種合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，而且不受厚度限制。

　　3、切割精度高：切割面整齊平滑，不會(huì)在切割過(guò)程中使被切割物體有任何損傷，可以完成許多切割工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)的切割作業(yè);割縫極小，可以降低材料浪費(fèi)率。

　　4、適應(yīng)性好：生產(chǎn)效率高，切割可從工件上任意點(diǎn)開(kāi)始，向任意方向進(jìn)行，結(jié)合數(shù)控技術(shù)CNC可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的批量生產(chǎn)。而且一個(gè)噴嘴可以加工不同類(lèi)型的材料和形狀，無(wú)需更換刀具，節(jié)省了時(shí)間和成本，提高了生產(chǎn)效率。

　　5、安全性和環(huán)保性高：切割過(guò)程中不產(chǎn)生有毒煙霧，而且無(wú)火花、無(wú)熱效應(yīng)、振動(dòng)小，是安全環(huán)保的切割工藝，特別適合有特殊要求的危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境。

高壓水射流切割技術(shù)的分類(lèi)

　　水射流切割按照有無(wú)磨料添加，可以分為純水射流切割和磨料水射流切割。相比較于純水射流，磨料水射流由于添加了一定硬度和數(shù)量的磨料顆粒，磨料顆粒的密度比水大2～6倍，且具有棱角，大大提高了射流的打擊效果。根據(jù)磨料供給的方式不同，磨料水射流又分為后混合磨料水射流和前混合磨料水射流，其中前混合磨料水射流技術(shù)是在后混合磨料水射流技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。

　　后混合磨料水射流是高速水與低速磨料通過(guò)虹吸作用進(jìn)行混合，從磨料噴嘴噴出。由兩者間巨大的速度差，且磨料顆粒加速的過(guò)程較短，大量的磨料顆粒不能達(dá)到射流的中心，無(wú)法使磨料顆粒達(dá)到很高的速度，一般只能達(dá)到水的速度的25%。所以要達(dá)到切割硬物的目的時(shí)，后混合磨料水射流往往需要較高的工作壓力，對(duì)系統(tǒng)的性能要求較高。

　　相比較于后混合磨料水射流，前混合磨料水射流其磨料是在射流形成之前與水在磨料罐中進(jìn)行了充分的混合，在高壓水的作用下形成了固液兩相流，能夠使磨料顆粒進(jìn)入射流的中心，使磨料顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能，從而獲得更好的切割效果。對(duì)兩種磨料混合方式水射流進(jìn)行性能對(duì)比如下表所列。

高壓水射流切割技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

　　高壓水切割設(shè)備與工藝是近年各國(guó)水射流行業(yè)的研究熱點(diǎn)，從歷次國(guó)際水射流會(huì)議來(lái)看，隨著水切割設(shè)備與工藝的商品化，水射流技術(shù)從鳳毛麟角發(fā)展為主導(dǎo)內(nèi)容，已滲透到許多工業(yè)領(lǐng)域。二十世紀(jì)八十年代中期，英國(guó)流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)(British Hydrody-namics Research Association)提出將磨料注入高壓泵和初始加速?lài)娮熘g的水流中。

　　1、航空航天領(lǐng)域，如鈦合金、碳纖維、特種夾層厚玻璃、有機(jī)玻璃、蜂窩板、陶瓷隔熱層、特種橡膠、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料、火箭固體燃料的切割、儀表盤(pán)加工等。

　　2、軍事領(lǐng)域，用于切割高強(qiáng)度鋼板、裝甲板、各種特殊裝修材料，各種戰(zhàn)車(chē)的裝甲板、履帶、炮塔、保險(xiǎn)杠、火炮、槍xie、防彈玻璃、車(chē)體、彈藥等。清理戰(zhàn)爭(zhēng)遺留的di雷和炸dan以及應(yīng)對(duì)恐怖主義、分裂勢(shì)力制造的爆炸wu處理，軍用機(jī)場(chǎng)跑道附膠層及冰層的剝離、原子核反應(yīng)堆及廢料的切割、軍港水下結(jié)構(gòu)物及沉船的切割、軍事工事及工程的破巖等。

　　3、采掘業(yè)領(lǐng)域，射流切割巖石時(shí)產(chǎn)生的粉塵和摩擦火花少，使其特別適合在密閉環(huán)境，如地下開(kāi)采巖石。粉塵的減少改善了工作環(huán)境，摩擦火花的減少使得采煤時(shí)引發(fā)瓦斯爆炸的可能性大大減小。針對(duì)不同硬度煤層和不同類(lèi)型鉆孔擴(kuò)孔的超高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備能夠增加鉆孔周?chē)后w的暴露面積，增大鉆孔的卸壓范圍和影響半徑，從而提高鉆孔的抽排效果。

　　4、汽車(chē)制造業(yè)領(lǐng)域，用于切割儀表盤(pán)、內(nèi)飾及外飾件、門(mén)板、車(chē)窗玻璃，不需要模具，可提高生產(chǎn)線(xiàn)的加工柔性。

　　5、建材工業(yè)和建筑裝潢領(lǐng)域，具有其他切割技術(shù)缺少的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可用于切割大理石、花崗巖、玻璃纖維、陶瓷、石棉等材料，也可切割復(fù)雜形狀的石材拼花，切割尺寸精確，無(wú)污染?？捎盟淞髑懈罴夹g(shù)去除工件外部的氧化鋁、鑄件上的型砂及陶瓷涂層等，也可切割常規(guī)方法難以切割的灰鑄鐵件。

　　6、電子工業(yè)領(lǐng)域，用于印制電路板的輪廓切割，集成電路芯片制造中的晶圓切割和陶瓷拼花工藝中的切割工序等。

　　7、食品工業(yè)領(lǐng)域，用于切割松脆食品、菜、肉等，可減少細(xì)胞組織的損壞，增加存放期。切割食品時(shí)，“數(shù)控水刀”用數(shù)控裝置可以控制其切割速度及路線(xiàn)，可以Zui大限度地保持被切割物的營(yíng)養(yǎng)成分，不會(huì)造成細(xì)菌傳播而且形狀規(guī)整。

　　8、造紙工業(yè)領(lǐng)域，可用于牛皮紙、波紋箱板等的分卷切條，無(wú)粉塵污染。

　　9、紡織工業(yè)領(lǐng)域，用于切割多層布料，提高切割效率，減少邊端損傷。水切割還廣泛應(yīng)用于服裝裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能夠節(jié)省多達(dá)18%的原材料。

　　10、水下切割領(lǐng)域，海底石油及固體礦藏的開(kāi)采、船舶及艦艇的維修都不可避免的需要水下切割技術(shù)。超高壓水射流切割可用于水下?tīng)I(yíng)救和水下修理、打撈作業(yè)、水下演示取樣、石油鉆井、海上平臺(tái)拆卸、碼頭建設(shè)與維護(hù)、艦船的水下作業(yè)和海洋工程等各個(gè)場(chǎng)合。隨著海洋的開(kāi)發(fā)和利用，超高壓磨料水射流水下切割技術(shù)必將得到快速發(fā)展。

　　11、有害有毒現(xiàn)場(chǎng)的在線(xiàn)切割，在地震搶險(xiǎn)和災(zāi)后重建工作中，超高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結(jié)構(gòu)等。水射流切割技術(shù)，特別適合于易燃易爆環(huán)境下切割工件。

水切割和其他切割方法的技術(shù)比較

　　同其他切割方法比較，水切割有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　1、與激光切割比較

　　激光切割是一種非常先進(jìn)的切割技術(shù)，其切割速度快、精度高，但局限性在于多用于薄鋼板、部分非金屬材料的切割，而且切割時(shí)在切縫處會(huì)引起熱效應(yīng)，對(duì)鋁、銅等有色金屬、合金切割效果不理想，對(duì)厚度較大的金屬板材，切割速度慢，甚至無(wú)法切割。水切割幾乎適用各種材料，切割厚度大，無(wú)熱效應(yīng)，基本沒(méi)有激光切割的局限。但水切割的切割速度沒(méi)有激光切割快。

　　2、與等離子切割比較

　　等離子切割是利用高溫等離子電弧進(jìn)行切割，熱效應(yīng)明顯，精度不高，切割過(guò)程產(chǎn)生大量有毒煙氣，環(huán)保性差。屬于冷態(tài)切割的水切割，不產(chǎn)生熱變形，切割精度好，安全環(huán)保。

　　3、與線(xiàn)切割比較

　　線(xiàn)切割屬電加工范疇，對(duì)金屬加工有很高的精度。缺點(diǎn)是只能切割導(dǎo)電的金屬材料，且速度慢、效率低，有時(shí)需要提前在工件上打出工藝孔，用來(lái)穿絲，切割用的電極絲易斷，而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制，切割速度快、效率高，加工尺寸可選余地大。

　　4、與其他傳統(tǒng)切割方法比較

　　火焰切割常用于金屬板材的切割，與水切割相比其熱效應(yīng)明顯、切割表面質(zhì)量和精度較差，一般需要二次加工;沖剪加工，效率高、速度快，一般適用于大批量的小件加工，缺點(diǎn)是需要特定的模具和刀具，而且很難或無(wú)法對(duì)厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形狀、厚度、硬度等的影響，通用性更好。

高壓水射流切割技術(shù)存在的問(wèn)題

　　國(guó)內(nèi)高壓水射流加工技術(shù)已經(jīng)取得了大量的研究成果，這使得國(guó)內(nèi)各種高壓水射流技術(shù)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是相比水射流技術(shù)發(fā)達(dá)的美日德等國(guó)，我國(guó)的水射流加工技術(shù)的發(fā)展還存在許多不足，主要集中在以下幾個(gè)方面。

　　1、在加工精度方面：國(guó)內(nèi)很多學(xué)者研究了不同工藝參數(shù)對(duì)高壓水射流切削加工精度的影響，認(rèn)為射流集中度、靶距、噴嘴結(jié)構(gòu)都對(duì)水射流切割的精度有較大影響，但是對(duì)于如何解決加工精度不高、切口錐度的補(bǔ)償措施等或者涉及較少，或者只是簡(jiǎn)單說(shuō)明關(guān)聯(lián)性而已，對(duì)于提高加工精度具體有效的工程解決方案尚未能解決。

　　2、加工表面質(zhì)量方面：水射流清洗時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)條件限制很多情況下可見(jiàn)性很差，所以針對(duì)于特定零件的清洗機(jī)器人及采用旋轉(zhuǎn)噴嘴等可以有效提高清理質(zhì)量，國(guó)內(nèi)這方面需要很大提高。在水射流噴丸強(qiáng)化方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，真正工業(yè)應(yīng)用的很少。

　　3、加工能力方面：利用高壓水射流進(jìn)行清洗時(shí)，考慮到水射流的剪切力對(duì)于清洗各種材質(zhì)均有著很大的作用，所以旋轉(zhuǎn)噴頭得到了完全的普及，但國(guó)內(nèi)受成本和技術(shù)水平等影響，旋轉(zhuǎn)噴頭的使用并不廣泛，進(jìn)而降低了清洗效率。

　　4、加工機(jī)理方面：對(duì)于普通的高壓水射流及磨料水射流加工機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究水平相差不大，只是國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)于磨料射流中磨料顆粒的分布情況，磨料射流的速度能量分布研究較少，對(duì)應(yīng)的能量分布模型更是很少研究。

　　5、磨料水射流加工系統(tǒng)方面：前混合磨料系統(tǒng)因?yàn)槠浼庸ぞ热菀滋岣?，加工效率、加工能力遠(yuǎn)超后混合磨料系統(tǒng)，所以在美日德等國(guó)家得到了更廣泛的應(yīng)用。但在國(guó)內(nèi)由于前混合磨料系統(tǒng)對(duì)于磨料的混合液研究不足，使得前混合磨料系統(tǒng)中磨料在混合液中分布相差較大，進(jìn)而使得磨料供給不穩(wěn)定，限制了前混合磨料系統(tǒng)在精加工中的應(yīng)用效果。

高壓水射流切割技術(shù)展望

　　高壓水射流加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面。

　　1、發(fā)展智能化控制。采用高壓水射流加工具有較高精度要求或復(fù)雜形狀的零件， 5軸以上的水射流數(shù)控加工機(jī)床的生產(chǎn)和應(yīng)用是必要的前提。這就需要通過(guò)大量的加工實(shí)驗(yàn)來(lái)確定不同情況下的工藝參數(shù)，使得工藝參數(shù)在加工過(guò)程中能夠自適應(yīng)調(diào)整，這樣才能提高機(jī)床的加工精度。對(duì)于這類(lèi)高精尖水射流加工機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)是極其必要的，直接關(guān)乎高壓水射流技術(shù)是否可以滿(mǎn)足從粗加工到精加工整個(gè)工藝流程的實(shí)用上。

　　2、提高加工效率。優(yōu)化磨料水射流加工工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高效率，減少磨料消耗和降低能耗，使得磨料水射流加工的成本更有競(jìng)爭(zhēng)力。利用磨料水射流加工各種不同材質(zhì)的難加工材料及各種復(fù)合材料的切削，目前其加工效率仍比較低，進(jìn)一步發(fā)展水射流加工技術(shù)提高這些材料的加工效率和質(zhì)量是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

　　3、開(kāi)辟新型射流的研究。不同的加工需求必然需要不同類(lèi)型的加工能力，空化射流、脈沖射流、冷劑束射流、高粘性添加劑射流、磁流變液射流 、常溫冰點(diǎn)射流等不同類(lèi)型的高壓水射流必然有著更廣泛的應(yīng)用前景。

　　4、不斷擴(kuò)大水射流加工的應(yīng)用范圍。隨著各種新材料的研究應(yīng)用，與之對(duì)應(yīng)的加工技術(shù)必然迅速發(fā)展，而水射流技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。水射流技術(shù)在精加工及超精密加工領(lǐng)域仍有著極為廣泛的應(yīng)用前景，但需要克服的問(wèn)題難度也是極大。

　　5、綜合應(yīng)用其他加工技術(shù)。將其他加工技術(shù)如激光、超聲波、電解加工等加工技術(shù)與高壓水射流技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合將顯著提高水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和加工效率。