水射流加工

高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰撞时，产生极高的冲击动压(P=ρVC)和涡流的形成，从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值)，因而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分，刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向"锯刀"加工。

高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程，对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩散为主;而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则，即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值σy时，该点即发生断裂。根据弹塑性力学，动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因而这个动态断裂不仅与应力有关，还与拉伸应力的作用时间相关。

高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克服，对其它切割工艺是一种完美补充。目前其用途和优势主要体现在难加工材料方面:如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、耐热合金、钛合金、耐蚀合金、复合材料(FRM、FRP等)、锻烧陶瓷、高速钢(HRC30以下)、不锈钢、高锰钢、模具钢和马氏体钢(HRC<30)、高硅铸铁、可锻铸铁等一般工程材料，高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于清洗、破碎、表面毛化和强化处理。在美国，几乎所有的汽车和飞机制造厂都有应用。已在以下行业获得成功应用:汽车制造与修理、航空航天、机械加工、国防、军工、兵器、电子电力、石油、采矿、轻工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、医疗、林业、农业、市政工程等方面。

高压水射流基本原理归之为:运用液体增压原理，通过特定的装置(增压口或高压泵),将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。

高压水射流系统见图1，主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。油压系统低压油(10~30MPa)推动大活塞往复来回移动，其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理，并加入防锈添加剂等，然后由供水泵打出低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分，增压器获得高压原理如图2所示，即利用大活塞与小活塞面积之差来实现，理论上:A大·P油=A小·P水, P出水=A大/A小·P油, 增压比即大活塞与小活塞面积之比，通常为10:1~25:1，由此，增压器输出高压水压力可达100MPa~750MPa。由于水在400Mpa时其压缩率达12%，因而活塞杆在走过其整个行程八分之一后才会有高压水输出。活塞到达行程终端时，换向阀自动使油路改变方向(图中虚线箭头所示)，进而推动大活塞反向行进，此时高压水在另端输出。如果将此高压水直接送到喷嘴，那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的(图3中虚线)，而且这对管路系统产生周期性振荡，为获得稳定的高压水射流，常在增压器和喷嘴回路之间设置一蓄能(恒压)器，消除水压脉动，达到恒压之目的，常能控制脉动量在5%之内(图3实线)。

水射流的压力和流量覆盖范围很广，形式也多种多样，困此它的应用也就非常广泛，甚至渗透到风马牛不相及的各个领域。我们就以压力这条主线来简要地谈一下水射流的应用。

低压水射流所用的主机大都是离心泵，它的流量相对很大，除了常见的消防、喷泉、喷灌等用途外，这里着重介绍一下新的用途。

喷泉看似很传统，但它的推陈出新形成了对低压水射流难以解开的谜。瑞士日内瓦湖的喷泉以其喷射高度达160多米成为世界最高喷泉。它的水上水柱质量达7t，射流质点自喷出至最高点再落下一个行程 需16s。其主机由两台1320kW的大型离心泵并联组成，流量达500L/S。该喷泉的壮丽景观已经成为同内瓦市的象征，难怪美国欲与瑞士合作将其移植。日内瓦人幽默地回答:如果世界各地都有这样的喷泉，那么日内瓦就不叫日内瓦了。尽管如此，沙特阿拉伯的吉达市海滨、澳大利亚堪培拉的格里莽湖、美国圣路易斯市都出现了类似的高射程喷泉，我国已有了这类奇观。如何增加喷射高度已成为喷泉的技术奥秘了。水幕电影是喷泉的一种新形式，即通过特殊的喷头形成高达50m左右的均匀薄平的巨型水幕，在该水幕上放映激光电影，达到白天无影无踪，夜间神奇入画的效果。这是加拿大首先开发应用的新技术，用作广告媒体和旅游景观也是别出心裁的。水射流用于消防也很传统，水雾灭火则是一种新的方法。它以水雾取代大流量水柱，即采用lOMPa高压泵通过喷射系统产生小于0.Imm直径的水雾水柱，细小水珠蒸发起到迅速制冷作用，在蒸发过程中水珠体积扩大600倍，以隔绝燃烧物体处的氧气，达到灭火目的。水雾灭火特别适用于带电区域的火灾，而这类火灾则很难使用连续水射流。同时，高压小流量的水雾灭火较常用的水龙头灭火节水近90%。

大流量水射流冲击泥土作用有这样一个实例:在1973年埃以战争期间，以方为保证24h内横穿运河修建数座桥梁，在巴列夫防线的部分区域堆起巨沙屏障，试图阻滞埃及坦克部队48h。要捣毁这座沙墙，使坦克能穿行过去，按正面豁口宽6.8m计算，要求排除约55立方的黄沙。在东堤通过坦克部队需打出约60处这样的豁口，若使用推土机则需要10~12h，然而埃方采用了高压水射流仅用不到5h就打开了豁口，破坏了巴列夫防线，为其军队赢得成功。

高压水射流应用于船舶除锈和工业清洗已很普遍。在水射流中，适用范围最广的就是高压水射流，其压力范围在10~lOOMPa，压力上限现已扩展到250MPa。这个压力区间的特点是随着机组功率的增加，由单机转变为成套装备，由简单作业(如清洗)转变为复杂作业(如开采煤矿等)。

高压水射流的另一应用就是破碎，可用其在材料上开槽，近十年发展到机械辅助剥除大量材料。目前，几乎在所有情况下，设备的研究已经集中在设计好的喷嘴，以及可靠的旋转喷头和旋转接头(它们可大大提高水射流束在物件表面上的移动速度)。破碎功能应用于机场跑道除胶、桥梁维修、煤层开采、辅助掘进、公路破坏，大坝浇注冲毛等等。

超高压水射流有2种主要形式:即压力范同在200~400MPa，借助连续介质流的形式，此间流量多在2~6 L/min;而当压力达700MPa甚至更高时，其装置则为单击水炮形式。超高隘水炮装置由聚集的大量高压压缩气体(氨气或空气)提供驱动压力，在水炮击发前，或借助点火引爆，或借助推进物冲击炮筒，使其能量突然爆发。由于射流炮筒 超高压水切割设备与工艺是近10年来各国水射流行业的发展热点，从历次国际水射流会议论文来看，水切割技术内风毛麟角发展为主导内容，随着水切割设备与工艺的商品化，水切割应用已渗透到许多工

业领域。200~300MPa的连续运行射流切割系统，比其他许多切割工具更加令人满意。其特点是对材料无选择性、切缝窄(0.3mm)、质量好、不破坏材料内部组织、能进行二维与三维异形切割。

水射流在70MPa压力下的流速约为300m/s，当压力达到超高压时，流速可望达到1000m/s，这样就可实现很高的切割速度。水切割一旦实现很高的压力、很小的流量作业就意味着工作台位上的作用力很小，这就使得切割喷嘴很容易安装在机器人手臂上，实现计算机控制下三维复杂形状的高精度切割。

水切割对材料的无选择性极为重要，也就是说它既能切割刚性的金属板材，又能切割柔性的布匝纸张。人们还曾用作工具切割软糖。然而，纯水射流的切割应用受到了压力的局限，一味地升高压力又意味着设备可靠性难以保证，且不容易实现，从而也就有了磨料水射流的20年发展史。用200MPa以上的射流压力引射磨料，在短靶距时可很好地用于切割，这就为明显降低射流压力，使其技术可靠地进入商品化创造了条件。