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制造業(yè)的一枝奇葩-高壓水射流加工技術(shù)
制造業(yè)的一枝奇葩——高壓水射流加工技術(shù)留意：本文已在《機械設(shè)計與制造工程》(1999，3:1～2)雜志發(fā)表，使用者請注明文章出處大連理工大學(xué) 趙偉 劉曉冰 朱派龍摘要 論述了高壓水射流加工技術(shù)的起源、切割機理，并先容了獲得高壓水射流的基本原理和應(yīng)用范圍。
關(guān)鍵詞 高壓 水射流 切割機理a exciting flower of manufacturing——high pressure water jet cutting technologyzhao wei liu xiaobing zhu pailongabstract this *** 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水射流加工技術(shù)起源 “水滴石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛伏的威力，然而，作為一項獨立而完整的加工技術(shù)，高壓水射流(wj)、磨料水射流(awj)的產(chǎn)生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于十九世紀(jì)七十年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達(dá)艙破壞這一現(xiàn)象啟發(fā)了人們思維。直到本世紀(jì)五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯(lián)，但第一項切割技術(shù)專利卻在美國產(chǎn)生，即1968年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水射流(wj、awj)切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進(jìn)步，其應(yīng)用遍及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個方面。很多大學(xué)、公司和工廠競相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，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(shè)備在數(shù)十個國家?guī)资畟�行業(yè)應(yīng)用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)上更顯上風(fēng)。已可切割500余種材料，其設(shè)備年增長率超過20％。2.高壓水射流加工系統(tǒng)構(gòu)成與增壓原理高壓水射流基本原理回之為：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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)見圖1，主要由增壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴管路系統(tǒng)、數(shù)控工作臺系統(tǒng)、集水系統(tǒng)及水循環(huán)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。油壓系統(tǒng)低壓油(10～30mpa)推動大活塞往復(fù)往返移動，其方向由換向閥自動控制。供水系統(tǒng)先對水進(jìn)行凈化處理，并加進(jìn)防銹添加劑等，然后由供水泵打出低壓水從單向閥進(jìn)進(jìn)高壓缸。增壓恒壓系統(tǒng)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(xiàn)，理論上：a大·p油=a小·p水, p出水=a大/a小·p油, 增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為10：1～25：1，由此，增壓器輸出高壓水壓力可達(dá)100mpa~750mpa。由于水在400mpa時其壓縮率達(dá)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�；钊竭_(dá)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(jìn)而推動大活塞反向行進(jìn)，此時高壓水在另端輸出。假如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(圖3中虛線)，而且這對管路系統(tǒng)產(chǎn)生周期性振蕩，為獲得穩(wěn)定的高壓水射流，常在增壓器和噴嘴回路之間設(shè)置一蓄能(恒壓)器，消除水壓脈動，達(dá)到恒壓之目的，常能控制脈動量在5％之內(nèi)(圖3實線)。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(chǎn)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均勻速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)(有時可能為負(fù)值)，因而高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內(nèi)部實際上存在剛性高和剛性低的部分，剛性高的部分產(chǎn)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(jié)合正好象使得其切割材料時如同一把軸向“鋸刀”加工。高速水射流破壞材料的過程是一個動態(tài)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(yīng)力瞬時斷裂準(zhǔn)則，即一旦材料中某點的法向拉應(yīng)力達(dá)到或超過某一臨界值σy時，該點即發(fā)生斷裂。根據(jù)彈塑性力學(xué)，動態(tài)斷裂強度與靜態(tài)斷裂強度相比要高出一個數(shù)目級左右，主要是由于動態(tài)應(yīng)力作用時間短，材料中裂紋來不及發(fā)展，因而這個動態(tài)斷裂不僅與應(yīng)力有關(guān)，還與拉伸應(yīng)力的作用時間相關(guān)。4.高壓水射流(wj、awj)切割應(yīng)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(jìn)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(shù)在某種意義上講是切割領(lǐng)域的一次革命，有著十分廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，隨著技術(shù)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。目前其用途和上風(fēng)主要體現(xiàn)在難加工材料方面：如陶瓷、硬質(zhì)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(fù)合材料（frm、frp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
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