1、磨料水射流加工技術(shù),目錄,1. 簡 介,3. 磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,4.磨料水射流加工技術(shù)的特點、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展,2.磨料水射流的切割機理及切割規(guī)律,1.簡介,水射流技術(shù)是近20多年發(fā)展起來的新技術(shù)，其應(yīng)用日益廣泛。目前已在煤炭、機械、石油、冶金、航空、建筑、水利及輕工業(yè)等部門應(yīng)用，主要用來對物料進行切割、破碎和清洗。尤其近年來隨著高科技的迅速發(fā)展，激光束、電子束、等離子體和水射流，業(yè)已成為新型的切割工具。其中激光束、電子束和等離子體屬于熱切割加工，而水射流是唯一一種冷加工手段。在對許多材料的切割、破碎及表面預加工中，水射流有其獨特的優(yōu)越性。,1.簡介,水射流的發(fā)展概況大體分四個階段:

2、第一階段（探索實驗階段）：上世紀60年代初，主要研究低壓水射流采礦。 第二階段（設(shè)備研制階段）：60年代初至70年代初，主要研制高壓泵、增壓器和高壓管件，同時推廣水射流技術(shù)。 第三階段（工業(yè)應(yīng)用階段）：70年代初至80年代初，主要特點是大量的水射流采礦機、切割機和清洗機相繼問世。 第四階段（迅速發(fā)展階段）：80年代初至今，水射流技術(shù)研究進一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動射流等新型射流發(fā)展很快，許多產(chǎn)品已達到商品化。,1.簡介,水射流發(fā)展的四個階段,1.簡介,磨料水射流的概念： 磨料水射流是以水為介質(zhì)，通過高壓發(fā)生裝置獲得巨大能量，然后通過供料和混合裝置把磨料加入到高壓水束中，形成液固兩相

3、混合射流，依靠磨料和高壓水束的高速沖擊和沖刷，實現(xiàn)材料去除的一種特種加工方法。,1.簡介,磨料水射流的加工原理： 磨料水射流加工是運用液壓增壓原理，通過增壓器或高壓泵將水增壓至超高壓，將電動機的機械性能轉(zhuǎn)換成壓力能，具有巨大壓力能的水再通過小孔噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變成動能，從而形成高速水射流并在混合室內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，磨料在自重和壓力差的作用下被吸入混合室，與水射流產(chǎn)生劇烈紊動擴散和混合，形成了高速磨料水射流，并以極高的速度經(jīng)磨料噴嘴沖擊工件。磨料水射流沖擊工件后，材料上局部應(yīng)力場高速集中，并快速變化，因而產(chǎn)生沖蝕、剪切，直至材料失效而被切除。 在磨料水射流加工過程中，起加工作用的主要是磨料粒子，

4、水射流作為載體使磨料粒子加速，由于磨料質(zhì)量大，硬度高，所以磨料水射流與純水射流比較，其射流動能更大，加工效果更強。,磨料水射流裝置包括:供水系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)，高壓水路系統(tǒng)，磨料供給系統(tǒng)，切割頭裝置，接收裝置，執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)，如下圖所示。供水系統(tǒng)的作用是使水質(zhì)軟化，降低水質(zhì)對高壓水路的腐蝕，提高高壓系統(tǒng)往復密封的工作壽命。增壓系統(tǒng)的核心部件是增壓器，一般采用液壓作用往復式，增壓器通常選用10:1，20:1，增壓器的輸出水壓可由改變輸入端液壓系統(tǒng)的油壓來調(diào)節(jié);可使水的壓力增至100-400MPa，甚至高達690MPa和700MPa。高壓水路系統(tǒng)連接增壓系統(tǒng)和切割頭裝置，為了輸送高壓水和適應(yīng)切割頭

5、快速靈活運動的要求，高壓水管道通常采用具有撓性的耐超高壓不銹鋼管，并由若干個旋轉(zhuǎn)管接頭組成。磨料供給系統(tǒng)包括料倉、磨料流量閥和輸送管。純水射流切割頭包括高壓水開關(guān)閥和寶石噴嘴;磨料水射流切割頭則還包括使水射流與磨料混合的混合室和混合噴嘴;混合噴嘴要求耐磨性高，一般采用硬質(zhì)合金制成。接收裝置置于工件下方，用來收集剩余磨料射流，具有消能、降噪、防濺和安全等功能。執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)控制切割頭運動軌跡的控制裝置，控制方式有手動、機動、NC和CNC等方式。,1.簡介,磨料水射流裝置,1.簡介,1.簡介,磨料： 一般分為礦物系、金屬系和人造系三類。 選用原則： （1）切割效果好； （2）價格低廉，貨源充足

6、。,1.簡介,常見磨料：,1.簡介,噴頭: 由水射流噴嘴、混合室和磨料射流噴嘴組成。 分類： （1）按水射流的股數(shù)：單股射流噴頭、多股射流 噴頭 （2）按磨料輸入方式：磨料側(cè)進式射流噴頭、磨料中進式射流噴頭、磨料切向進給式射流噴頭,1.簡介,1.單射流磨料側(cè)進式噴頭 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，射流的密集性和穩(wěn)定性都較好。 缺點：磨料與水混合的效果較差。,1.簡介,2.單射流磨料切向進給式噴頭 磨料與水射流充分混合，同時 減少磨料間的相互碰撞，提高磨料射 流的切割能力。,1.簡介,3.多射流磨料中進式噴頭 多用于磨料射流清洗或除銹,1.簡介,4.帶準直管的磨料射流噴頭 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，被廣泛用于磨料射

7、流切割工業(yè),磨料水射流加工技術(shù)的分類,根據(jù)磨料與水的混合方式,前混合式磨料水射流,后混合式磨料水射流,1.簡介,前混合式磨料水射流 ：磨料先和水在高壓管路中均勻混合成磨料漿水，然后經(jīng)磨料噴嘴噴射形成的射流稱為前混合磨料射流，這種混合效果好，所需的壓力低，但裝置復雜，且噴嘴磨損嚴重。 后混合式磨料水射流 ：在水射流形成后加入磨料的稱為后混合磨料水射流，混合效果稍差，所需的壓力高，但噴嘴磨損小一些。后混合磨料水射流的理論研究和應(yīng)用技術(shù)都比較成熟，目前在工業(yè)許多部門得到了廣泛的應(yīng)用。,1.簡介,根據(jù)射流加工時的環(huán)境條件,淹沒式磨料水射流,非淹沒式磨料水射流,磨料水射流加工技術(shù)的分類,1.簡介,淹沒式

8、水射流 是指射流從出口到工件是在水中，具有射流擴散快、速度和動壓分布均勻等特點。 非淹沒式水射流 指射流從出口到工件是在空氣自然狀態(tài)下，與淹沒式相比，其射程大，核心段長度長，但是速度分布不均勻。,1.簡介,磨料水射流的切割機理 磨料水射流切割靶件時，在一定的射流橫移速度下，水射流的一部分以恒定的速度射向靶件，另一部分則隨著射入深度地增加切割效力減弱，于是切割面沿射流橫移相反方向出現(xiàn)彎曲，如下圖a所示;彎曲切割面軸線與原射流軸線之間的角度，從射流進入靶件處開始逐漸增大，射流隨之沿橫移相反方向偏轉(zhuǎn)越來越大。但由于磨粒自身慣性較大，并不隨水射流載體偏轉(zhuǎn)，因而導致磨粒與水射流分離和磨粒的局部過分集中沖

9、蝕。磨粒加速度越大，分離折射角越大，集中沖蝕也越劇烈。磨料局部集中沖蝕使得沿切割面的磨削量明顯增加，從而在切割面上形成階梯，因此，在形成階梯的沖蝕中，階梯以上水流偏轉(zhuǎn)角不斷增大，水射流偏轉(zhuǎn)切割面越遠，階梯以下的磨削量越小，直至上階梯與原射流方向垂直，如下圖b所示;隨著射流橫移送進，切割面重新變?yōu)槠交懈钅ハ?，如下圖c所示。以后由平滑切割磨削過程到變形沖蝕磨削過程重新開始，即進入切割循環(huán)過程。在此過程中，整個切割面繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾谐涕g隔，由于磨料水射流偏轉(zhuǎn)近似弧線，所以沿射流橫移方向形成波紋間隔的切割斷面。,2.磨料水射流的切割機理及切割規(guī)律,2.磨料水射流的切割機理及切割規(guī)律,磨料水射流加工數(shù)學模

10、型 M. Hashish根據(jù)Finnie和Bitter的固體粒子沖蝕理論，在一系列可視化實驗的基礎(chǔ)上，認為磨料水射流去除材料的過程由切割磨損和變形磨損兩個區(qū)域組成，如下圖所示。在切割磨損區(qū)域，即在切割深度達到hC以前，磨料粒子以小角度沖擊材料，材料是以微切割模式去除的。當切割深度達到hC以后，磨料粒子沖擊材料的速度降低，材料的去除模式發(fā)生了改變，磨料粒子以大角度沖擊材料，材料是以變形磨損模式去除的。 在這個前提下，M. Hashish得出了切割磨損區(qū)切 深和變形磨損區(qū)切割深度的數(shù)學模型:,式中,hC一切割磨損模式的切割深度(mm) ; hd一變形磨損模式的切割深度(mm);Ck一特征速度(m/

11、s) ; dj一射流直徑(mm);m一磨料質(zhì)量流量(g/s) ; Ve一磨料粒子的臨界速度(m/s) ; Vo一磨料粒子的初始速度(m/s) ; 一磨料粒子的密度(g/cm3) ; u一噴嘴的橫移速度(mm/s) ;Cf摩擦系數(shù); 一流動應(yīng)力(MPa)。 該模型幾乎包含了磨料水射流加工所涉及的所有參數(shù)，然而，其中一些參數(shù)如Vo, Ve等須由實驗測定，因此當由不同的操作人員操作時，所取的結(jié)果是不同的。,磨料水射流切割性能的影響因素 由于磨料水射流切割是一個非常復雜的過程，因此影響磨料水射流切割性能的參數(shù)很多，包括動力學參數(shù)(水噴嘴直徑、水壓力)、磨料參數(shù)(磨料材料、尺寸大小、流量)、磨料噴嘴參數(shù)

12、(磨料噴嘴直徑、長度、材料)、切割參數(shù)(切割速度、靶距、沖擊角度、切割次數(shù))、工件參數(shù)(硬度)等。但易于控制的工藝參數(shù)主要有水壓力、磨料參數(shù)、切割速度和靶距等。 評價切割性能的指標主要包括切穿深度、切口形狀(切口上、下部的寬度和切口錐角)、加工表面質(zhì)量(粗糙度和波紋度)等。,2.磨料水射流的切割機理及切割規(guī)律,磨料水射流的切割規(guī)律 （1）切割深度隨水壓、磨料硬度和切割次數(shù)的提高而增加，隨切割速度的提高而減小，與靶距、磨料供給量和磨料粒度存在最佳值關(guān)系。隨著切割深度的增大，切割斷面條紋的凸起峰值及偏斜角度逐漸增大，而條紋的出現(xiàn)頻率減小。 （2）切口寬度與切割速度存在最佳值關(guān)系，最佳切速約為最高切

13、速的1 /5。一次切斷，切割速度由材料性能、厚度和斷面質(zhì)量要求而定。當橫移速度一定時，壓力越大切割表面越光滑;當切割表面粗糙度相同時，壓力越大橫移速度越大。 （3）隨著射流壓力的增大或切割速度的減小，切割斷面質(zhì)量明顯提高。與脆性材料相比，塑性材料的切割斷面較光滑，其斷面形貌受射流壓力和切割速度的影響較明顯。 （4）磨料水射流對材料的切斷面積速度，隨材料破壞能量值的增大而減小，隨壓力的增加而增加，隨靶距的增大而減小，與磨料的供給量存在最佳值關(guān)系。在橫移速度、材料厚度一定時，存在最佳靶距值，使切割深度最深;隨著靶距的增大，切槽寬度逐漸增大。在噴嘴橫移速度一定時，隨著壓力增加，切割深度逐漸增大。在壓

14、力一定時，橫移速度越小切割深度越深。,2.磨料水射流的切割機理及切割規(guī)律,磨料水射流切割 磨料水射流銑削 磨料水射流鉆削 磨料水射流車削 磨料水射流其他加工方式,3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流切割,M.Hashish是最早研究磨料水射流加工的研究者之一，他通過磨料水射流切割實驗研究指出，磨料水射流可用于切割欽、陶瓷、金屬、玻璃、石墨燒結(jié)復合材料而不產(chǎn)生分層，在切割區(qū)不會產(chǎn)生熱應(yīng)力與變形應(yīng)力，并討論了不同切割參數(shù)對材料加工性能和材料去除率的影響，指出優(yōu)化切割參數(shù)將大幅提高切削性能。此后，國內(nèi) 外磨料水射流加工的大量研究和應(yīng)用主要集中在切割加工 方面，磨料水射流切割示意圖與試樣切割斷面

15、如圖3所示。 從微觀角度上講，磨料水射流切割的實質(zhì)為大量磨料粒子對工件材料微磨削的累積作用，需解決的關(guān)鍵問題是切口形貌和切割深度的控制。磨料水射流關(guān)鍵裝備及精確切割機理數(shù)學模型的發(fā)展與完善，使目前該技術(shù)能夠切割100一200 mm厚的金屬材料和約50 mm厚的硬脆材料結(jié)構(gòu)件。然而，在大厚度結(jié)構(gòu)件的磨料水射流切割過程中，射流束會因能量衰減而產(chǎn)生“甩尾”現(xiàn)象，如圖4所示。切割平滑區(qū)位于切口的上邊緣， 而越靠近工件底部，則“甩尾”現(xiàn)象越明顯，這極大地影響 切割工件的表面粗糙度、形狀與位置精度。通過優(yōu)化切割工 藝及利用帶有公差控制器的擺動切割頭技術(shù)可以對切口加工 精度進行智能補償，從而提高加工質(zhì)量。,

16、3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流銑削,通過控制磨料水射流加工參數(shù)，使射流束不穿透工件而只去除工件表層材料的加工方法被稱為磨料水射流銑削，其加工示意圖及產(chǎn)品如圖5所示。雖然該技術(shù)尚處于實驗研究階段，但是許多研究者對這一新的磨料水射流加工技術(shù)的機理、工藝進行了研究。在塑性材料的磨料水射流銑削方面，M.Hashish等提出了磨料水射流銑削加工的可行性，并研究發(fā)現(xiàn)噴嘴橫移速度是影響銑削均勻性的重要參數(shù)。Hocheng H等研究了磨料水射流銑削纖維增強塑料的可行性，通過研究單次銑削、兩次銑削和多次銑削的碎屑形成機理，預測出變形磨損為銑削纖維增強塑料的主要切割機理，并分析了射流壓力、靶距、噴嘴橫

17、移速度和磨料流量對材料去除率、銑削深度、銑削寬度的影響。Fowler和Shipway等研究了磨料水射流銑削的材料表面特征，指出高的噴嘴移動速度、細顆粒磨料、低的射流壓力和小沖蝕角度可以得到波紋度較小的銑削表面。Paul等研究 了不同銑削參數(shù)對磨料水射流銑削槽深和材料去除率的影響， 并利用回歸分析建立了經(jīng)驗模型。磨料水射流銑削硬脆材料的 研究較少，Zeng J Y等研究了射流沖擊角度對磨料水射流銑削 多晶陶瓷的影響，指出了當射流角度為900時可獲得銑削沖擊時 最優(yōu)的材料去除率，并建立、驗證了沖蝕速率的數(shù)學模型。,3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流鉆削可以分為套孔和鉆孔兩種加工方法。套孔是

18、將材料沿圓周曲線切割，形成直徑較大的孔，該工藝是由磨料水射流輪廓切割演變而來的，如右圖所示(第9#孔)。鉆孔加工是在無孔的條件下加工出直徑較小的孔，如右圖所示(第3#一8#孔)。 Guo Z等研究了A12 O3,Si3 N4和SiC等陶瓷材料的磨料水射流鉆孔加工機理及加工工藝，認為在磨料水射流鉆孔加工中材料的去除主要是微斷裂、微切削和沖蝕作用。Yong Z等建立了基于沖蝕過程混沌現(xiàn)象的磨料水射流鉆孔深度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。邢西哲等介紹了磨料水射流不同的孔加工方式，并指出了磨料水射流鉆孔加工的儲多優(yōu)點，如可用于硬脆材料及層狀復合材料的鉆孔，可以鉆深孔、微小孔及異型孔，無熱影響區(qū)，能得到較高的尺

19、寸精度和較低的表面粗糙度，可以方便地實現(xiàn)對傾斜工件表面的孔加工等。,磨料水射流鉆削,3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流車削,磨料水射流車削加工與普通車床上單刃刀具車削相似，是利用工件的旋轉(zhuǎn)運動和切割頭的直線或曲線運動來完成工件材料的去除，其加工示意圖及產(chǎn)品如圖7所示。磨料水射流車削加工的優(yōu)點是作用力小、工件無熱損傷、切屑為細小碎塊而不存在斷屑問題。 M.Hashish等于1987年首次提出了磨料水射流 車削的概念，并指出磨料水射流可用于車削碳/金 屬復合材料、玻璃和陶瓷等特種難加工材料，可以 得到復雜形狀產(chǎn)品。Ansari等研究表明，難加工材 料的磨料水射流車削優(yōu)于普通車床車削，如加工

20、SiC 陶瓷比普通車床速度快5一10倍。Zhang Z W等研究了 磨料水射流車削玻璃時工藝參數(shù)對材料表面質(zhì)量的 影響，并指出在低的噴嘴橫移速度下可以獲得較優(yōu) 的表面質(zhì)量。Manu等研究了磨料水射流車削過程 中噴嘴的加工傾角對產(chǎn)品外形的影響。,3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流其他加工方式,除上述介紹的磨料水射流加工技術(shù)外，國內(nèi)外的研究者在磨料水射流復合加工技術(shù)方面也有部分研究與報道。例如，微磨料水導激光微細加工是水射流與激光的復合加工技術(shù)，該技術(shù)充分利用水射流技術(shù)的特點，有效解決了傳統(tǒng)激光加工有效加工范圍較小、熱熔渣、熱影響區(qū)等問題，使其在微細加工領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景；超聲輔助磨料水

21、射流加工是水射流與超聲波的復合加工技術(shù)，是一種可行的脆性材料高效加工方法；水射流噴丸強化技術(shù)是針對提高金屬零部件疲勞壽命的冷加工工藝，屬于新型材料表面處理方法，其具有噴丸強度高、噴丸壓力低和強化效果好等優(yōu)點。,3.磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀,磨料水射流加工的優(yōu)點 由于相對純水射流來說，磨料射流大大降低了同等切割目的下所需的壓力而突出的表現(xiàn)了安全可靠的優(yōu)勢； 使用磨料水射流切割金屬時，一般不會產(chǎn)生火花，避免了著火或切割區(qū)附近有害氣體的爆炸事故； 切割時不發(fā)熱或產(chǎn)生的少量熱量能很快地被水射流所帶走，在切割面上幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)； 切割面上受力小，即使切割薄板成型材，切口也不會被破壞； 切縫窄，被切

22、割材料損耗小，切面光滑，無毛邊（切割速度太快會產(chǎn)生少量毛刺）； 切割時幾乎無粉塵，也不產(chǎn)生有毒氣體，工作條件相對來說較清潔； 切割反作用力小，所以機械手容易移動噴嘴； 可以全方位進行切割，三維曲面的切割也很容易，能切割各種形狀的工件； 切割條件容易控制，便于使用計算機實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和控制。,4.磨料水射流加工技術(shù)的特點、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展,磨料水射流加工的缺點 設(shè)備功率大 噴嘴磨損快 不適合于大型零件及去除超大的毛刺加工 缺乏適用于水射流加工的軟件,4.磨料水射流加工技術(shù)的特點、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展,磨料水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 (1)航空航天工業(yè):切割特種材料，如鋁合金、蜂窩狀結(jié)構(gòu)、碳纖維復合材料及層疊金屬或增強塑料玻璃等，用水射流切割飛機葉片，切割邊緣無熱影響區(qū)和加工硬化現(xiàn)象，省去了后續(xù)加工。 (2)汽車制造與修理業(yè):切割各種非金屬材料及復合材料構(gòu)件，如儀表板、地毯、石棉剎車襯墊、門框、車頂玻璃、汽車內(nèi)裝飾板、橡膠、塑料燃