水喷射加工技术的研究_ - 天津大学研究生e-Learning平台.DOC

水喷射加工技术的研究 胡 覃 天津大学机械工程学院机械工程专业2011级硕士研究生 摘要：水喷射加工技术是近年来兴起的一种绿色的特种加工技术，由于其具有加工清洁无污染、切口平整无毛刺等优点而被重视。本文主要论述了水喷射加工技术的基本工作原理和特点，以及使用的加工装置和影响加工质量的主要因素，阐述了水喷射加工技术国内外研究现状和发展趋势。 关键词：水喷射加工 特种加工 切割 机械 0 前言 水喷射加工(Water Jet Machining)也称作水射流加工或者水刀加工，是一种高能束加工方式，利用超高压水射流及混合于其中的磨料对加工材料进行切割、穿孔以及表面材料的去除等的加工。它可分为超高压水型和磨料型两种类型。超高压水型是利用2~3倍声速的高压水进行加工；磨料型是将高压水和磨料混合喷出，依靠磨料的磨削效果进行切削。水喷射加工技术几乎可加工所有材料，包括金属、陶瓷、塑料、合成材料、玻璃以及一些特硬材料，具有切口小、无变形、加工时不产生热变形以及加工清洁等突出优点。因此，水喷射加工技术越来越受到各国的重视，发展很快。 1 水喷射加工的产生与发展 水喷射加工时流体喷射加工中的一种，于1971年在工业上首次应用于切割木材及其制品。在接下来的近三十年中，科学家们又发展了在水喷射加工技术中加入磨料粒子形成水射流磨粒喷射加工。 美国的一家飞机制造厂采用磨料水喷射切削装置，按一定长度切割喷气发动机的铋涡轮叶片，取代了过去导致产生徽裂纹和叶片变形的冷剪切和铣削加工。 目前，水喷射加工技术可进行洗净、去毛刺．清砂、小表面抛光、穿孔、切割和研磨等多种加工。其中尤其以切割应用最为广泛。除了能切割非金属软材料外，水喷射加工还可以有效地切割混凝土、复合材料和一些难加工材料。可以说喷射加工技术的出现，使现代工业生产充满了活力。 2 加工原理和主要特点 2.1 加工原理及组成 水喷射加工技术是利用液体增压的原理，通过超高压水射流发生器，将动力源的机械能转化成压力能，此时具有巨大的压力能的水通过小孔喷嘴将压力能转化成动能，从而形成高速水射流，喷射到工件表面，以达到对材料进行切割、表面材料去除等加工的目的。其加工机理综合了超高速液流冲击产生的穿透切割作用和悬浮在液流中磨粒的游离磨削作用。 其中水喷射加工装置图下所示。 图1 水喷射加工装置示意图 1-增压器；2-水泵；3-混合过滤器；4-供水器；5-蓄能器；6-控制器；7-阀；8-蓝宝石喷嘴；9-射流；10-工件；11-排水道；12-喷口到工件表面的距离；13-液压装置 水喷射加工装置包括以下四个部分： (1) 超高压水射流发生器 主包括增压器控制器、水泵、盛液箱、液压站和使脉动的液压趋向平稳的储液罐。其中增压器是最重要的部件，要求使液体的工作压力达到400 MPa。 (2) 切割系统 喷嘴是切割系统中最主要的零件，其应该具有良好的射流特性和较长的使用寿命，其材料应具有良好的耐压性、耐磨性和耐腐蚀性。常用的喷嘴材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石和金刚石。金刚石喷嘴的寿命一般在200 h左右。 喷嘴的材料及其工作条件如表1所示： 表1 喷嘴材料及其工作条件 项目 材料及工作条件 材料种类 人造金刚石、蓝宝石、淬火钢 喷口孔径(mm) 0.075-0.4 喷口至工件距离(mm) 2.5-50 常用距离是3 喷射角度 0°-30° 切割系统中一般使用数控的三维切割机床，它具有三轴联动功能，定位精度一般小于0.2 mm，重复定位精度≤±0.05 mm。 (3) 磨料混合和液流处理系统 包括磨料仓、磨料与高压水混合器、涡旋分离式磨料过滤器和水喷射加工之后的回流液体中杂质和油脂的清滤装置。 (4) 外围设备 包括成形切割加工中的CAD/CAM系统和全封闭保护罩等。 此外，水喷射加工的一些常用的工艺参数可参见表2： 表2 水喷射加工的工艺参数 参数名称 常用值 压力(MPa) 70-400 流速(m/s) 300-900 流量(L/min) 2.5-7.5 喷射力(N) 45-135 磨料耗量(kg/min) 0.2 功率(KW) 10-40 水喷射切割过程中会产生相当大的噪声，可以采取适当加入些许添加剂以减少泡沫的形成或者采用合适的操作角度，这些均可以降低噪声。 2.2 主要特点 (1) 加工适用范围广。可用来加工各种金属和非金属材料。 (2) 加工质量高。切口平整，几乎无毛边和飞刺；切缝窄，可大大提高材料的利用率；切割面光洁平整。可用于去除螺纹、沟槽、阀体和交叉孔上的毛刺。 (3) 加工无热效应。水喷射加工时对材料无热影响，工件基本不会产生热变形，对加工一些热敏感材料显得尤为重要。切削时没有火花，加上水的冷却作用，因此工件温度比较低，不会引起工件材料的组织变化，非常适用于易燃易爆物件(木材、纸