1、 先進制造技術課程論文論文題目：水射流切割的技術原理、設備、技術特點及實際應用分析系 部： 專 業： 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： xxx年 月 日緒 論高壓下,由噴嘴發出的高速水射流,具有很大的能量,足以切割堅硬的材料(包括金屬和非金屬);如果向水射流中加入某種固體硬顆粒,則稱為磨料水射流,它具有更大的能量,可以切割更硬更厚的材料,這就是水射流切割技術的簡單描述。盡管早在古代,人們就已懂得“滴水穿石”的道理,然而直本世紀60年代,才真正把這個簡單原理變成水射流切割工業技術;而磨料水射流技術的應用,還不到10年時間,所以這是一項新興技術。然而,近年來發展很快,迄今全世界已有幾十個

2、國家,共擁有大約2000個水射流切割系統。盡管如此,當前這項技術仍處于初級發展階段,技術尚不成熟,在理論與實踐方面,都有許多空白,有待填補。這項技術起步較晚的原因在于,它涉及到超高壓技術,因而對材料、制造工藝、設計方法、理論分析、控制手段、經濟承受力等提出了嚴格要求。開發和應用這項技術,與一個國家的綜合發展水平和國力強弱有密切關系。我國已在近年里,逐漸開展研究和應用,尤其在理論研究方面,已取得許多成果,但在制造技術方面,卻有較大差距,有待解決。多年的實踐證明,水射流切割技術,獨具特點,是現代機械加工及技術發展中不可缺少的組成部分,具有很強的生命力,必須充分予以重視,有計劃地研究、開發和應用。

3、現代的高壓水射流切割作為一門高新特技術涉及的學科領域較多，如超高壓理論、流體動力學、特種材料、材料力學、彈性力學、制造工藝學、高壓密封技術、自動控制理論等現代科技內容，其自身是一種標準的機電液一體化產品，其卓越的應用效果更集中體現在高科技產品制造上。某種意義上講，水射流技術的研究與應用也成為了一個國家綜合科技水平和經濟實力的標志。第一章 水射流切割技術原理水射流切割技術的基本原理是將少量的水加壓到極高的壓力(高于380MP)迫使高壓水通過一個小孔(直徑0.10.5smm),以高速沖擊工件,速度可達約915m/S(視壓力而定)。高壓水柱使工件迅速被沖蝕。如果水柱與工件有相對移動時,就可對工件進行

4、切割加工,切縫很小,僅稍大于小孔直徑。在高壓水中加人顆粒磨料,能大大增強對材料的磨蝕能力,可以切割堅硬和細密的材料,這種切割方式稱為水磨料切割(AwJC)。添加磨料的水射流切割又分為夾帶式和直接式兩種方式,夾帶式一般是在高壓條件下工作約200300MPa,常用磨料是金鋼砂。將磨料定量地注人到噴水孔下一個混合室內,高壓水流與磨料混合后進入切割噴嘴,對準工件噴射切割,割縫一般在0.763mm左右。原理框圖見圖1-1。直接注人式的水壓力較低,約1490MPa,常用磨料采用銅渣,它與夾帶式的區別主要在于磨料是在一個中間容器內與水混合,經混合的料懸浮液和水通過一根軟管直接送到切割噴嘴進行切割,原理框圖見

5、圖1-2。它可在離電源500m遠的地方或水下進行切割,并且可降低能耗,節省磨料。 圖1-1 夾帶式水墨料切割原理圖 圖1-2直接注入式水墨切割原理圖第二章 高壓水射流切割技術的設備2.1 水射流切割的設備組成 高壓水射流切割設備的基本構成如下2-1圖，通常是由以下幾部分組成：2-1高壓水射流切割設組成（1）高壓水發生裝置（包括給水裝置、增壓器$高壓泵和蓄壓等）（2）割槍組合件（包括噴嘴等）（3）割槍驅動裝置（包括數控裝置$機器人等）（4）其他裝置（如集水器或集水槽、磨料儲罐及供給裝置、水過濾裝置等）高壓水射流切割的類型不同，其設備的實際構成不完全相同。比如：純水型高壓水射流切割設備的構成，如圖

6、2-2。圖2-2純水型高壓水射流切割設備構成2.2系統組成高壓水射流切割系統如圖2-3所示,主要包括增壓系統、磨料供應系統控制系統及輔助系統等,通常還要配置一鋼筋混凝土工作臺。圖2-3 高壓水射流切割系統原理圖圖2-4 磨料射流切割頭增壓系統的關鍵部分是高壓泵或增壓器。往復壓縮式增壓器在液壓系統提供的高壓油作用下往復運動,把水壓增大到3001000MPa。在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器。磨料供應系統(圖略)主要由磨料流量調節系統和磨料切割頭構成,其中磨料切割頭(圖2-4)是超高壓射流切割的核心,其工作原理是:高壓水經過高壓管和水噴嘴至混合腔,與此同時,磨料在高速射流形成的真空作用下吸入混合腔

7、與水混合,再經磨料噴嘴噴射形成兩相磨料射流即把超高壓水變成高壓的切流。在人工或計算機控制下,控制系統移動工件或切割頭,完成所要求的切割過程。簡單的手動控制裝置是一個安裝在手動機構上的固定切割頭現已采用5軸或6軸等復雜的多軸數控系統,使用一個以上切割頭同時切割復雜的外形。大多數高壓水射流切割系統都裝有接收器,既可消除高速射流穿透材料后的射流能量,同時可降低噪聲。另外還附有一些安全裝置,以防高壓水管與各種接頭的破裂等。第三章. 技術特點水射流切割之所以具有強大生命力,是由于它與傳統切割工藝相比,獨具許多優點：a)因為是冷切割,對材料無熱損傷,也無熱變形。這對許多高性能或熱敏感材料尤為可貴。這是其它

8、加工方法，如火焰、激光、等離子、鋸切等所無可比擬的?？梢哉f,它對被切材料無選擇性,因而可以做到一機多用。b)具有很強的切割力,可切斷180mm厚的鋼板、250mm厚的鈦板、470層每層厚達65mm的石墨環氧樹脂合成板、5mm厚的石材或混凝土等。c）因為是點能源切割,切割反力很小,只有十幾公斤,因而便全方位自由切割形狀復雜的工件,便于 自動控制,實現柔性加工。d)切口質量好且窄,最小切口寬只有0.07mm,公差可達,光潔度可達表面平整光滑,不必二次修整,可節省材料和工時。e)因為是濕法切割,無粉塵、煙霧、火花、氣味等,屬于清潔安全切割,勞動條件好,噪音不超過9dB。f）生產效率高,一套系統可配置

9、多噴嘴同時作業,工件可一次達到尺寸要求。g)可在水中或幾百米深的水下切割。目前，這種技術問題就是投資太大。而且噴嘴磨損也仍待解決,如純水切割用的人造寶石噴嘴每個40元,可用100左右；但磨料切用的碳化鎢噴嘴,每個60元,可用；耐磨陶瓷噴嘴,每個100元以上,可用20100h。切割很薄的延展性材料,易彎曲或出現飛邊,宜疊層切割第四章. 應用實例分析及說明4.1 在航天上的應用分析現在有幾十個國家的數百家工廠應用水射流和磨料水射流加工。使用這種技術的工業部門有汽車、宇航/防御等。航空航天應用包括：切割先進復合材料結構,蜂窩夾層結構,欽、鎳、鉆、耐熱合金和機翼零件。由于不存在層裂和熱損壞,同時也由于

10、加工費用減少,磨料水射流切割可與其它常規切割工藝媲美。經水射流切割的航空航天結構,其邊緣比常規技術切割的邊緣好得多,疲勞壽命也長。如果使用150目的磨料粒度,疲勞壽命可提高50%以上,但切割速度要相應地降低。LTv宇航/防御公司在FIOW公司的幫助下開發出5軸水射流系統。射流能跟蹤復材料零件的形狀、整體加強結構和蜂窩加強板。射流能一次切割116mm厚的復合材料板和142mm厚的鋁板而無熱影響區。使用100目的磨料粒度和Pa壓力。該系統能切割12.7mm厚的石墨/環氧復合材料和欽,切割表面粗糙度為317、6,35 。從1980年以來,洛克希德宇航系統公司一直使用水射流切割,目前使用磨料水射流切割

11、金屬基和樹脂基復合材料、鋁、鋼、欽,能干凈地切割3.2mm石墨/環氧復合材料,且無熱影響區和熱變形問題。最近的應用是,切割sic或晶須增強鋁復合材料的戰斗機垂直安定面。切割安定面的肋僅需14min,還包括切削孔。麥道飛機公司使用門式機器人水射流和ASI公司的磨料水射流系統來切割復合材料和欽,所需時間為常規工藝的1/5,由于略去了費用高的和不耐磨的刀具,如金剛石鉆頭及夾緊裝置,降低了生產成本；切割F/舟8飛機機翼蒙皮,寫常短工藝相比,切割時間由2h減少到29min。4.2 磨料水射流切割技術在高速公路修復中的應用4.2.1 補范圍的確定修補范圍將所有的重要病害包括在內。為了保證將所有不堅固混凝土

12、包括在選定的修補范圍之內,一般要將邊界擴展到離可見病害以6處,間隔0.6m的2個修補區應合并成為一個修補區。邊界位置還取決于載荷傳遞水平,修補區應足夠大以避免修補區擴散和縱向開裂。最小修補長度為1.sm,最小修補寬度為36m。雖然損壞的混凝土往往是不規則的,但為了避免因為應力集中和收縮不均勻引起的2次開裂和破壞,損壞的切割區域外型要切割成規則的矩形和方型,避免切割成不規則的幾何形狀。4.2.2切割系統的設計實際應用的磨料射流切割系統,高壓泵可以由柴油機驅動,并安裝在輕便的卡車或者拖車上,以便能隨意調動,增加系統的靈活性。切割噴嘴固定在車上,車可以在高速公路上行駛,噴嘴可以上下移動,以調節靶距,

13、根據車的行駛速度可以改變噴嘴的行走速度。高壓泵和切割牽引車之間用柔性高壓軟管連接,這樣可以增加系統的靈活性。為了防止軟管爆裂時傷及操作者,軟管外要附加防爆耐磨層。4.2.3磨料種類和切割參數的選擇(1)磨料種類的選擇根據日本大成建設機械部給野勒衙的研究成果,在各種磨料中石榴石有著最優異的切割性能,因為它比重大、強度高,是切割混凝土最理想的材料。雖然黃沙的切割效果不如石榴石,但考慮到經濟性,黃沙不僅便宜,而且在建筑工地上很容易得到,并且切割后回收可以作為混凝土的細集料繼續使用,因此黃沙也可以用來作切割混凝土路面的磨料一。磨料粒徑以36目最為合適。(2)影響磨料射流切割深度的主要參數磨料流量、靶距

14、、切割壓力、行走速度。(3)磨料流量的選擇根據美國流體公司M.哈西斯的研究結果,磨料流量的最佳值應該是噴嘴尺寸、壓力和磨料粒度的函數。 (4)工作壓力的選擇壓力是影響磨料射流切割效果最主要的參數之一,研究表明,要切割混凝土,磨料射流壓力的有一個最小值,當工作壓力小于這個值時,混凝土不能被切割,通常稱這個最小壓力為門限壓力。當壓力大于門限壓力時,在其他參數不變的條件下,壓力與切割深度的關系幾乎是線形的。能夠有效地切除棍凝土的壓力最小為30MPa。(5)靶距的選擇研究表明,當靶距在5一IOmm時切割深度基本不變;當靶距大于10mrn時切割深度急劇卞降。因此靶距可以在5一10mm之間選擇。(6)行走

15、速度的選擇當切割過程中其他參數一定的情況下。行走速度增大,切割深度下降。4.3超高壓水射流切割技術在食品加工中的應用“數控水刀”切割的獨特優點,在食品加工中很有實用價值?！皵悼厮丁庇脭悼匮b置可控制其切割的速度和切割線路,可切割各種食物,切割介質除了水外還可用酒精或甘油等,可純水切割也可加磨料(如鹽、糖)切割?！皵悼厮丁鼻懈钍澄?食品的營養和功能成分損失少,可最大限度保持食品的營養,提高加工產品質量。用/數控水刀0切食品其斷面將更加光滑,而且形狀規整,也可以切出特殊的形狀,作為新的產品造型。如果安裝到食品加工生產線上,可代替或部分代替面刀、鋸條等,可以利用它的特性方便地改變某些食品的加工面貌

16、并開發出食品處理設備新產品。水射流切割技術在食品工業中的應用實例如下所述。4.3.1 餅狀食品(如蛋糕、面包等)切割生產線如圖4-1所示為國外已開發的用“數控水刀”切割蛋糕、面包等生產線。該設備適用于成批生產的食品廠。該食品處理設備以超高壓水束作為切割工具,壓力為3773MPa,水束直徑為01080146mm。在切割過程中,約70%的水被汽化,其余的水通過收集槽可重新使用。這種切割系統由數控系統來控制,通過預先輸入指令,可以對食品進行復雜的外形加工或分割。由于該食品處理設備不需要用金屬刀片,也就是說不需要刃磨工具,因此加工成本低。此外,在切割過程中無噪聲,生產過程清潔,無污染。圖4-1 “數控

17、水刀”切割蛋糕、面包等生產線3.2 肉類等切片與分割的數控超高壓水射流切割生產線圖4-2 用于肉類切割的水刀切割系統生產線圖4-3 水刀切割肉類制品肉類、禽類和魚類等加工中需要經過一系列復雜的工序對每一片肉進行分析并修整、切割成相同的尺寸或重量。如圖4-2、4-3所示為國外已開發的適用于肉制品等切片與分割的機器人噴射水刀切割系統。該系統使用了3D激光掃描儀,強大的計算分析軟件和X-Y雙軸機器人噴射水刀。用“數控水刀”切割新鮮的肉制品時,可連骨質、皮和纖維等一齊切斷,不留碎骨殘端,而且較少溢血。使用數控超高壓水刀切割肉制品時,并不會造成細菌傳播,同時也無使用傳統刀具切割時,由于刀具磨損有磨利刀具

18、的停機時間,因此水刀切割時,生產率高。4.4 磨料水射流切割技術在機械檢修中的應用 20世紀50年代初,我國首次在開灤唐家莊煤礦成功使用了水槍落煤，使得這項技術在煤礦開采中得到逐步應用。但是煤礦的自然條件差，地質條件復雜，瓦斯濃度高，煤與瓦斯突出、煤層自然發火、煤塵爆炸等災害時常發生。因此，高壓水射流技術以其獨特的優越性，在我國煤礦的煤巷掘進、防治煤與瓦斯突出、治理工作面回風隅角瓦斯積聚，以及清倉泥漿等工作中得到廣泛應用。在煤礦井下，經常會遇到軌道鋪設、設備檢修等需要進行切割的作業。在高瓦斯等危險環境中，采用傳統的熱切割方法切割熱效應很容易引起瓦斯爆炸。磨料水射流技術是冷態切割技術，應用于井下

19、危險環境是安全的。該技術具有無粉塵、無火花、無熱效應等優點，已在煤礦成功應用。例如，高壓水射流裝置用于抽放瓦斯；水射流用于輔助隧道產生裂縫、破巖和除塵；應用磨料水射流切割技術誘導頂板放頂煤；煤礦環境下用磨料水射流切割鋼管，等等。這樣加大了工作的安全性，也加大了經濟效益的提高。4.5高壓水射流切割技術在醫學領域的應用當前在醫學領域，高壓水射流技術應用還不太普遍，但已經有了一定成果在這些成果中，最突出的應該是臨床醫學中的水射流手術刀和水射流無針注射器。這兩項技術，能夠提高醫院的工作效率。比如在注射預防針類的藥水時，水射流注射器在一個小時內，就可以完成 500 多人的注射工作。并且不需要更換針頭，大大節省了患者和醫生的時間。同時，這種注射器與注射者不會有任何接觸，所以更加安全衛生，降低了疾病傳染的可能性。小 結 高壓水射流切割技術在我國還是一項新的技術，由于相關切割核心理論問題及耐超高壓部件制