水射流切割的原理,特點(diǎn),與激光加工的區(qū)別

【專家解說(shuō)】：1、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在的威力，然而，作為一項(xiàng)獨(dú)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(lái)開(kāi)采金礦，剝落樹(shù)皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機(jī)運(yùn)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(xiàng)切割技術(shù)專利卻在美國(guó)產(chǎn)生，即1968年由美國(guó)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(zhǎng)足進(jìn)步，其應(yīng)用遍及工業(yè)生產(chǎn)和人們生活各個(gè)方面。許多大學(xué)、公司和工廠競(jìng)相研究開(kāi)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(shì)頭。目前已有3000多套水射流切割設(shè)備在數(shù)十個(gè)國(guó)家?guī)资畟€(gè)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)上更顯優(yōu)勢(shì)。已可切割500余種材料，其設(shè)備年增長(zhǎng)率超過(guò)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歸之為：運(yùn)用液體增壓原理，通過(guò)特定的裝置（增壓口或高壓泵）,將動(dòng)力源(電動(dòng)機(jī))的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能，具有巨大壓力能的水在通過(guò)小孔噴嘴(又一換能裝置)，再將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)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(jiàn)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(tái)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(dòng)大活塞往復(fù)來(lái)回移動(dòng)，其方向由換向閥自動(dòng)控制。供水系統(tǒng)先對(duì)水進(jìn)行凈化處理，并加入防銹添加劑等，然后由供水泵打出低壓水從單向閥進(jìn)入高壓缸。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(lái)實(shí)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(shí)其壓縮率達(dá)12％，因而活塞桿在走過(guò)其整個(gè)行程八分之一后才會(huì)有高壓水輸出。活塞到達(dá)行程終端時(shí)，換向閥自動(dòng)使油路改變方向(圖中虛線箭頭所示)，進(jìn)而推動(dòng)大活塞反向行進(jìn)，此時(shí)高壓水在另端輸出。如果將此高壓水直接送到噴嘴，那么噴嘴出來(lái)的射流壓力將會(huì)是脈動(dòng)的(圖3中虛線)，而且這對(duì)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(dòng)，達(dá)到恒壓之目的，常能控制脈動(dòng)量在5％之內(nèi)(圖3實(shí)線)。 切除與切斷機(jī)理 高速射流本身具有較高的剛性，在與靶物碰撞時(shí)，產(chǎn)生極高的沖擊動(dòng)壓(p=ρvc)和渦流的形成，從微觀上看相對(duì)于射流平均速度存在著超高速區(qū)和低速區(qū)(有時(shí)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(shí)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(dòng)壓使傳播時(shí)間也減少，增大了沖擊強(qiáng)度，宏觀上看起快速楔劈作用，而低剛度部分相對(duì)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(shí)猶如一把軸向“鋸刀”加工。 高速水射流破壞材料的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程，對(duì)脆性材料(如巖石)等主要是以裂紋破壞及擴(kuò)散為主；而對(duì)塑性材料符合最大的拉應(yīng)力瞬時(shí)斷裂準(zhǔn)則，即一旦材料中某點(diǎn)的法向拉應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)某一臨界值σy時(shí)，該點(diǎn)即發(fā)生斷裂。根據(jù)彈塑性力學(xué)，動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度與靜態(tài)斷裂強(qiáng)度相比要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，主要是因?yàn)閯?dòng)態(tài)應(yīng)力作用時(shí)間短，材料中裂紋來(lái)不及發(fā)展，因而這個(gè)動(dòng)態(tài)斷裂不僅與應(yīng)力有關(guān)，還與拉伸應(yīng)力的作用時(shí)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(dòng)能的高速射流進(jìn)行的(有時(shí)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(xiàng)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)用前景，隨著技術(shù)的成熟及某些局限的克服，對(duì)其它切割工藝是一種完美補(bǔ)充。目前其用途和優(yōu)勢(shì)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<30）、高硅鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程材料，高壓水射流除切割外，稍降低壓力或增大靶距和流量還可以用于清洗、破碎、表面毛化和強(qiáng)化處理。在美國(guó)，幾乎所有的汽車和飛機(jī)制造廠都有應(yīng)用。目前已在以下行業(yè)獲得成功應(yīng)用：汽車制造與修理、航空航天、機(jī)械加工、國(guó)防、軍工、兵器、電子電力、石油、采礦、輕工、建筑建材、核工業(yè)、化工、船舶、食品、醫(yī)療、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政工程等方面。 2、激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過(guò)材料表面，在極短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬(wàn)攝氏度，使材料熔化或氣化，再用高壓氣體將熔化或氣化物質(zhì)從切縫中吹走，達(dá)到切割材料的目的