高压水加工技术作者：学号：单位：湖南大学手机号码： Email:摘录：高压水射流是一项在工业上应用广泛的技术。

本论文介绍了高压水射流技术加工特点应用等，分析了高压水射流切割加工机理，简单介绍该技术在公路工程领域中的应用状况。

高压水射流技术是近几十年发展起来的技术，其应用日益广泛。

目前，在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、建材、市政工程、水利及轻工业等部门得到广泛应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。

高压水射流业已成为新型的切割工具，与激光束、电子束、等离子体等热切割加工相比，高压水射流是唯一一种冷切割加工方法。

在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，高压水射流具有独特的优越性。

关键字：高压水射流技术；水加工中图分类号：．北京：机械工业出版社。

2007．引言：高压水射流是一项在工业上应用广泛的技术，高压水射流业已成为新型的切割工具。

本论文内容包括：高压水加工的起源；高压水射流技术切割加工特点；高压水射流技术切割加工原理；高压水加工的类型；高压水加工的优缺点；高压水加工的应用正文：1 高压水加工的起源诺曼.弗兰兹博士一直被公认为高压水加工之父。

他是研究超高压（UHP）水加工的第一人。

超高压的定义是高于30000 psi。

弗兰兹博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。

1950 年，弗兰兹第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。

他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。

他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。

同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。

1979 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水加工切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。

Hashish 博士被公认为加砂水刀水加工之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。

他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。

凭借这种方法，水加工（含有砂料）能够切割几乎任何材料。

1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。

1983 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。

该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。

从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。

2 高压水射流技术切割加工特点高压水射流技术之所以能得到快速发展，主要是因为这种加工技术与其他加工方法相比具有一系列优点：1)工作介质成本低，没有环境污染。

射流工作介质一般是水，不仅易取而且成本低廉。

在切割加工过程中，由于喷嘴直径较小，水的用量很少，而且水一般无污染。

2)加工能力强，应用范围广，可以加工不同材质的工件及某些难以用传统加工方法切割的材料。

利用高压软管将切割头和辅助设备分开，可以实现远距离、独立、灵活的使用。

国外商业应用中已经有切割机、机器人除锈、清洗等设备，从高空到水下都可以应用。

另外，高压水射流可以根据切割材料的硬度调整压力，把血管和病变组织分离开，因此，在医疗手术上也有应用。

3)高压水射流冲击到切割件表面时，会在滞止点(射流中心线与被切割平面的交点)及其附近产生很高的局部传热率，使被切割件的温度升高很小，切口中(包括切割面)的温度低于100℃。

因此，在高压水射流切割过程中不会产生热变形和热影响区，从而不会改变被切割材料的性能，不产生热变形和金相组织变化。

4)不会产生附加应力变形。

高压水射流属于点切割、无接触切割，尤其是沿进给方向和侧向的切割反作用力小，从而避免了零件由于附加应力而产生的变形，对于薄壁零件的切割十分有利。

5)切口窄而整齐，能提高材料的利用率。

用高压水射流切割物料时，射流切口小，切割可以精确控制，因此，样板可以嵌套或者相切排列，充分利用每一块材料，减少废料。

6)高压水切割压力高(数十兆帕至几百兆帕)，喷嘴直径(O．1～2．5 ram)小，能量高度集中，因此，切割反力小，只有十几公斤，便于实现一机多能和自动化、数控化。

7)高压水切割为非接触式切割，被切割材料对切割刀具无磨损。

但是，高压水射流也存在一些问题：①与机械切割相比，消耗比能高；②一些高压水射流部件的性能不过关如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件。

尤其是我国的喷嘴、高压软管和密封件制造与国外相比存在很大差距。

3高压水射流技术切割加工原理由于速度越快物体具有的动能就越大,水在高压下就获得了巨大的动能,由于水流很细,所以再接触物体时动能转化成的弹力的作用点十分集中,转化而来的弹力十分巨大,足以断石分金. 加入砂质磨料后,先在水加工作用下使得物体接触水加工的部位发生形变,一部分淹没剂就会与物体发生摩擦,进而加速切割物体的能力和速度.因为加入砂质磨料后，水流的质量增大，高速水流具有的动能就更大，在流速相同的情况下对外做功的本领就更大，从而切割能力大大提高。

水经过一个超高压加压器，将水加压至4,000 bar (60,000psi)，然后通过一个细小的喷嘴(其直径为0.004英寸至0.016英寸)，可产生一道每秒达750米(约音速的2.5倍)的水箭，此道水箭可做各种表面加工。

要做到这点，对水、管道、喷口都有比较高的需求。

如管道，水加工是用高压工具把水加压后射出来的，必须拥有极高的压力才能把坚硬的切割材料切开，所以管道必须能承受极高的压力，这个压力远远大于700兆帕，因为薄钢板（被切割材料）本身就能承受700兆帕的压力。

水加工用的水完全没有杂质是不对的。

因为水压远远大于700兆帕，那么对于管道等密封设备而言，无论密封性能多么好，纯水总会使它们磨损而渗漏。

为了解决这个问题，水加工用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。

对于高压泵，也要加入一些油液提高其密封性能。

水加工的喷嘴是用硬质合金、蓝宝石等材料做成的，喷口直径仅0.05毫米，而且孔内壁光滑平整，能承受1700兆帕的压力，所以喷出来的高压水能像刀一样切割材料。

有些水还加入了一些长链聚合物，如聚乙烯氧化物，增加水的“黏度”，使喷出的水犹如一条“细线。

泵是水加工系统的核心成员。

对水进行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。

水加工应用可以采用两种泵－增压泵和直接驱动泵。

直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。

它是一种直接泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低10% 到25%（直接驱动泵为 20K 到50K 、增压泵为40 K 到60K ）。

具体公式推导和图解：高速射流具有一定的动能，作用在静止的物体上，肯定会产生一个力。

一般高压水射流切割试块的表面较平整，入射角为9O。

，即射流垂直冲击试块表面。

当射流作用到物体表面上时，会产生两种不同的作用力：一种是射流滞止压力；另一种是冲击压力。

滞止压力P可以根据伯努力方程给出：P： 1／2po (1)式中：Ioo为射流的密度；为射流的速度。

射流在射到固体表面之后发生碰撞的一瞬间，由于射流压缩的作用，在固体接触表面产生非常高的冲击动压P ，体现出射流的刚性：P = poCo (2)式中：co为射流在液体中的声速，在水中约为1 500m／s。

由式(1)和式(2)可得：P 三一一 Co．U 一 2Co (3)当射流速度一775 m／s时，产生的滞止压力为300 MPa，而产生的冲击压力为1 162．5 MPa，冲击动压约为射流滞止压力的4倍。

高压水射流在光滑表面的冲击发生在喷嘴附近受冲的一个圆形内，需要从不同的视角来观察和研究这种现象。

这是因为可能存在多种因素来解释材料的破坏国外的大量试验表明，在射流碰撞固体表面的一瞬间，在射流的外圆周上的边界压力实际是冲击压力的2．5倍以上。

脆性材料的破坏是由射流载荷产生的拉应力决定的。

破坏形式如下：射流撞击试块表面，形成以撞击点为中心的放射状裂纹。

在没有破坏的中央区周围有环形裂纹，该环形裂纹的外径与射流直径相同。

增加射流速度，该区域破坏程度增加，直到变成一个凹坑。

上述现象仅发生在材料的屈服强度小于射流碰撞力的情况。

如果材料屈服强度大于射流碰撞力，单次碰撞不会出现明显的可见环形裂纹，但多次重复碰撞后，由于材料的疲劳，也可产生上述环形裂纹。

由于射流连续不断地冲击材料，又存在表面径流的冲刷和剪切，破碎的材料不断被带走，材料发生剥蚀，逐步深入，造成材料的切割和穿透。

塑性材料的破坏并不主要靠拉伸破坏，而是在射流切应力作用下的塑性流变。

在射流的碰撞下，塑性流变先在射流中心处发生，造成固体表面的近似半球形压痕，深度随着碰撞速度的增加而加深。

射流的碰撞压力大于材料的屈服极限时，固体材料会像液体一样流动，从而形成塑性破坏。

高压水射流初始作用材料时产生缺坑并伴随裂纹和压力波的出现。

在碰撞区，一定的碰撞能量被材料破碎所吸收，其余则转化为应力波形式传播。

膨胀应力波在碰撞区产生的最大剪应力取决于供给水压，最大剪应力超过一定值时，立刻造成工件材料的射流穿透、缺坑和大裂纹，同时还有连续射流的滞止静压力作用于初始凹坑和裂纹中，这样裂纹得以扩展，造成凹坑逐渐增大。

这个过程中，凹坑周围压力得以释放，从而更多的材料被冲挖出来。

随着时间的推移，将产生更宽、形状不规则、也不对称的缺口。

如果喷头和试块相对移动将形成切槽。

射流压力不足时，产生的剪应力不足以使裂纹扩展，只产生小的凹口，材料的破坏不会继续。

所以固体材料的破坏只有当射流所产生的碰撞压力大于或等于该材料的临界破坏应力(f-1限压力)时才会发生。

对于脆性材料，只有当射流压力近似等于材料的屈服应力时，才能获得最小的比能或最大的切割、破碎效果4高压水加工的类型从本质上讲，有两类水加工：（1）纯水水加工（2）加砂水加工。

设备设计为只能使用纯水水加工、只能使用加砂水加工、或二者均可。

无论何种形式，必须首先对水加压。

5高压水加工的优缺点1）可切割范围广可以切割绝大部分材料，如：金属，大理石，玻璃等等。

2）切割质量好平滑的切口，不会产生粗糙的，有毛刺的边缘。

3）无热加工因为它是采用水和磨料切割，在加工过程中不会产生热（或产生极少热量），这种效果对被热影响的材料是非常理想的。

如：钛。

4）环保性这种机器采用水和沙切割，这种沙在加工过程中不会产生毒气，可直接排出，较环保。

5）无需更换刀具你不需要更换切割机装置，一个喷嘴就可以加工不同类型的材料和形状，节约成本和时间。

6）减少毛刺采用磨料砂的水加工切割，切口只有较少的毛刺。

7）编程迅速程序主要是由CAD制图软件生成，你可以在layout中随意设计线图，或输入从其他软件中生成的DXF文件，另外，机器支持第三方软件，如nesting嵌套排版软件（用于把图形在工件中添满，能最大限度地减少工件损耗）。