微细磨料水射流切割关键技术研究摘要：首先简要的介绍了微磨料水射流切割技术的起源和基本原理，并指出微细磨料水射流采用的是前混合式水射流系统。

然后着重对微磨料水射流的产生方法及关键技术进行了研究，对高压泵的压力、喷嘴的结构设计和选择、微磨料粒子选择、工作平台存在的问题与关键技术等进行了分析讨论与总结，得出了微细磨料水射流切割关键技术选用的相关结论。

关键词：微磨料、技术分析、喷嘴设计、水射流水射流应用最先起源于煤矿开采工程，经过长时间的发展逐渐在加工制造业得到认可与应用，目前在切割加工领域应用最为广泛。

当水流经由微小口径的喷嘴以高压喷射的方式冲击在工件材料上，工件材料会由于水流的动能而产生割裂、剥落、破坏等变化[1]。

国内有很多该类型公司，如南京大地水刀公司，研发推出了多种类的微细磨料水射流切割机，主要应用在大理石加工，灯具加工等行业。

当高速水射流中含有少量细小磨料颗粒并作用于加工工件表面时，能够借助高速磨粒的动能及其锋利的菱角刮擦工件表面，水流的剪切作用也使得突出材料得以去除，从而达到工件材料表面去除的作用，这种加工方式称为磨料水射流加工方法，如图1所示为磨料水射流加工系统示意图。

图1 后混合磨料水射流加工系统示意图1 基本原理微磨料水射流加工技术由供料系统提供微细磨料，将高压水与微细磨料相混合加速，经微细喷嘴形成微细射流，通过微细磨料对被加工的材料冲蚀来实现材料的微量去除。

当前国内外所研究的微磨料水射流加工主要采用后混合式射流和前混合式射流两种[6]。

(1)后混合式射流。

如图2所示，后混合式射流的工作原理是先将低压水加压后经过切割头中的水喷嘴形成高速水射流，高速水射流在加速管内与磨料混合加速后经磨料喷嘴形成磨料水射流对工件进行加工。

在后混合式射流系统中，当喷嘴直径降低时，磨料很难与高压水均匀混合，因而所产生的磨料水射流对工件的加工能力也随之降低。

后混合式系统结构简单，可靠性高，供料方便，高压管路和喷嘴的磨损小，寿命长。

但是后混合式系统中高压水与磨料难以实现均匀混合，系统所需的压力很高，能量损失也很大，工件的加工精度较低，表面质量较差。

所以，后混合式加工系统常用于粗加工或半精加工。

图2 后混合式磨料水射流系统原理(2)前混合式射流。

如图3所示，前混合式射流的工作原理是预先将磨料、水以及各种添加剂混合后加入磨料罐，增压泵将水加压后进入磨料罐顶部将磨料从底部压出，经喷嘴形成磨料水射流对工件进行加工。

前混合射流能够保证水与磨料混合均匀，系统所需的压力较低，射流密集性好，能量利用率高，但是系统较为复杂，并且喷嘴的磨损严重，寿命短。

若通过加入高聚物等添加剂进行混合，混合后的流体为非牛顿流体，这样磨料在其中会呈均匀悬浮状态，形成浓度恒定、射流密集性好的浆体射流。

由于非牛顿流体能够降低摩阻系数，减小能量损失，对射流束的稳定起到积极的作用，使射流的集束性增强，十分适宜微磨料水射流加工，下文中分析的微细磨料水射流切割关键技术选择的就是前混合式射流。

图3 前混合式磨料水射流系统原理2 微磨料水射流关键技术分析下文根据微磨料水射流的特点和对南京大地水刀公司的水刀设备参观，分析并提出了现有的微磨料水射流切割的关键技术，并对该内容进行了一些讨论，最终得出了结论。

2.1超高压泵(High Pressure punp)泵之于水射流就相当于发动机之于汽车。

对于微磨料水射流切割，必须选用超高压泵才能完成其特定任务。

一般来讲，磨料水射流的功率随着水压的提高而线性增大。

这意味着更高的水压可以提高磨料水射流的加工速度。

将水压从400 MP提高到440 MPa磨料水射流的切割速度可增加大约10%。

但是较高的水压必然导致设备价格高昂和使用成本的上升。

鉴于悬浮式微磨料水射流的能量密度是引入式磨料水射流的4 ~5倍，考虑到设备器件的实用性和可靠性，微细加工磨料水射流的压力一般在70 MP左右。

无论哪种形式的微磨料水射流，都要求相对稳定的水射流流量。

这就是说高压水泵的压力波动要小。

对微磨料水射流来讲，其压力稳定的要求更高。

另一方面，水源和水质对微磨料水射流来说至关重要。

参观的国内设备来说，这一点做的不太好，没有特定的过滤设施和防污染装置。

对于微磨料水射流，由于喷嘴直径小，为了防止水喷嘴的堵塞，其水源杂质有更严格的过滤精度要求。

通常在泵的入口安装过滤装置，同时在喷嘴入口加装高压过滤装置。

由于直径小，微磨料水射流的流量为每小时几升。

因此可以使用较小的水箱和压力容器提供水源。

2.2磨料输送通过参观南京大地水刀公司的磨料水射流设备，有些水射流设备的磨料输送还是通过重力输送，外加设备给定了一些震动，促使磨料均匀顺畅的工作。

对于微细磨料水射流设备可以通过机械装置输送或重力输送磨料，对于间断幅成工作，用一种有效的传送装置将较稳定的浆液磨料输送到切割头是较好的一种选择，对于长时间连续工作，则采用低浓度添加剂的浆液磨料，同时用机械动力搅拌以保持磨料悬浮。

2.3喷嘴的选择和比较目前，工业中普遍使用的水喷嘴内部流道型线以直线型居多，直线型又主要包括平形式、锥形和平顶型[2]，大致形状如图4所示。

传统型喷嘴内部型线比较简单，对射流产生的阻力较大，造成较大的能量损失，最终将导致喷嘴出口速度较小，以及打击在工件上的动力较小，射流的连续性和稳定性也比较差，射流主要靠剪切力和冲击压力达到对工件的破坏，进行切割加工，所以喷嘴是不满足我们加工需要的。

对于微磨料水射流来说，水喷嘴的孔径会更小，磨料粒径也将更小，射流在喷嘴内部的流动将更复杂，磨料和孔径更容易直径接触造成水喷嘴磨损，且孔径越小，越容易造成喷嘴的堵塞，故对水喷嘴的设计要求将更高，传统的喷嘴已不能满足需要，对水喷嘴的设计也将要另辟蹊径。

图4 传统形式的喷嘴通过查阅资料和分析总结，列举了如下三种水喷嘴结构，分别是：锥直型、指数型、平顶型，进行比较分析。

图5锥直型图6指数型图7平顶型通过表1根据1~5数级进行评判可知，切割性能最好的是指数型喷嘴，其次是锥直型喷嘴，平顶型喷嘴切割性能比较差。

所以在进行微细磨料水射流切割中应制造或选择指数型或锥直型喷嘴，尽量避免选用平顶型喷嘴，这将大大增加切割的效率。

表1三种喷嘴的切割性能比较表喷嘴三种常用材料：蓝宝石、红宝石和钻石。

蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料，它是人造单晶宝石。

它的水流品质相当好，在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。

在微磨料水射流切割应用中，蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的1/2。

红宝石也可用于磨料水射流切割应用，其水流特性非常适合磨料水刀，但并不太适合纯水水刀切割。

其成本与蓝宝石大致相同。

钻石的使用寿命长得多：800 到2000 小时，但价格却要高10到20倍，钻石在需要每天24 小时连续运行的情况下非常有用，与其它类型的喷嘴不同，有时可以对钻石进行超声波清洗，并重复使用。

目前市面上的微磨料水射流切割设备主要使用喷嘴材料还是蓝宝石。

2.4 工作平台(X-Y Table)目前国内的微磨料水射流设备的工作平面都是开放状态的，且工作时会有水花喷溅和极大的噪音，工人工作时需要一些防护设施。

同时其喷头只能做一些简单动作，水射流设备相当于数控机床将刀具换成了喷头，由于其与机床切削效果的不同，目前国内的设备主要是喷头固定方向向下，面对有蓄水和缓冲功能的工作台。

所以相对于机床多轴联动的研发和快速进步，水射流设备有着天然的弱点，这也是微磨料水射流没有大范围应用的一大因素。

在微细加工中，由于零件的几何尺寸小，所以工作台的尺寸也相应较小。

这意味着工作台运动形式可以有多种选择，一般有以下三种运动形式：（1）工作台不动，驱动切割头沿X-Y方向运动，，也附加沿Z轴方向运动；（2）切割头沿着X方向运动，工作台沿Y 方向运动；（3）切割头固定不动，工作台沿XY方向运动，工件固定在工作台上。

工作台的运动伺服控制系统的精度是决定微细加工的一个关键因素，它包括线性驱动滚珠丝杠的精度、伺服驱动的精度拉置精度和运动重复精度，以及控制系统的误差补偿。

对于国内厂商已经做到通过电脑控制，运动精度也很好。

2.5 磨料的选择微米级、亚微米级甚至纳米级的高精度磨料粒子通常用于微磨料水射流。

普通水射流设备通常采用粒径80μm以上的粒子，精细磨料采用高磨料浓度的固液混合体（浆液）。

在精细磨料水射流和微细磨料水射流，粒子的直径必须足够小，以便能顺利通过喷嘴。

另一方面，由于微粒子很容易吸附空气中的湿气，从而增大粘性阻力，因此，微磨料粒子不能通过负压引入，而是把磨料粒子预先悬浮在液体中，制成浆液磨料。

通过一种无机非粘性的添加剂，它既易溶于水，也不会堵塞喷嘴。

磨料类型是石榴石、氧化铝、碳化硅等。

磨料流量一般是水流量的20%-40%(质量)。

磨料浓度小于70%的水流量（质量）否则容易造成喷嘴堵塞。

由于上文分析讨论的喷嘴的材料使用的是宝石，因此，正常情况下采用氧化铝磨料是可行的。

3 微磨料水射流切割技术在大理石拼花的应用目前国内市场对于微磨料水射流切割技术应用最广的就是大理石的加工。

切割时不产生热量和有害物质，材料无热效应（冷态切割）。

南京大地水刀公司最大的业务也主要是利用微磨料水射流切割机器进行石材的加工，石材水刀拼花是目前市场上最常见的水刀拼花，是利用水刀将各种颜色的石材切割成需要的造型，再用胶水拼接而成。

大理石，花岗岩，玉石和人造石都是很好的材料选择。

现阶段石材拼花主要应用在星级酒店，大型商场，别墅，家装的客厅，餐厅和玄关，是目前石材装饰中效果最好最为绚丽高贵的装饰产品。

如图8所示：图8 大理石拼花4 结语本文在分析总结微磨料水射流技术的基本工作原理并介绍了微磨料水射流技术的两种不同的系统后，提出了微磨料水射流的产生方法及关键技术。

文章对超高压泵的压力选择、喷嘴的类型选择和材料选择、浆液磨料的输送、浆液磨料选择方法、工作平台的运动精度等关键技术进行了充分的分析讨论并得出结论。

微细磨料水射流切割应选用前混合式磨料水射流系统，磨料通过加入高聚物等添加剂进行混合，混合后的流体为非牛顿流体，这样磨料在其中会呈均匀悬浮状态，形成浓度恒定、射流密集性好的浆体射流，减小能量损失，对射流束的稳定起到积极的作用，使射流的集束性增强。

目前，国内设备在同样水压力下，微磨料水射流切割的能量密度是普通磨料水射流的4 ~5倍，但应用还比较局限，大范围的应用主要于加工大理石等材料的装饰产品。

参考文献：[1]杨俊飞，田欣利，刘超.非金属硬脆材料加工技术的最新进展[J].新技术新工艺，2009，（8）：10-16.[2] 苗新刚，武美萍，缪小进.磨料水射流切割加工机理研究[J].液压气动与密封，2016，（4）：17-19.[3] Kumar N，Shukla M C.Finite element analysis of multi-particle impact on erosion in abrasive water jet machining of titanium alloy[J].Journal of Computational and applied Mathematics，2012，236 (18)：4600-4610.[4] 彭家强，宋丹路，宗营营.磨料水射流对金属材料去除力和去除模型的研究[J].机械设计与制造，2012，（2）：17-20.[5] 杨刚.磨料水射流除锈技术仿真研究[J].机电工程，2013,30（8):929-932.[6] 门贺庆，李铁.前混合磨料射流和结构的改进[J]湘潭矿业学院学报：2002，17(1)：32-33.。