磨料水射流切割切割原理

流體力學(xué)的運動規(guī)律表明，從噴嘴以每秒幾百米的高速噴出的磨料水射流通常處于紊流狀態(tài)，而紊流的最大特點是橫向摻混，導(dǎo)致磨料水射流邊界上的微細(xì)液滴與周圍氣體（空氣）之間發(fā)生動量交換，從而把周圍氣體吸入到磨料水射流中去，并隨同磨料水射流一起運動，促使磨料水射流的氣體吸入量和橫截面積沿射程的增大而增大，而射流速度則沿射程的增大而減小，所以磨料水射流就形成了向周圍擴散的錐體流動場。由此可見，磨料水射流是由高速運動的含有氣體及磨粒的水滴所組成的混合物。

由流體力學(xué)的有關(guān)知識可得，快速運動的磨料水射流具有極大的動能，當(dāng)它接觸到被切割的材料時，磨料水射流的動能瞬間就會為被切割材料吸收，具體表現(xiàn)為：第一是磨粒和水滴對被切割材料的沖擊作用；第二是磨粒和水滴沿被切割材料表面的剪切破斷作用（即切削作用）；第三是磨料水射流中的氣體對被切割材料的侵蝕作用。在以上3點的的共同作用下，被切割材料破碎形成割縫，達到切割分離的目的。

實踐生產(chǎn)經(jīng)驗表明，磨料水射流切割材料時，主要表現(xiàn)為磨料水射流對被切割材料表現(xiàn)的沖擊破碎作用，并且當(dāng)磨料水射流對被切割材料表現(xiàn)的沖擊應(yīng)力超過被切割材料表面的抗壓力度時，被切割材料破碎形成割縫。

因此，磨料水射流的切割原理就是利用幾十至幾百MPa的磨料水（高壓水中摻入磨料）通過特殊設(shè)計的孔徑極小的噴嘴，以每秒幾百米的高速噴出的磨料水射流的沖擊、剪切破斷（切削）及浸蝕作用來分割工件的。

早在20世紀(jì)60年代初，從高速飛行的飛機受到雨滴的侵蝕這一現(xiàn)象中得到啟發(fā)美國、日本和前蘇聯(lián)等國家投入了大量的人力、物力研究開發(fā)水射流切割技術(shù)，經(jīng)約10年的潛心鉆研，美國于1971年設(shè)計制造了世界上第1臺超高壓純水射流切割機W JC）。將它應(yīng)用到家俱制造行業(yè)中，取得了前所未有的經(jīng)濟效益。

鑒于純水射流的切割能力較差，僅適用于布匹、木材、塑料及橡膠等軟質(zhì)材料的切割，這就促使人們?nèi)パ芯块_發(fā)切割能力較大的磨料水射流切割，經(jīng)11年的不懈努力，美國又于1982年設(shè)計制造了磨料花崗巖等幾乎所有的材料。

隨后英國及意大利等國也相繼設(shè)計制造了磨料水射流切割機，我國也于1993年設(shè)計制造了磨料水射流切割機，投入實踐生產(chǎn)中，取得了令人矚目的成就。

水射流切割磨料，俗稱“水刀砂”，分為天然磨料（如石榴石磨料）和人造磨料（如白剛玉磨料），目前國際通用材質(zhì)為石榴石天然磨料，目前國內(nèi)主產(chǎn)地在山東、江蘇等地區(qū)。

大顆粒磨料質(zhì)量大、不易被加速，小顆粒磨料質(zhì)量小，被加速后其動能達不到較強的切割能力。只有合適的粒度奶油最強的切割能力。實驗證明，人造白剛玉磨料的切割能力雖高于天然磨料，但對磨料混合管的磨損卻是天然磨料的數(shù)十倍，而且價格昂貴。因此，選用國產(chǎn)的粒度為80目的石榴石水切割磨料比較適宜。

磨料水射流切割注意事項

選擇磨料時一定要注意灰塵含量，如果灰塵、泥土過多，容易造成砂管堵頭、砂管損傷、增加成本等結(jié)果：

1、砂管堵頭?；覊m含量大的水切割砂容易出現(xiàn)受潮，造成磨料中灰塵、泥土固結(jié)成團的現(xiàn)象，導(dǎo)致砂管堵頭，水出不來，反而會在輸砂管出現(xiàn)膨脹甚至是漏水現(xiàn)象。需立即停機清理，防止砂管損傷。一噸磨料價值幾百元，而一根砂管從幾百到上千不等。

2、廢砂難清理。在溜槽中的廢沙經(jīng)過積累沉淀，需要定期清理。如果所選磨料含有的灰塵量過高，則廢沙很難清理，可能需要派專人用半天甚至是一天的時間專門來做清理工作。

3、無形增加采購成本。采購一噸磨料，如果里面含有五分之一的灰塵和過于細(xì)小的砂粒，相當(dāng)于支付了二百斤灰塵和過細(xì)無效顆粒的成本，因為灰塵和過細(xì)的顆粒都是起不到切割和研磨的作用。

磨料水射流切割鑒別方法

將沙子和水以1:2的比例倒在一個礦泉水瓶里，用力搖晃，看水的渾濁度即可分辨磨料的清潔度。

利用磨料水射流切割工件，與傳統(tǒng)的機械切割及火焰切割方法相比具有無可比擬的優(yōu)越性，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

1）切割效率高。利用磨料水射流切割工件時，通過數(shù)控進給系統(tǒng)的自動控制功能，可以將被切割工件的任一點設(shè)置為起割點，因此切割工件時編程具有很大的靈活性，可以根據(jù)被切割工件的大小、復(fù)雜程度及材料的形狀尺寸等設(shè)置最短的切割路線，提高切割效率。

2）切縫質(zhì)量好。磨料水射流切割工件時，通過數(shù)控進給系統(tǒng)精確地驅(qū)動割槍運動、切割出的形狀尺寸誤差小，割縫僅1 mm左右，且切割斷面平整光潔，無毛刺、掛渣、崩角及塌邊等缺陷。

3）材料利用率高。利用磨料水射流切割工件時，通過計算機將切割圖形按材料最省原則排列，然后編程切割，切縫僅1mm左右，有利于節(jié)約貴重金屬，能最大限度地提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。

4）通用性強。通過選用適宜的切割參數(shù)，如切割速度、磨料水射流量（或工作壓力）及摻砂量等可以切割不同材質(zhì)及不同厚度的工件，無需更換噴嘴，通用性特別強。

5）切割時工件不發(fā)熱。磨料水射流切割屬于濕態(tài)高能量切割，由于磨料水的冷卻作用，工件不會產(chǎn)生熱變形及熱影響區(qū)，特別適用于鋁、銅、鈦、鋯及其合金等熱敏感性材料的切割，尤其是采油平臺，煉油廠，大型油、氣儲罐區(qū)及油、氣輸送管道等禁火作業(yè)區(qū)的安全切割。

6）環(huán)保效果好。磨料水射流切割屬于濕態(tài)高能量冷切割，不會產(chǎn)生有毒氣體及灰塵等污染此外完成切割作業(yè)后的磨料水經(jīng)集水箱收集后，經(jīng)過濾及脫泡等凈化處理后可循環(huán)利用。同樣磨料經(jīng)涼干和過篩等處理后也可重復(fù)使用多次，不會污染環(huán)境。

綜上所述，磨料水射流切割機具有工作壓力低，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計制造方便，切割效率高，割縫質(zhì)量好，產(chǎn)品形狀尺寸誤差小，割縫窄（約1 mm左右） ，材料利用率高，斷面平整光潔，無毛刺、掛渣、崩角、塌邊及無熱變形等缺陷，并能對復(fù)雜工件實現(xiàn)智能化切割，是切割各種金屬、非金屬，尤其是切割鋁、銅、鈦、鋯等熱敏性材料的理想設(shè)備，同時也是切割玻璃、陶瓷、混凝土、大理石及花崗巖等難切割材料的較佳設(shè)備。

水的作用不同

雖然在實際中都是利用高速運動的水流對于材料進行切割，但是在純水切割中，水是切割工具。而在磨料水切割中，高壓水用于給磨料顆粒加速，在實際中起到切割作用的是磨料水刀砂。

切割材質(zhì)不同

雖然利用高壓發(fā)生器，可以達到很高的切割效率，但是純水切割在切割比較硬的材質(zhì)時，其速度還是不理想，這也是最初磨料水射流技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但是在有些領(lǐng)域，純水切割要比磨料水切割有優(yōu)勢，比如紙質(zhì)產(chǎn)品、壓實材料、塑料、泡沫塑料、紡織品或食品等方面。而由于磨料水刀砂石榴石鋒利的尖角和較大的硬度，在切割金屬、巖石、玻璃或陶瓷等材質(zhì)時，在速度和效果上要更好?？梢哉f各有千秋，在不同的領(lǐng)域各有優(yōu)勢。

精度和深度不同

水切割如果沒有石榴砂，那么無論是切割的精度還是深度都會大打折扣。實驗室數(shù)據(jù)顯示，如果不放磨料只能切割3mm的鈦板，而且切出來是鋸齒狀的。加上石榴石水切割磨料后，可以輕松切割30mm的鈦板，精度也非常準(zhǔn)確?？偠灾?，雖然磨料水切割還是叫水切割，其實出力的是石榴砂。

該書對水射流技術(shù)的理論及其在機械工程中的應(yīng)用做了較全面的論述。全書共分八章，第1章水射流技術(shù)概論，主要講述水射流技術(shù)原理、水射流技術(shù)發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究動態(tài)以及水射流技術(shù)的應(yīng)用；第2章講述純水射流技術(shù)理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)組成、水射流結(jié)構(gòu)特征與基本參數(shù)、水射流打擊力模型和水射流沖擊破壞理論；第3章講述水射流打擊力增強技術(shù)，包括減阻液水射流、空化水射流、脈沖水射流、磨料水射流等技術(shù)；第4章涉及磨料水射流切割技術(shù)，包括磨料水射流切割的一般特征、磨料水射流切割過程中的溫度分布、磨料水射流切割工藝參數(shù)、磨料水射流切割理論等；第5章涉及磨料水射流精密切割控制技術(shù)，包括磨料水射流精密切割表面質(zhì)量控制技術(shù)、磨料水射流精密切割幾何精度控制、磨料水射流精密切割的運動控制和磨料水射流精密切割的優(yōu)化處理技術(shù)等；第6章涉及磨料水射流精密特種加工技術(shù)，包括磨料水射流精密切割厚材料、磨料水射流精密鉆孔加工、四軸聯(lián)動精密切割加工異形零件、磨料水射流車削加工、磨料水射流銑削加工、磨料水射流超精密磨削加工和磨料水射流拋光技術(shù)等；第7章介紹了水射流技術(shù)在機械工程中的典型和創(chuàng)新應(yīng)用；第8章介紹了水射流技術(shù)在軍工和國防領(lǐng)域的應(yīng)用。

該書可以作為從事水射流技術(shù)研究、開發(fā)及其他相關(guān)工程技術(shù)人員的參考用書，也可以作為高等院校本科生、研究生開設(shè)相關(guān)課程的教學(xué)參考用書。

水沖機歷史

在20世紀(jì)50年代，林業(yè)工程師諾曼弗蘭茲試行的水切割機的早期形式削減木材。然而，這項技術(shù)沒有進步，直到20世紀(jì)70年代尤其是當(dāng)穆罕默德印度大麻制作技術(shù)添加到磨料水射流切割機。水射流切割是在許多方面無與倫比，并改變了許多產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。股水柱存在的許多類型，包括純水柱，磨料水射流，沖擊水柱，空戰(zhàn)斗機和混合飛機。

水沖機工藝特征

有六個主要工藝特征，水射流切割：

（1）使用了在一個超高壓水（30,000 - 90,000 PSI）的流是由一水射流加力泵產(chǎn)生的懸浮磨粒高速流。

（2）用于加工的材料較大的數(shù)組，包括熱敏感，微妙的或非常堅硬材料。

（3）生產(chǎn)沒有工件表面或邊緣的熱損傷。

（4）噴嘴通常由燒結(jié)硼化物。

（5）產(chǎn)生小于1度錐度大多數(shù)削減，可以減少或消除，放慢削減進程完全。

（6）噴嘴距離工件影響了縫的大小和材料去除率。

水沖機操作

水沖機通常是連接到一個高壓水泵水的地方，然后從噴嘴噴出，通過削減噴涂材料與高速噴水它。懸浮在砂礫或其他磨料，如石榴子石，氧化鋁，形式添加劑，可以協(xié)助這一進程。

水沖機優(yōu)點

水沖機切割重要的好處是能夠削減不與材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的干擾物質(zhì)，因為沒有“熱影響區(qū)”或熱影響區(qū)。盡量減少熱效應(yīng)使金屬不被損害或改變內(nèi)在屬性晉級。

水沖機也能夠生產(chǎn)復(fù)雜的材料，而不是削減。該縫，或?qū)挾鹊南鳒p，可以改變，改變在噴嘴部分，以及研磨類型和規(guī)模。典型的磨料作出削減在1.016至1.27毫米，但可窄至0.508毫米的范圍縫。非正常磨損削減0.178至0.33毫米，但可以小到0.076毫米，這大約是人類頭發(fā)的大小。這些小剪子能在廣泛的應(yīng)用范圍非常小的細(xì)節(jié)可能。

高壓水被認(rèn)為是“綠色”技術(shù)。水刀不產(chǎn)生有害廢物，減少廢物處置成本。他們可以切斷大量材料可重復(fù)使用的廢料可能已經(jīng)失去了使用傳統(tǒng)的切割方法件。部件可以最大限度地緊密嵌套材料的使用，節(jié)約和高壓水通過建立非常小切口材料。水刀使用非常少的水（1加侖約半每分鐘1加侖取決于切割頭孔的大?。?，以及所使用可以回收利用封閉循環(huán)水系統(tǒng)。廢水通常是干凈，可以過濾和處理撞倒一名耗盡。石榴石磨料是一種無毒的天然物質(zhì)，可重復(fù)使用回收。石榴石通?？梢詶壷糜诙烟顓^(qū)。水刀也消除空氣中的塵粒、煙、煙霧，以及切割，如石棉和玻璃纖維材料的污染。這極大地改善了工作環(huán)境，減少經(jīng)營風(fēng)險問題引起的。