水射流加工技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,先进制造技术,之,水射流加工技术,教师：侯荣国,水射流加工技术（,以柔克刚的技术,）的历史,“,水滴石穿,”,体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力,。,20,世纪,60,年代初期的探索实验阶段，主要应用于低压水射流采矿。,60,年代末至,70,年代初的基础设备研制和攻坚阶段，主要研制高压泵、增压器和高压管件及推广高压水射流清洗技术。,70,年代初至,80,年代初的工业实验及工业应用阶段，大量的高压水射流采煤机、切割机和清洗机相继问世并进行工业实验。,80,年代以来是高压水射流迅速发展阶段，主要特点是高压水射流的研究进一步深化，磨料水射流、磨料射流、空化射流和自激震荡射流等新型射流技术发展迅速。,返回,水射流加工技术的概念,高压水射流切割,(Water jet machining),是利用,水或水中加添加剂,的液体经水泵至增压器再经储液蓄能器使高压液体流动平稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成,300-900,米,/,秒的高速液体流，喷射到工件表面，达到去除材料的加工目的。,磨料喷射加工,(Abrasive jet machining),是利用,微细磨料与高压空气或其它气体,混合而成的高速喷射流，通过专门设计的喷嘴射向工件，依靠磨料的高速冲击和冲刷，实现去除工件表面材料和修饰性加工的一种方法。,水射流加工技术的概念,磨料水射流,(Abrasive water jet machining),是以,水为介质,，通过高压发生装置获得巨大能量，通过,供料和混合装置将磨料加入高压水束中,，形成液固两相混合射流，依靠磨料和高压水束的高速冲击和冲刷，实现去除工件表面材料和修饰性加工的一种方法。它是综合了磨料射流和水射流的优点，使加工范围扩大。,水射流加工技术的分类,根据,磨料与水的混合方式,，磨料水射流可分为,后混合式,、,前混合式,、,外混合式,和,磨料浆体射流,等四种类型；,根据,射流加工时的环境条件,，可分为,淹没式磨料水射流,和,非淹没式磨料水射流,。,根据磨料与水的混合方式,前混合式磨料水射流,是磨料与水充分混合后，加压通过喷嘴而形成的高速流体。,后混合式磨料水射流,是磨料和高压水在喷嘴内进行混合后形成的高速流体。,外混合式磨料水射流,是磨料浆从喷头中路喷出，高压水射流从四周的水喷嘴射出，并汇聚在浆料射流的一点处，在多股水射流的卷吸下，磨料浆被吸入水射流束中获得动能形成高速流体。,磨料浆体射流,是其浆体以高粘度的高聚物溶液作为载体，在射流末端配置而成的高速流体。,根据射流加工时的环境条件,淹没式水射流,是指射流从出口到工件是在水或其它液体中，具有,射流扩散快、速度和动压分布均匀,等特点。,非淹没式水射流,指射流从出口到工件是在空气自然状态下，与淹没式相比，其,射程大，核心段长度长,，但是,速度分布不均匀,。,返回,AWJ,和,WJ,的设备构成,增压系统,：,为系统提供足够的稳定的压力；,数控工作台,：,控制喷嘴装置的移动；,集水器,：,收集加工后的水和材料残渣；,喷嘴装置,：,精确控制水流，提供优质的射流束；,磨料供给装置,：,提供磨料并精确控制磨料的流量。,水射流加工设备和加工的产品图片,返回,水射流加工技术的特点,水射流加工与其他加工方式的优点,:,加工效率高；,没有热反应区；,加工精度较高；,不会改变被加工材料的力学性能；,几乎可以加工所有的材料等。,水射流加工技术的特点,水射流加工的缺点,:,设备功率大；,喷嘴磨损快；,加工表面质量较差；,不适合于大型零件及去除超大的毛刺加工；,对软材料及弹性材料加工不理想。,不锈钢,其它铁合金,其他材料,玻璃，大理石，复合材料等,加工案例：,1,：,磨料水射流加工汽车外壳,2,：,磨料水射流加工陶瓷（奔腾马图案）,返回,高压水射流加工机理：,高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰撞时，产生极高的,冲击动压,和,涡流,，从微观上看相对于射流平均速度存在着,超高速区,和,低速区,(,有时可能为负值,),，因而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分，,刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。,高压水射流加工机理：,高速水射流破坏材料的过程是一个,动态断裂过程,，对脆性材料,(,如岩石,),等主要是以,裂纹破坏及扩散为主,；而对塑性材料符合,最大的拉应力瞬时断裂准则,，即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值时，该点即发生断裂。根据弹塑性力学，动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因而这个动态断裂不仅与,应力,有关，还与拉伸应力的,作用时间,相关。,磨料水射流加工机理,很多学者对磨料水射流加工机理进行了研究，并提出了许多磨蚀理论。,比较有名的是美国学者,Hashish,提出的针对韧性材料的,剪切冲蚀,和,变形磨损,理论。,（相关图片）,返回,磨料水射流加工机理,切割冲蚀模式,是磨料粒子与高速水束相混合而形成固液两相高能束流，在高能束流以,小角度,冲击下，材料表面产生很大的压强，,磨料水射流中的磨料与被切割材料产生摩擦磨损,，这两相对切割材料具有极强的冲蚀作用，由冲蚀磨损所形成的断面为光滑区。,返回,磨料水射流加工机理,变形冲蚀模式,是由,大角度,冲击形成的，,切削不稳定，所形成的断面是不光滑的,，由于在冲蚀磨损过程中磨粒变小或破损，使磨粒能量变小，这些低能量的磨粒不断积聚，与后续磨料一起参与切削。,返回,返回,磨料水射流加工机理,关于脆性材料的磨料水射流加工机理,:,当颗粒冲蚀脆性材料时，主要以,裂纹的产生和扩展,为主，磨料法向冲蚀工件材料，使材料先后经过,环状裂纹,-,径向裂纹,-,横向裂纹,等裂纹扩展过程。,径向裂纹形成后磨料及水楔入裂纹中,，切屑便破碎脱落而形成凹坑，多次连续的冲蚀累积便使材料得以去除。,（图片）,返回,返回,水射流加工的应用情况,高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的,(,有时又称为高速水射流加工,),与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克服，对其它切割工艺是一种完美补充。,水射流加工的应用情况,水射流加工一开始就受到工业发达国家的重视。在国际上先后成立了英国流体研究中心（,BHIG,）、日本国际水射流协会（,ISWJT,）和美国水射流协会（,WJTA,）,国际上已举行了二十多届水射流学术会议。目前磨料水射流技术已经成为国内外许多学者研究的热点，水射流加工技术已经先后在四十个国家和地区应用，主要包括美国、英国、日本、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、新加坡等。我国的水射流技术起步不晚，始于,20,世纪,50,年代，主要应用在矿业运用与开发，压力为中高压水平，在,20,世纪,80,年代才引进超高压水射流设备，主要应用在航空业。国内水射流技术主要应用在油田、清洗和矿山开采等领域。,水射流加工的应用情况,目前高压水射流用于,切割、清洗,方面的研究已渐于成熟，其用途和优势主要体现在,难加工材料,方面：如陶瓷、硬质合金、高速钢、淬火钢、钨钼钴合金、耐蚀,、,耐热合金、钛合金、复合材料、不锈钢、高锰钢、高硅铸铁、可锻铸铁等一般工程材料,。,高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于,破碎、表面毛化和强化处理,。目前已在以下行业获得成功应用：汽车制造与修理、航空航天、机械加工、国防、军工、电子电力、石油、采矿、轻工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、医疗、农业、市政工程等方面。,水射流加工的应用情况,用于,钻孔、铣削和车削,等方面的研究，尚处于理论和工业实验阶段，还有许多问题需要解决，如用纯水射流进行切割破岩等所需系统压力过高，磨料射流则存在喷嘴磨损快，磨料水射流对磨料的传输效率低，在淹没状态下穿透能力差等特点，目前国内学者研究较多的水射流形式主要有脉冲水射流、磨料射流、磨料水射流、旋转射流和摆动振荡射流等。,水射流加工的应用情况,影响水射流加工性能的参数很多。包括：,系统参数：,水射流系统压力；,喷嘴结构参数,：喷嘴直径、倒角半径和混合管长度，混合管直径；,磨料参数,：磨料材料、颗粒直径、磨料流量、颗粒形状；,混合方式,：压力驱动或负压吸入；,磨料混合状态,：干粉或浆液；,切割参数,：进给速度、靶距、走刀次数、射流角度；,工件材料参数,：强度、硬度、致密度等。,水射流加工的应用情况,水射流加工的应用情况,多次切割法：,倾角切割法：,摆动震荡法：,返回,水射流加工技术的发展趋势：,提高水射流加工的可靠性和寿命，尤其是其中关键零部件高压泵、高压软管、接头和喷嘴的寿命。,优化工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗，以利于成本更有竞争力。,发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自适应调整，以提高加工精度，用于制作有一定精度要求的零件，达到其技术经济效果可与等离子体和激光加工相媲美的程度。,水射流加工技术的发展趋势：,不断扩大水射流加工的应用范围，由二维的切割和去毛刺加工发展到孔加工和三维型面的加工。,水射流加工理论的理论研究,特别是有关水射流加工模型的建立和多相流理论的研究等。,磨料水射流加工微型精密零件和磨料水射流用于车削和铣削的研究。,返回,