高壓水射流技術在機械制造業的應用

靳曉明 郭睿智

黑龍江科技學院工程訓練與基礎實驗中心，黑龍江 哈爾濱 150027

高壓水射流技術在機械制造業的應用

靳曉明 郭睿智

黑龍江科技學院工程訓練與基礎實驗中心，黑龍江 哈爾濱 150027

高壓水射流技術是一項迅速崛起的新技術、新工藝，采用高壓、高速水(純水或帶有磨料)進行機械加工，在純水(或純水和磨料)的作下可進行切割、清洗、拋光、噴丸、或表面材料去除等機械加工。本文主要介紹了高壓水射流技術的發展、分類及在機械制造業中應用現狀。

高壓水射流；應用；發展

high pressure water jet; application; development

1 高壓水射流技術的概念

自古以來，人們把水比做柔軟的物質，而大雨過后田地間由雨水沖擊山的水溝，河道山口久而久之便沖積成了三角洲，由河水長期沖擊，形成的鵝卵石等現象使人們認識到水流能使材料破裂、流動、去除、拋光等。隨著科學技術的發展，人們賦予比雨水和河水更為強大的沖擊力使持之以恒才能觀察到的現象在瞬間便可完成，這便是水射流。高壓水射流技術是近幾十年來發展起來的一項新技術，是以水為介質，經高壓發生裝置使水獲得巨大的動能，通過特定形狀的噴嘴噴射出具有極高能級密度的射流。具有清潔、無熱效應、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等優點。目前，在機械制造業中高壓水射流技術多見于切割、清洗、拋光及噴丸等領域。

2 高壓水射流技術的發展

高壓水射流技術這一概念發源于二十世紀五十年代的前蘇聯，到20世紀60年代初，美國、美國、英國、日本等國加大科研投入力度研究開發超高壓水射流技術。歷經多年科研攻關，1971年美國設計制造出了世界上第一臺超高壓純水射流切割機，由于采用純水射切割，切割能力受到很大的制約，其切割范圍僅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡膠等軟材質材料[1]。鑒于此，為提高高壓水射流的切割能力、擴展應用范圍，1982年美國設計制造出了超高壓磨料水射流切割機，隨后英國和意大利等國也相繼制造出了磨料水射流切割機。這樣高壓水射流的應用范圍從先前的軟質材料切割拓展到了各種硬質材料，如各種金屬、玻璃、陶瓷、硬質合金、大理石及花崗巖等幾乎所有材料，并且成功地應用到拋光磚的切割過程中。

回顧水射流技術的發展歷程，大體上可以分為5個階段［2］。

第一階段：20世紀60年代初，受當時純水射流切割能力的限制，主要研究低壓水射流采礦。60年代初，我國和前蘇聯將其應用于水力采煤，其中我國在開灤唐家莊礦成功地運用水射流的沖擊和輸送作用進行水槍落煤。

第二階段：20世紀60年代至20世紀70年代初，高壓泵、增壓器和高壓管件的研制得到了極大的發展，當時可生產400MPa以上的柱塞泵、1700MPa以上的增壓器和與之相配套的高壓管件。與此同時，高壓水射流清洗技術得到了推廣應用。

第三階段：20世紀70年代至20世紀80年代初，由于高壓水射流技術的突飛猛進，其應用領域由采礦、清洗發展到除銹、切割、拋光、噴丸等其它行業，大量利用高壓水射流技術的切割機、拋光機、清洗機相繼問世。

第四階段：20世紀80年代至20世紀90年代中，為提高高壓水射流的噴嘴出口壓力及拓展應用范圍，先后出現了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振蕩水射流技術，并研制成產出以高壓水射流為核心技術成套設備，如前混合磨料水射流切割機、高壓水射流鋼管內磨機等。

第五階段：20世紀90年代后機器人多維切割、井噴管口切割、干冰切割技術問世，更重要的是，此種方法能夠進行計算機控制，實現切割的智能化和精準化，滿足各種復雜的工況條件，實現了鈦合金、復合材料等的高效切割。此外高壓水射流技術在材料表面加工上的優勢凸顯，如水射流噴丸和水射流拋光等技術。

3 高壓水射流在機械制造行業中的應用

3.1 水射流切割技術

水射流切割的可能性來源于蘇聯，但第一項切割專利技術卻在美國產生[3]，即1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼 弗二茲博士獲得，并用于麥卡特尼制造公司，第一臺商用水射流切割裝置產生于1971年， 后來賣給田納西州阿爾頓紙箱公司紙管車間，用于切割12mm厚的家具用壓層紙管。1974年美國流體工業公司山售了第一套工業用水射流切割系統[4]，并于1983年率先研制成功磨料水射流切割技術及設備。目前已有3000多套水射流切割設備在數十個國家幾十個行業得到應用，尤其在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術領域更顯優勢。尤其新材料(如陶瓷、復合纖維材料)的發展促使了水射流技術和設備的不斷進步，已可切割500余種材料，其設備年增長率超過20%[5]。我國上世紀八十年代航空航天部引進了超高壓水射流設備，仿制與研究相結合，用于加工航空復合材料及鐵板等，上世紀八十年代后期和九十年代初國內自行研制成功了超高壓水射流切割系統。

超高壓水射流切割系統在切割過程中，水經增壓裝置加壓后在噴嘴處出口速度可達音速的2倍～3倍，可切割各種金屬材料、陶瓷、大理石等。與傳統金屬切割、火焰切割、線切割及等離子弧切割工藝相比，具有以下優點[6]：

(1) 高壓水射流切割效率高，切割材料范圍廣，可切割各種軟、硬、韌、脆性材料，如加配軟件可實現數控切割，切割精度高；

(2) 高壓水射流切割表面質量高，高壓水射流切割為無接觸的冷切割，被切割材料切口處組織結構性能不發生改變，切割表面光滑且切縫窄；

(3) 高壓水射流切割具有“冷、軟”加工特性，由于高壓水射流切割其切割介質為水，切割過程中無機械切削力，切割溫度低，無熱影響區和熱變形；

(4) 高壓水射流切割易于實現數字化控制，高壓水射流切割噴頭質量小，便于實現數字控制，且水射流切割是全方位點切割器，無預制孔，控制系統簡單，數控操作便利；

(5) 高壓水射流切割易于實現遠距離獨立操作，由于水射流切割最終執行機構是噴頭，可利用高壓管線與輔助設備相連，操作靈活；

(6) 可實現綠色無污染切割，由于高壓水射流切割介質為水，來源充足且對環境無污染、安全、綠色、環保。

正是由于高壓水射流切割具有以上優勢，目前其廣泛應用于航空航天、汽車制造、軍工、電子行業中，主要用于切割難加工材料、復合材料、層疊金屬等常規切割工藝無法實現材料，另外還應用于切割炸藥和廢舊核設施的拆除。

3.2 水射流清洗技術

高壓水射流清洗技術是20世紀70年代在高壓水射流技術上發展起來的一項新的清洗技術，是將攜帶高能的水射流噴射到被清洗物體基體上，使一種或多種材料(表層附著物)從另一種物體(基體)表面上脫離下來，完成清洗作業的技術。水射流清洗技術屬物理清洗方法，可去除用化學方法不能或難以清洗的特殊垢層，也可根據不同清洗對象和要求，采用不同的射流形式和執行機構，利用高壓水射流的沖擊動能，連續不斷地將污垢從基體表面剝離、切除，達到清洗基體的目的。主要用于水垢、塵垢、銹層、油垢、烴類殘渣、各種涂層、混凝土、結焦、樹脂層、顏料、橡膠、石膏、塑料、微生物污垢、高分子聚合物污垢等。

與傳統清洗方式相比其優勢為：

(1) 當選擇適當的水射流噴射壓力時，不會損傷被清洗基體；

(2) 由于所使用的介質為不添加任何化學物質的常溫水，被清洗基體不會產生腐蝕現象，清洗過后被清洗基體無需采用化學清洗后的二次清洗處理；

(3) 能清洗形狀和結構復雜的零件，由于水射流噴頭質量小，可實現機械化、自動化和智能控制，易于清洗異形件和復雜結構件；

(4) 清洗效果好、能耗比低、噪音小、不污染環境；

(5) 清洗速度比傳統的化學方法及機械方法高出5倍～10倍[7]；

(6) 可在狹窄空間、環境復雜、惡劣有害的場所方便地完成常規清洗難以完成的清洗作業，如較長管道的內壁清洗除垢，小口徑大容器的內部清洗以及有發生爆炸危險物的清洗等。

由于水射流清洗技術在工業清洗領域的獨特優勢，使其一經問世，便得到了高速發展，目前，在工業發達國家高壓水射流清洗已經成為主要清洗技術，在清洗業市場上占據了主要份額。如美國石化企業在換熱設備時，采用高壓水射流清洗的占 80%以上，而化學清洗的比例僅僅不足5%[1]，其在機械制造業中的應用主要有：機械加工設備及模具的清洗、發動機燃燒室殼體的清理、金屬構件除銹、各種管路的清洗、鑄件清砂、去毛刺及鋼廠除鱗等。

3.3 水射流拋光技術

拋光技術又稱鏡面加工，是制造平坦而且加工變形層很小、無表面擦痕的平面加工工藝，拋光不僅增加工件的美觀，而且能夠改善材料表面的耐腐蝕性、耐磨性及獲得特殊性能。傳統的拋光技術在拋光工具頭無法觸及的異形曲面、細長管件或者特殊材料的工件時，實行拋光加工的難度極大，甚至無法加工，水射流拋光技術便因此孕育而生。水射流拋光技術多見于磨料水射流，其基本工作原理是混有細小磨料顆粒的拋光液通過噴頭高速噴向工件表面，利用高速磨料顆粒的剪切作用，通過控制噴頭噴射時的噴射壓力、噴射角度、靶距及作用時間等工藝參數來完成工件表面的拋光。

與傳統拋光工藝相比，水射流拋光技術具有以下特點：

(1) 水射流拋光的磨具為液態磨具，不存在磨具磨損的問題，去除函數保持恒定，面形精度易于控制，可不破壞零件原有的尺寸精度，而達到較高的表面光度；

(2) 由于水射流拋光頭為液體住，容易對存在狹窄部位、深凹槽部位及特殊復雜表面進行拋光，拋光特性不受工件位置的影響，應用范圍較廣，既可用來加工金屬材料，也可以加工非金屬材料；

(3) 水射流拋光屬于冷加工范疇，加工時對材料無熱影響，拋光時無火花，工件不會產生熱變形和熱影響區，對拋光熱敏感材料尤為有利，同時由于在拋光過程中拋光液不斷循環流動，可自動清除加工下來的碎屑[8]；

(4) 拋光時噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛生，有利于環境保護和操作者的健康，拋光液基本不損耗，可重復使用，實現了綠色拋光；

(5) 拋光“磨具”為高速高壓液體，拋光過程中不會磨損，減少了磨具準備、刃磨等輔助時間，提高了拋光效率；

(6) 設備維護簡單，操作方便，可以靈活地選擇拋光起點和部位，易于實現光控、數控及機械手控制，容易實現對復雜形狀工件自動拋光，噴嘴與拋光表面無機械接觸，可實現高速拋光。

3.4 水射流噴丸強化技術

水射流噴丸強化技術是20世紀80年代末由Zafred提出，之后各國水射流學者便紛紛開始研究，其中美國、日本、俄羅斯在此領域研究尤為突出。我國對水射流噴丸強化技術研究起步較晚，主要以純水射流噴丸強化、前混合水射流噴丸強化，另有空化水射流口噴丸強化和后混合水射流噴丸強化，并以逐步形成體系。

高壓水射流噴丸強化的基本原理，就是將攜帶巨大能量的高壓水射流以特定方式高速噴射到金屬工件表面上，使表層金屬材料表層在再結晶溫度下產生塑性變形(冷作硬化層)，呈現理想的組織結構(組織強化)和殘余應力分布(應力強化)，從而有效控制了疲勞裂紋的萌生和擴展，達到提高金屬零部件周期疲勞強度的目的。

高壓水射流噴丸強化與傳統噴丸強化相比具有以下優勢[9]：

(1) 受噴表面粗糙度值增加很小，減少了應力集中現象，提高了強化增益效果；

(2) 容易對存在狹窄部位、深凹槽部位的金屬零部件表面及微小金屬零部件表面等進行噴丸強化；

(3) 噴頭體積小，反作用力小，移動方便，易于實現光控、數控及機械手控制，提高噴丸強化質量；

(4) 純水射流噴丸強化時，工作介質為水，無固體彈丸廢棄物，符合綠色材料選擇原則，同時，可以實現全覆蓋率，且不會由于固體彈丸的破損而降低強化表面的可靠性；

(5) 水介質和動力源來源廣泛，可實現全強度噴丸和同時加工幾個表面，比能耗和成本低、生產效率高；

(6) 整套噴丸裝置體積不大，可以裝在機動車上進行遠距離操作和外場作業；

(7) 噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛生，有利于環境保護和操作者的健康，實現綠色噴丸強化。

4 結語

高壓水射流技術正向著高效、多功能、智能化、精細化方向發展，研究和開發這項技術的前景十分廣闊。高壓水射流技術在機械制造業的應用領域還很多，新的應用手段也很多，如最近利用高壓水射流進行去毛刺、打孔、開槽、細微雕刻、清焊根及清除焊接缺陷等，這說明高壓水射流這項新技術在機械制造業具有廣闊的應用前景。

[1] 李震，李鋒，汪建新. 高壓水射流技術及應用[J]. 機械工程師，2009，(11)：33-36.

[2] 沈忠厚. 水射流理論與技術［M］.東營：石油大學出版社，1998. 1-2.

[3] Damon C. Schroter, Cutting with High Pressure Water-Jet and Abrasive; 27th InternationAabl rasives Symposium.

[4] John. Smith, Water-Jet, Abrasive Water-Jet and AbrasiveJ et MachininMg: aterial Machining Nontraditional Machining. Pp 518-526.

[5] 張運祺. 美國水射流切割技術[J]. 中國機械工程， 1992, (3)：13-15.

[6] 李連榮，唐焱. 磨料水射流切割技術綜述[J]. 煤礦機械，2008，29(9)：5-8.

[7] 莊靜偉，王強，史亮等. 高壓水射流的發展與應用[J].中國水運(學術版)，2007，(06)：124-125.

[8] 劉忠偉，鄧英劍.水噴射加工技術及其在機械領域中的應用[J].制造技術與機床，2004，(2)：37-40.

[9] 郭睿智. 后混合水射流噴丸強化及裝置設計研究 [D]：[碩士學位論文]. 哈爾濱：黑龍江科技學院，2010.

The Application of High Pressure Water-Jet Technology in Machinery Manufacture

Jin Xiaoming Guo Ruizhi
Center for Engineering Training and Basic Experimentation, Heilongjiag Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China

High pressure water-jet technologisy rapid rise technologay nd processI. t used high pressurea nd high speed water-jet or water abrasivej et for mechanicparl ocessings, uch as, cutting, washin g, polishings, hot peeninga nd surface materi al removal, etc. This paperi ntroducehsi gh pressure water-jet’s developmetnyt, pes and applicat ion status in the machinery manufacture.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.110

黑龍江省博士后基金項目(LBH-10242)

靳曉明（1984-），女，學士學位；研究方向：流體傳動及水射流技術。