高壓水射流技術(shù)及其在航空航天中的應(yīng)用研究

張艷 劉鵬 王洪倫

1，杭州市生產(chǎn)力促進(jìn)中心 ；2，杭州市人民防空辦公室 ；3，中國(guó)人民解放軍 63796部隊(duì)

高壓水射流技術(shù)及其在航空航天中的應(yīng)用研究

張艷1劉鵬2王洪倫3

1，杭州市生產(chǎn)力促進(jìn)中心 ；2，杭州市人民防空辦公室 ；3，中國(guó)人民解放軍 63796部隊(duì)

簡(jiǎn)要介紹了高壓水射流技術(shù)發(fā)展情況、目前工業(yè)上使用的高壓水射流方式和磨料高壓水射流系統(tǒng)的構(gòu)造，對(duì)高壓水射流技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，為航空航天材料例如合金材料、復(fù)合材料等的加工切割等提供了高效穩(wěn)定的作業(yè)方式。

高壓；水射流；磨料；航空航天

引言

高壓水射流是一項(xiàng)70年代興起，80年代末期應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝，是以射流為核心，集泵、閥、密封、液壓、自動(dòng)化控制為一體的綜合學(xué)科，主要以清洗、除銹、切割為目的，目前已應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各工業(yè)部門。近年來(lái)，人們通過(guò)大量的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，使射流性能得到很大的提高[1,2]。水射流技術(shù)先后出現(xiàn)了高頻沖擊射流、共振射流、磨料射流、空化射流、脈沖射流和自振射流等形式，這些射流水壓并不高，但威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續(xù)水射流。

1 目前工業(yè)上應(yīng)用的水射流方式

目前，空化射流、脈沖射流、自振射流等技術(shù)大都在試驗(yàn)階段。工業(yè)上應(yīng)用的主要是磨料水射流，特別是混合磨料水射流。根據(jù)加入磨料顆粒方式的不同，磨料水射流可分為后混合磨料水射流和前混合磨料水射流兩種[1]。

1.1 后混合磨料水射流。高壓水經(jīng)水噴嘴形成水射流后與磨料顆粒進(jìn)行混合，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 后混合磨料水射流系統(tǒng)示意圖

1.2 前混合磨料水射流。前混合磨料水射流與后混合磨料水射流不同之處是磨料顆粒與水流是在形成射流之前預(yù)先進(jìn)行混合的，其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 前混合磨料水射流系統(tǒng)示意圖

前混合磨料水射流與后混合磨料水射流混合方式相比，由于改變了磨料顆粒與水的混合機(jī)理，改善了磨料顆粒與水的混合效果，使磨料顆粒能進(jìn)入水射流的核心部位，在噴嘴出口處具有更大的速度，獲得較高的能量，因而提高了射流的切割性能。

2 高壓水射流系統(tǒng)的構(gòu)造

高壓水射流切割系統(tǒng)主要由高壓水發(fā)生裝置、磨料供給裝置、噴槍及工作臺(tái)裝置等組成[1]。

2.1 高壓水發(fā)生裝置。由高壓水泵、安全閥、調(diào)壓閥、自動(dòng)卸荷閥和電動(dòng)機(jī)（或汽油機(jī)）等組成，所有部件集成在一起。當(dāng)系統(tǒng)的壓力超出調(diào)定壓力時(shí)，卸荷閥自動(dòng)打開(kāi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸荷。

2.2 磨料供給系統(tǒng)。后混合磨料水射流供給系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，主要由磨料筒和磨料進(jìn)管組成。前混合水射流磨料供給系統(tǒng)由高壓磨料罐體、流化器、磨料截止閥、混合腔、節(jié)流閥等部件組成。

2.3 噴槍。后混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由磨料噴嘴和水噴嘴組成，磨料與水在噴嘴混合腔內(nèi)混合。前混合磨料水射流噴嘴為組合式結(jié)構(gòu)，由噴嘴體和噴嘴套組成。

2.4 工作臺(tái)裝置。采用交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)噴嘴組件(噴槍)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割。

3 高壓水射流技術(shù)在航空航天上的應(yīng)用研究

高壓水射流技術(shù)在航空航天上主要用于切割加工，具有以下特點(diǎn)[3,4]：切割材料不受限制；切割時(shí)不產(chǎn)生熱量，不變形，無(wú)熱效應(yīng)；可進(jìn)行任意曲線切割加工和打孔，不需要模具，靈活方便；切縫小，切割表面平整、不需或易于二次加工；不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，不會(huì)帶來(lái)新的工業(yè)污染。

在航空航天制造業(yè)上，人造衛(wèi)星、火箭及航天飛機(jī)等飛行器材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度好，同時(shí)要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。不僅材料的選擇重要，它們的切割加工同樣重要。

水射流技術(shù)在航空航天上主要應(yīng)用在有以下幾個(gè)方面：

3.1 金屬與合金材料的切割。目前，航空航天用金屬與合金材料包括結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、變形高溫合金、鑄造高溫合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金等[5-7]。這些材料，如果用機(jī)械切割或激光切割等方法加工就會(huì)產(chǎn)生熱量，引起材料受損或變形，進(jìn)而影響飛機(jī)、火箭等飛行器的強(qiáng)度。高壓水射流作為唯一的一種“冷切割”手段，不會(huì)產(chǎn)生熱量，非常適合這種材料的切割。據(jù)有關(guān)研究，后混合磨料水射流系統(tǒng)壓力達(dá)到300MPa時(shí)，就可以快速切割60mm厚的鈦合金或者80mm厚的不銹鋼。

3.2 復(fù)合材料的切割加工。復(fù)合材料由于密度低也被大量地用于航空航天器[8-11]。復(fù)合材料除具有比剛度大、比強(qiáng)度大、抗疲勞性能好等特點(diǎn)外，還具有另外一個(gè)顯著的特征，就是它具有可設(shè)計(jì)性和具有與結(jié)構(gòu)的一致性。但復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度較低，用普通刀具切割加工，經(jīng)常發(fā)生層間分層，邊緣部位粗糙等問(wèn)題。試驗(yàn)表明，高壓水射流用于切割碳纖維基等復(fù)合材料時(shí)，切割表面都比較光滑，不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。

3.3 有機(jī)非金屬材料的切割加工。塑料，橡膠，纖維等有機(jī)非金屬材料在航空制造業(yè)中應(yīng)用較多，在航天領(lǐng)域的火箭、航天器和地面設(shè)備上也廣泛應(yīng)用。磨料水射流在較低的壓力下就能達(dá)到良好的切割效果。

3.4 無(wú)機(jī)非金屬材料的切割加工。機(jī)窗玻璃、夾膠玻璃、金屬陶瓷等特種無(wú)機(jī)非金屬材料在航空航天制造業(yè)中也具有廣泛應(yīng)用。這些材料比較脆，普通切割不能達(dá)到很好的切割效果，而高壓水射流技術(shù)能很好地達(dá)到切割目的。

此外，用高壓水射流清洗的功能來(lái)除污除銹也開(kāi)始應(yīng)用到航空航天行業(yè)中。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓水射流技術(shù)近年來(lái)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，因?yàn)樗推渌庸ぜ夹g(shù)相比，具有操作簡(jiǎn)便、作業(yè)質(zhì)量高、材料利用率高、工作環(huán)境好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著水射流技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有越來(lái)越多的水射流作業(yè)形式應(yīng)用到航空航天行業(yè)，為我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.021