水射流切割技術應用現狀與展望

景江明 舒正陽

摘要：水射流技術作為一種新興技術，近幾十年來發展迅猛并以良好的性能和特有的優勢受到行業廣泛關注和青睞。水射流加工是以水為介質通過高壓發生系統將其增壓，再通過換能元件噴嘴將壓力能轉換為動能產生高速高能強穿透力的射流打擊工件以達到加工的目的。本文論述了水射流切割技術發展現狀，以及探究了目前存在的問題，并展望了水射流技術的發展趨勢與應用前景，期望對進一步探索水射流的深層機理及擴展其應用范圍提供可借鑒的研究思路。

關鍵詞：水射流技術;切割;發展現狀;存在的問題;發展趨勢;應用前景

1. 水射流切割研究現狀

高壓水射流切割技術憑借清潔安全、高效、強勁等獨特優點在近些年來得到快速的發展和應用。水射流技術發展到今天已經過長足的發展和進步也日趨成熟化，如今水射流技術在采礦業、石油化工、機械制造業、汽車、航天業、軍工、電力電子、醫療、食品等行業被大量應用。本文通過研究水射流切割在各個領域的應用發展情況來介紹水射流切割技術發展現狀，下面是射流技術在各個領域目前使用情況。

在煤礦石化開采領域：水射流技術最早開始應用于煤礦開采領域，現如今該技術主要用于煤礦開采中的破巖鉆井、鉆孔、切割、防瓦斯爆炸等方面。水射流技術用于鉆井能有效提高鉆井效率并能夠充分清洗井底[1]。同時，將水射流用于煤礦鉆孔和切割能有效提高松軟煤層透氣性和瓦斯采集率。水射流技術用于防瓦斯爆炸方面有獨特優勢，傳統切割容易產生高溫和火化從而容易引起瓦斯爆炸，而水射流加工無高溫和火化產生從而有效的改善鉆井切割中引起的瓦斯爆炸[2]。李曉紅等[3]將高壓脈沖射流應用高瓦斯低透氣性煤礦，結果表明平均百米鉆孔煤層瓦斯抽放量較原有工藝提升了7.8倍。WANG等[4]利用空化射流聲振效應促進瓦斯解吸，實驗表明聲波振動效應對煤層氣解吸和最終甲烷解吸有明顯的加速作用。

在航天航空領域：水射流切割技術屬于冷切割加工，因此對材料切割時材料的機械與物理性能以及材質的晶間組織結構都不會變化[5]，更不會發生熱變化。正因其特性，使其既可以保證加工質量也能保證其經濟性。水射流射流切割技術在航天航空被大量使用，主要用于切割航天玻璃、碳纖維、鈦合金以及各種復合和特種材料。

在軍工領域消防領域的應用：軍事和消防是兩個特殊而危險性高的行業，由于水射流切割技術是一種冷切割技術，在廢舊彈藥的處理方面，高壓水射流在安全、綠色處理方面有著先天的優勢，被用來切割高溫、易燃易爆、地雷、核武等不能產生火花的地方。在高壓水射流的作用下炸藥能夠從彈殼中分離出來，與傳統的分離技術相比較水射流切割技術是一種更為有效安全的手段分離手段[6-7]。

在食品加工領域：使用冰粒作為磨料的水射流切割技術應用到食品加工中，有效的避免了傳統切割使用刀具容易產生交叉感染的問題[8]，同時也保證了食品的安全和品質。采用非接觸式高壓水射流切割用于農產品收割，實現對甘蔗莖稈的較遠距離切斷[9]。

在生物醫學領域：在醫學上，將純水射流作為手術刀，可進行多種外科手術，切除病體機體，不損傷血管與纖維，可大大降低手術中的出血量[10]。水射流技術在醫學上作為一種新型手術分離器械，與現有分離器械如：傳統手術刀、電刀、超聲刀及激光刀等器械相比，醫用水刀在臨床上具有高度精準靈活的組織選擇性、保護性、無熱損傷、無菌化、術中出血量少、創傷小等優點。合理設計的醫用水刀實現了低壓水射流時對傷口的沖洗，高壓水射流時對實質性組織進行切割的作用，有效解決了手術中頻繁換刀的麻煩[11-12]。

在復合材料加工領域：復合材料是指一種由兩種及以上材料通過復合工藝組合而成的具有新性能的材料，表現出各向異性的特點，具有廣泛的應用前景，但其加工一直是一項工程難題[13]。傳統加工方式加工復合材料易發生破碎和分層。而在水射流的切割加工下，其切割面質量較好，沒有分層現象[14]。此外，玻璃纖維增強塑料和芳綸纖維復合材料也是典型的難于切削加工的復合材料，磨料水射流單點冷態的加工優勢較好地解決了這些材料的加工問題[15-16]。

2. 水射流切割存在問題

經過這么多年的技術發展與沉淀，水射流技術切割技術得以很好的發展與應用，但還有許多制約其發展的瓶頸問題，需要繼續探索和提高。

（1）水泵關鍵技術的研究。水泵作水射流高壓發生系統中重要組成部分，高壓泵還存在潤滑磨損、泄露、超高壓密封問以及定性等題急需解決。

（2）噴嘴優化和材料問題，噴嘴作為水射流加工中重要的換能元件對整個系統有這至關重要的作用。目前噴組都有著耐磨性差使用壽命短等問題，需加大對噴嘴使用材料進行研究，以提高耐磨性噴嘴壽命。此外，對噴嘴的結構形狀和尺寸等參數進行優化對提高噴嘴效能有著重要的影響。

（3）智能化數字化，目前水射流切割技術還存在數字化智能化程度較低的問題。主要表現在整個系統中各個模塊數字化程度低內聯相關性較低，自我檢測能力不強，不能自我調整加工出現的問題和工藝參數參數不能在加工中自適應調整。

（4）參數庫不健全，弄清楚射流各個單一參數和各參數相互作用對射流結構的控制作用和射流切割的微觀和宏觀過程是獲得理想的切割效果重要一環。理論和實驗相結合得到數據建立切割數據庫，實現在加工時只需輸入材料的特性就可以自動匹配合適的切割參數便可以達到最佳切割效果。

3. 水射流切割發展前景展望

21世紀以來高壓水射流技術進入了創新應用階段，作為一項高效的應用技術，水射流切割技術在以應用領域和其他還未應用諸多領域仍有著十分廣闊的發展空間。以下是對水射流切割技術發展趨勢的展望。

（1）提高系統的可靠性能，目前水射流技術正朝著在高壓和超高壓水射發展，提對高壓泵設計，高壓軟管，噴嘴的耗損度也急劇升高，壓力脈動也特別明顯，系統的可靠性在于液壓零部件合理上的設計和材料領域的突破。

（2）提高精度，水射流技術加工目前還處于粗加工和半精加工，其精度還不夠。精準模型建立和精確誤差補償是提高水射流加工精度的有效方式。加工將不再僅憑借傳統的加工經驗和簡單的模型，而是結合計算機技術在建立精確模型基礎上，在利用神經網絡及模糊控制技術，進行全自動化加工。對于加工中出現各種復雜加工情況，計算機將根據系統算法找到相對應的加工參數實現加工。

（3）發展智能化控制，隨著水射流技術的發展，對高精幅度形狀復雜化加工是水射流發展的重方向。隨著人工智能學科的發展，引領水射流技術向著智能化與自動化控制發展，實現多軸（5軸以上）水射流大量設計生產應用，促進高精尖水射流加工機床的發展進步。實現從二維到三維的大量轉變，以及從加工從簡單到復雜，從粗糙到精確加工發展。

（4）與其他技術綜合應用，將其他加工技術如激光、超聲波、電解加工等加工技術與水射流技術進行有機結合，兩者加工優勢加大程度相結合將顯著提高水射流技術的應用范圍和加工效率。

參考文獻

[1]光新軍，王敏生，皮光林.超高壓水射流鉆井技術現狀及發展建議[J].鉆采工藝，2017，40（01）：37-40+7

[2]王暉.自振脈沖磨料水射流安全切割實驗及應用研究[D].中國礦業大學（北京），2012

[3]李曉紅，盧義玉，趙瑜，康勇，周東平.高壓脈沖水射流提高松軟煤層透氣性的研究[J].煤炭學報，2008，33（12）：1386-1390

[4]Haiyang Wang，Binwei Xia，Yiyu Lu，Zhaolong Ge，Jiren Tang. Experimental study on sonic vibrating effects of cavitation water jets and its promotion effects on coalbed methane desorption[J]. Fuel，2016，185.

[5]程效銳，張舒研，馬亮亮，羅鈺銅.高壓水射流技術的應用現狀與發展前景[J].液壓氣動與密封，2019，39（08）：1-6.

[6]伍凌川，雷林，張博，韓智鵬.廢舊彈箭高壓水射流處理技術國外應用現狀[J].兵工自動化，2016，35（10）：77-79

[7]鐘樹良，李振泉，柏平，黃交虎.水射流切割炸藥的安全性及試驗研究[J].四川兵工學報，2006（03）：44-46

[8]J.A. McGeough. Cutting of Food Products by Ice-particles in a Water-jet[J]. Procedia CIRP，2016，42

[9]Somjet Thanomputra，Thanya Kiatiwat. Simulation study of cutting sugarcane using fine sand abrasive waterjet[J]. Agriculture and Natural Resources，2016，50（2）.

[10]Somjet Thanomputra，Thanya Kiatiwat. Simulation study of cutting sugarcane using fine sand abrasive waterjet[J]. Agriculture and Natural Resources，2016，50（2）.

[11]Gert Kraaij，Gabrielle J.M. Tuijthof，Jenny Dankelman，Rob G.H.H. Nelissen，Edward R. Valstar. Waterjet cutting of periprosthetic interface tissue in loosened hip prostheses： An in vitro feasibility study[J]. Medical Engineering and Physics，2015，37（2）

[12]宋軍，張西正，侍才洪，張坤亮.新型醫用水刀的結構設計[J].機械設計與制造，2013（07）：74-76

[13]薛勝雄，孟俊坤，任啟樂，韓彩紅，陳正文，李岳峰.大尺度曲面復合材料水切割的工況與機構研究[J].流體機械，2016，44（12）：25-28+45

[14]王偉.高壓磨料水射流切割碳纖維復合材料的試驗研究[D].哈爾濱理工大學，2015

[15]王軍，范運杰，趙連松，徐幸.高壓磨料水射流切割玻璃纖維增強塑料的試驗研究[J].制造技術與機床，2016（10）：43-48.

[16]石文天，劉玉德，張永安，張加波，劉漢良.芳綸纖維復合材料切削加工研究進展[J].表面技術，2016，45（01）：28-35.

作者簡介

景江明（1994年9月9日），男、四川省巴中人、研究生、西華大學、研究方向：水射流加工技術。