水射流

水滴石穿”的实质是微小的冲量对时间的积分。高压水射流加工技术正是利用相

同的原理，把动量加大，缩短时间，达到断石、断铁、切割的目的。人们在很早的时间

就开始利用很高压力的水进行材料的加工和切割。1870年前后，美国在加利福尼亚的金

矿中用增压后的水流开采矿石，俄国人也曾用水采煤。在上世纪60年代，密苏里大学

林业系的诺曼·弗朗兹教授发明了高压水射流的切割实验装置。该装置的核心是一个单

缸增压器，压力可以达到344.7MPa(s000opsi)，用这样的高压水可以来切割木材。这

一装置引起包括著名的依格所尔公司在内的许多压力设备制造商和研究单位的兴趣。

1971年第一台商用水切割试验机在杰克逊的阿尔顿纸品公司投入应用，用于切割层压纸

管，其厚度达到12.7mln()，并且可以在纸管上切出各种形状。高压水切割技术的

真正的商品化应用是上世纪80年代初洛克韦尔飞机公司用水切割机来切割BI轰炸机的

钦合金零件，可以节约成本50%。目前许多国外的公司用高压水切割各种材料，甚至用

于军舰制造。

高压水除用于切割之外，还可用于除锈、清洗，以及建筑与道路施工等方面，涉及

到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业。

1987年洛克希德航空系统公司开发了四轴水切割机器人，用于石墨增强树脂、钦合

金板材以及薄壁大口径管材的切割。依格所尔公司的水切割系统与ASES的机器人组合

成汽车工业机器人，在瑞典得到应用，切割汽车车头的衬里、门板和地毯。在军工上，

美国人应用高压水切割军舰用异型橡胶零件，以及潜艇外贴降噪橡胶层。

高压水射流技术在国内的应用开始于上世纪80年代，并随着国际上水射流理论的

成熟和成功的商业化，国内对这项技术的认识也不断地加深，很多的专家学者〔52]，对此

开展了大量的研究和探讨，把国内的高压水射流切割技术不断推进。新型射流的应用和

研究得到很快的发展，在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极

为迅速的推广。

2高压水射流切割工艺的特点及应用

高压水射流切割技术之所以能够迅速地在实践中得到应用和关注，是与其具备鲜明

的技术特点，能够满足日益增长社会生产的需求分不开的。

水射流加工是一种现代的有别于传统的加工方式。有两种类型:纯水射流(，厄terjet)

和磨料水射流(Abrasive研/aterjet)。水射流从切割纸板开始，到今天能广泛地应用于各

种软硬材料，包括纸、食物、玻璃纤维、绝缘材料、塑料和复合材料。在WJ的切割过

程中，切割是超声速的冲蚀过程。WJ与AWJ的主要区别在于提高切割能力的一种磨料

介质。

在高科技日益发展的社会中，只有创新才会发展。高压水射流切割技术开拓了一个

大连理工大学硕卜学位论文

新的特种加工领域，可以轻松应对那些新奇的因为热影响和机械性能约束而不能切割的

材料。AWJ磨料水射流可以广泛地应用于材料的加工，如:钦金属、钢、铜、铝、石材、

玻璃和其他复合材料。AWJ还可以弥补其他加工方法的不足。使用AWJ预开孔可以提

高EDM(放电加工)的性能，其可以扩展EDM和激光加工对某些惰性和非传导材料的

加工能力。由于AWJ的反冲力较小，因此对易碎脆性材料的AWJ加工不必担心变形和

破碎。

高压水射流既不同于传统加工的铣、刨、磨、削，也有别于一般的剪切和冲裁。它

属于高能切割。高压水射流切割就是把高压水射流的动能作为切割能，对材料进行冲蚀

和挤压、破坏，以达到切割的目的的一种新工艺。图1一2是高压水射流的工作示意图。

水射流切割机包括四个基本组成部分:压力发生装置提供切割动能，如:高强度的加压

泵、蓄能器:水供给装置，如过滤器、输送管线;切割装置，如:控制阀门、喷嘴等;

回收装置等。有的还具备精确控制装置;磨料供给装置等。具体结构将在以后详细阐述。

人连理工人学硕L学位论文

器运行时发生不正常磨损，影响使用寿命。特别是有些机械零件上的深小孔内壁毛刺难

以去除。目前国内外先后研制了超声波、电解、氢氧爆炸、流体塑料冷挤压等多种工艺

和设备，但去除效果不甚理想，成本也较高。自从200MPa以上压力的超高水射流设

备研制成功后，为解决小孔去除毛刺的问题开辟了新的途径。

随着水射流技术的不断发展，这项技术的理论研究也逐渐深入。人们首先认识到射

流必须具备一定的压力，即要超过被加工材料的门限压力(thresholdpressure)，另外，

AWJ加工误差取决与一系列参数，从磨料供给量到工件的厚度。切割的质量在采矿、碎

石等应用上没有足够的重视。随着其他精确切割方式的采用，切割质量的要求和切割能

力、效率上都需要不断地发展、进步。

于是，水射流技术也出现新的动向。即从单纯提高水射流的射流压力转向研究提高

水射流的总体冲击效果(如冲蚀量、射流打击能量等)，从而相继出现了新型射流，脉

冲射流、空化射流，提高对被加工工件的刮削、冲蚀和挤压，以提高水射流的切割能力。

然而，高压水射流系统仍不是尽善尽美的，还存在如下的缺点:

1、高硬度的材料，诸如钢、金属陶瓷、高强度复合材料、坚硬的岩石纯水射流不

能切割;而磨料水射流存在喷嘴磨损和切割成本大的问题。

2、高压水射流的设备成本比其他切割方法高。

3、在一些应用中，与激光切割、等离子弧切割、线电极电火花切割等方法比较，

存在进给速率低、加工精度差等不足。

4、在切割过程中，影响切割质量的参数多，条件复杂，有时切割导致断面分层和

条纹。

表1一1表示出水射流切割金属材料的某些特点和与其他切割法的比较。

3国内外高压水射流技术的发展

高压水射流(High一Pressurewate6ets)己经被工业领域看作标准的切割工具。许

多非金属材料都可以采用水射流迅速而有效地切割。在造纸、服装、建材、塑料、玻璃

纤维和中等硬度岩石采矿都使用水射流切割。它的巨大潜力和前景一经发现，就引起各

国的高度重视。工业发达国家不惜投入巨额资金，资助开发这项技术。目前，在美国、

日本、英国成立射流行业协会，定期举办国际交流，出版刊物，制定标准，积极促进这

项技术的标准化。中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会秘书处设立在石油

大学。

目前，世界上的水射流技术组织有:英国流体技术研究协会(BHRG);日本水射流

协会(ISWJT);美国水射流技术协会(WJI’A)等行业组织;主办刊物有JetNewS，

IntemationalJoumalofWaterJetTeehnology等。许多有关水射流技术的手册，技术资料、

数据库和标准不断完善。国际上还举办了二十几次的国际射流学术会议，为国际间对射

流技术的交流和发展创造了机会。其中著名的交流活动有:

(l)国际水射流切割技术会议

1972年召开第一次会议，主办者是英国流体技术研究协会(BHRG)。

(2)美国水射流会议

绪论

4、便于实现一机多能和自动化、数控化。高压水射流是全方位点切割器，无硕万

孔，可以在任意点切割，切出任何复杂的形状。因此对程序化和数控操作十分

便利。另外采用CAM或CAD控制加工，可以达到高精度，重复加工能力强。

5、优化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精确控制，因此样板可以嵌套

或者相切排列，充分利用每一块材料，减少废料。

6、高压水射流还具有不产生粉尘，环保;切口质量好、切割速度快，没有火灾危

险等优点。在切割过程中，完全可以作为某些工件的最终工序。

7、应用灵活、适用广泛，也是高压水射流的特点之一。高压水射流的最终执行机

构是切割头，其余均为辅助单元。因此，利用高压软管将切割头和辅助设备分

开，可以远距离、独立、灵活地使用。国外商业应用中已经有缘壁切割机、机

器人除锈、清洗等设备，从高空到水下都可以应用。另外，高压水射流可以根

据切割材料的硬度调整压力，把血管和病变组织分离，因此在医疗手术上也有

应用。

正是由于高压水射流具有以上这些特点，近几年来，该项技术得到迅速的发展。在

非金属材料切割(各种矿石、混凝土、橡胶、皮革、布、陶瓷材料和现代复合材料等)

和金属材料的切割(钢、铝、铜、钦等)，水力采矿、除垢等领域得到应用。国外广告

资料上说使用者在应用水射流技术唯一受限制的是他们的想象力。

在现代科学技术迅猛发展的今天，高压水射流技术作为一门集流体力学、机械制造、

自动化控制为一体的新兴综合学科在国内外迅速崛起，其应用领域不断扩展，从一般机

械零件、建筑物的清洗到以管道、容器为主的工业清洗，从机场跑道除胶到船舶除锈，

从金属、非金属材料常规切割到曲面、异型材料仿形切割，从水力采煤到开采岩石，从

喷射注浆到破碎路面，从无刀手术到水幕电影等等，林林总总，不一而足。

1、工业清洗和建筑物清洗应用各种工业设备在日常运行中，由于温度、压力、

介质的物理化学作用，常常会在设备内部产生高温聚合物，结焦、水垢、油垢、沉积物、

腐蚀物等污垢，使设备效率下降，能耗物耗增加，工艺流程中断，装置失效，甚至导致

恶性事故发生。所以工业设备一般采取定期清洗的方式来恢复正常生产或恢复原有生产

效率。通常采用人工清洗、化学清洗及气体喷砂等方法，但人工清洗的清洗质量差、速

度慢、劳动强度大;化学清洗对设备有一定的腐蚀作用，废液难以回收，污染环境，且

对某些污垢作用不大;气体喷砂只能适用于设备表面污垢，噪声粉尘较大。后来发展起

来的超声波清洗虽也得到推广应用，但应用范围只能对小型物件进行清洗，难以适用于

大型设备的清洗。应用高压水射流清洗方法，是对工业清洗方法的一项重大改革，由于

其通用性、快速高效的清洗能力、成本低、无污染等特点，可以广泛应用于石油、化工、

电力、船舶、民航、水利、核电、建筑等工业部门。

随着我国城市建设的日益现代化，城市中高楼大厦林立，各类大型建筑物拔地而起，

也带来了许多建筑物外墙的清洗问题。应用高压水射流清洗技术，就可使“蓬头垢面”

的建筑物不必重新装饰而重现光彩，清洗效果大大改善，整修成本大大降低。

2、切割技术应用目前世界上主要应用领域在航空、航天工业，用于切割先进的

复合材料结构、蜂窝夹层结构、耐热合金和机翼零件等。在汽车制造业用于复合材料的

切割、飞边的切除、成型、清洗等。兵器工业上用于火药的修整、弹体的分解等。

3、机械零件小孔去除毛刺:机械零件在加工中产生的毛刺不仅影响外观，而且在机

高压水射流己经在工业上得到广泛的应用，与其他诸如机械切割、火焰切割、激光

切割、等离子切割相比，高压水射流切割具有独特的优点。

1、加工能力强，可以加工不同材质的工件;硬质材料的加工厚度达6’‘;可以加工

某些难以用传统加工方法切割的材料。

2、不产生热变形和金相组织变化。由于水本身就是切割工具和最佳冷却液，因此

切割过程中所产生的热量绝大部分被迅速带走，不会造成零件切口附近的烧蚀、

熔瘤、氧化和金相组织变化，因而避免了零件的热变形和零件材料的热损失，

可以减少零件的后继工序的加工量。因此，可以有效地进行热敏材料、易燃易

爆材料和易变形材料的切割。

3、不会产生附加应力变形。由于水射流属于点切割，无接触切割，尤其是沿进给

方向和侧向，切割反作用力小，从而避免了零件由于附加应力而产生的变形。

对于薄壁零件的切割十分有利。

绪论

由美国水射流技术协会主办，1981年起每两年召开一次，是国际上规模较大的水射

流技术会议。

(3)环太平洋地区水射流技术国际会议

第一届在北京举行，会议由中国、日本及国际水射流技术协会主办。每三年召开一

次。

(4)日本水射流会议

由日本水射流协会主办。会议内容丰富并具有实用意义。我国学者经常提交论文并

参加。

绪论

了获得某些特殊的性能，制造了它们。这些材料不但难于加工且不易分离。高压水射流

技术满足并适应这些需要，灵活和冷切割的特性能够充分、有效地加工那些复合材料甚

至是多层复合材料。

虽然水射流在切割上得到很大的重视，但人们更多的关注其冷切割的特点以及在最

大切深方面的研究。实际上，水射流在精细切割和快速高质量的切割方面仍然存在一定

的问题。水射流只能应用于薄的构件精确切割和一些质量要求不高的，粗糙的工作，如

清洗、采矿等。然而，日益发展的社会，需要更先进的生产力，这就迫切要求我们加大

科技投入，把更先进、成本更低、实用性强的成果提供给社会。

目前，国内的水射流技术虽然己经起步，但在切割机理上研究不透彻，实际应用上

多为试验性，先进性不足，还不能形成高效的生产力，这也是水射流技术在国内发展空

间小的原因。本文结合前人的研究成果，从基本的射流切割过程微观研究入手，对于切

害」面质量的控制机理详细地研究，以能量守恒方法建立切割模型，并着重讨论了切割模

型对加工质量的影响，并初步讨论了水射流在3D切割的实际应用的可能性。

上世纪70年代，高压柱塞泵和增压器的诞生，大大促进了高压水射流技术的研究

和发展。现在国际上已经能够生产450MPa的柱塞泵和1100MPa的增压器。

另外，社会的需求永远是开发科研的推动力。水射流的商业化应用越来越广泛。目

前，从事射流行业的主要的大公司有:AeeurationSystemsIne.;AmericanClimflexCrop;

Aramstrong一BlumMgfCo.:AaRoboties:SeikoInstrulnents;FlowSystern:

Ingersoll一Land;RajaxSystems;JetEdgeCroP;PowerJetIne;ThermwoodCroP;

Heekler;Koch等。其中FlowSystems公司自从1974年以来已经销售3000多台套高压

水射流切割系统，占全球的销量80%，取得较好的经济效益和社会效益。

目前从事水射流加工技术研究和应用的国家己超过四十个:主要有美国、俄罗斯、

日本、德国、瑞士、英国、法国、加拿大、澳大利亚、印度、韩国、新加坡等国。

我国高压水射流技术的研究和应用，通过几年来的发展，取得了许多令人瞩目的成

绩。

国内的大连理工大学、石油大学、中国矿业大学、南京理工大学等几所大学和机械

部济南铸造锻压机械研究所、机械部通用机械研究所、航空工艺研究所等研究机构，先

后开展了水射流加工技术的研究。通过全国性学术交流和许多学者的努力，我国的水射

流理论水平也不断提高。在很多国际水射流会议上，都有中国学者参加提交论文。1981

年我国举办第一次全国高压水射流技术讨论会，以后每两年举办一次。但目前我国水射

流交流活动，无论从规模、内容、收录的论文，以及国外学者参加的人数上与日本、美

国相比有很大的差距。

我国的水射流技术起步于上世纪50年代，主要用于采矿业。到1980年以后，开始

引进超高压水射流设备，进行仿制和自主的研究开发，用于航空复合材料的切割。同时，

在船舶工业，水射流主要用于清洗、除锈。1993年我国正式推出第一台国产高压(最大

压力392MPa)磨料水射流切割设备。自上世纪90年代开始，我国的高压水射流设备发

展很快，从小功率到大功率、从单机到成套设备、从高压到超高压，从通用设备到专用

设备，新产品不断开发，促进了高压水射流技术在国内的应用。

但是应当看到我们在产品化、商品化方面还很薄弱。在关键技术上还存在如下的问

题:

1、机理研究不够深入，创新不足。

2、超高压动密封、进出水阀组和控制阀和喷嘴的使用寿命问题。

3、超高压软管的研制。

4、国外的水射流切割技术已经向智能化发展。在数控切割平台CNC程序设计、三

维仿型切割、六轴机器人等技术上与世界领先技术存在差距。

5、理论创新能力不足。

我国目前的水射流切割技术应用还不是很广泛，并未引起应有的重视，这也是推广

和提高的障碍。

4本文的研究背景

目前，世界上有超过50，000种的材料。这其中有不少是人造材料。材料科学家为

高压水射流切割系统简介

料己经被分别加压后在喷嘴前的混合室内混合，也称挟带式水射流。切割用压力一般在

100一40OMPa之间。

人连理工人学顿卜学位论文

2高压水射流切割系统简介

2

.

1高压水射流切割系统基本原理

高压水射流切割是一种特殊的加工方法。它利用增压器将水加压，达到10MPa一400

MPa甚至更高的压力。水获得压力能，再从细小的喷嘴喷射而出，将压力能转换为动能，

从而形成高速射流。切割正是利用这种高速射流的动能对工件的冲击破坏作用，达到切

断、成形的目的。

2

.

2高压水射流切割系统分类

高压水射流切割法按照所采用的介质不同可以分为纯水射流切割和磨料水射流切

害」两种基本类型。随着科技的发展，目前还有一些新形式的射流正在被开发和研究，不

断提高水射流切割的能力。诸如，空化射流、添加剂射流等。

纯水射流切割形式因介质仅为洁净水，其加工能力低，仅能切割一些薄的工件。但

是，它设备相对简单，设备磨损和辅材消耗少，使用成本低廉。

磨料水射流切割因在水中添加了磨料，提高了水射流的冲击、破坏作用，切割能力

相比纯水射流有较大的提高。但是，它的缺点是设备复杂、设备磨损和辅材消耗大，成

本较高。

磨料水射流又按照添加磨料的形式分为前混合式和后混合式两种。

纯水射流

传统射流{前混合式磨料水射流磨料水射流{后混合式磨料水射流

新型射流脉冲射流、空化射流、添加添加剂射流等

‘l|、i

流射水压高

2

.

2.1前混合式磨料水射流

前混合式磨料水射流的原理如图2一1所示。水和磨料预先加在储存罐里进行混合，

然后把混合好的浆液用管线直接送至喷嘴喷射切割。这种方式的使用压力相对较低，通

常在20一100MPa之间。由于压力较低，可以用柔性管道输送液浆到喷嘴，实施远距离

切割。

2

.

2

.

2后混合式磨料水射流

后混合式磨料水射流的原理如图2一2所示。与前混合式磨料水射流不同的是水和磨