高压水射流技术在机械制造业的应用

靳晓明 郭睿智

黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨 150027

高压水射流技术在机械制造业的应用

靳晓明 郭睿智

黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨 150027

高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、新工艺，采用高压、高速水(纯水或带有磨料)进行机械加工，在纯水(或纯水和磨料)的作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高压水射流技术的发展、分类及在机械制造业中应用现状。

高压水射流；应用；发展

high pressure water jet; application; development

1 高压水射流技术的概念

自古以来，人们把水比做柔软的物质，而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射流。高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项新技术，是以水为介质，经高压发生装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等优点。目前，在机械制造业中高压水射流技术多见于切割、清洗、抛光及喷丸等领域。

2 高压水射流技术的发展

高压水射流技术这一概念发源于二十世纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初，美国、美国、英国、日本等国加大科研投入力度研究开发超高压水射流技术。历经多年科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯水射切割，切割能力受到很大的制约，其切割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡胶等软材质材料[1]。鉴于此，为提高高压水射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美国设计制造出了超高压磨料水射流切割机，随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料水射流切割机。这样高压水射流的应用范围从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功地应用到抛光砖的切割过程中。

回顾水射流技术的发展历程，大体上可以分为5个阶段［2］。

第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯水射流切割能力的限制，主要研究低压水射流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落煤。

第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得到了极大的发展，当时可生产400MPa以上的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之相配套的高压管件。与此同时，高压水射流清洗技术得到了推广应用。

第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问世。

第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及拓展应用范围，先后出现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荡水射流技术，并研制成产出以高压水射流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射流切割机、高压水射流钢管内磨机等。

第五阶段：20世纪90年代后机器人多维切割、井喷管口切割、干冰切割技术问世，更重要的是，此种方法能够进行计算机控制，实现切割的智能化和精准化，满足各种复杂的工况条件，实现了钛合金、复合材料等的高效切割。此外高压水射流技术在材料表面加工上的优势凸显，如水射流喷丸和水射流抛光等技术。

3 高压水射流在机械制造行业中的应用

3.1 水射流切割技术

水射流切割的可能性来源于苏联，但第一项切割专利技术却在美国产生[3]，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼 弗二兹博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一台商用水射流切割装置产生于1971年， 后来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间，用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974年美国流体工业公司山售了第一套工业用水射流切割系统[4]，并于1983年率先研制成功磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展促使了水射流技术和设备的不断进步，已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引进了超高压水射流设备，仿制与研究相结合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制成功了超高压水射流切割系统。

超高压水射流切割系统在切割过程中，水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有以下优点[6]：

(1) 高压水射流切割效率高，切割材料范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材料，如加配软件可实现数控切割，切割精度高；

(2) 高压水射流切割表面质量高，高压水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料切口处组织结构性能不发生改变，切割表面光滑且切缝窄；

(3) 高压水射流切割具有“冷、软”加工特性，由于高压水射流切割其切割介质为水，切割过程中无机械切削力，切割温度低，无热影响区和热变形；

(4) 高压水射流切割易于实现数字化控制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现数字控制，且水射流切割是全方位点切割器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便利；

(5) 高压水射流切割易于实现远距离独立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作灵活；

(6) 可实现绿色无污染切割，由于高压水射流切割介质为水，来源充足且对环境无污染、安全、绿色、环保。

正是由于高压水射流切割具有以上优势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制造、军工、电子行业中，主要用于切割难加工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和废旧核设施的拆除。

3.2 水射流清洗技术

高压水射流清洗技术是20世纪70年代在高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗物体基体上，使一种或多种材料(表层附着物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来，完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和要求，采用不同的射流形式和执行机构，利用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的目的。主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污垢、高分子聚合物污垢等。

与传统清洗方式相比其优势为：

(1) 当选择适当的水射流喷射压力时，不会损伤被清洗基体；

(2) 由于所使用的介质为不添加任何化学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清洗后的二次清洗处理；

(3) 能清洗形状和结构复杂的零件，由于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构件；

(4) 清洗效果好、能耗比低、噪音小、不污染环境；

(5) 清洗速度比传统的化学方法及机械方法高出5倍～10倍[7]；

(6) 可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物的清洗等。

由于水射流清洗技术在工业清洗领域的独特优势，使其一经问世，便得到了高速发展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占据了主要份额。如美国石化企业在换热设备时，采用高压水射流清洗的占 80%以上，而化学清洗的比例仅仅不足5%[1]，其在机械制造业中的应用主要有：机械加工设备及模具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去毛刺及钢厂除鳞等。

3.3 水射流抛光技术

抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数来完成工件表面的抛光。

与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术具有以下特点：

(1) 水射流抛光的磨具为液态磨具，不存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定，面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺寸精度，而达到较高的表面光度；

(2) 由于水射流抛光头为液体住，容易对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影响，应用范围较广，既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料；

(3) 水射流抛光属于冷加工范畴，加工时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑[8]；

(4) 抛光时噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用，实现了绿色抛光；

(5) 抛光“磨具”为高速高压液体，抛光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨等辅助时间，提高了抛光效率；

(6) 设备维护简单，操作方便，可以灵活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触，可实现高速抛光。

3.4 水射流喷丸强化技术

水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领域研究尤为突出。我国对水射流喷丸强化技术研究起步较晚，主要以纯水射流喷丸强化、前混合水射流喷丸强化，另有空化水射流口喷丸强化和后混合水射流喷丸强化，并以逐步形成体系。

高压水射流喷丸强化的基本原理，就是将携带巨大能量的高压水射流以特定方式高速喷射到金属工件表面上，使表层金属材料表层在再结晶温度下产生塑性变形(冷作硬化层)，呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化)，从而有效控制了疲劳裂纹的萌生和扩展，达到提高金属零部件周期疲劳强度的目的。

高压水射流喷丸强化与传统喷丸强化相比具有以下优势[9]：

(1) 受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中现象，提高了强化增益效果；

(2) 容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的金属零部件表面及微小金属零部件表面等进行喷丸强化；

(3) 喷头体积小，反作用力小，移动方便，易于实现光控、数控及机械手控制，提高喷丸强化质量；

(4) 纯水射流喷丸强化时，工作介质为水，无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，同时，可以实现全覆盖率，且不会由于固体弹丸的破损而降低强化表面的可靠性；

(5) 水介质和动力源来源广泛，可实现全强度喷丸和同时加工几个表面，比能耗和成本低、生产效率高；

(6) 整套喷丸装置体积不大，可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业；

(7) 噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，实现绿色喷丸强化。

4 结语

高压水射流技术正向着高效、多功能、智能化、精细化方向发展，研究和开发这项技术的前景十分广阔。高压水射流技术在机械制造业的应用领域还很多，新的应用手段也很多，如最近利用高压水射流进行去毛刺、打孔、开槽、细微雕刻、清焊根及清除焊接缺陷等，这说明高压水射流这项新技术在机械制造业具有广阔的应用前景。

[1] 李震，李锋，汪建新. 高压水射流技术及应用[J]. 机械工程师，2009，(11)：33-36.

[2] 沈忠厚. 水射流理论与技术［M］.东营：石油大学出版社，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] 张运祺. 美国水射流切割技术[J]. 中国机械工程， 1992, (3)：13-15.

[6] 李连荣，唐焱. 磨料水射流切割技术综述[J]. 煤矿机械，2008，29(9)：5-8.

[7] 庄静伟，王强，史亮等. 高压水射流的发展与应用[J].中国水运(学术版)，2007，(06)：124-125.

[8] 刘忠伟，邓英剑.水喷射加工技术及其在机械领域中的应用[J].制造技术与机床，2004，(2)：37-40.

[9] 郭睿智. 后混合水射流喷丸强化及装置设计研究 [D]：[硕士学位论文]. 哈尔滨：黑龙江科技学院，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

黑龙江省博士后基金项目(LBH-10242)

靳晓明（1984-），女，学士学位；研究方向：流体传动及水射流技术。