摘要 论述了高压水射流加工技术的起源、切割机理,并介绍了获得高压水射流的基本原理和应用范围。
关键词 高压 水射流 切割机理
1. 水射流加工技术起源
“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力,然而,作为一项独立而完整的加工技术,高压水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的产生却是最近三十年的事,利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右,用来开采金矿,剥落树皮,直到二战期间,飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代,高压水射流切割的可能性才源于苏联,但第一项切割技术专利却在美国产生,即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼·弗兰兹博士获得。在最近十多年里,水射流(WJ、AWJ)切割技术和设备有了长足进步,其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。许多大学、公司和工厂竞相研究开发,新思维、新理论、新技术不断涌现,形成了一种你追我赶的势头。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应用,尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料,其设备年增长率超过20%。
2.高压水射流加工系统构成与增压原理
高压水射流基本原理归之为:运用液体增压原理,通过特定的装置(增压口或高压泵),将动力源(电动机)的机械能转换成压力能,具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置),再将压力能转变成动能,从而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。
高压水射流系统见图1,主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。油压系统低压油(10~30MPa)推动大活塞往复来回移动,其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理,并加入防锈添加剂等,然后由供水泵打出低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分,增压器获得高压原理如图2所示,即利用大活塞与小活塞面积之差来实现,理论上:A大·P油=A小·P水, P出水=A大/A小·P油, 增压比即大活塞与小活塞面积之比,通常为10:1~25:1,由此,增压器输出高压水压力可达100MPa~750MPa。由于水在400Mpa时其压缩率达12%,因而活塞杆在走过其整个行程八分之一后才会有高压水输出。活塞到达行程终端时,换向阀自动使油路改变方向(图中虚线箭头所示),进而推动大活塞反向行进,此时高压水在另端输出。如果将此高压水直接送到喷嘴,那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的(图3中虚线),而且这对管路系统产生周期性振荡,为获得稳定的高压水射流,常在增压器和喷嘴回路之间设置一蓄能(恒压)器,消除水压脉动,达到恒压之目的,常能控制脉动量在5%之内(图3实线)。