靳曉明 郭睿智

黑龍江科技學(xué)院工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江 哈爾濱 150027

高壓水射流技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用

靳曉明 郭睿智

黑龍江科技學(xué)院工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江 哈爾濱 150027

高壓水射流技術(shù)是一項(xiàng)迅速崛起的新技術(shù)、新工藝，采用高壓、高速水(純水或帶有磨料)進(jìn)行機(jī)械加工，在純水(或純水和磨料)的作下可進(jìn)行切割、清洗、拋光、噴丸、或表面材料去除等機(jī)械加工。本文主要介紹了高壓水射流技術(shù)的發(fā)展、分類及在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)狀。

高壓水射流；應(yīng)用；發(fā)展

high pressure water jet; application; development

1 高壓水射流技術(shù)的概念

自古以來，人們把水比做柔軟的物質(zhì)，而大雨過后田地間由雨水沖擊山的水溝，河道山口久而久之便沖積成了三角洲，由河水長期沖擊，形成的鵝卵石等現(xiàn)象使人們認(rèn)識到水流能使材料破裂、流動、去除、拋光等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們賦予比雨水和河水更為強(qiáng)大的沖擊力使持之以恒才能觀察到的現(xiàn)象在瞬間便可完成，這便是水射流。高壓水射流技術(shù)是近幾十年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是以水為介質(zhì)，經(jīng)高壓發(fā)生裝置使水獲得巨大的動能，通過特定形狀的噴嘴噴射出具有極高能級密度的射流。具有清潔、無熱效應(yīng)、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，在機(jī)械制造業(yè)中高壓水射流技術(shù)多見于切割、清洗、拋光及噴丸等領(lǐng)域。

2 高壓水射流技術(shù)的發(fā)展

高壓水射流技術(shù)這一概念發(fā)源于二十世紀(jì)五十年代的前蘇聯(lián)，到20世紀(jì)60年代初，美國、美國、英國、日本等國加大科研投入力度研究開發(fā)超高壓水射流技術(shù)。歷經(jīng)多年科研攻關(guān)，1971年美國設(shè)計(jì)制造出了世界上第一臺超高壓純水射流切割機(jī)，由于采用純水射切割，切割能力受到很大的制約，其切割范圍僅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡膠等軟材質(zhì)材料[1]。鑒于此，為提高高壓水射流的切割能力、擴(kuò)展應(yīng)用范圍，1982年美國設(shè)計(jì)制造出了超高壓磨料水射流切割機(jī)，隨后英國和意大利等國也相繼制造出了磨料水射流切割機(jī)。這樣高壓水射流的應(yīng)用范圍從先前的軟質(zhì)材料切割拓展到了各種硬質(zhì)材料，如各種金屬、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、大理石及花崗巖等幾乎所有材料，并且成功地應(yīng)用到拋光磚的切割過程中。

回顧水射流技術(shù)的發(fā)展歷程，大體上可以分為5個階段［2］。

第一階段：20世紀(jì)60年代初，受當(dāng)時(shí)純水射流切割能力的限制，主要研究低壓水射流采礦。60年代初，我國和前蘇聯(lián)將其應(yīng)用于水力采煤，其中我國在開灤唐家莊礦成功地運(yùn)用水射流的沖擊和輸送作用進(jìn)行水槍落煤。

第二階段：20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)70年代初，高壓泵、增壓器和高壓管件的研制得到了極大的發(fā)展，當(dāng)時(shí)可生產(chǎn)400MPa以上的柱塞泵、1700MPa以上的增壓器和與之相配套的高壓管件。與此同時(shí)，高壓水射流清洗技術(shù)得到了推廣應(yīng)用。

第三階段：20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)80年代初，由于高壓水射流技術(shù)的突飛猛進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域由采礦、清洗發(fā)展到除銹、切割、拋光、噴丸等其它行業(yè)，大量利用高壓水射流技術(shù)的切割機(jī)、拋光機(jī)、清洗機(jī)相繼問世。

第四階段：20世紀(jì)80年代至20世紀(jì)90年代中，為提高高壓水射流的噴嘴出口壓力及拓展應(yīng)用范圍，先后出現(xiàn)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蕩水射流技術(shù)，并研制成產(chǎn)出以高壓水射流為核心技術(shù)成套設(shè)備，如前混合磨料水射流切割機(jī)、高壓水射流鋼管內(nèi)磨機(jī)等。

第五階段：20世紀(jì)90年代后機(jī)器人多維切割、井噴管口切割、干冰切割技術(shù)問世，更重要的是，此種方法能夠進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)切割的智能化和精準(zhǔn)化，滿足各種復(fù)雜的工況條件，實(shí)現(xiàn)了鈦合金、復(fù)合材料等的高效切割。此外高壓水射流技術(shù)在材料表面加工上的優(yōu)勢凸顯，如水射流噴丸和水射流拋光等技術(shù)。

3 高壓水射流在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 水射流切割技術(shù)

水射流切割的可能性來源于蘇聯(lián)，但第一項(xiàng)切割專利技術(shù)卻在美國產(chǎn)生[3]，即1968年由美國密蘇里大學(xué)林學(xué)教授諾曼 弗二茲博士獲得，并用于麥卡特尼制造公司，第一臺商用水射流切割裝置產(chǎn)生于1971年， 后來賣給田納西州阿爾頓紙箱公司紙管車間，用于切割12mm厚的家具用壓層紙管。1974年美國流體工業(yè)公司山售了第一套工業(yè)用水射流切割系統(tǒng)[4]，并于1983年率先研制成功磨料水射流切割技術(shù)及設(shè)備。目前已有3000多套水射流切割設(shè)備在數(shù)十個國家?guī)资畟€行業(yè)得到應(yīng)用，尤其在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術(shù)領(lǐng)域更顯優(yōu)勢。尤其新材料(如陶瓷、復(fù)合纖維材料)的發(fā)展促使了水射流技術(shù)和設(shè)備的不斷進(jìn)步，已可切割500余種材料，其設(shè)備年增長率超過20%[5]。我國上世紀(jì)八十年代航空航天部引進(jìn)了超高壓水射流設(shè)備，仿制與研究相結(jié)合，用于加工航空復(fù)合材料及鐵板等，上世紀(jì)八十年代后期和九十年代初國內(nèi)自行研制成功了超高壓水射流切割系統(tǒng)。

超高壓水射流切割系統(tǒng)在切割過程中，水經(jīng)增壓裝置加壓后在噴嘴處出口速度可達(dá)音速的2倍～3倍，可切割各種金屬材料、陶瓷、大理石等。與傳統(tǒng)金屬切割、火焰切割、線切割及等離子弧切割工藝相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：

(1) 高壓水射流切割效率高，切割材料范圍廣，可切割各種軟、硬、韌、脆性材料，如加配軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)控切割，切割精度高；

(2) 高壓水射流切割表面質(zhì)量高，高壓水射流切割為無接觸的冷切割，被切割材料切口處組織結(jié)構(gòu)性能不發(fā)生改變，切割表面光滑且切縫窄；

(3) 高壓水射流切割具有“冷、軟”加工特性，由于高壓水射流切割其切割介質(zhì)為水，切割過程中無機(jī)械切削力，切割溫度低，無熱影響區(qū)和熱變形；

(4) 高壓水射流切割易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，高壓水射流切割噴頭質(zhì)量小，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，且水射流切割是全方位點(diǎn)切割器，無預(yù)制孔，控制系統(tǒng)簡單，數(shù)控操作便利；

(5) 高壓水射流切割易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離獨(dú)立操作，由于水射流切割最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)是噴頭，可利用高壓管線與輔助設(shè)備相連，操作靈活；

(6) 可實(shí)現(xiàn)綠色無污染切割，由于高壓水射流切割介質(zhì)為水，來源充足且對環(huán)境無污染、安全、綠色、環(huán)保。

正是由于高壓水射流切割具有以上優(yōu)勢，目前其廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軍工、電子行業(yè)中，主要用于切割難加工材料、復(fù)合材料、層疊金屬等常規(guī)切割工藝無法實(shí)現(xiàn)材料，另外還應(yīng)用于切割炸藥和廢舊核設(shè)施的拆除。

3.2 水射流清洗技術(shù)

高壓水射流清洗技術(shù)是20世紀(jì)70年代在高壓水射流技術(shù)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新的清洗技術(shù)，是將攜帶高能的水射流噴射到被清洗物體基體上，使一種或多種材料(表層附著物)從另一種物體(基體)表面上脫離下來，完成清洗作業(yè)的技術(shù)。水射流清洗技術(shù)屬物理清洗方法，可去除用化學(xué)方法不能或難以清洗的特殊垢層，也可根據(jù)不同清洗對象和要求，采用不同的射流形式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用高壓水射流的沖擊動能，連續(xù)不斷地將污垢從基體表面剝離、切除，達(dá)到清洗基體的目的。主要用于水垢、塵垢、銹層、油垢、烴類殘?jiān)?、各種涂層、混凝土、結(jié)焦、樹脂層、顏料、橡膠、石膏、塑料、微生物污垢、高分子聚合物污垢等。

與傳統(tǒng)清洗方式相比其優(yōu)勢為：

(1) 當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)乃淞鲊娚鋲毫r(shí)，不會損傷被清洗基體；

(2) 由于所使用的介質(zhì)為不添加任何化學(xué)物質(zhì)的常溫水，被清洗基體不會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，清洗過后被清洗基體無需采用化學(xué)清洗后的二次清洗處理；

(3) 能清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，由于水射流噴頭質(zhì)量小，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化和智能控制，易于清洗異形件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件；

(4) 清洗效果好、能耗比低、噪音小、不污染環(huán)境；

(5) 清洗速度比傳統(tǒng)的化學(xué)方法及機(jī)械方法高出5倍～10倍[7]；

(6) 可在狹窄空間、環(huán)境復(fù)雜、惡劣有害的場所方便地完成常規(guī)清洗難以完成的清洗作業(yè)，如較長管道的內(nèi)壁清洗除垢，小口徑大容器的內(nèi)部清洗以及有發(fā)生爆炸危險(xiǎn)物的清洗等。

由于水射流清洗技術(shù)在工業(yè)清洗領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢，使其一經(jīng)問世，便得到了高速發(fā)展，目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家高壓水射流清洗已經(jīng)成為主要清洗技術(shù)，在清洗業(yè)市場上占據(jù)了主要份額。如美國石化企業(yè)在換熱設(shè)備時(shí)，采用高壓水射流清洗的占 80%以上，而化學(xué)清洗的比例僅僅不足5%[1]，其在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用主要有：機(jī)械加工設(shè)備及模具的清洗、發(fā)動機(jī)燃燒室殼體的清理、金屬構(gòu)件除銹、各種管路的清洗、鑄件清砂、去毛刺及鋼廠除鱗等。

3.3 水射流拋光技術(shù)

拋光技術(shù)又稱鏡面加工，是制造平坦而且加工變形層很小、無表面擦痕的平面加工工藝，拋光不僅增加工件的美觀，而且能夠改善材料表面的耐腐蝕性、耐磨性及獲得特殊性能。傳統(tǒng)的拋光技術(shù)在拋光工具頭無法觸及的異形曲面、細(xì)長管件或者特殊材料的工件時(shí)，實(shí)行拋光加工的難度極大，甚至無法加工，水射流拋光技術(shù)便因此孕育而生。水射流拋光技術(shù)多見于磨料水射流，其基本工作原理是混有細(xì)小磨料顆粒的拋光液通過噴頭高速噴向工件表面，利用高速磨料顆粒的剪切作用，通過控制噴頭噴射時(shí)的噴射壓力、噴射角度、靶距及作用時(shí)間等工藝參數(shù)來完成工件表面的拋光。

與傳統(tǒng)拋光工藝相比，水射流拋光技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

(1) 水射流拋光的磨具為液態(tài)磨具，不存在磨具磨損的問題，去除函數(shù)保持恒定，面形精度易于控制，可不破壞零件原有的尺寸精度，而達(dá)到較高的表面光度；

(2) 由于水射流拋光頭為液體住，容易對存在狹窄部位、深凹槽部位及特殊復(fù)雜表面進(jìn)行拋光，拋光特性不受工件位置的影響，應(yīng)用范圍較廣，既可用來加工金屬材料，也可以加工非金屬材料；

(3) 水射流拋光屬于冷加工范疇，加工時(shí)對材料無熱影響，拋光時(shí)無火花，工件不會產(chǎn)生熱變形和熱影響區(qū)，對拋光熱敏感材料尤為有利，同時(shí)由于在拋光過程中拋光液不斷循環(huán)流動，可自動清除加工下來的碎屑[8]；

(4) 拋光時(shí)噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛(wèi)生，有利于環(huán)境保護(hù)和操作者的健康，拋光液基本不損耗，可重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)了綠色拋光；

(5) 拋光“磨具”為高速高壓液體，拋光過程中不會磨損，減少了磨具準(zhǔn)備、刃磨等輔助時(shí)間，提高了拋光效率；

(6) 設(shè)備維護(hù)簡單，操作方便，可以靈活地選擇拋光起點(diǎn)和部位，易于實(shí)現(xiàn)光控、數(shù)控及機(jī)械手控制，容易實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜形狀工件自動拋光，噴嘴與拋光表面無機(jī)械接觸，可實(shí)現(xiàn)高速拋光。

3.4 水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)

水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)是20世紀(jì)80年代末由Zafred提出，之后各國水射流學(xué)者便紛紛開始研究，其中美國、日本、俄羅斯在此領(lǐng)域研究尤為突出。我國對水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)研究起步較晚，主要以純水射流噴丸強(qiáng)化、前混合水射流噴丸強(qiáng)化，另有空化水射流口噴丸強(qiáng)化和后混合水射流噴丸強(qiáng)化，并以逐步形成體系。

高壓水射流噴丸強(qiáng)化的基本原理，就是將攜帶巨大能量的高壓水射流以特定方式高速噴射到金屬工件表面上，使表層金屬材料表層在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性變形(冷作硬化層)，呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)(組織強(qiáng)化)和殘余應(yīng)力分布(應(yīng)力強(qiáng)化)，從而有效控制了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，達(dá)到提高金屬零部件周期疲勞強(qiáng)度的目的。

高壓水射流噴丸強(qiáng)化與傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化相比具有以下優(yōu)勢[9]：

(1) 受噴表面粗糙度值增加很小，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了強(qiáng)化增益效果；

(2) 容易對存在狹窄部位、深凹槽部位的金屬零部件表面及微小金屬零部件表面等進(jìn)行噴丸強(qiáng)化；

(3) 噴頭體積小，反作用力小，移動方便，易于實(shí)現(xiàn)光控、數(shù)控及機(jī)械手控制，提高噴丸強(qiáng)化質(zhì)量；

(4) 純水射流噴丸強(qiáng)化時(shí)，工作介質(zhì)為水，無固體彈丸廢棄物，符合綠色材料選擇原則，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋率，且不會由于固體彈丸的破損而降低強(qiáng)化表面的可靠性；

(5) 水介質(zhì)和動力源來源廣泛，可實(shí)現(xiàn)全強(qiáng)度噴丸和同時(shí)加工幾個表面，比能耗和成本低、生產(chǎn)效率高；

(6) 整套噴丸裝置體積不大，可以裝在機(jī)動車上進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作和外場作業(yè)；

(7) 噪聲低、無塵、無毒、無味、安全、衛(wèi)生，有利于環(huán)境保護(hù)和操作者的健康，實(shí)現(xiàn)綠色噴丸強(qiáng)化。

4 結(jié)語

高壓水射流技術(shù)正向著高效、多功能、智能化、精細(xì)化方向發(fā)展，研究和開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的前景十分廣闊。高壓水射流技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域還很多，新的應(yīng)用手段也很多，如最近利用高壓水射流進(jìn)行去毛刺、打孔、開槽、細(xì)微雕刻、清焊根及清除焊接缺陷等，這說明高壓水射流這項(xiàng)新技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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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

黑龍江省博士后基金項(xiàng)目(LBH-10242)

靳曉明（1984-），女，學(xué)士學(xué)位；研究方向：流體傳動及水射流技術(shù)。