磨料水射流切割技术分析及研究

磨料水射流切割技术分析及研究

【摘 要】 分析磨料水射流切割技术的基本原理和切割机理；可寻求影响高压水射流切割技术的相关规律。 【关键词】 混合磨料；高压水射流；切割机理

0引 言

磨料水射流是普通水射流的发展，其实质就是在高压水射流中添加一定数量、具有一定质量和硬度的磨料颗粒而形成液固两相射流。由于在水中混入磨料颗粒，从而改变了水射流的流动特性和对物体的作用方式。在磨料水射流中，水介质作为磨料颗粒的载体，将高压水射流束的动能传递给磨料颗粒，将连续水射流的等速核对物体的静压作用改变为高速运动的磨料颗粒对物体的高频冲蚀和磨削作用。由此可见，磨料水射流不仅利用了水射流的冲蚀作用，而且充分地利用了磨料颗粒的冲蚀与磨削作用，因此具有较强的切割能力。由于磨料颗粒的密度比水大2～6倍，且具有棱角，大大提高了射流的打击效果。

l磨料水射流的切割机理

磨料水射流的切割过程是射流与材料之间的相互作用过程。在一定的切割进给速度下，磨料射流的一部分以恒定的速度射向材料;另一部分则随着射入深度增加切割效力减弱，于是切割面沿进给方向出现弯曲。弯曲切割面轴线与原射流轴线之间的角度，从射流进入材料处逐渐增大，磨料射流也就沿进给相反方向偏转得越来越多。由于磨粒自身惯性较大，并不随水射流载体偏转，因而导致磨粒与水射流分离和磨粒在局部过分集中冲蚀。磨粒加速度越大，分离折射角越大，集中冲蚀就越剧烈。磨料集中冲蚀使得沿切割面的磨削量明显增加，从而在切割面上形成阶梯。在形成阶梯的过程中，阶梯以上的射流偏转角度不断增大，使射流越发偏离切割面，阶梯以下的磨削量则越来越小，且仅限于在局部继续维持磨削过程。从阶梯以下到阶梯与射流方向垂直为止，切割面形状在不断变化，此刻磨粒冲蚀的密度最大。随着切割进给，切割面沿进给方向重新转变为平滑切割磨削，上述的阶梯形成和由平滑切割磨削过渡到变形冲蚀磨削的过程又重新开始，即进入切割的循环过程。在切割循环过程中，整个切割面继续转变为行程间隔。由于磨料射流在切割过程中的偏转近似弧线，所以沿进给方向形成了弧形波纹间隔的切割断面。前混合磨料水切割是一种流态磨削，磨料水射流随着对材料切割深度的增加，出现偏转和分离。材料断面上部为平滑切割磨削区，下部为变形冲蚀磨削区，断面形貌受过程参量等的影响而呈周期性循环变化。

2磨料水射流的分类

根据磨料加入位置的不同，可以将其分为后混式磨料水射流及前混式磨料水射流。

1）后混合磨料高压水射流切割技术原理：后混合磨料水射流是指高压水经水喷嘴形成水射流后与磨料颗粒进行混合的，它的混合机理最简单，如图1。目前我国研究和应用的磨料水射流大多数是后混合磨料水射流。经高压泵泵出的高压水通过水喷嘴8的作用形成高速水射流束，由于水射流束对周围空气的卷吸作用，在磨料混合腔9内形成一定的真空度，从而使磨料颗粒与混合腔之间的供料管产生一定的压力差。磨料颗粒在自重和压力差的共同作用下通过气力运输而被抽吸进入混合腔9内，并与水射流发生紊动混合，再通过磨料喷嘴10而形成磨料水射流。

经高压泵泵出的高压水通过水喷嘴8的作用形成高速水射流束，由于水射流束对周围空气的卷吸作用，在磨料混合腔9内形成一定的真空度，从而使磨料颗粒与混合腔之间的供料管产生一定的压力差。磨料颗粒在自重和压力差的共同作用下通过气力运输而被抽吸进入混合腔9内，并与水射流发生紊动混合，再通过磨料喷嘴10而形成磨料水射流。

2）前混合磨料高压水射流切割技术原理：前混合磨料高压水射流切割是指为了提高水射流的切割效果，在压力达到数十至数百兆帕的高压水中加入磨料颗粒，进而通过特殊设计的、孔径很小的喷嘴以数百米每秒（通常为2～3倍音速）的高速度喷出，借助这种高速水射流动能的冲击作用来切割工件的一种加工方法。

如图2所示，磨料罐8置于高压泵3与喷嘴11之间的高压回路中，从高压泵3泵出的高压水在磨料罐8内与磨料颗粒进行初步混合，使磨料颗粒处于“拟流体”的流化状态，通过磨料截止阀9流进混合腔10，在混合腔10内处于流化状态的磨料颗粒再与高压水进行充分地混合，然后通过后继高压管路以悬浮态输送到喷嘴11，经喷嘴的加速作用喷射出去形成磨料水射流。

3）两种磨料水射流比较：前混合磨料水射流与后混合磨料水射流相比，具有较高的能量传输效率和较大的磨料颗粒速度。大量试验表明：用前混合磨料水射流切割钢板和混凝土等坚硬材料，压力仅需20~30 MPa，约为后混合磨料水射流工作压力的10%左右。

3磨料水射流切割的主要相关规律

1）射流压力与切割深度的关系：切割深度随着射流压力的增加而增加，由于系统压力增加，射流速度变大，由水传递给磨料颗粒的动能相应地增加，磨料颗粒对切割物的磨削与冲蚀能力加强，所以切割深度增加。并且，压力的增加明显地提高了切缝断面的质量。

2）喷嘴直径与切割深度的关系：压力一定，喷嘴直径越大，即水射流流量越大，水射流就具有较高能量，切割物料越容易。若功率足够，喷嘴直径增大，切深将增加；但是喷嘴直径过大时，若功率不足，切割压力势必下降，相应的磨粒速度也下降。使切割效能降低，因此必须使喷嘴直径在一个合适的范围内，确定喷嘴的公式[2]如下：d?0.69q12v12p14式中：“v”为水的运动粘度。

3）高压水从喷嘴喷出以后水的压力转化为速度，水以很高的速度携带磨料喷出，通过前混合磨料水射流的加速过程和加速机理的分析和数值计算知道，磨料颗粒离开喷嘴时其速度约为水射流速度的75％，因此要想达到最好的切割效果必须使磨料得到进一步加速，但水喷出后，由于周围静止流体与射流的掺混，相应产生了对射流的阻力，使射流边缘部分流速降低，难以保持原来的初始流速，所以要想取得最佳的切割效能必须选择一个合适的靶距，经过分析，最大打击力与喷嘴直径存在如下关系：Fmaxp?120??100????1.15d1.75.

通过理论计算和大量实验，靶距为喷嘴直径的30倍左右时效果最佳。

4）磨料水射流所选择的磨料及磨料参数的改变对切割石材的深度有一定影响。根据流

F?3??dw. 体力学理论中斯托克斯公式，球体在以 为速度的流体作用下受到的作用力为：

式中：?为流体动力粘度；d为球体直径（假设磨料为球形）；w为流体相对球体的速度。

由此可见，磨料粒径越大，作用力也越大，对物料的打击力也应越大，但实际的磨料并不是球形，而有一定棱角，粒度越大，棱角越不明显，切割能力有所下降，而且切割效能与作用时的压强有关，即压强=Fm／A，磨料粒径越小，压强越大，所以，当磨料的粒径达到一定程度的时候，切割能达到最大，粒径再大切割能力反而减小

5）横移速度对切割效能的影响实际上就是射流作用时间与切割面积的关系，横移速度较小时，射流与物体的作用时间较长，水楔作用明显，切割容易进行，切割深度较深，但是横移速度过小虽然能切割，但是作业效率低，不能充分利用水射流的能量，浪费能源较多；横移速度增加时，射流的平均冲击压力将减小，因此切割深度也相应减小，从而使切割质量下降，导致重新切割，这样既浪费时间也浪费能源，因此在切割的时候存在一个最佳的切割横移速度，具体采用多大的横移速度视具体情况而定。

6）压力和流量对切割效能的影响：由伯努利方程和流体连续性方程可知,射流出口速度：

v?2?p1?p2??1??d2d1?.式中：p1为喷嘴内的静压力；p2为喷嘴外的静压力；d14??为高压管直径；d2为喷嘴直径；?为混合磨料的液体密度。在某些情况下，公式可简化为：

v?2p1?.由此可见，压力越大，喷嘴出口处的射流速度就越大，切割就更容易；另外

一方面，在高压喷嘴口径一定的情况下，随着超高压水射流压力的增加，水射流的流量、速度和压力损失都会增大。而且压力越大，对密封和各种耐压材料都提出了更高的要求，这样就会使成本大大增加，而且能量浪费也增大，实践证明50 MPa时，混合磨料高压水切割就能达到很好的切割效果，而且密封等其它条件也能很好地保证。

4磨料水射流切割技术的优点

磨料水射流切割与激光、等离子切割都是点切割，并具有：1）切割质量高、切缝窄、切割力小、夹具简单等一般优点；2）作为无接触加工，不需要昂贵的模具；3）易于实现数控（NC）、计算机数控（CNC）自动化等优点；4）区别于氧气切割、等离子切割以及激光切割等热切割方式，磨料水射流切割属于冷切割方式，不产生热量、不发生热变形，适用于切割爆炸物和在严禁明火作业区域进行切割作业；5）与激光、等离子弧切割相比，最大优点是不受材料种类的限制，适合于任何材料。

参考文献

[1]顾承珠，贺云花.高压水射流切割技术和磨料水射流切割技术的机理分析与研究[J].煤矿机械，2004（3）：18-20． [2]陆国胜，龚烈航.高压水射流在军用舟桥装备清洗除锈中的应用[J].工兵装备研究，2002（5）：31-33. [3]王洪伦，龚烈航，姚 笛.高压水射流切割喷嘴的研究[J]．机床与液压，2005（6）：80-82．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n022.html