磨料水射流切割技术及其应用蔡祖光（湖南省湘潭市高新陶瓷机械厂，湖南省湘潭市电话： （ 0732） 5571959）述了低压磨料水射流切割机具有结构简单、操作方便、切缝质量好、切割效率高，并能对复杂图形实现智能化切割等优点，它是切割玻璃、陶瓷、大理石及花岗石等难切割材料的理想设备。
1前言早在20世纪60年代初，从高速飞行的飞机受到雨滴的侵蚀这一现象中得到启发国、日本和前苏联等国家投入了大量的人力、物力研究开发水射流切割技术，经约10年的潜心钻研，美国于1971年设计制造了世界上第1台超高压纯水射流切割机W JC）。将它应用到家俱制造行业中，取得了前所未有的经济效益。鉴于纯水射流的切割能力较差，仅适用于布匹、木材、塑料及橡胶等软质材料的切割，这就促使人们去研究开发切割能力较大的磨料水射流切割，经11年的不懈努力，美国又于1982年设计制造了磨料花岗岩等几乎所有的材料。随后英国及意大利等国也相继设计制造了磨料水射流切割机，我国也于1993年设计制造了磨料水射流切割机[1 ]，投入实践生产中，取得了令人瞩目的成就。
2切割原理流体力学的运动规律表明，从喷嘴以每秒几百米的高速喷出的磨料水射流通常处于紊流状态，而紊流的*大特点是横向掺混，导致磨料水射流边界上的微细液滴与周围气体（空气）之间发生动量交换，从而把周围气体吸入到磨料水射流中去，并随同磨料水射流一起运动，促使磨料水射流的气体吸入量和横截面积沿射程的增大而增大，而射流速度则沿射程的增大而减小，所以磨料水射流就形成了向周围扩散的锥体流动场（如图1所示）。由此可见，磨料水射流是由高速运动的含有气体及磨粒的水滴所组成的混合物。由流体力学的有关知识可得，快速运动的磨料水射流具有极大的动能，当它接触到被切割的材料时，磨料水射流的动能瞬间就会为被切割材料吸收，具体表现为：**是磨粒和水滴对被切割材料的冲击作用第二是磨粒和水滴沿被切割材料表面的剪切破断作用（即切削作用）第三是磨料水射流中的气体对被切割材料的侵蚀作用。在以上3点的的共同作用下，被切割材料破碎形成割缝，达到切割分离的目的。
实践生产经验表明，磨料水射流切割材料时，主要输出腔的压力，在此压力差及弹簧10的作用下活塞7和阀盖9向上移动，关闭输入腔与输出腔间通路的主阀口。因而，输出腔的压力始终保持设定的压力。
4气动先导式金属膜片减压阀的特点由于金属膜片零件变形跨距h值很小，仅为1. 5～2. 0 mm，因此反应灵敏，调压精度高。由于采用弹性防锈金属材料制作膜片零件，因而具有弹性好、抗拉、抗疲劳、抗老化、耐腐蚀，表面光滑及耐热等优点。气动先导式金属膜片减压阀使用寿命长，安全、可靠，也适于较为恶劣的环境下使用。
[ 2 ]日本液压气动协会。液压气动手册。北京：机械工业出版机械设计手册。第2版。下册。北京：化学工业出版社，第7章。
表现为磨料水射流对被切割材料表现的冲击破碎作用，并且当磨料水射流对被切割材料表现的冲击应力超过被切割材料表面的抗压力度时，被切割材料破碎形成割缝。由流体力学的相关知识可得磨料水射流喷出时的冲击力近似为：式中d――水的密度， kg /m――磨料的密度， kg /m磨料水射流喷出时的横截面积， m v――磨料水射流喷出时的速度， m /s由图1所示，磨料水射流的前区段几乎没有什么发散，其能量密度*大，冲击应力*大，具有较大的切割能力，通常磨料水射流的切割作业都是在磨料水射流的前区段完成的，被切割材料离喷出口处的距离（靶距）通常为1 mm左右，此时磨料水射流的横截面积及射流速度可近似与喷出口处分别相等，所以由式（ 1）得磨料水射流的冲击应力e近似为：当忽略磨料水的压缩性时，磨料水射流喷出时的速度v近似为：式中Q――磨料水射流的射流量， m喷嘴的孔径（直径） ， m将式（ 3）代入式（ 2）得磨料水射流对被切割材料表面的冲击应力e为：由式（ 4）得磨料水射流作用在被切割材料表面的冲击应力主要取决于磨料水射流的射流量及喷嘴孔径。同时，实践生产经验表明，当喷嘴孔径为0. 2～0. 5 mm时，可获得50～400 M Pa的磨料水射流若采用孔径为0. 4 mm的喷嘴，选用80号石榴石作为磨料，可得射流量为3 L /min的磨料水射流，选取d= 1 000入式（ 4）得此磨料水射流对被切割材料表面的冲击应力e = 792（ M Pa）。由表1可见，磨料水射流对被切割材料表面的冲击应力是被切割材料表面抗压力度的数= 792 M Pa）与被切割材料表面抗压力度对照序号类别被切割材料表面抗压力度普通钢板不锈钢板铸铁玻璃陶瓷混凝土大理石花岗岩铝、铝合金铜、铜合金钛、钛合金倍，毫无疑问，磨料水射流通过破碎被切割材料，形成割缝。
由此可见，磨料水射流的切割原理就是利用几十至几百M Pa的磨料水（高压水中掺入磨料，如碳化硅、金刚砂、石英砂及石榴石等）通过特殊设计的孔径极小的喷嘴，以每秒几百米的高速喷出的磨料水射流的冲击、剪切破断（切削）及浸蚀作用来分割工件的。
3切割机的工作原理磨料水射流切割机简称磨料水切割机，也称水刀，按磨料水射流的工作压力的高低可大致区分为高机的工作压力较低，密封可靠、工作可靠、设计制造方便、易于操作及维修、生产成本低廉。此外实践生产经验也表明，当原动机的输入功率一定时，在一定范围内，喷嘴孔径减小时，磨料水压力增高，但其射流量减小反之，喷嘴孔径增大时，磨料水压力减低，其射流量增大，而磨料水射流对被切割材料表面的冲击应力e几乎不变，即低压磨料水射流与高压磨料水射流具有相同的切割能力，所以说低压磨料水射流切割机是很有发展前途的水射流切割设备。
型低压磨料水射流切割机的工作原理图。
其工作原理是，电机经三角皮带（图中未画出）驱动曲柄连杆机构带动柱塞由右向左运动时，水腔容积逐渐增大，迫使排水阀关闭，吸水阀开启，水就被吸进水腔随后柱塞返回时，水腔容积逐渐减小，迫使吸水阀关闭，水得到加压后顶开排水阀输出高压水。若电机周而复始的旋转，柱塞将频繁地往复运动，通过压力调节阀的作用后，输出50～100 M Pa的高压水。高压水经过滤后，一部分流入储砂筒的顶部，另一部分流入底部的混砂管，由此可见，储砂筒中的磨料在顶部高压水及其本身自重的双重作用下，通过储砂筒底部的砂量调节阀掺入到高压水中去，磨料与高压水在混砂管内混合均匀后以每秒几百米的高速从喷嘴喷出时具有较大的切割能力，*后通过交流伺服电机驱动的二维数控运动系统带动喷嘴组件按给定的轨迹运动，切割出预期的平面任意形状的工件。
1.超高压发生装置2.高压表3.低压表4.过滤器5.给水截止阀6.储砂筒（蓄能器）7.砂量调节阀8.混砂管9.砂、水截止阀10.压力调节阀11.喷嘴12.集水箱13.水源（自来水） 14.截止阀15.水泵16.电动机为了实现低压磨料水射流切割机的连续工作，实践生产中通常采用两个或多个储砂筒交替工作（也可同时工作） ，即一个储砂筒处于切割状态时，另一个储砂筒处于装料（磨料）备用状态，若储砂筒的体积及装料工艺等选用适宜时，可使低压磨料水射流处于无间歇地切割状态，提高切割效率。即使低压磨料水射流切割机的工作压力较低（ 50～100 M Pa） ，但它仍属于超高压（ 32 M Pa）系统，其吸水阀及排水阀易于泄漏，为减小吸水阀和排水阀的泄漏量及提高柱塞泵的容积效率等，通常选用开启压力较高的吸水阀和排水阀，因此水源需经水泵加压至0. 6 M Pa左右后进入吸水阀，利用其增压至50～100 M Pa.
4切割机的主要构造型低压磨料水射流切割机的结构示意图见图3，它主要由超高压发生装置、掺砂装置、喷嘴组件、集水箱及喷枪驱动系统等组成。
4. 1超高压装置低压磨料水射流切割机通常采用卧式三柱塞或卧式五柱塞泵作为超高压发生装置，它具有结构简单、密封可靠、设计制造方便、柱塞往复运动频率较高、输出流量大、工作压力稳定、操作维修方便等优点。
1.集水箱2.纵导轨3.横导轨4.高压胶管5.掺砂装置6.楼梯7.高压胶管8.超高压发生装置9.挡水板10.喷嘴11.电气柜4. 2掺砂装置掺砂装置属于超高压容器，储砂筒既是装料（磨料）的容器，又是蓄能器，起稳定压力的作用，须由特种合金材料制造。其关键部件――掺砂组件的结构示意图如图4所示。利用调节方便的螺旋机构控制掺砂量的多少，显然螺杆下移时，掺砂量增大，反之，螺杆上移时，掺砂量减小。出砂嘴及螺杆顶部与快速运动的磨料（如碳化硅、金刚砂、石英砂或石榴石等）频繁接触极易磨损，但通过选用金刚石和金属陶瓷等耐磨材料，其使用寿命可长达500～600 h.
1.储砂筒2.四通3、5.密封件4.出砂嘴6.调整垫7.螺母8.螺杆4. 3喷嘴组件构示意图，因磨料与高压水在其到达喷嘴前就已混合均匀，所以喷嘴的轴向尺寸可以做得较短，利于加工制造。即使磨料水射流的工作压力较低（ 50～100 M Pa） ，但磨料水流经喷嘴时速度高达每秒几百米，易于损坏喷嘴内孔表面，通过采用金刚石或金属陶瓷等耐磨材料制作喷嘴，其使用寿命可长达80～100 h.
4. 4割枪驱动系统采用交流伺服电机驱动二维数控运动系统带动喷嘴组件（割枪）按给定的轨迹运动，切割出预期的平面任意形状的工件。
1.压缩管2.锁紧螺母3.密封件4.喷嘴4. 5集水箱集水箱是回收磨料水射流切割作业后的磨料和水的容器，它能吸收完成切割作业后的磨料射流的剩余能量，消声及脱泡等（磨料水射流吸入空气，切割作业完成后则形成气泡）。水经过滤及脱泡等净化处理后可循环利用，同样磨料经凉干、过筛等处理后也能重复使用多次，从而*大限度地降低磨料水射流切割机的运行费用。
5应用及其优越性利用磨料水射流切割技术切割工件时，首先需用AutoCAD等绘图软件把工件的所有切割线条按1： 1的比例作图，也可通过扫描仪把所需切割的工件扫入计算机后转换成所需切割图形，切割图形生成后，使用水刀绘图软件的编辑功能，按材料*省原则排列这些切割图形，然后利用水刀编程软件形成切割程序，即可切割工件。由此可见，利用磨料水射流切割工件时与传统的机械切割及火焰切割方法相比具有无可比拟的优越性，具体表现在以下几方面。
1）切割效率高利用磨料水射流切割工件时，通过数控进给系统的自动控制功能，可以将被切割工件的任一点设置为起割点，因此切割工件时编程具有很大的灵活性，可以根据被切割工件的大小、复杂程度及材料的形状尺寸等设置*短的切割路线，提高切割效率。
2）切缝质量好磨料水射流切割工件时，通过数控进给系统精确地驱动割枪运动、切割出的形状尺寸误差小，割缝仅1 mm左右，且切割断面平整光洁，无毛刺、挂渣、崩角及塌边等缺陷。
3）材料利用率高利用磨料水射流切割工件时，通过计算机将切割图形按材料*省原则排列，然后编程切割，切缝仅1左右，有利于节约贵重金属，能*大限度地提高材料的利用率，降低生产成本。
4）通用性强通过选用适宜的切割参数，如切割速度、磨料水射流量（或工作压力）及掺砂量等可以切割不同材质及不同厚度的工件，无需更换喷嘴，通用性特别强。
5）切割时工件不发热磨料水射流切割属于湿态高能量切割，由于磨料水的冷却作用，工件不会产生热变形及热影响区，特别适用于铝、铜、钛、锆及其合金等热敏感性材料的切割，尤其是采油平台，炼油厂，大型油、气储罐区及油、气输送管道等禁火作业区的安全切割。
6）环保效果好磨料水射流切割属于湿态高能量冷切割，不会产生有毒气体及灰尘等污染此外完成切割作业后的磨料水经集水箱收集后，经过滤及脱泡等净化处理后可循环利用。同样磨料经凉干和过筛等处理后也可重复使用多次，不会污染环境。
6结束语综上所述，磨料水射流切割机具有工作压力低，结构简单，设计制造方便，切割效率高，割缝质量好，产品形状尺寸误差小，割缝窄（约1 mm左右） ，材料利用率高，断面平整光洁，无毛刺、挂渣、崩角、塌边及无热变形等缺陷，并能对复杂工件实现智能化切割，是切割各种金属、非金属，尤其是切割铝、铜、钛、锆等热敏性材料的理想设备，同时也是切割玻璃、陶瓷、混凝土、大理石及花岗岩等难切割材料的较佳设备。
[ 1 ]梁桂芳。切割技术手册。北京：机械工业出版社， 1997，[ 2 ]周漠仁。流体力学泵与风机。北京：中国建筑工业出版出版信息由全国液压气动标准化技术委员会秘书处编制的《液压泵、马达标准专辑》已出版，本专辑替代原88年局批企标合订本**册（液压泵和马达的标准）。同时本专辑收录了国际（ ISO）和国外的相关标准，以及国内主要液压泵、马达生产企业和质量检测部门的名录。本专辑是液压泵和马达的设计、生产、使用和质检过程必不可少的依据，需要本专辑的单位及个人，请与全国北京763信箱邮编： 100011
