“水滴石穿”體現了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，然而，作為一項獨立而完整的加工技術，高壓水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的產生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產服務始於十九世紀七十年代左右，用來開採金礦，剝落樹皮，直到二戰期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現象啟發了人們思維。
直到20世紀五十年代，高壓水射流切割的可能性才源於蘇聯，但第一項切割技術專利卻在美國產生，即1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年裡，水射流（WJ、AWJ）切割技術和設備有了長足進步，其套用遍及工業生產和人們生活各個方面。許多大學、公司和工廠競相研究開發，新思維、新理論、新技術不斷湧現，形成了一種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設備在數十個國家幾十個行業套用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術上更顯優勢。已可切割500餘種材料，其設備年增長率超過20%。
基本介紹
- 中文名：水射流加工
- 來源：蘇聯
- 技術專利來源：美國
- 性質：技術專利
- 套用範圍：陶瓷、硬質合金、高速鋼等
主要原理,運行過程,套用範圍,
主要原理
高壓水射流基本原理歸之為：運用液體增壓原理，通過特定的裝置（增壓口或高壓泵）,將動力源(電動機)的機械能轉換成壓力能，具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴(又一換能裝置)，再將壓力能轉變成動能，從而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。
高壓水射流系統見圖1，主要由增壓系統、供水系統、增壓恆壓系統、噴嘴管路系統、數控工作檯系統、集水系統及水循環處理系統等構成。油壓系統低壓油(10～30MPa)推動大活塞往復來回移動，其方向由換向閥自動控制。供水系統先對水進行淨化處理，並加入防鏽添加劑等，然後由供水泵打出低壓水從單向閥進入高壓缸。增壓恆壓系統包括增壓器和蓄能器兩部分，增壓器獲得高壓原理如圖2所示，即利用大活塞與小活塞面積之差來實現，理論上：A大·P油=A小·P水, P出水=A大/A小·P油, 增壓比即大活塞與小活塞面積之比，通常為10：1～25：1，由此，增壓器輸出高壓水壓力可達100MPa~750MPa。由於水在400Mpa時其壓縮率達12%，因而活塞桿在走過其整個行程八分之一後才會有高壓水輸出。活塞到達行程終端時，換向閥自動使油路改變方向(圖中虛線箭頭所示)，進而推動大活塞反向行進，此時高壓水在另端輸出。如果將此高壓水直接送到噴嘴，那么噴嘴出來的射流壓力將會是脈動的(圖3中虛線)，而且這對管路系統產生周期性振盪，為獲得穩定的高壓水射流，常在增壓器和噴嘴迴路之間設定一蓄能(恆壓)器，消除水壓脈動，達到恆壓之目的，常能控制脈動量在5%之內(圖3實線)。
運行過程
高速射流本身具有較高的剛性，在與靶物碰撞時，產生極高的衝擊動壓(P=ρVC)和渦流的形成，從微觀上看相對於射流平均速度存在著超高速區和低速區(有時可能為負值)，因而高壓水射流表面上雖為圓柱模型，而內部實際上存在剛性高和剛性低的部分，剛性高的部分產生的衝擊動壓使傳播時間也減少，增大了衝擊強度，巨觀上看起快速楔劈作用，而低剛度部分相對於高剛度部分形成了柔性空間，起吸屑、排屑作用，這兩者的結合正好象使得其切割材料時猶如一把軸向“鋸刀”加工。
高速水射流破壞材料的過程是一個動態斷裂，對脆性材料(如岩石)等主要是以裂紋破壞及擴散為主；而對塑性材料符合最大的拉應力瞬時斷裂準則，即一旦材料中某點的法向拉應力達到或超過某一臨界值σy時，該點即發生斷裂。根據彈塑性力學，動態斷裂強度與靜態斷裂強度相比要高出一個數量級左右，主要是因為動態應力作用時間短，材料中裂紋來不及發展，因而這個動態斷裂不僅與應力有關，還與拉伸應力的作用時間相關。
套用範圍
高壓水射流切割是利用具有很高動能的高速射流進行的(有時又稱為高速水射流加工)與雷射、離子束、電子束一樣是屬於高能束加工範疇。高壓水射流切割作為一項高新特技術在某種意義上講是切割領域的一次革命，有著十分廣闊的套用前景，隨著技術的成熟及某些局限的克服，對其它切割工藝是一種完美補充。目前其用途和優勢主要體現在難加工材料方面：如陶瓷、硬質合金、高速鋼、模具鋼、淬火鋼、白口鑄鐵、鎢鉬鈷合金、耐熱合金、鈦合金、耐蝕合金、複合材料（FRM、FRP等）、鍛燒陶瓷、高速鋼（HRC30以下）、不鏽鋼、高錳鋼、模具鋼和馬氏體鋼（HRC<30）、高矽鑄鐵、可鍛鑄鐵等一般工程材料，高壓水射流除切割外，稍降低壓力或增大靶距和流量還可以用於清洗、破碎、表面毛化和強化處理。在美國，幾乎所有的汽車和飛機製造廠都有套用。已在以下行業獲得成功套用：汽車製造與修理、航空航天、機械加工、國防、軍工、兵器、電子電力、石油、採礦、輕工、建築建材、核工業、化工、船舶、食品、醫療、林業、農業、市政工程等方面。
