張慶良

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 邯鄲 056005)

引言

人類對以柔克剛的典型事例水滴石穿的認知已有很長時間，但對于如何縮短作用時間、提高沖擊能力、適合工業(yè)應(yīng)用的探究則時間較短。首個水射流技術(shù)專利于1968年由美國人Norman Franz博士申請獲得，現(xiàn)在已經(jīng)由最初主要用于切割木材的粗糙刀具發(fā)展成精密加工刀具。

水射流包含純水射流、磨料水射流、磨料懸浮射流。磨料水射流和磨料懸浮射流的區(qū)別在于前者磨料濃度為10%～15%，后者則大于70%[1]。在純水中加入磨料后，可顯著提高工作效率，拓展作業(yè)范圍，更適合于高硬度材料。純水射流可用于切割橡膠、石棉、皮革、塑料、碳纖維等較軟材料；磨料水射流則可用于切割玻璃、金屬陶瓷、鋼筋混凝土和各種合金等硬質(zhì)材料。水射流技術(shù)應(yīng)用范圍廣闊，宏觀上可用于采礦、清洗建筑物；微觀上可用于加工鉆石。

1 系統(tǒng)組成

水射流技術(shù)的核心在于提高水的壓力能，從而產(chǎn)生高速射流。水的壓力能提高可以通過增壓器或者直接驅(qū)動泵實現(xiàn)，典型水射流系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 水射流系統(tǒng)組成

增壓器工作原理為：使用電機驅(qū)動水泵，水泵出口低壓水再經(jīng)過增壓器加壓。假如水泵出口低壓水的壓力為20MPa，此壓力作用于增壓器活塞上，當(dāng)增壓器的面積比為20∶1時，可將水加壓到400MPa。增壓器通常使用雙向作用缸，由于增壓器活塞往復(fù)運動造成水流脈動，導(dǎo)致工作不平順，因此系統(tǒng)通常配備蓄能器作為壓力浪涌缸。直接驅(qū)動泵的工作原理為：使用曲柄連桿機構(gòu)以在液壓缸內(nèi)往復(fù)驅(qū)動任意數(shù)量的相互獨立的柱塞，當(dāng)柱塞往復(fù)運動時，水可吸入液壓缸，經(jīng)加壓后排出。由于柱塞可設(shè)置多個，因此增壓壓力輸出均勻，無須配備蓄能器。

根據(jù)Bernoulli方程可得高壓容器小孔射流速度公式：。v為射流速度，m/s；p為噴射壓力，Pa；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3。射流速度公式僅表明各物理量之間數(shù)值關(guān)系，公式左右的量綱并不守恒。由公式可知，如果射流速度為1000m/s，即約為音速3倍時，射流壓力為5×108Pa，即500MPa?；谠黾由淞鲏毫商岣咔邢魉俣鹊睦砟?，2000年中期，水射流系統(tǒng)引入600MPa增壓器。然而，這種思路導(dǎo)致以下問題：對于既定的泵送功率，壓力上升會導(dǎo)致體積流速降低，磨料攜帶和加速降低。在磨料水射流系統(tǒng)中，用水來加速磨料顆粒，磨料顆粒動能降低會影響機械工作效率；并且由于系統(tǒng)壓力升高會使高壓油管、密封件、噴嘴的工作壽命顯著降低，從而導(dǎo)致操作和維護成本升高。因此切削性能乃至工作效率主要影響因素是泵送功率，而非增壓器壓力。材料切削實驗一再表明，相同電功率時，射流壓力為400MPa的直接驅(qū)動泵優(yōu)于600MPa的增壓器[2]。

2 水射流破巖和采礦技術(shù)

1844年第1臺氣動鑿巖機出現(xiàn)后，廣泛應(yīng)用于隧道工程，但是存在噪音大、振動大、粉塵污染嚴重的問題。1970年，法國的Montabert公司研制出H50型液壓鑿巖機，但是仍存在污染泄露、廢棄油液排放問題，并且由于機型重，推力大，需安裝在相應(yīng)的液壓鉆車中，因此適用于大斷面巷道作業(yè)。且因其價格昂貴，限制了發(fā)展中國家的應(yīng)用。例如，我國2004年鑿巖機產(chǎn)量為40萬臺，其中氣腿式氣動鑿巖機為10萬臺，手持式氣動鑿巖機為25萬臺，內(nèi)燃鑿巖機為3萬臺，電動鑿巖機為0.8萬臺，液壓鑿巖機數(shù)量很少[3]。1988年Ingersoll公司南非分公司研制了WF-035型的水基鑿巖機，使用98%的水和2%的添加劑，工作壓力為14MPa～18MPa。

從20世紀60年代開始，美國國家科學(xué)基金會研究了高效破巖方法，在中等強度的巖石上進行了切割試驗，使用的介質(zhì)分別為高壓水射流、激光、電子束、等離子體。破巖時，消耗能量分別等同于250～500 J/cm2，1000～2000 J/cm2、3000～6000 J/cm2、50000～100000J/cm2[4]。由數(shù)據(jù)可知，水射流破巖是種節(jié)能技術(shù)。

高壓水射流還可輔助機械破巖，按一定要求將高壓水射流布置在機械切割刀具頭周圍，輔助刀具切割以增加破碎能力，噴嘴和刀具布置位置如圖2所示。研究表明，水射流布置在刀具后方，且偏離刀具鉛垂線適當(dāng)位置時，刀具受力可減小30%-50%[5]。

圖2 水射流與刀具布置形式

在低透氣性松軟煤層的瓦斯抽放中，貴州大學(xué)的楊凱[6]等則采用了高壓水射流切縫措施，以增大煤體的自由面，加快瓦斯抽放效率。進行了15個鉆孔試驗，使用的鉆孔長度20mm～80mm，鉆孔直徑75mm～89mm，其中有7個鉆孔在3日后未檢測到瓦斯體積分數(shù)，顯著縮短了抽放時間。

3 水射流機械加工技術(shù)

水射流切割優(yōu)點主要包含：切割材料范圍廣泛，幾乎包含任何材料，例如180mm厚的鋼板，250mm厚的鈦板，470層每層厚度為65mm的石墨環(huán)氧樹脂合成板，5m厚的石材或混凝土[7]；噴嘴體積小，便于移動，易實現(xiàn)智能控制，輔之以數(shù)控操作控制元件時，可實現(xiàn)高精度切割；作用于零件上的反作用力可以忽略不計，夾具簡單，而且沒有殘余機械應(yīng)力；為冷加工方式，沒有熱影響區(qū)、熱變形區(qū)、熱應(yīng)力；切縫狹窄，材料損耗??；工作介質(zhì)是水，且在作業(yè)過程中，不產(chǎn)生塵埃、有毒氣體、危險廢棄物，故而安全綠色環(huán)保；水射流可清洗切屑，提高工件表面加工質(zhì)量；能量密度很高，1000MPa高壓水射流能量密度為1.2×108W/cm2，具有與激光相匹配的能量密度[6]。

水射流拋光可用于鏡面加工，以制造無表面擦痕的構(gòu)件。由于使用液體拋光，因此可對狹窄、異型及深凹槽類特殊部位進行處置，并且加工適用材料范圍廣。屬于冷加工范疇，不會產(chǎn)生熱量，無火花產(chǎn)生，因此沒有熱影響區(qū)的影響。

高壓水射流噴丸強化技術(shù)。1990年，Zafred申請了利用高壓水射流進行材料表面噴丸的技術(shù)專利。日本的本田技研工業(yè)公司熊本制作所將0.05mm～0.20mm的玻璃彈丸用于后橋傳動齒輪的噴丸強化工藝[8]，其實質(zhì)是將高壓水射流以某種方式噴射到金屬構(gòu)件表面上，使零件表面材料產(chǎn)生塑性變形的冷作硬化層，以達到控制疲勞源的萌生和裂紋擴展、組織強化、應(yīng)力強化、提高零件的疲勞強度目的。

4 水射流激光導(dǎo)向技術(shù)

上世紀90年代由瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Bernold Richerzhagen博士提出，并于1995年在美國申請專利[9]。首個水射流激光導(dǎo)向技術(shù)設(shè)備由瑞士的Synova公司研發(fā)，并于1997年投產(chǎn)，主要應(yīng)用于微加工技術(shù)，包含Synova公司在內(nèi)，主要應(yīng)用圖形3來解釋水射流激光導(dǎo)向技術(shù)的工作原理。

圖3 水射流激光導(dǎo)向技術(shù)工作原理

噴嘴直徑為25μm ～120μm，水射流直徑比噴嘴直徑小15%，噴嘴到工件距離最大允許值為噴嘴直徑的1000倍。激光器使用Nd：YAG，波長為1064nm、532nm或者355nm，激光器功率為10W到200W。水消耗量極少，為1L/h，在30MPa壓力下，施加于工件上的力小于0.1N，可忽略不計。噴嘴使用高硬度的藍寶石或者金剛石。射流激光導(dǎo)向技術(shù)特別適用于微切口、高精度、易變形、對熱敏感的薄片狀工件。傳統(tǒng)上，在加工時，激光會發(fā)散，因此激光器距離工件不到1毫米或者幾毫米。精確聚焦和距離控制很重要，因而限制了切口的高寬比。在半導(dǎo)體切割中，傳統(tǒng)上需要對激光精確調(diào)焦，現(xiàn)在則無需調(diào)焦，并且可切割不平表面，切削深度達到幾厘米?？捎糜谇懈钽@石，超過1.5克拉即可，且重量損失小于1%；由于鉆石表面受到持續(xù)冷卻，因此沒有熱效應(yīng)造成的碎裂。在切割過程中，表面切屑為水沖凈，沒有融化后的材料重新積聚到工件表面而造成污染和沉積的問題，表面質(zhì)量更佳。

5 發(fā)展趨勢

高壓水射流連接技術(shù)，利用高壓水射流極高的駐點壓力可把極薄材料嵌入極厚材料的基體上以達到連接目的。

John Olsen于1996年申請的美國專利Motion Control with Precomputation[10]提出了“先計算，后運動”的機床和工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)，從而徹底改變了水射流機床的噴嘴控制方式。系統(tǒng)為每個軸沿切削路徑的每個增量精確計算位置，并基于阻力預(yù)測來計算切削力，以達到精確控制速度、加速度、切削用量的目的。

近年來的改進還包括使用直接驅(qū)動泵取代低效和笨重的增壓泵，直接驅(qū)動泵的結(jié)構(gòu)簡單，可降低運營和維護成本，并延長泵元件工作壽命，在將效率從70%提高到90%的同時，降低噪音，降低壓力脈動。

將水射流技術(shù)與其他常規(guī)加工方法相結(jié)合，加強水射流復(fù)合、輔助工藝的研究，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)越性。為避免磨料消耗、噴嘴磨損問題，新型射流技術(shù)應(yīng)用研究主要集中于空化射流、脈沖射流、高黏性添加劑射流、磁流變液射流，以利于提高水射流的工作效率。

水射流技術(shù)是環(huán)保、高效、高精度、智能化制造的集中體現(xiàn)。中國正在由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變，更應(yīng)以先進制造技術(shù)加以武裝，實現(xiàn)技術(shù)推動應(yīng)用，達到更高生產(chǎn)力水平。