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水射流技术综述

2017-10-16 16:25:00      点击:

近年来水射流技术作为一项新技术得到迅速发展,采用增压泵将水加压,形成高速射流,完成材料的清洗、切割、破碎等操作。相比传统方式

,水射流技术具有加工精度高、工件无热变形、材料损耗少、环境友好等加工优势,具有广阔的发展前景。本文介绍了水射流技术的工作原理

、优缺点、应用以及发展趋势。

1.水射流技术的工作原理
  水射流是将液态水通过升压装置加到高压状态再从直径很小的喷嘴(0.05~0.25mm)中喷射出来形成的高速射流束(约1000m/s)。可通

过调节设备压力、靶距、喷嘴大小等参数实现工件的切割、清洗、表面处理等[1]。

  图1所示为水射流的基本原理。其中最靠近喷嘴的区域是等速流区,射流由表面向轴心扩散。在距喷嘴一定距离内形成了一锥形的等速流

区。该区内射流流速与喷嘴出口时速度相等。等速流区的射流对于材料的切割效果最好。也就是说需要切割材料时,靶距最好不应超出等速流

区的范围。

  后面较长的一段射流为射流基本段,此段内射流的轴向流速和动压力逐渐减少。同时,周围空气的卷吸作用使其分为靠近轴线的水滴区和

外部的水雾区。此段一般用作工件的清洗、除锈、修整加工、表面抛光及去毛刺[2]。

  基本段之后即为射流的消散段。此时,射流和周围空气已基本混合,射流轴向流速与动压力相对较小。射流已经变成水滴和空气混合物或

雾化物。消散段对材料的破坏能力已经降到最低,一般用作环境的降尘除尘。

  2.水射流加工的优缺点

  水射流技术相比其它传统加工方法有着非常多的优点:加工温度低;加工质量好、精度高;无需指定专门起始点,可以从任意点开始加工

;能够加工蜂窝结构及层叠结构金属等材料,切割高硬度材料;喷头体积小,移动方便,可以与机械手、机器人一体化等优点。

  虽然水射流技术有以上众多优点,它也存在以下的局限性:水射流切割相比传统机械切割能耗比高、所需功率更大;设备成本较高;加工

盲孔或凸台等特殊形状时,加工深度不易控制;当切割较厚材料时加工表面会有尾拖现象。

  3.水射流技术的应用

  切割方面 包括航天用钛合金、碳纤维复合材料、层状金属;汽车项棚、门板、内饰;军事产品中的甲板、坦克履带、炮弹壳等高强度钢

材;电子工业中半导体、精密金属器件、存贮卡,以及建筑行业中的大理石等材料的切割。

  清洗方面 利用高压泵产生的高压水,对被清洗物进行连续不断的冲击、切削和清除,实现清洗的目的。主要针对工业用管道、化学反应

器、贮罐、道路、轨道等的清洗,还可实现金属工件的表面除锈、铸件清沙等。

  医学方面 无针管注射技术很好的将水射流引入到医学领域,采用20MPa的压力将液态药品直接从体外注射到肌肉内,注射创口小、效率高

。还可避免因注射器与皮肤直接接触造成的交叉感染或使用一次性注射器带来的成本增加。另外,水射流手术刀技术的在国外外科手术中已经

非常成熟,相比传统手术刀它在切割脏器时切割面质量好、速度快,出血量少,伤口可以更快愈合。

  石油方面 早在二十世纪五十年代,人们已经将水射流技术应用到了石油的开采过程。100MPa左右压力下的高压水束可以击破大概75%的岩

石,大大提升了开采速度[3]。在含有瓦斯成分的工作环境中,使用水射流这种低温开采方式的优势更加明显,安全性更高。
  4.水射流技术的发展趋势

  随着水射流技术应用行业的不断增加,加工要求的不断提高,各种新材料的不断发现,水射流技术也应与时俱进,朝着小型化、集成化、

智能化,更高加工效率及加工精度,更宽应用领域,更低使用成本,更完善的加工数据库等方向发展。我们需要不断探索,将水射流这一先进

技术更好的应用到各行各业中去。

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