高压水射流技术的应用

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.110

基金项目：黑龙江省博士后基金项目(LBH-10242)

高压水射流技术在机械制造业的应用

靳晓明 郭睿智

黑龙江科技学院工程训练与基础实验中心，黑龙江 哈尔滨 150027

The Application of High Pressure Water-Jet Technology in Machinery Manufacture

Jin Xiaoming Guo Ruizhi Center for Engineering Training and Basic Experimentation, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China

回顾水射流技术的发展历程，大体上可 摘 要 水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达

以分为5个阶段 ［2］ 。 高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、 音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶

第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯 瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切 新工艺，采用高压、高速水(纯水或带有磨

割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有 水射流切割能力的限制，主要研究低压水射 料)进行机械加工，在纯水(或纯水和磨料)的

以下优点 [6]： 流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用 作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表

(1) 高压水射流切割效率高，切割材料 于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功 面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高

地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落 范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材 压水射流技术的发展、分类及在机械制造业

中应用现状。 煤。 料，如加配软件可实现数控切割，切割精度

第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年 关键词 高；

(2) 高压水射流切割表面质量高，高压 高压水射流；应用；发展 代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得

Abstract 到了极大的发展，当时可生产400MPa以上 水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料 High pressure water-jet technology is rapid rise 的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之 切口处组织结构性能不发生改变，切割表面 technology and process. It used high pressure and 相配套的高压管件。与此同时，高压水射流 光滑且切缝窄；

high speed water-jet or water abrasive jet for 清洗技术得到了推广应用。 (3) 高压水射流切割具有“冷、软”加 mechanical processing, such as, cutting, washing, 第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年 工特性，由于高压水射流切割其切割介质为 polishing, shot peening and surface material 代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其 水，切割过程中无机械切削力，切割温度 removal, etc. This paper introduces high pressure 应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、 低，无热影响区和热变形；

water-jet’s development, types and application 抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射 (4) 高压水射流切割易于实现数字化控 status in the machinery manufacture. 流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问 制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现 Keywords 世。 数字控制，且水射流切割是全方位点切割 high pressure water jet; application; development 第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年 器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便

利； 代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及

(5) 高压水射流切割易于实现远距离独 拓展应用范围，先后出现了前混合磨料水射

流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激 立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷 1 高压水射流技术的概念

振荡水射流技术，并研制成产出以高压水射 头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作 自古以来，人们把水比做柔软的物质，

流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射 灵活； 而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河

(6) 可实现绿色无污染切割，由于高压 流切割机、高压水射流钢管内磨机等。 道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水

第五阶段：20世纪90年代后机器人多维 水射流切割介质为水，来源充足且对环境无 长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识

切割、井喷管口切割、干冰切割技术问世， 污染、安全、绿色、环保。 到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光

更重要的是，此种方法能够进行计算机控 正是由于高压水射流切割具有以上优 等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水

制，实现切割的智能化和精准化，满足各种 势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制 和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观

复杂的工况条件，实现了钛合金、复合材料 造、军工、电子行业中，主要用于切割难加 察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射

等的高效切割。此外高压水射流技术在材料 工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工 流。高压水射流技术是近几十年来发展起来

表面加工上的优势凸显，如水射流喷丸和水 艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和 的一项新技术，是以水为介质，经高压发生

射流抛光等技术。 废旧核设施的拆除。 装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的

3.2水射流清洗技术 3 高压水射流在机械制造行业中的应用 喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有 高压水射流清洗技术是20世纪70年代在 3.1 水射流切割技术 清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效

高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗 水射流切割的可能性来源于苏联，但第 率高、成本低、操作安全方便等优点。目

一项切割专利技术却在美国产生 [3]，即1968 技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗 前，在机械制造业中高压水射流技术多见于

物体基体上，使一种或多种材料(表层附着 年由美国密苏里大学林学教授诺曼 弗二兹 切割、清洗、抛光及喷丸等领域。

物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来， 博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一 2 高压水射流技术的发展 完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物 台商用水射流切割装置产生于1971年， 后 高压水射流技术这一概念发源于二十世

理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以 来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间， 纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初， 清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和 用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974 美国、美国、英国、日本等国加大科研投入 要求，采用不同的射流形式和执行机构，利 年美国流体工业公司山售了第一套工业用水 力度研究开发超高压水射流技术。历经多年 射流切割系统 [4]，并于1983年率先研制成功用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污 科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上 垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的 磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000 第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯 目的。主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、 多套水射流切割设备在数十个国家几十个行 水射切割，切割能力受到很大的制约，其切 烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂 业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军 割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡

层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污 胶等软材质材料 [1]。鉴于此，为提高高压水 工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。

垢、高分子聚合物污垢等。 尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展 射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美

与传统清洗方式相比其优势为： 促使了水射流技术和设备的不断进步，已 国设计制造出了超高压磨料水射流切割机， (1) 当选择适当的水射流喷射压力时， 可切割500余种材料，其设备年增长率超过 随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料 20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引 不会损伤被清洗基体； 水射流切割机。这样高压水射流的应用范围 (2) 由于所使用的介质为不添加任何化 进了超高压水射流设备，仿制与研究相结 从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材 学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀 合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世 料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、 现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清 纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制 大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功 洗后的二次清洗处理； 成功了超高压水射流切割系统。 地应用到抛光砖的切割过程中。 (3) 能清洗形状和结构复杂的零件，由 超高压水射流切割系统在切割过程中，

中国科技信息2012年第12期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jun.2012

于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动 域研究尤为突出。我国对水射流喷丸强化技 上接第146页 术研究起步较晚，主要以纯水射流喷丸强 化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构

化、前混合水射流喷丸强化，另有空化水射 件； 不污染环境； 以逐步形成体系。 (5) 清洗速度比传统的化学方法及机械 高压水射流喷丸强化的基本原理，就是 (6) 可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有 速喷射到金属工件表面上，使表层金属材料 表层在再结晶温度下产生塑性变形(冷作硬 害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清 程序运行结果如图1所示。 化层)，呈现理想的组织结构(组织强化)和残 洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口

余应力分布(应力强化)，从而有效控制了疲 径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物

的清洗等。 劳裂纹的萌生和扩展，达到提高金属零部件 由于水射流清洗技术在工业清洗领域的 周期疲劳强度的目的。

高压水射流喷丸强化与传统喷丸强化相 独特优势，使其一经问世，便得到了高速发

比具有以下优势 [9]： 展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗

(1) 受喷表面粗糙度值增加很小，减少 已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占

据了主要份额。如美国石化企业在换热设备 了应力集中现象，提高了强化增益效果； 时，采用高压水射流清洗的占 80%以上， (2) 容易对存在狭窄部位、深凹槽部位 而化学清洗的比例仅仅不足5% [1]，其在机械 的金属零部件表面及微小金属零部件表面等 制造业中的应用主要有：机械加工设备及模 进行喷丸强化； 图1 小应用程序间的通讯 (3) 喷头体积小，反作用力小，移动方 具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属 【程序分析】程序中，方法public 便，易于实现光控、数控及机械手控制，提 构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去 AppletContext getAppletContext()是java. 高喷丸强化质量； 毛刺及钢厂除鳞等。 applet.Applet类的成员方法。小应用程序调 3.3水射流抛光技术 (4) 纯水射流喷丸强化时，工作介质为 用该方法可以获取其上下文AppletContext 抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而 水，无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择 接口的引用。java.applet.AppletContext是 原则，同时，可以实现全覆盖率，且不会由 且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工 小应用程序及其运行环境之间的标准接口， 于固体弹丸的破损而降低强化表面的可靠 工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够 小应用程序可以使用此接口中的方法获取有 性； 改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特 关其环境的各种信息。小应用程序环境包括 (5) 水介质和动力源来源广泛，可实现 殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法 小应用程序所在的HTML文档以及同一文 全强度喷丸和同时加工几个表面，比能耗和 触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的 档中的其他小应用程序。本例程通过该接口 成本低、生产效率高； 工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无 引用调用接口方法Applet getApplet(String (6) 整套喷丸装置体积不大，可以装在 法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。 name)，获取指定实例名("No.1"、"No.2") 机动车上进行远距离操作和外场作业； 水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本 的小应用程序实例对象，进而由小应用程序 (7) 噪声低、无尘、无毒、无味、安 工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过 实例对象调用小应用程序类中定义的通讯发 全、卫生，有利于环境保护和操作者的健 喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒 送方法send与通讯接收方法receive，实现 康，实现绿色喷丸强化。 的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压 TextApplet与MouseApplet小应用程序之间 力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数 4 结语 的相互通讯。 来完成工件表面的抛光。 高压水射流技术正向着高效、多功能、 4. 结语 与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术 智能化、精细化方向发展，研究和开发这项 同一网页中多个小应用程序之间实现相 具有以下特点： 技术的前景十分广阔。高压水射流技术在机 互通讯的一般方法是： (1) 水射流抛光的磨具为液态磨具，不 械制造业的应用领域还很多，新的应用手段 在页面的HTML文档的各个小应用程 存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定， 也很多，如最近利用高压水射流进行去毛 序标记中设置NAME属性，为 面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺 刺、打孔、开槽、细微雕刻、清焊根及清除 各个小应用程序指定其实例名。 寸精度，而达到较高的表面光度； 焊接缺陷等，这说明高压水射流这项新技术 在各个小应用程序类中定义其通讯发送 (2) 由于水射流抛光头为液体住，容易 在机械制造业具有广阔的应用前景。 方法(send)与通讯接收方法(receive)，发送 对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表 方法(send)用来向其它小应用程序发送自己 面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影 参考文献 的信息；接收方法(receive)用来接收其它小 响，应用范围较广，既可用来加工金属材 [1] 李震，李锋，汪建新. 高压水射流技术及 应用程序发来的信息并作出自己的响应。 应用[J]. 机械工程师，2009，(11)：33-36. 料，也可以加工非金属材料； 在定义小应用程序的通讯发送方法 [2] 沈忠厚. 水射流理论与技术［M］.东营： (send)(3) 水射流抛光属于冷加工范畴，加工 时，一般先运用getAppletContext() 石油大学出版社，1998. 1-2. 时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不 获取上下文AppletContext接口引用，再 [3] Damon C. Schroter, Cutting with High Pressure 会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材 Water-Jet and Abrasive; 27th International Abrasives 用其调用接口方法getApplet(String name) 料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液 获取实例名为name的其它小应用程序实 不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑 [4] John. Smith, Water-Jet, Abrasive Water- Symposium. 例对象，进而调用name的通讯接收方法

[8]； Jet and Abrasive Jet Machining: Material Machining: (receive)接收信息作出响应。 (4) 抛光时噪声低、无尘、无毒、无 Nontraditional Machining. Pp 518-526.

[5] 张运祺. 美国水射流切割技术[J]. 中国机 味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者

械工程， 1992, (3)：13-15. 的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用， [6] 李连荣，唐焱. 磨料水射流切割技术综述 实现了绿色抛光； [J]. 煤矿机械，2008，29(9)：5-8. (5) 抛光“磨具”为高速高压液体，抛 [7] 庄静伟，王强，史亮等. 高压水射流的发 光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨 展与应用[J].中国水运(学术版)，2007，(06)： 等辅助时间，提高了抛光效率； 124-125. (6) 设备维护简单，操作方便，可以灵 参考文献 [8] 刘忠伟，邓英剑．水喷射加工技术及其 活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、 在机械领域中的应用[J]．制造技术与机床， [1] 朱福喜,唐晓军等编著.Java程序设计技巧与 数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工 2004，(2)：37-40. 开发实例.人民邮电出版社， 2004.2 件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触， [9] 郭睿智. 后混合水射流喷丸强化及装置设 [2] Herbert Schildt.JAVA2参考大全.北京:清华大 计研究 [D]：[硕士学位论文]. 哈尔滨：黑龙江 可实现高速抛光。 学出版社,2002.4

科技学院，2010. 3.4水射流喷丸强化技术 作者简介 作者简介 水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末 靳晓明（1984-），女，学士学位；研究方 袁琼（1980－），女，讲师，硕士学位。主要 由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷 向：流体传动及水射流技术。 研究方向：计算机网络和分布式信息系统。 开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领