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超高压水射流技术的基本原理及应用/ @" o5 X2 s( s* k3 f/ V6 r& P
超高压水射流技术其实并非新近出现，早在1974年，美国的FLOW公司就首先将其应用于工业切割领域并使其商业化，经过近30年的发展，已日趋成熟。超$ H, i. o7 q( z% i1 I6 ~# I1 f7 Q
高压水射流技术因其切割品质好、不受材料及厚度限制、切割成本低、无污染等诸多优点及特性已被越来越多的用户所接受，并逐渐成为趋势。6 R' u) z6 I1 \. `; e8 N
水射流设备工作原理
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超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时, 可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品, 纸张, 纸尿片, 橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。
# F& }8 G: Z) s" x而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时, 所产生之加砂水射流, 实际上可切割任何硬质材料包括金属, 复合材料, 石材及玻璃. 超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如船身清洗及汽车喷漆设备清洗.
4 b8 I$ l, m# E( J7 A' T% G 超高压水的形成关键在于高压泵。从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行3 h" C5 ~. C- ~" W6 |# ^
净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必
1 z/ d$ B; x6 `. Y B使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的。水压越高，水射流速度越
% j+ t7 S3 b+ R9 R) Z0 @快，对高压部份的制造要求也越严格，在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件 T3 c9 @7 M" Z' p d1 z+ t
和水封的寿命。3 Q* e! U9 M9 E( H
经过高压所产生之高压水经由高压过流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。, u3 k' Z6 V3 l C: F5 S+ O+ H
由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴' t \/ o* f: Z! u, y) d, S' L
砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。
! g8 D: Q( m1 k5 P 水射流技术特点
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3 U! S5 f. k/ Q0 O较之激光、等离子、线切割等传统的切割方式，水射流切割技术确实有其独特、显著的优势：
, ?. X9 @# p2 N *切割品质优异
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$ e3 N" X$ j+ J& g( z 水射流是一种冷加工方式，‘水刀’不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处1 D& ?; F. `8 m2 I0 N5 R; f% O
材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm至1.1mm，砂水混流切割之切口约为 0.8mm至1.8mm。随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质之单侧斜边为0.076mm至 0.102mm之间)，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。
& V. M" B; N1 k! w, F2 l *几乎没有材料和厚度的限制
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6 s# |% t4 }* I1 z无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。& m, D5 w$ I" y# x' S
*节省成本
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% ?* J2 _) t7 v- e* X水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时间及制造成本。 p2 Y |* h1 I3 Y
*清洁环保无污染- v5 S E) |$ A [: W3 ~4 C2 [9 M
" `' K: x3 ^! S5 T3 o" {* P2 F$ t在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求。
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实际应用
0 ?9 t* T6 K* }7 _众所周知，水射流技术因其本身的特点及优势在工业切割、清洗领域应用已十分广泛。
8 x2 S. F, ]; I0 O/ z0 _5 b切割方面：纯水应用于造纸业、橡胶业等，而加砂水刀则可应用于石材业、陶瓷业、航天航空业，汽车制造业、金属加工业。尤其值得一提的是汽车制造业，随着近几中
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汽车工业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂商产量地极剧扩大，车型地不断更新，生产周期地缩短，对配套的汽车内饰件(如汽车地毯、仪表板、顶蓬等)厂家来
) O3 ?2 g9 W: c说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法，由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发展的需求。此时，与机器人相结合的水1 T' r1 b* z/ w2 K+ s* S4 O
射流设备脱颖而出。高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器的手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工内饰件的目的。此种加
, t" m! d$ W7 V) n+ [( B' K工方式的优点在于高效率、高质量、精度高、柔性好。目前国内包括上海大众、上海通用、一汽大众、天津丰田、广州本田、神龙富康、南京南亚等众多车型的内饰
/ N) S3 l) T' P件配套厂商已使用高压水射流设备进行内饰件的加工。
1 A, p* b; X7 f3 e% W+ ]9 y2 C工业清洗方面，可应用于汽车业之喷漆房清洗、石化业之热交换器内外管清洗、飞机跑道之橡胶清洗、工业上之除锈及防蚀工程表面处理、航天工业引擎零件之清洗、核能发电厂之清除辐射污染等行业。, A* E1 \$ ~; i' p' j9 S- K7 ?
除了以上所介绍的应用领域以外，近几年，国外已有公司通过超高压技术，将其应用于食品杀菌达到食品保鲜的目的，并已成功打入食品保鲜行业(如美国著名的HEMELL公司已使用超高压设备进行食品保鲜)，取得了良好的口碑。# ]5 v& c) c0 y Q
9 B! A& g3 n7 x" X" w最新动态8 }. v1 L! R+ W1 [* f
! @; W' R4 i3 S. O& c% p) ^8 e 2002年，美国FLOW公司将超高压水射流技术带入了一个革命性的阶段，发布了最高压力可达87,000psi的超高压水射流设备，大大提高了生产效率+ c3 U1 z: N2 x/ }) L0 P
的同时使用成本也较之以前下降40%。随着对水射流技术地不断研发、提升、应用，其发展和使用前景将无可限量。
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发表于 2007-5-25 22:16:03
