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水切割原理介绍

发布时间:2013-05-23 17:43:25

人类自古就利用水流的冲击力,制成水车、水磨等水力机械。如果水流从高压水枪中喷出,其冲击力就更大。前苏联用于采煤工业,名曰水力采煤。高速喷出的水流受阻于煤层,速度骤然下降,顷刻间会产生足够大的冲击力,使煤层出现脆性断裂,完成采煤作业。受此启发,前苏联科学家开发出高压水喷流切割技术,而美国公司取得了此项技术的专利权,使之商品化。 


普通水经过一个超高压加压器,将水加压至4,000 bar (60,000psi),然后通过一个细小的喷嘴(其直径为0.004英寸至0.016英寸),可产生一道每秒达915公尺(约音速的三倍)的水箭,此道水箭可做各种表面处理及切割各种非金属物质如纸类、纸尿裤、玻璃、纤维、海绵等。 


而针对要切割金属及较硬的材质如各种石材、玻璃、陶瓷、磁砖等材质时,福禄另开发出具专利及更完善的设计,就是将砂料与水箭混流以增强其切割能力,此种高速度的加砂水刀几乎可切割任何材质。 


要做到这点,对水、管道、喷口都有比较高的需求。如管道,水刀是用高压工具把水加压后射出来的,必须拥有极高的压力才能把坚硬的切割材料切开,所以管道必须能承受极高的压力,这个压力远远大于700兆帕,因为薄钢板(被切割材料)本身就能承受700兆帕的压力。 


其次,水刀用的水完全没有杂质是不对的。因为水压远远大于700兆帕,那么对于管道等密封设备而言,无论密封性能多么好,纯水总会使它们磨损而渗漏。为了解决这个问题,水刀用水就要加入5%的可溶性乳化油,提高密封效果。对于高压泵,也要加入一些油液提高其密封性能。 


上面说过了,水刀的喷嘴是用硬质合金、蓝宝石等材料做成的,喷口直径仅0.05毫米,而且孔内壁光滑平整,能承受1700兆帕的压力,所以喷出来的高压水能像刀一样切割材料。有些水还加入了一些长链聚合物,如聚乙烯氧化物,增加水的“黏度”,使喷出的水犹如一条“细线”。 


它的加工精度高,切割宽度只有0.1—0.8毫米,可以加工型面复杂的零部件。加工后的零部件切口光滑整齐,无须修整。尤其对易热变形材料的加工,“水刀”更具独特优越性。 


它不像刀具那样存在磨损问题,掺入水喷流中的磨料和废水可回收使用,设备又较为简单,加工成本低廉。加工过程中引起的振动和噪声都很小,切屑量仅是机械加工的15%—20%,并且碎屑随水流走,不会飞扬伤及操作者。 


“水刀”,正因为它不是刀,才开拓了广阔的用武之地。对复合材料的切割是加工中的棘手问题。如采用传统的加工方法,会出现分层和撕扯现象,而“水刀”正是解决这个问题的理想工具。用“水刀”来清除部件的陶资涂层,效果优于机械方法和化学方法。“水刀”可用于冲孔,粉碎材料。船体及螺旋桨表面的附着物,化工管道中的积垢,用“水刀”来清洗也很方便。 


“水刀”还可以用于外科手术。〔东京大学医学院用压强0.7兆帕的“水刀”在家兔身上做试验,表明它可用于肝、肾等脏器的手术,不会损伤周围组织,也不易引起感染。〕