景江明 舒正陽(yáng)

摘要：水射流技術(shù)作為一種新興技術(shù)，近幾十年來(lái)發(fā)展迅猛并以良好的性能和特有的優(yōu)勢(shì)受到行業(yè)廣泛關(guān)注和青睞。水射流加工是以水為介質(zhì)通過(guò)高壓發(fā)生系統(tǒng)將其增壓，再通過(guò)換能元件噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能產(chǎn)生高速高能強(qiáng)穿透力的射流打擊工件以達(dá)到加工的目的。本文論述了水射流切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及探究了目前存在的問(wèn)題，并展望了水射流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景，期望對(duì)進(jìn)一步探索水射流的深層機(jī)理及擴(kuò)展其應(yīng)用范圍提供可借鑒的研究思路。

關(guān)鍵詞：水射流技術(shù);切割;發(fā)展現(xiàn)狀;存在的問(wèn)題;發(fā)展趨勢(shì);應(yīng)用前景

1. 水射流切割研究現(xiàn)狀

高壓水射流切割技術(shù)憑借清潔安全、高效、強(qiáng)勁等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在近些年來(lái)得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。水射流技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步也日趨成熟化，如今水射流技術(shù)在采礦業(yè)、石油化工、機(jī)械制造業(yè)、汽車、航天業(yè)、軍工、電力電子、醫(yī)療、食品等行業(yè)被大量應(yīng)用。本文通過(guò)研究水射流切割在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展情況來(lái)介紹水射流切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，下面是射流技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域目前使用情況。

在煤礦石化開(kāi)采領(lǐng)域：水射流技術(shù)最早開(kāi)始應(yīng)用于煤礦開(kāi)采領(lǐng)域，現(xiàn)如今該技術(shù)主要用于煤礦開(kāi)采中的破巖鉆井、鉆孔、切割、防瓦斯爆炸等方面。水射流技術(shù)用于鉆井能有效提高鉆井效率并能夠充分清洗井底[1]。同時(shí)，將水射流用于煤礦鉆孔和切割能有效提高松軟煤層透氣性和瓦斯采集率。水射流技術(shù)用于防瓦斯爆炸方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)切割容易產(chǎn)生高溫和火化從而容易引起瓦斯爆炸，而水射流加工無(wú)高溫和火化產(chǎn)生從而有效的改善鉆井切割中引起的瓦斯爆炸[2]。李曉紅等[3]將高壓脈沖射流應(yīng)用高瓦斯低透氣性煤礦，結(jié)果表明平均百米鉆孔煤層瓦斯抽放量較原有工藝提升了7.8倍。WANG等[4]利用空化射流聲振效應(yīng)促進(jìn)瓦斯解吸，實(shí)驗(yàn)表明聲波振動(dòng)效應(yīng)對(duì)煤層氣解吸和最終甲烷解吸有明顯的加速作用。

在航天航空領(lǐng)域：水射流切割技術(shù)屬于冷切割加工，因此對(duì)材料切割時(shí)材料的機(jī)械與物理性能以及材質(zhì)的晶間組織結(jié)構(gòu)都不會(huì)變化[5]，更不會(huì)發(fā)生熱變化。正因其特性，使其既可以保證加工質(zhì)量也能保證其經(jīng)濟(jì)性。水射流射流切割技術(shù)在航天航空被大量使用，主要用于切割航天玻璃、碳纖維、鈦合金以及各種復(fù)合和特種材料。

在軍工領(lǐng)域消防領(lǐng)域的應(yīng)用：軍事和消防是兩個(gè)特殊而危險(xiǎn)性高的行業(yè)，由于水射流切割技術(shù)是一種冷切割技術(shù)，在廢舊彈藥的處理方面，高壓水射流在安全、綠色處理方面有著先天的優(yōu)勢(shì)，被用來(lái)切割高溫、易燃易爆、地雷、核武等不能產(chǎn)生火花的地方。在高壓水射流的作用下炸藥能夠從彈殼中分離出來(lái)，與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比較水射流切割技術(shù)是一種更為有效安全的手段分離手段[6-7]。

在食品加工領(lǐng)域：使用冰粒作為磨料的水射流切割技術(shù)應(yīng)用到食品加工中，有效的避免了傳統(tǒng)切割使用刀具容易產(chǎn)生交叉感染的問(wèn)題[8]，同時(shí)也保證了食品的安全和品質(zhì)。采用非接觸式高壓水射流切割用于農(nóng)產(chǎn)品收割，實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗莖稈的較遠(yuǎn)距離切斷[9]。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：在醫(yī)學(xué)上，將純水射流作為手術(shù)刀，可進(jìn)行多種外科手術(shù)，切除病體機(jī)體，不損傷血管與纖維，可大大降低手術(shù)中的出血量[10]。水射流技術(shù)在醫(yī)學(xué)上作為一種新型手術(shù)分離器械，與現(xiàn)有分離器械如：傳統(tǒng)手術(shù)刀、電刀、超聲刀及激光刀等器械相比，醫(yī)用水刀在臨床上具有高度精準(zhǔn)靈活的組織選擇性、保護(hù)性、無(wú)熱損傷、無(wú)菌化、術(shù)中出血量少、創(chuàng)傷小等優(yōu)點(diǎn)。合理設(shè)計(jì)的醫(yī)用水刀實(shí)現(xiàn)了低壓水射流時(shí)對(duì)傷口的沖洗，高壓水射流時(shí)對(duì)實(shí)質(zhì)性組織進(jìn)行切割的作用，有效解決了手術(shù)中頻繁換刀的麻煩[11-12]。

在復(fù)合材料加工領(lǐng)域：復(fù)合材料是指一種由兩種及以上材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的具有新性能的材料，表現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，但其加工一直是一項(xiàng)工程難題[13]。傳統(tǒng)加工方式加工復(fù)合材料易發(fā)生破碎和分層。而在水射流的切割加工下，其切割面質(zhì)量較好，沒(méi)有分層現(xiàn)象[14]。此外，玻璃纖維增強(qiáng)塑料和芳綸纖維復(fù)合材料也是典型的難于切削加工的復(fù)合材料，磨料水射流單點(diǎn)冷態(tài)的加工優(yōu)勢(shì)較好地解決了這些材料的加工問(wèn)題[15-16]。

2. 水射流切割存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)這么多年的技術(shù)發(fā)展與沉淀，水射流技術(shù)切割技術(shù)得以很好的發(fā)展與應(yīng)用，但還有許多制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，需要繼續(xù)探索和提高。

（1）水泵關(guān)鍵技術(shù)的研究。水泵作水射流高壓發(fā)生系統(tǒng)中重要組成部分，高壓泵還存在潤(rùn)滑磨損、泄露、超高壓密封問(wèn)以及定性等題急需解決。

（2）噴嘴優(yōu)化和材料問(wèn)題，噴嘴作為水射流加工中重要的換能元件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有這至關(guān)重要的作用。目前噴組都有著耐磨性差使用壽命短等問(wèn)題，需加大對(duì)噴嘴使用材料進(jìn)行研究，以提高耐磨性噴嘴壽命。此外，對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)提高噴嘴效能有著重要的影響。

（3）智能化數(shù)字化，目前水射流切割技術(shù)還存在數(shù)字化智能化程度較低的問(wèn)題。主要表現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)模塊數(shù)字化程度低內(nèi)聯(lián)相關(guān)性較低，自我檢測(cè)能力不強(qiáng)，不能自我調(diào)整加工出現(xiàn)的問(wèn)題和工藝參數(shù)參數(shù)不能在加工中自適應(yīng)調(diào)整。

（4）參數(shù)庫(kù)不健全，弄清楚射流各個(gè)單一參數(shù)和各參數(shù)相互作用對(duì)射流結(jié)構(gòu)的控制作用和射流切割的微觀和宏觀過(guò)程是獲得理想的切割效果重要一環(huán)。理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合得到數(shù)據(jù)建立切割數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)在加工時(shí)只需輸入材料的特性就可以自動(dòng)匹配合適的切割參數(shù)便可以達(dá)到最佳切割效果。

3. 水射流切割發(fā)展前景展望

21世紀(jì)以來(lái)高壓水射流技術(shù)進(jìn)入了創(chuàng)新應(yīng)用階段，作為一項(xiàng)高效的應(yīng)用技術(shù)，水射流切割技術(shù)在以應(yīng)用領(lǐng)域和其他還未應(yīng)用諸多領(lǐng)域仍有著十分廣闊的發(fā)展空間。以下是對(duì)水射流切割技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的展望。

（1）提高系統(tǒng)的可靠性能，目前水射流技術(shù)正朝著在高壓和超高壓水射發(fā)展，提對(duì)高壓泵設(shè)計(jì)，高壓軟管，噴嘴的耗損度也急劇升高，壓力脈動(dòng)也特別明顯，系統(tǒng)的可靠性在于液壓零部件合理上的設(shè)計(jì)和材料領(lǐng)域的突破。

（2）提高精度，水射流技術(shù)加工目前還處于粗加工和半精加工，其精度還不夠。精準(zhǔn)模型建立和精確誤差補(bǔ)償是提高水射流加工精度的有效方式。加工將不再僅憑借傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的模型，而是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)在建立精確模型基礎(chǔ)上，在利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊控制技術(shù)，進(jìn)行全自動(dòng)化加工。對(duì)于加工中出現(xiàn)各種復(fù)雜加工情況，計(jì)算機(jī)將根據(jù)系統(tǒng)算法找到相對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)加工。

（3）發(fā)展智能化控制，隨著水射流技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高精幅度形狀復(fù)雜化加工是水射流發(fā)展的重方向。隨著人工智能學(xué)科的發(fā)展，引領(lǐng)水射流技術(shù)向著智能化與自動(dòng)化控制發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多軸（5軸以上）水射流大量設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)用，促進(jìn)高精尖水射流加工機(jī)床的發(fā)展進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)從二維到三維的大量轉(zhuǎn)變，以及從加工從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從粗糙到精確加工發(fā)展。

（4）與其他技術(shù)綜合應(yīng)用，將其他加工技術(shù)如激光、超聲波、電解加工等加工技術(shù)與水射流技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，兩者加工優(yōu)勢(shì)加大程度相結(jié)合將顯著提高水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和加工效率。

參考文獻(xiàn)

[1]光新軍，王敏生，皮光林.超高壓水射流鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].鉆采工藝，2017，40（01）：37-40+7

[2]王暉.自振脈沖磨料水射流安全切割實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2012

[3]李曉紅，盧義玉，趙瑜，康勇，周東平.高壓脈沖水射流提高松軟煤層透氣性的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（12）：1386-1390

[4]Haiyang Wang，Binwei Xia，Yiyu Lu，Zhaolong Ge，Jiren Tang. Experimental study on sonic vibrating effects of cavitation water jets and its promotion effects on coalbed methane desorption[J]. Fuel，2016，185.

[5]程效銳，張舒研，馬亮亮，羅鈺銅.高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].液壓氣動(dòng)與密封，2019，39（08）：1-6.

[6]伍凌川，雷林，張博，韓智鵬.廢舊彈箭高壓水射流處理技術(shù)國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀[J].兵工自動(dòng)化，2016，35（10）：77-79

[7]鐘樹(shù)良，李振泉，柏平，黃交虎.水射流切割炸藥的安全性及試驗(yàn)研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2006（03）：44-46

[8]J.A. McGeough. Cutting of Food Products by Ice-particles in a Water-jet[J]. Procedia CIRP，2016，42

[9]Somjet Thanomputra，Thanya Kiatiwat. Simulation study of cutting sugarcane using fine sand abrasive waterjet[J]. Agriculture and Natural Resources，2016，50（2）.

[10]Somjet Thanomputra，Thanya Kiatiwat. Simulation study of cutting sugarcane using fine sand abrasive waterjet[J]. Agriculture and Natural Resources，2016，50（2）.

[11]Gert Kraaij，Gabrielle J.M. Tuijthof，Jenny Dankelman，Rob G.H.H. Nelissen，Edward R. Valstar. Waterjet cutting of periprosthetic interface tissue in loosened hip prostheses： An in vitro feasibility study[J]. Medical Engineering and Physics，2015，37（2）

[12]宋軍，張西正，侍才洪，張坤亮.新型醫(yī)用水刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（07）：74-76

[13]薛勝雄，孟俊坤，任啟樂(lè)，韓彩紅，陳正文，李岳峰.大尺度曲面復(fù)合材料水切割的工況與機(jī)構(gòu)研究[J].流體機(jī)械，2016，44（12）：25-28+45

[14]王偉.高壓磨料水射流切割碳纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2015

[15]王軍，范運(yùn)杰，趙連松，徐幸.高壓磨料水射流切割玻璃纖維增強(qiáng)塑料的試驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016（10）：43-48.

[16]石文天，劉玉德，張永安，張加波，劉漢良.芳綸纖維復(fù)合材料切削加工研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2016，45（01）：28-35.

作者簡(jiǎn)介

景江明（1994年9月9日），男、四川省巴中人、研究生、西華大學(xué)、研究方向：水射流加工技術(shù)。