高壓水射流切割（high 壓強 H?O jet cutting），別名水刀、水噴射加工、水射流加工，是一種是運用液體增壓原理，通過特定的裝置使水形成高速射流，進行切割物體的非傳統(tǒng)冷切割技術。高壓水射流切割系統(tǒng)主要由油壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴與管路系統(tǒng)等組成。壓力可達600MPa，速度達 800～1000m/s（約3倍音速），可輕松切開280毫米厚的不銹鋼板。
水刀起源于19世紀中葉，高壓水射流技術第一次被北美人用來開采質(zhì)地較為疏松的礦床。1972年第一臺高壓水射流設備由 AIton Boxboard 生產(chǎn)完成，它開辟了制造業(yè)加工工具發(fā)展的新紀元。20世紀80年代中期，英國流體力學研究協(xié)會提出將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中的方法。磨料的加入使得水射流具有了鋸條的特性，射流的力量被大大加強。
水刀按照切割方式、磨料混合機制、壓力大小等不同方式有著不同的分類，常見的有純水射流切割、磨料水射流切割、空化射流、脈沖射流、前/后混合式磨料水射流切割、超高/高/低壓型切割等。因其具有冷態(tài)切割、切割力強、切割質(zhì)量高、清潔環(huán)保等特點，使其幾乎可以切割任何材料，例如塑料、紙張和紡織品等軟材料，玻璃、金屬、合金、陶瓷材料和碳化金屬等硬材料，甚至可以切割易燃易爆設施。因此，高壓水射流切割技術被廣泛應用于航空航天、工業(yè)制造、臨床醫(yī)學、裝飾裝修、食品工業(yè)等領域。
歷史沿革
探索實驗階段（1950~1960年代）
19世紀中葉，高壓水射流技術第一次被北美人用來開采質(zhì)地較為疏松的礦床，因此被人們認為采礦業(yè)是高壓水射流切割技術的源頭。
20世紀50年代，蘇聯(lián)和中國的專家們利用水射流的沖擊和輸送作用，進行礦石的開發(fā)，這些技術都大大提高了采礦業(yè)的工作效率。
該階段主要研究低壓水射流采礦。
設備研制階段（1960~1970年代）
20世紀60年代末，美國密蘇里大學林學教授Franz博士發(fā)現(xiàn)高壓水射流可以被用來切割木材，這種方法對材料的切割面幾乎沒有損害，并且切割速度相對較高。
1972年第一臺高壓水射流設備由AIton Boxboard生產(chǎn)完成，作為第一臺真正意義上的高壓水射流設備，其工作壓力可達400MPa，開辟了制造業(yè)加工工具發(fā)展的新紀元。此后，一家名為FIow Industries的新公司也開始生產(chǎn)銷售這種工業(yè)應用的高壓射流設備。
該階段主要研制高壓泵、增壓器和高壓管件，同時推廣水射流清洗技術。
工業(yè)應用階段（1970~1980年代）
70年代中期，各國開始大力研究高壓水射流技術，使該技術進入了迅速發(fā)展的新階段。
70年代末期80年代初期，水射流研究出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了高頻沖擊射流、磨料射流等技術，代替了原先的單一提高水射流壓力。
該階段主要特點是大量的水射流采煤機、切割機、清洗機相繼問世，并進行了工業(yè)試驗和推廣應用。其應用領域也由采礦發(fā)展到其他領域。
迅速發(fā)展階段（1980~1990年代）
20世紀80年代中期，英國流體力學研究協(xié)會（British Hydrodynamics Research Association）提出了一種方法，可以將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中。磨料的加入使得水射流具有了鋸條的特性，射流的力量被大大加強了。磨料水射流幾乎可以切割任何材料，例如玻璃、金屬、合金、陶瓷材料和碳化金屬。
1985年，為了滿足生產(chǎn)中產(chǎn)品零件切割的需要，中國研制了一臺射流壓力可達600MPa的高壓水發(fā)生器。該發(fā)生器于同年6月試制完畢，并在成都飛機公司進行了切割試驗。
1989年專利申請EP89904317A提出了一種用于實現(xiàn)食品（如魚片、雞肉等）的等尺寸或等重量切塊的水射流切割機，使水射流切割迅速應用于各行業(yè)切割。
20世紀90年代，隨著世界恐怖主義的日益猖，水射流切割排爆成為水射流學科中的一個研究熱點，在軍事和消防中都得到廣泛應用。
該階段主要特點是水射流技術研究進一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動射流等新型射流發(fā)展很快，許多產(chǎn)品已達到商品化。
智能自動化階段（1990年代至今）
2008年，中國專利申請，數(shù)控五軸聯(lián)動水射流切割機，結合數(shù)控技術實現(xiàn)五軸聯(lián)動水射流切割。高壓水射流技術更智能化、控制系統(tǒng)更精細化更完善。
2010年，美國FLOW公司申請專利三維流體射流切割中射流取向參數(shù)的自動確定，提供了用于自動確定射流取向參數(shù)以校正三維零件切割中可能的偏離的方法、系統(tǒng)和技術。
技術原理
高壓水射流切割技術是利用發(fā)動機、增壓器或者水泵、噴嘴、開關等裝置設備，并通過這幾個裝置之間動能的相互轉(zhuǎn)化，使通過的水具有巨大壓力能。再通過小孔噴嘴后，將壓力能轉(zhuǎn)變成動能，從而形成高速射流最終使水具有強大沖擊力，之后便可對特定物質(zhì)進行切割。
增壓蓄能
高壓水射流切割技術中，往復壓縮式增壓器在液壓系統(tǒng)提供的高壓油作用下往復運動，把動力源的機械能轉(zhuǎn)化為水的壓力能，水壓可增大到300~1000MPa，在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器，作為輔助動力源。
磨料混合
前混合式磨料水射流切割系統(tǒng)的高壓水分為兩路，一路流經(jīng)磨料罐與磨料初步混合，之后與分流的另一路高壓水匯合，而后從噴嘴中噴出；后混合式磨料水射流切割系統(tǒng)會在后增設一個混合磨料系統(tǒng)，磨料在噴嘴中的混合腔中完成與高壓水的混合后噴出作業(yè)。
切割作業(yè)
水通過磨料混合后到達噴嘴，再將壓力能轉(zhuǎn)變成動能，從而形成高速水射流即把超高壓水變成高壓的切割流。在人工或計算機控制下，控制系統(tǒng)移動工件或切割頭，噴射到工件表面，當水射流沖擊被切工件時，動能又重新轉(zhuǎn)變成作用于材料上的壓力能。若壓力能超過材料的破壞強度時，即可切斷材料，達到去除材料的加工目的。
純水射流切割技術原理與磨料水射流切割相似，主要區(qū)別在于無磨料混合過程，系統(tǒng)的用水經(jīng)過軟化過濾后，進入高壓水發(fā)生裝置，成為高壓水并噴射切割。
典型結構
液壓磨料水射流切割系統(tǒng)主要由油壓系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、增壓恒壓系統(tǒng)、噴嘴與管路系統(tǒng)等組成。
主要優(yōu)缺點
主要優(yōu)點
采用水射流切割，由于沒有熱影響區(qū)存在，所以對材料無熱損害，不會造成材料的結構變化或熱變形，不會造成材料的組織結構變化或變質(zhì)，切割作用所產(chǎn)生的熱由水帶走，金屬溫度僅為50～60℃。這對加工熱敏感材料如TC4尤為有利。
因為切割處為一點，所以可以全方位自由作業(yè)，而且可以從工件上的任一點開始，特別適合于切割形狀復雜的工件，也便于實現(xiàn)自動控制。
實驗證明，選擇恰當?shù)那懈钏俣群蛪毫Γ淞骺梢郧袛?80mm厚的鋼板，250mm厚的鈦板，75mm厚的鋁合金板，470層
（每層65mm）的石墨ep合成板等。
水切割時不會產(chǎn)生裂痕，它可以切割間隙很窄的材料，切口可小至0.075mm，顯著地減少了材料的消耗。切口表面平整光滑，棱邊無毛刺，切口公差可達±0.06~±0.25mm。水刀借助噴射水流在工件上產(chǎn)生的力，可防止工件變形，提高加工精度。
因為利用軟化水進行數(shù)控刀具，較清潔衛(wèi)生。所以可切食品、藥物、器官管等，也可以避免某些粉末材料的飛塵，如石膏、石棉、纖維、紙張等；尤其適用于有防火要求的作業(yè)場合。
水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低；由于高壓水經(jīng)過小直徑的噴嘴以后可以產(chǎn)生極高的能量，所以高壓水射流技術的效率非常高，能夠在很小的區(qū)域內(nèi)集中極大的能量。
由于超高壓水射流切割幾乎“無堅不摧”幾乎沒有材料和切割尺寸的限制，被譽為“萬能切割機”可用于各種軟質(zhì)與硬質(zhì)材、導電與非導電材料、金屬與非金屬材料、塑性與脆性材料、復合材料等切割加工；可以輕松地切割鋼板或堅硬的大理石、花崗巖等，對那些因其它方法難以切割的材料如鈦合金及各種復合材料更是非常理想或唯一的加工手段。
可切割任意輪廓，切入點和終結點可選在工件表面的任意一點，可作全方位的切割，可從任何一點開始，無切割方向的限制，可切割出任何復雜的圖形，可完成各種異形加工，包括各種形狀、角度或斜度，且程序的編輯也容易。
主要缺點
無論是設備的一次性投資，還是后期維護成本，都較高。例如噴嘴的磨損，如一般碳化鎢噴嘴用于AWJ（磨料水射流切割的簡稱 ），其壽命只有2~4h。
切割進給速度慢，比火焰切割慢10~100倍。
3.部分材料切割質(zhì)量較低
切割很薄的延展性材料時，材料容易彎曲，切口出現(xiàn)飛邊和毛刺。
如1mm的噴嘴，在壓力為200MPa時射流功率近50kW。
由不一致的操縱器動作引起的表面缺陷。如果操縱器振動或變化速率，在過渡區(qū)上切割表面會看到痕跡。
常見分類
基于切割方式
純水射流切割
純水射流切割（H?O jet，WJ），系統(tǒng)的用水經(jīng)過軟化過濾后，進入高壓水發(fā)生裝置，成為高壓水并噴射切割。純水射流切割切割力較小，但噴嘴磨損慢，適用于切割軟材料。
磨料水射流切割
磨料水射流切割（brasive water jet，AWJ），在高壓水到達噴嘴前，會在在混勻器中與預先加入的磨料（磨料通常采用氧化鋁、氮化硅、石榴石等，顆粒度常為80~100目）混合均勻，然后通過噴嘴以每秒數(shù)百米的速度噴出。磨料水射流切割切割力大，但噴嘴磨損快，適用于切割硬材料。
在前混合式磨料水射流切割（磨料磨具 H?O suspension jet，AWSJ），高壓水分為兩路，一路流經(jīng)磨料罐與磨料初步混合，之后與分流的另一路高壓水匯合，而后從噴嘴中噴出。前混合式磨料系統(tǒng)切割能力更強，但對機器設備要求較高。
后混合式磨料水射流切割（abrasive water injector jet，AWIJ），通過負壓吸取磨料的方式，磨料在噴嘴中的混合腔中完成與高壓水的混合。后混式切割能力較弱， 但由于它易于實現(xiàn)，元件磨損小，因而是最為常見的類型且被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。
空化射流
空化射流（cavitation jet，CJ），利用“汽蝕”原理，水射流從噴嘴噴射出時含有空氣的空泡，調(diào)整好噴嘴與加工表面的距離，使空泡在這個距離中持續(xù)存在，空泡浮著加工材料的表面，在射流沖擊壓力作業(yè)下破滅，汽蝕加工材料的表面，從而實現(xiàn)清洗、破碎加工材料表面的作用。空化射流的清洗效果優(yōu)于普通的純水射流，用于航空航天器、核反應堆等清洗。
脈沖射流
脈沖射流（pulse jet，PJ），是一種非連續(xù)射流，利用專用設備，將動力源的能量傳遞給水，獲得能量的水經(jīng)過噴嘴射出，形似炮彈一樣的小水團，打擊在靶體上，切割、破碎目標材料。實際上，脈沖射流利用水錘原理，提高射流的打擊能力，促使材料的裂紋快速擴散，其沖擊力遠大于連續(xù)純水射流的遲滯力，從而提高了脈沖射流的加工能力。
基于壓力大小
基于工作環(huán)境和介質(zhì)
淹沒射流
當射流的工作介質(zhì)和環(huán)境介質(zhì)相同，如在水中噴射的水射流或在空氣中噴射的氣體射流都屬于淹沒射流。
非淹沒射流
當工作介質(zhì)和環(huán)境介質(zhì)不同時，則稱為非淹沒射流，如大氣中的水射流就是最常見的非淹沒射流。
其他分類方式
基于加壓方式：液壓加壓、機械加壓。
基于機床結構：龍門式結構、懸臂式結構。
基于驅(qū)動方式：步進電機驅(qū)動、交流伺服電機驅(qū)動。
技術參數(shù)
壓力設計參數(shù)
應用參數(shù)
純水射流切割數(shù)據(jù)
磨料水射流切割數(shù)據(jù)
影響因素
使用水射流切割技術，材料在一股連續(xù)不斷的高能量水珠的沖擊下被去除。在切割過程中，水射流在工件表面施以加工力。這個力由水珠傳送，所以水壓、流速、射流直徑以及與距離相關的直徑擴散率等參數(shù)都會對加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。
水壓決定水射流速度和沖蝕能量，水壓越高，水射流速度越快，切割能力越強。壓力高對活塞缸等的制造及密封要求也高。對每種切割材料及厚度都有一個門檻壓力，水壓只有超過這個壓力值，才能進行有效切割，一般認為最佳壓力為門檻壓力值的倍左右。目前生產(chǎn)中常用200~400MPa，純水射流切割切割金屬材料或脆硬材料要求壓力更高。
由于噴嘴直徑的增加，射流作用于被加工材料的接觸面積增加，因而增加了材料的破碎阻力，導致了切割速度和切割深度的下降。但材料破碎量隨著射流功率的增加而增加這一總的能量關系并未改變。
3. 靶距
靶距大，切割能力弱，工作噪音也大；靶距過小，磨料反射對噴嘴損傷大，且反射磨料會抵消一部分工作能量，甚至堵塞噴嘴口，切割能力反而會降低，還有可能妨礙工件與噴嘴的相對移動。靶距的變化對切割速度、切割質(zhì)量和切縫形狀都有很大影響，確定最佳靶距取決于射流基本參數(shù)。例如，當射流用于清洗、除銹等剝層類作業(yè)時，其靶距應大于射流切割時的最佳靶距，因為適當增加靶距會使射流對材料的作用面積增大，從而有效地提高清洗等作業(yè)的速度。
增加磨料流量會增加在靶件上的沖擊次數(shù)，因而增加切割深度或切割速度。但同時隨著磨料流量增大，擁擠的磨料顆粒將導致磨粒之間產(chǎn)生于涉，而使得沖擊的有效次數(shù)下降。通常存在一個最佳承載量，磨料流量較低時，切割深度與磨料流量呈線形關系、隨著磨料流量的升高，切割深度反而下降。
水射流切割時，增加移動速度會降低切割深度。移動速度的穩(wěn)定性顯著影響切割效果。由于切割能力的限制，水射流噴嘴的移動速度相對較低。
磨料含量取決于磨料粒徑與噴嘴直徑。當粒徑小于噴嘴直徑1/10時，含量最高可達50％，但切割效果并不好。切割速度與磨料消耗處于最優(yōu)的磨料含量為10％。如果只考慮切割速度，磨料的最佳含量為20％一30％。
應用領域
航空航天
美國航空航天工業(yè)部門率先采用水切割技術切割碳纖維復合材料、鋁蜂窩芯、TC4元件、高溫合金零件等，水射流技術尤其適合于切割飛機機體及機翼材料，因為沒有剝離作用及熱損傷，疲勞壽命可提高50％以上，成本大大降低，可節(jié)省25％材料和40％的力，勞動生產(chǎn)率可提高5倍以上。采用AWJ仿型切割還可切割復雜輪廓的飛機零件。
工業(yè)制造
汽車制造廠和汽車修理廠最早使用水射流來切割石棉剎車片、橡膠基地毯、復合材料板、玻璃鋼增強塑料等各種非金屬材料。五軸水射流加工可一次完成切割和修邊工序，解決了傳統(tǒng)的切割方法的難題，且耗用人工較少，所用時間也比常規(guī)方法少得多。
臨床醫(yī)學
在醫(yī)學領域，高壓水射流技術應用已經(jīng)有了一定成果。在這些成果中，最突出的應該是臨床醫(yī)學中的水射流手術刀和水射流無針注射器。這兩項技術，能夠提高醫(yī)院的工作效率。比如在注射預防針類的藥水時，水射流注射器在一個小時內(nèi)，就可以完成500多人的注射工作。并且不需要更換針頭，大大節(jié)省了患者和醫(yī)生的時間。同時，這種注射器與注射者不會有任何接觸，所以更加安全衛(wèi)生，降低了疾病傳染的可能性。
裝飾裝修
復雜的裝飾和鑲嵌工藝畫常用于各種表面的裝飾或各個公司的標志圖案，這些瓷質(zhì)、石質(zhì)或玻璃制成的圖案花紋已越來越多地采用水射流技術加工，有些設計圖案極其復雜，而所用的材料脆性又大，不采用水射流加工往往是不可能加工出來的。其他切割方法往往會使材料開裂或破損，水射流加工后的產(chǎn)品是完整的一塊，能精確地再現(xiàn)設計方案。
食品工業(yè)
美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已明確允許使用水射流切割如餅類、法式炸雞、肉排、家禽肉和魚類等食品。在切割這些食品方面，水射流技術已被證明是一個有效和衛(wèi)生的工具。
軍事消防
高壓水射流技術在軍用領域主要體現(xiàn)在易燃易爆設施的切割、除銹，核設施去污處理以及軍事裝備的清洗方面。水射流切割技術，作為一種冷切割技術。由于在切割時既不會產(chǎn)生高溫，更不會產(chǎn)生火花，特別適合于易燃易爆環(huán)境下切割工件。在清理戰(zhàn)爭遺留的地雷和炸彈以及應對恐怖主義、分裂勢力制造的爆炸物處理時能夠發(fā)揮重要的作用，保障國家和人民的生命財產(chǎn)安全。
公路行業(yè)
超高壓和大功率水射流式砼破碎機械已應用于砼結構的切割和破碎、隧道施工、荒料開采等領域。應用情況表明，采用水射流技術切割或松動砼材料時不會損壞相鄰的材料。
標準規(guī)范
發(fā)展趨勢
噴嘴耐磨材料的研究及噴嘴的優(yōu)化設計
水射流切割噴嘴的研究一直是個熱點，水噴嘴多采用藍寶石，而壽命問題突出反映在磨料噴嘴上，使用材料很難過關，壽命往往很低。另外，磨料水射流切割在很大程度上取決于噴嘴結構參數(shù)，而噴嘴的結構形狀和尺寸是如何影響射流參數(shù)的，目前可以從理論分析、動態(tài)仿真和大量的實驗中得知。
水泵關鍵技術
研制高壓水泵存在一系列的關鍵技術問題，比如：潤滑磨損問題，水直接參與潤滑，軸承及摩擦副的材料選取十分關鍵；泄漏問題，液壓元件的運動副采用間隙配合，間隙過小又會出現(xiàn)堵塞、卡死現(xiàn)象；系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性和超高壓密封等。
精確供砂
料供給狀態(tài)磨料供給量、供給的穩(wěn)定性及均勻性，直接影響到切割性能和切割質(zhì)量。全球范圍內(nèi)水切機的磨料供給方式普遍存在磨料供給不均勻、難于精確控制流量的缺點。
控制系統(tǒng)智能化、數(shù)控化、柔性化是未來的發(fā)展趨勢
水刀要進一步完善專用的水切割數(shù)控系統(tǒng)的功能，發(fā)展智能化控制，使工藝參數(shù)能在加工過程中自適應調(diào)整。尤其是實現(xiàn)從一般的兩軸控制系統(tǒng)發(fā)展為五軸的、用于3D輪廓切割的控制系統(tǒng)。采用PC控制的簡便的編程系統(tǒng)，帶圖形顯示界面。切割路徑模擬演示，用以檢查切割過程，計算切割路徑長度、切割時間，核算加工成本。
隨著智能化軟件、自適應加工技術的出現(xiàn)，將離線編程應用于多軸機械手中， 實現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺與多軸機械手的聯(lián)動控制， 并能夠根據(jù)具體場景進行自適應加工， 這樣不僅能夠提高產(chǎn)品的加工效率和加工精度，還能夠進一步拓展高壓水射流的應用場景。
進一步擴大超高壓水射流切割加工的應用范圍
5個控制軸可以切割立體的輪廓并可以進一步擴展應用范圍。由二維的切割和去毛刺加工發(fā)展至孔加工和三維型面的加工。與機器人相結合的水射流加工設備脫穎而出，高壓水管以螺旋形繞在機器人手臂上，利用機器人手臂和手腕可使水切割頭的噴嘴快速沿直線或弧線運行，達到3維加工工件的目的。
高壓水射流裝備的關鍵零部件的開發(fā)與應用
壓泵與電機的結構設計與開發(fā)以及小型化，將大大提高關鍵零部件的技術水平與應用前景，促進高壓水射流裝備的更新?lián)Q代。
相關機理研究是奠定應用的理論基礎
當前關于高壓水射流技術在航空發(fā)動機具體應用中的理論與實驗研究相對較少，基體的損傷機理，壓力、距離、 掃描速度、 流量等參數(shù)對基體的影響還不清楚。結合流體動力學等相關知識，針對高壓水射流去除涂層、切割加工、沖擊強化等開展微觀機理研究，探究不同工藝參數(shù)對不同基材的影響規(guī)律， 將有助于優(yōu)化工藝、提高射流質(zhì)量與效率。從理論分析和試驗中得到數(shù)據(jù)，建立水射流切割數(shù)據(jù)庫及相應專家系統(tǒng)，以便在切割加工時，只需根據(jù)材料的特性，就可以選擇合適的切割參數(shù)，以達到最佳切割效果。
同類技術
專利信息
參考資料 >
高壓水切割.術語在線.2023-08-09
現(xiàn)代機械工程史.中國大百科全書.2023-08-03
切飛機的“刀”是水做的？一起來了解“水切割”.中新網(wǎng).2023-08-07
中國“水刀”顯身手.人民網(wǎng).2023-08-15
國家標準全文公開系統(tǒng).全國標準信息公共服務平臺.2023-08-09
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