磨料水射流切割

早在20世紀60年代初，從高速飛行的飛機受到雨滴的侵蝕這一現象中得到啓發美國、日本和前蘇聯等國家投入了大量的人力、物力研究開發水射流切割技術，經約10年的潛心鑽研，美國於1971年設計製造了世界上第1台超高壓純水射流切割機（W JC）。將它應用到傢俱製造行業中，取得了前所未有的經濟效益。

鑑於純水射流的切割能力較差，僅適用於布匹、木材、塑料及橡膠等軟質材料的切割，這就促使人們去研究開發切割能力較大的磨料水射流切割，經11年的不懈努力，美國又於1982年設計製造了磨料花崗岩等幾乎所有的材料。

隨後英國及意大利等國也相繼設計製造了磨料水射流切割機，我國也於1993年設計製造了磨料水射流切割機，投入實踐生產中，取得了令人矚目的成就。 ^[1] 

流體力學的運動規律表明，從噴嘴以每秒幾百米的高速噴出的磨料水射流通常處於紊流狀態，而紊流的最大特點是橫向摻混，導致磨料水射流邊界上的微細液滴與周圍氣體（空氣）之間發生動量交換，從而把周圍氣體吸入到磨料水射流中去，並隨同磨料水射流一起運動，促使磨料水射流的氣體吸入量和橫截面積沿射程的增大而增大，而射流速度則沿射程的增大而減小，所以磨料水射流就形成了向周圍擴散的錐體流動場。由此可見，磨料水射流是由高速運動的含有氣體及磨粒的水滴所組成的混合物。

由流體力學的有關知識可得，快速運動的磨料水射流具有極大的動能，當它接觸到被切割的材料時，磨料水射流的動能瞬間就會為被切割材料吸收，具體表現為：第一是磨粒和水滴對被切割材料的衝擊作用；第二是磨粒和水滴沿被切割材料表面的剪切破斷作用（即切削作用）；第三是磨料水射流中的氣體對被切割材料的侵蝕作用。在以上3點的的共同作用下，被切割材料破碎形成割縫，達到切割分離的目的。

實踐生產經驗表明，磨料水射流切割材料時，主要表現為磨料水射流對被切割材料表現的衝擊破碎作用，並且當磨料水射流對被切割材料表現的衝擊應力超過被切割材料表面的抗壓力度時，被切割材料破碎形成割縫。

因此，磨料水射流的切割原理就是利用幾十至幾百MPa的磨料水（高壓水中摻入磨料）通過特殊設計的孔徑極小的噴嘴，以每秒幾百米的高速噴出的磨料水射流的衝擊、剪切破斷（切削）及浸蝕作用來分割工件的。 ^[1] 

水射流切割磨料，俗稱“水刀砂”，分為天然磨料（如石榴石磨料）和人造磨料（如白剛玉磨料），目前國際通用材質為石榴石天然磨料，目前國內主產地在山東、江蘇等地區。

大顆粒磨料質量大、不易被加速，小顆粒磨料質量小，被加速後其動能達不到較強的切割能力。只有合適的粒度奶油最強的切割能力。實驗證明，人造白剛玉磨料的切割能力雖高於天然磨料，但對磨料混合管的磨損卻是天然磨料的數十倍，而且價格昂貴。因此，選用國產的粒度為80目的石榴石水切割磨料比較適宜。 ^[2] 

選擇磨料時一定要注意灰塵含量，如果灰塵、泥土過多，容易造成砂管堵頭、砂管損傷、增加成本等結果：

1、砂管堵頭。灰塵含量大的水切割砂容易出現受潮，造成磨料中灰塵、泥土固結成團的現象，導致砂管堵頭，水出不來，反而會在輸砂管出現膨脹甚至是漏水現象。需立即停機清理，防止砂管損傷。一噸磨料價值幾百元，而一根砂管從幾百到上千不等。

2、廢砂難清理。在溜槽中的廢沙經過積累沉澱，需要定期清理。如果所選磨料含有的灰塵量過高，則廢沙很難清理，可能需要派專人用半天甚至是一天的時間專門來做清理工作。

3、無形增加採購成本。採購一噸磨料，如果裏面含有五分之一的灰塵和過於細小的砂粒，相當於支付了二百斤灰塵和過細無效顆粒的成本，因為灰塵和過細的顆粒都是起不到切割和研磨的作用。

將沙子和水以1:2的比例倒在一個礦泉水瓶裏，用力搖晃，看水的渾濁度即可分辨磨料的清潔度。

利用磨料水射流切割工件，與傳統的機械切割及火焰切割方法相比具有無可比擬的優越性，具體表現在以下幾方面：

（1）切割效率高。利用磨料水射流切割工件時，通過數控進給系統的自動控制功能，可以將被切割工件的任一點設置為起割點，因此切割工件時編程具有很大的靈活性，可以根據被切割工件的大小、複雜程度及材料的形狀尺寸等設置最短的切割路線，提高切割效率。

（2）切縫質量好。磨料水射流切割工件時，通過數控進給系統精確地驅動割槍運動、切割出的形狀尺寸誤差小，割縫僅1 mm左右，且切割斷面平整光潔，無毛刺、掛渣、崩角及塌邊等缺陷。

（3）材料利用率高。利用磨料水射流切割工件時，通過計算機將切割圖形按材料最省原則排列，然後編程切割，切縫僅1mm左右，有利於節約貴重金屬，能最大限度地提高材料的利用率，降低生產成本。

（4）通用性強。通過選用適宜的切割參數，如切割速度、磨料水射流量（或工作壓力）及摻砂量等可以切割不同材質及不同厚度的工件，無需更換噴嘴，通用性特別強。

（5）切割時工件不發熱。磨料水射流切割屬於濕態高能量切割，由於磨料水的冷卻作用，工件不會產生熱變形及熱影響區，特別適用於鋁、銅、鈦、鋯及其合金等熱敏感性材料的切割，尤其是採油平台，煉油廠，大型油、氣儲罐區及油、氣輸送管道等禁火作業區的安全切割。

（6）環保效果好。磨料水射流切割屬於濕態高能量冷切割，不會產生有毒氣體及灰塵等污染此外完成切割作業後的磨料水經集水箱收集後，經過濾及脱泡等淨化處理後可循環利用。同樣磨料經涼乾和過篩等處理後也可重複使用多次，不會污染環境。

綜上所述，磨料水射流切割機具有工作壓力低，結構簡單，設計製造方便，切割效率高，割縫質量好，產品形狀尺寸誤差小，割縫窄（約1 mm左右） ，材料利用率高，斷面平整光潔，無毛刺、掛渣、崩角、塌邊及無熱變形等缺陷，並能對複雜工件實現智能化切割，是切割各種金屬、非金屬，尤其是切割鋁、銅、鈦、鋯等熱敏性材料的理想設備，同時也是切割玻璃、陶瓷、混凝土、大理石及花崗岩等難切割材料的較佳設備。 ^[1] 

雖然在實際中都是利用高速運動的水流對於材料進行切割，但是在純水切割中，水是切割工具。而在磨料水切割中，高壓水用於給磨料顆粒加速，在實際中起到切割作用的是磨料水刀砂。

雖然利用高壓發生器，可以達到很高的切割效率，但是純水切割在切割比較硬的材質時，其速度還是不理想，這也是最初磨料水射流技術發展的基礎。但是在有些領域，純水切割要比磨料水切割有優勢，比如紙質產品、壓實材料、塑料、泡沫塑料、紡織品或食品等方面。而由於磨料水刀砂石榴石鋒利的尖角和較大的硬度，在切割金屬、岩石、玻璃或陶瓷等材質時，在速度和效果上要更好。可以説各有千秋，在不同的領域各有優勢。

水切割如果沒有石榴砂，那麼無論是切割的精度還是深度都會大打折扣。實驗室數據顯示，如果不放磨料只能切割3mm的鈦板，而且切出來是鋸齒狀的。加上石榴石水切割磨料後，可以輕鬆切割30mm的鈦板，精度也非常準確。總而言之，雖然磨料水切割還是叫水切割，其實出力的是石榴砂。