高压水射流研究现状及应用

曹国强，张睿

(沈阳航空航天大学1.工程训练中心;2.机电工程学院，沈阳 110136)

名家综述

高压水射流研究现状及应用

曹国强1，张睿2

(沈阳航空航天大学1.工程训练中心;2.机电工程学院，沈阳 110136)

总结了国内外近年来高压水射流各项技术的研究进展和现状,包括普通水射流、脉冲射流、空化射流、磨料水射流等相关技术，讨论了国内高压水射流技术的发展中的问题，认为国内目前对于提高加工精度具体有效的工程解决方案尚未能解决，在精密加工及复杂形状零件的加工上应用较少，用于复合材料和脆性材料加工的研究还有很多工程难点尚未解决。另外，磨料水射流加工在微型零件、微通道加工及抛光领域中的应用需要进行更进一步的研究。对高压水射流技术的主要发展趋势进行了展望，认为发展智能化控制、提高加工效率、加强对新型射流的研究、扩大水射流加工的应用范围和与其他加工技术综合应用是高压水射流发展的主要方向。

高压水射流；综述；发展

高压水射流技术是一种正在快速进步、用途很广并在不断拓展新应用领域的技术，在清洗、切削、抛光、冷却等多种加工领域，高压水射流表现出极强的适应能力和独特的优势。为了更好地应用高压水射流技术，国内外众多研究人员及研究机构对高压水射流技术进行了多方面的探索和深入研究，在连续射流、脉冲射流和空化射流等无磨料射流及磨料水射流上进行了大量的研究，使得高压水射流技术可以在更多行业更多加工中得以应用，并取得令人惊叹的效果。随着高压水射流技术的不断发展，高压水射流设备渐渐向高压力、智能化、系列化、专业化、模块化方向发展，在各种不同材质、不同形状、不同特点的目标进行清洗、各种金属、非金属及高分子复合材料的切割加工、煤炭石油钻探、轧钢冷却、复杂零件抛光等方面的应用，极大地促进了水射流技术的发展。随着数控技术的发展，水射流切割机器人发展迅猛，数控水切割机床已经得到了广泛应用，五轴以上的水切割机器人更使得复杂曲面的水射流加工成为可能。随着更复杂、更多样的加工需求被高压水射流技术攻克，对于高压水射流的研究必然会越来越深入，越来越向各个领域拓展，同时与其它非传统加工方式如激光加工、超声波加工等融合进行的复合加工方式成为高压水射流研究的新领域。

近十年来，国外主要发达国家的高压水射流设备已经基本做到了产业化和模块化，特别是在美、日、德等国，各种高压水射流设备生产公司及其配套的零部件生产、维护已经极具规模，在诸多领域已经开始部分甚至全部代替了其他的加工方式，并向更多不同的领域拓展。这些国家在高压水射流研究的基础领域已经做了大量的研究工作，并在实验和应用中总结出了高压水射流加工的机理，对无磨料及磨料水射流均进行了大量实验研究分析及工程应用，依据这些研究成果，一大批智能化的水射流加工设备得到了推广和应用。

我国的高压水射流技术虽然起步较晚，但随着制造业突飞猛进的发展，高压水射流技术也随之取得了长足进步，通过技术引进消化和自主研发，高压水射流相关专业领域的研究机构及公司企业得到了飞速的发展，普通的常规设备基本可替代进口，但与高压水射流技术发达的美日德等国相比，产业梯队和高端技术水平还存在较大差距。目前，国内水射流清洗技术已在诸多行业得到广泛应用，改善了劳动条件，提高了加工质量和工作效率；用于各种清洗作业；用于各种不同合金、岩石混凝土、高分子材料的特种切割加工；用于炮弹切割处理、各种强力附着物的清除；空化水射流喷丸强化、超精细粉碎、微磨料加工等领域和应用方向上也取得了很大的发展。目前由于各种原因的制约，高压水射流技术虽在国外已经得到较好应用，在国内并未得到类似的发展，进而限制了高压水射流技术的推广应用。

新材料尤其是复合材料的不断研发成功及其在航空航天、军工、电子及各种机械设备上的应用，高压水射流技术在对其加工上体现出了极强的适应性。伴随着不同专业领域对于高压水射流技术及其应用方法的深入研究，某些主要的生产环节因此发生了重要的技术革新，在这些生产环节，高压水射流技术提高了生产率、降低了生产成本、改善了作业条件、提高了产品质量。现阶段在各行业加强高压水射流技术的推广和应用，研制出满足需要的高压水射流新工艺、新设备是我国高压水射流技术向前发展的重中之重。

1 国外高压水射流技术的发展及研究现状

1.1 理论与实验研究

1.1.1 无磨料高压水射流

为了研究高压水射流的冲蚀机理，早在20世纪50年代末，Bowden[1]设计了挤压式的高压水射流装置，通过对普通岩石和常用金属的冲蚀实验证实了高压水射流具有极强的冲蚀能力。Atanov[2]等设计了不同动力源的高压水射流装置，进行了高压水射流冲击实验并建立了高压水射流的连续方程。为实现连续的高压水射流，Cooley[3]等做了大量的研究实验，设计制造了很多相关设备，这些设备虽然能够实现连续高压水射流，但稳定性很差，实用性低。

水射流应用的初期，因为无法取得稳定高压的水射流，所以射流压力一直处于较低水平。为提高射流的冲蚀能力，众多研究人员进行了大量的理论分析和实验研究，研究出了喷嘴、靶距等方面对高压水射流冲蚀能力的影响。Leach[4]通过实验优化了直线喷嘴的收敛角度，证明收敛角在13°时喷嘴所形成的高压水射流的集中性最好，此时具有最高的冲蚀能力。Brook[5]通过实验形成了脉冲射流，发现脉冲射流在冲蚀深度和加工速度上明显优于连续射流。Louris[6]等更进一步研究了脉冲射流的频率对冲蚀深度和速度的影响，通过移动靶体和截断射流，得到了不同脉冲频率下的冲蚀效果，结果表明在100 Hz下的冲蚀效果是最佳的。Vijay[7]总结了前面研究脉冲射流的经验和结论，并认为干扰连续射流所形成的脉冲射流在截断过程中会产生流量损失，并通过实验验证了相关理论并得到了流量损失系数。

学者们进行了大量的实验来测试高压水射流的流场结构，并验证冲蚀机理和特性，很多学者为此建立了数学模型力求能够准确分析高压水射流的流场，但由于流场的复杂性，模型和实际情况的吻合度比较差。Leach[8]等通过实验测得了高压水射流的出口压力，并通过测量压力脉冲的方式测得了射流的冲蚀力，采用高速相机拍摄了射流冲蚀的不同阶段的照片，通过对不同喷嘴结构下冲蚀情况的照片分析出了高压水射流的结构。后来很多学者也采用类似的办法来测试高压水射流，但效果并未有太大改善。Rhyming[9]建立了高压水射流从喷嘴喷出时水射流结构的模型，通过这个数学模型，对喷嘴内外的流场数值进行了预测，但这种研究对于喷嘴来说需要其有准确的数学曲线，而数学方程过于复杂难以求解使得预测能力大大降低。Bloor[10]采用变化的牛顿方程建立了二维数学模型，通过该模型分析了高压水射流伞状结构的形成原因和特点。Field[11]理论上分析了高压水射流在喷嘴喷出后的射流结构和状态，但同实际高速拍摄的照片中水射流的结构仍有很大差距，说明其理论分析的误差依旧较大。

随着计算流体力学的迅速发展与计算机硬件水平的迅速升级，采用计算流体力学来研究高压水射流成为了主流，而相关领域软件的不断进步为这种研究的发展提供了可靠的平台。目前，基于计算流体力学的数值模拟技术已成为研究高压水射流流场的重要工具，在实验应用及科研探索上依旧有着广阔的发展空间。Vahedi[12]等通过实验和计算流体力学相结合的方式对高压水射流进行了数值模拟研究，把数值模拟的计算结果与相应实验结果进行对比分析后，确定采用多相流和湍流模型，并依据这两个模型模拟分析了喷嘴对流场的影响。Srinivasa[13]等通过多自由度多相流模型研究了气液两相流的特点，分析了水射流在空气中运动时分散和雾化的原理及过程，建立了相应的数值模型。Guha[14]等利用计算流体力学模拟了高压水射流的射流结构，计算得出了高压水射流的流场速度分布曲线，与实验结果对比发现两者相似度较高。以上通过计算流体力学模拟的高压水射流的数学模型，均在解决流场分布、冲蚀力计算、喷嘴结构等实际问题中得到了很好的应用。

Daniel[15]等将高速摄影机应用于高压水射流的研究中，通过对脆性材料松香的冲蚀，分析了高压水射流冲击时水射流的应力场变化。实验结果证明了冲击时水射流的应力场与按照集中力计算应力场的情况有较大出入，所以普通的流体力学理论不能够在计算应力场上得到很好的应用。但也得出了部分实用性很强的结论，比如应力场中的剪切应力带来的破坏应力波随着试件的破损得到了迅速释放，静态压力产生的应力带来的破坏效果比较差。Cooley通过实验验证了多种高压水射流参数对冲蚀岩体的影响，如喷嘴大小，射流压力，靶距及入射角度等，并引入了射流比能和断裂比能的概念，通过对两者的对比可以比较直观得到高压水射流的冲蚀能力大小。Summers[16]等在接下来的研究中采用了Cooley对断裂比能的相关定义，建立了高压水射流冲蚀切割岩石的力学模型，并进行了相关试验验证，证明了这种方法的有效性。

Zafred[17]首先提出了利用高压水射流冲击能量集中的特性来对金属表面进行冲击强化，高压水射流的冲击力足够大时，将在所冲击的金属表面产生超过金属屈服极限的应力，在金属的表面产生塑形形变，使金属得到表面组织和应力强化。Ramulu[18]等继续研究了高压水射流喷丸强化，并开始研究空化水射流提高喷丸质量和效率，结果表明高压水射流的喷丸效果和传统喷丸相比效果相差不大，但是喷丸效率一般，在研究中发现空化射流在高压水射流喷丸强化的过程中起到了很好的促进作用，可以有效提高喷丸质量和效率，不过对于空化射流喷丸的实验效果并不十分理想，没有达到理论分析所期望的效果。

Yun Ky Hong[19]等进行了研究水射流模拟水滴冲击侵蚀的实验。通过水射流冲击铝合金试样和蓝宝石玻璃试样，模拟了高速水滴对试件的冲击侵蚀，并得到了一系列的高压水射流与高速水滴冲击侵蚀效果的转换关系。L.Huang[20]等将高压水射流应用于去除钛合金表面的热成型涂层，实验证明纯水射流即可达到完全去除的目的，并通过实验得到了比较理想的工艺参数，加工后的钛合金试件有较好的表面粗糙度和残余应力。Jonathon Bonnell[21]等将高压水射流技术用于Al-Si合金轴承钢的表面处理和耐磨强化，高压水射流处理后的合金表面具有较好的表面粗糙度，并且由于喷丸效应，产生具有较高硬度和残余应力的压缩表面，因而增加了耐磨性。

1.1.2 磨料水射流

磨料水流的研究起步较晚，是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型射流，各种不同类型的固体磨料与高速射流相混合而形成的液固两相介质射流，虽然起步较晚，但发展速度远超其他射流，对于磨料射流的研究一直处于高压水射流研究的前沿和热点。磨料水流的原理是在高压水射流中混入一定比例的磨料颗粒，高压水射流的强大动能传递给磨料颗粒使得磨料颗粒具有了极强的冲击力。磨料水射流的加工能力以磨料对靶物的冲击、切削作用为主，磨料颗粒对靶物产生高频冲蚀，从而大大地提高了高压水射流的加工能力和工作效率。磨料水射流中，根据加入磨料颗粒的方式分为后混合磨料射流和前混合磨料射流。后混合磨料射流是在射流形成之后加入磨料颗粒，其加料的方式主要依靠在喷嘴处添加一个混合腔，通过高压水射流所形成的负压吸附能力来抽吸磨料。但由于高压水射流本身能量过于集中，使得磨料颗粒难以进入高压水射流的核心区域，进而造成磨料颗粒通常只是分布在水射流的核心区外。在核心区外不能把高压水的能量充分有效地传递到磨料颗粒上，所以相对于高压水射流本身的速度而言，磨料颗粒的速度较低，达到有效工作条件时的必要射流压力较高，就磨料水射流切割而言，射流压力需要在150 MPa以上才具有高速切割金属的能力[22]。前混合磨料是指在高压水射流形成前就将磨料混入到水中，对于前后混合磨料水射流的对比，Hashish进行了相关的实验[23]，在相同射流压力的情况下，前混合磨料射流拥有比后混合磨料射流更高的加工能力，切削速度更快，切削深度更深。但前混合磨料射流由于在喷嘴内部流场中便存在大量高速磨料颗粒，使得喷嘴的磨损速度大大提高，对于喷嘴结构的优化和耐磨材质的研究是前混合磨料水射流相关研究的重点和难点。

磨料水射流去除材料的过程虽然被很多人称之为水刀，但其切削过程完全不同于一般的刀具切割，其内在机理非常复杂。为了研究磨料水射流加工的机理，研究人员建立了数学模型来模拟磨料水射流的加工过程，并通过大量的实验建立了预测加工质量的模型，实验证明这是很有效的方法，但这种方法仍不能做到系统地研究出磨料水射流切割加工的全部过程，对各种影响因素完全量化存在难度。

经过众多研究人员多年的研究，建立了多种磨料水射流加工的模型。其中有基于磨料和水两项流的模型，还有基于磨料、水和空气多项混合的模型。这些模型按照计算结果大体可以分为以下三种。

(1)材料切削过程模型，如模拟普通的金属加工如车铣钻等加工；

(2)模拟磨料水射流切削效果的模型，如模拟切削深度、切削速度等；

(3)模拟切割质量的模型，如模拟表面粗糙度等。

这些模型在单一效果上已经非常优秀，但综合各项指标的研究模型，由于涉及到的参数太多，边界条件的设定过于复杂，即便是计算能力大幅提高的今天仍然是难以完成的任务。

1.2 实验研究与加工应用

20世纪60年代，虽然在实验室研究中已经能够取得较高射流压力，但在工业加工中，普通的高压水射流加工的射流压力还处于较低的压力水平。在水射流压力较低的条件下，为提高水射流的加工能力，许多研究人员在喷嘴结构、冲蚀靶距、空化射流、磨料水射流等方面进行了大量的实验研究，研究出的很多成果都在工业生产中得到了较好的应用。如Leach[24]通过大量的实验来测试不同的喷嘴收敛角度对于射流集中度的影响，结果证明收敛角在 13°时喷嘴所形成的射流收敛性最好，冲蚀效果最佳；在冲蚀实验中，验证了脉冲射流明显高于连续射流的冲蚀深度和速度；在固定压力固定靶距的情况下，脉冲射流得到了几倍于连续射流的加工能力。Erdmann等[25]采用实验的方式得出了脉冲射流在不同脉冲频率下的冲蚀深度和速度的影响。Vijay[26]比较系统地研究了截断式脉冲射流对硬岩的冲蚀能力，还通过实验与相关理论重点分析了比动能与脉冲频率的关系。

国外的研究人员对磨料水射流的加工机理进行了大量的实验研究[27]，由于磨料颗粒的切削力极强，故实验研究中无法对磨料射流进行接触式测量，只能采用一些非接触式的或者间接测量的方法。所采用的实验方法主要有以下几种。

(1)电磁感应法

Swanson等[28]采用磁感应线圈测量的方式，对后混合磨料系统中磨料颗粒的运动过程进行了测量。虽然能够测量出磨料颗粒被高压水射流加速后的速度，但只是一段长度内的平均速度，至于磨料颗粒在射流内部是如何分布的则无能为力。

(2)激光双聚焦速度计

Himmelriech[29]采用激光双聚焦速度计测量了磨料水射流中射流和磨料颗粒的速度。实验是两测量装置相隔一定距离放置，磨料颗粒依次经过上下游的激光测量装置，通过距离除以时间进而得到磨料颗粒的速度。但与电磁感应法一样，无法解决磨料颗粒在射流内部加速的机理问题。

(3)激光多普勒速度计测量法[30]，激光多普勒测速原理即为激光多普勒效应：当激光和磨料颗粒发生相对运动时，从磨料颗粒散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与磨料颗粒的速度、激光入射角度和磨料颗粒速度方向的夹角都有关系。该方法的局限性主要在于只适合测量粒子的速度，而承载磨料颗粒的高压水射流的速度则无法同时测出。

(4)粒子图像速度场仪测量法[31]，粒子图像速度场仪测量技术是利用粒子成像原理测量流体运动速度在空间相对变化的技术。对流体速度场的测量具有较大的优势，可以较好地测量出射流各部分的速度场，但对于射流内部磨料颗粒的速度场测量效果较差。

(5)旋转双盘法，Stevenson[32]等人利用旋转双盘技术来测量磨料颗粒和高压水射流的速度。通过这种方法可以同时测量磨料颗粒和高压水射流的平均速度，但测不出磨料颗粒在高压水射流中的速度场分布，并且测量精度与刻痕角度的测量密切相关。

(6)射流冲击力测量法，Momber等[33]根据磨料水射流冲击后动量的变化关系，对射流冲蚀力的大小和作用时间长短进行了计算，求出了磨料水射流的射流速度与磨料颗粒冲击力的计算模型，可用于测量磨料水射流中磨料颗粒的平均速度。

磨料水射流较纯水射流具有更可观的切割效率，为此研究人员进行了很多不同的实验来验证其对比关系。Crow[34]的研究中使用普通的石英砂作为磨料，在对硬岩的冲蚀实验中，磨料射流得到了两倍以上的切割深度。Fair[35]的研究表明在水射流压力相同的条件下，磨料水射流的切割深度远大于普通水射流，加工效率更是普通射流的几十倍。在另一个金属切割实验中，Fair Hurst[36]在300 MPa的超高压下实验，磨料水射流达到了3倍以上的切割深度。Hashish[37]的实验中磨料射流进行有效切割的移动速度比纯水射流进行有效切割的速度快10倍以上。

相比起前混合磨料射流的复杂，后混合磨料射流似乎更加简单有效，但是目前产生这种射流的装置效率还有待进一步提高。在水射流喷嘴处的压力损失会导致水射流的流速降低，同时高速的水射流在混合腔室中会因为湍流和雾化而产生有害的扰动，而水射流带动磨料颗粒运动也会降低整个流体的速度和集中度，这些影响因素在理论上会导致流体流速降低50%至70%，而实际上会降低更多。此外，由于磨料是在水射流的一侧混合进入射流中，水射流的能量在轴心处又非常集中，这就使得磨料颗粒基本很难进入速度最快、能量最集中的射流核心区域。另一个问题就是磨料的进入是单侧的，造成磨料射流中磨料的分布也是偏于一侧，磨料颗粒的加速均匀性比较一般。Galecki[38]的研究发现在磨料混合过程中，许多磨料颗粒因为被高压水力打击相互碰撞破碎成为更小的磨料颗粒，从一定程度上降低了磨料射流的冲蚀能力。

对比后混合磨料的种种缺点和不足，前混合磨料有了很多优势，当然缺点也很明显，必须有合适的磨料罐，且喷嘴的材质和结构要复杂得多。为了提高前混合磨料系统中磨料罐内磨料与水的混和效率，部分学者[39]将上述前混合磨料系统进一步改进，将特定的溶剂加入水与磨料的混合流体中，提高浆体的粘稠度和浮力，使得磨料在浆体中处于均匀悬浮状态，这样可以比较好地保证磨料颗粒的输送比较均匀一致。在相同压力和加工速度的情况下，前混合磨料的切割深度可达到后混合磨料射流切割深度的两倍以上。M.Hashish[40]提出了把磨料水射流技术用于车削加工，并对难加工的金属复合材料及脆硬的无法使用常规金属切削加工的如玻璃、陶瓷等材料进行加工实验，实验效果达到了设计者的要求，可以加工比较复杂的型面，材料去除效率较高，不足之处在于加工精度差强人意，表面粗糙度也不易控制。S.Paul[41]研究了高压磨料水射流铣削方槽的工艺，在达到了实验要求的同时，也发现磨料水射流铣削的加工精度虽然不低，但如果想进一步提高需要进行的研究还有很多。P.H.shiPway[42]研究了高压磨粒水射流铣削钛合金时材料去除实验，研究表明对于难加工的金属，采用磨料水射流的方式加工也是非常适合的。

高压水射流喷丸强化技术各国学者也进行很多卓有成效的实验研究，Zafred[43]提出高压水射流喷丸强化工艺，通过实验验证了其可行性，并尝试了各种不同材质的喷丸强化，效果达到了工业应用标准。Kunaporn[44]等设计了高压纯水射流喷丸设备，对铝合金进行喷丸强化试验，设计了不同专用的喷嘴，实验结果表明，不同的喷丸参数对强化的结果有着很大的影响，如水射流压力、喷嘴结构、靶距和喷丸的时间等都有着不同程度的影响。ФУДОВИН[45]等研制了电液压脉冲射流喷丸器，脉冲放电产生脉冲压力，使经喷嘴喷出的高压水射流作用于零件的被处理表面，使之产生塑性变形的表面强化，经企业实际应用表明，高压水射流的表面强化效果显著，并且因为加工无死角，所以可适用于非常复杂形状的内外表面的喷丸强化加工中。Hitoshi[46]等设计了带有加热器的空化射流喷丸器，通过加热提高了空化射流的强化能力。另外还设计了高压水射流玻璃弹丸喷丸强化设备，采用极小颗粒的玻璃喷丸，用于汽车齿轮的大批量喷丸强化加工中，强化效果非常显著。

Kong M C[47]等人研究了钛铝合金磨料水射流切割加工工艺,使用磨料水射流进行切割避免了热损伤，针对磨料水射流加工精度不足的缺点，对加工参数进行了优化，保证了加工的形状和尺寸的质量完全符合工艺要求。Fouler G[48]等人用可控深度铣切的高压水射流机床来加工钛合金，结果表明切削速度、磨料的颗粒度、射流压力等对表面波纹度和表面粗糙度有较大的影响。

1998年， Faehnle等人将磨料水射流技术应用于光学抛光领域，引入了微磨料水射流的概念，微磨料水射流抛光可以使玻璃表面粗糙度RMS值由初始的350nm降到抛光后的25nm以上。另外他们还做了磨料水射流抛光机理以及微磨料水射流抛光工艺的实验研究工作，验证了微磨料水射流应用于超精密抛光领域的可行性。并于2003年研制开发七轴高压水射流抛光机床 FJP600，该机床可以对复杂自由曲面进行修形与抛光。目前他们的研究工作主要包括：对抛光液的研究，对主要工艺参数的研究，包括喷嘴角度、喷嘴形状、射流速度以及它们对材料去除的影响关系等；以及对不同加工材料的研究。Nicola Careddu[49]将高压水射流应用于复合石板的切割及表面光整，实验证明在合适的切削参数下，切割及光整效果都非常理想。

近两年，Kunlapat Thongkaew[50]等人进行了磨料水射流对编织碳纤维增强聚醚醚酮片的孔加工性能的实验研究。V.Tangwarodomnukun[51]等开发了用于接近无损伤微烧蚀的混合激光与水射流结合的微加工技术，它使用激光加热和软化目标材料，同时水射流排出激光软化的目标材料，以减少热损伤并增加材料去除，在硅基板上进行了成功的实验应用。Doice Moyo[52]等人进行了水刺法中水射流冲击力的研究，在这项研究中，提出了一种测量水射流的重要特性的技术，该技术提供了一种简单而实用的方法来确定从歧管到水喷嘴的能量传递效率。

2 国内高压水射流研究现状

2.1 理论与方法研究

对于高压水射流的研究国内的起步远远晚于国外同行，无论是理论研究还是实验研究，我国的研究人员基本都是沿着国外研究所走过的路在进行着。随着进口替代的迅速发展，很多企业的设备技术水平已经不输于国外同类产品，但在理论研究与实验上的投入不足，严重限制了高压水射流技术在国内的进一步发展应用。近年来相关工作已经得到了国内研究人员的重视，虽然研究水平和国外仍有较大差距，但相关的研究成果也越来越多，追赶的脚步越来越快。计算机技术的迅速发展，尤其是多相耦合流场的有限元模拟技术的日渐成熟为高压水射流的数值模拟提供了基础。激光多普勒技术、三维粒子测速技术等高新技术的发展，为测量磨料水射流流场速度和磨料颗粒测速提供了新的方法[53]。作为高压水射流的瞬态射流流场，高速摄像技术是捕捉射流在微秒量级内结构演变的一种常用办法，但该方法只适用于观察外部流场的瞬态特征，对于内部流场的演变无能为力。王乐勤[54]等采用理论模型计算出了射流压力和冲蚀力，并用实验的方法进行了验证，通过高速拍照的方式研究了不同喷嘴结构下射流的收敛性，实验结果与理论模型的计算相似度较好。

曹国强、张睿等[55]建立了高压水射流清砂的流体力学分析模型，采用非线性动力有限元法和动态损伤模型对高压水射流脱壳清砂过程及机理进行了研究，建立了水射流作用下靶体损伤过程的相关理论和方法。深入研究了高压水射流清砂的过程和机理，结果表明，采用高压水射流进行型砂的脱壳工艺是完全可行的，相关的实验证明了其可行性，在试验中发现如果水射流压力过大，则容易让清砂后的叶片产生变形，进而超出叶片的形位公差所允许的变动量，产生废品。同时高压水射流的流量也不是越大越好，从清砂效果来说流量大小影响并不是线性的，维持在一个合理的范围内即可。

曹国强、张睿等[56]将高压水射流加工技术应用于航空发动机叶片熔模铸造后形成的精密熔模铸造零件的型砂清理中，首先对高压水射流脱壳清砂过程及机理进行了研究，在分析水射流清砂过程的基础上，建立水射流作用下型砂介质的损伤过程的模型，以精铸高温合金单晶叶片为对象，深入研究高压水射流清砂的过程和机理。研究结果表明型砂的材质性能介乎于脆性材质和韧性材质之间，与叶片的结合比较紧密，清理难度较大，必须选择合适的入射角度，同时为了不损伤发动机叶片，水射流的压力需控制在一定范围内，不易超过120 MPa。通过脉动或间断性地施加水射流冲击，并使水射流与型砂之间保证一定的相对速度，尽可能地利用冲击力破坏型砂，从而提高加工效率。

王瑞和等[57]建立了脉冲水射流破岩的有限元方程和适用于水射流破岩全过程分析的岩石损伤模型。通过有限元计算分析了脉冲水射流和连续射流的破岩过程，对高压水射流破岩的机理进行了较为细致的梳理，为高压水射流加工岩石及混凝土等材料提供了依据。

磨料水射流的加工能力主要是磨料提供的，所以磨料颗粒的速度和分布状态是磨料水射流提高加工能力的关键因素。李宝玉等[58]认为，高压水射流和磨料颗粒组成的系统中，磨料的加速过程贯穿始终，其中收缩段是主要的加速段，此时磨料速度可以达到水射流速度的0.95倍，并且离开了收缩段之后加速过程仍然在继续并未停止，因为水射流核心处的速度要比射流外部速度高，所以磨料颗粒如果在射流径向上朝着射流轴心移动，速度将仍然处于加速状态。

董星[59]也进行了后混合磨料水射流的磨料颗粒加速机理研究，认为磨料颗粒从磨料罐流入混合腔与高压水混合过程中便得到了第一次加速，进入喷嘴后在收敛段磨料颗粒得到二次加速，出喷嘴后磨料颗粒在水射流的径向上仍有速度，在向轴心靠拢的过程中磨料颗粒仍然处在被水射流加速的状态，这点和李宝玉的研究结论很相似。

前混合磨料射流国内的研究人员也进行了很多理论研究，陆国胜等[60]认为，在前混合磨料射流中磨料颗粒从进入高压管路便被加速，不过在进入喷嘴前的高压管路中流场的速度并不快，所以磨料颗粒的加速度仍比较低，在进入喷嘴后射流速度迅速增加，尤其是在喷嘴的收敛段和圆柱段，这两段是磨料颗粒的主要加速段。前混合磨料射流中磨料的加速也是个渐进的过程，但与后混合磨料不同在于，前混合磨料的磨料颗粒可以在射流内较为均匀地分布，在加速时受到核心中间射流的带动也明显强于后混合磨料的方式，所以磨料颗粒的最终动能要强于前混合磨料方式的磨料颗粒。

铁占绪[61]认为磨料颗粒的加速时间有个最优值，低于这个数值时磨料颗粒的加速是不足的，也就是没有充分得到水射流的加速便已经着靶，此时加工的效果自然要差一些。而加速过程过长的话，粒子速度会因为射流的阻力而变慢，反而降低了磨料射流的加工效率。通过相关实验验证了这个观点的有效性，不过应用时受到影响的参数较多，最佳加工参数不易获得。

近年来，国内的部分学者对磨料颗粒速度场测试进行了一些实验研究。宋鼎[62]等提出采用计算机图像处理技术的速度测量方法，实验中通过高速相机拍摄下磨料颗粒的模糊运动图像，通过图像处理方法建立图像中粒子分布位置与磨料颗粒速度之间的函数模型，仿真结果和验证实验的结果吻合度较好，证明了该种方法用于测量磨料颗粒速度的有效性。但这种方法图像清晰度不好，所以精确度上有待提高。

吴学成，王怀，胡倩等[63]提出一种采用激光器辅助高速相机拍照的测量方法，该方法可以同时测量煤粉颗粒速度和粒径。通过激光照射使得照片中的粒子轨迹清晰度和辨识度均得到了较大提升，结合PIV测速仪的分析计算，可以较为准确地分析出煤粉颗粒的速度。

张晶晶等[64]提出运用单帧曝光图像方法测量磨料射流的速度，此方法适用于低浓度的微磨料的射流，所测得的速度场与其他实验测得的磨料运动轨迹基本相符，使得微磨料射流的测量得以实现。

周洁等[65]提出了一种较为准确的测速方式，通过光信号的互相关性来进行测量，可以算出颗粒的平均速度，误差可以控制在10%以内，但是对于微磨料射流和高浓度射流这种方法就会受到较大影响，准确性不及预期。

张伟等[66]提出了灰度统计判别原理进行图像辨别，进而测量出粒子速度的办法。该方法对于磨料颗粒的三维测量尤其有效，而且简化了测量系统，使得复杂的测量变得更加简单，但对于高浓度和微磨料射流同样无法应用。

吴学成等[67]提出了一种采用激光全息技术测量磨料颗粒粒径的方法，通过激光全息技术对瞬时固液混合的两相流流场进行了重建，进而获得了在流场中磨料颗粒的分布和磨料颗粒的直径，将获得的颗粒粒径统计分布与粒度仪测量结果进行了对比后发现吻合度较好，表明此种方法测量磨料颗粒的速度和粒径是可行的。

总体来看，虽然国内高压水射流研究进步很快，但目前对于高压水射流相关理论及实验的研究没有跟上产品制造及应用发展的步伐。研究的内容多为进行一系列假设后，对某一特定参数变化的加工效果进行分析，虽然这样分析起来简单明了，但水射流加工的影响因素较多，对各种加工参数的相互影响研究较少就会使得深入研究基础不足。对于高压水射流的流场分析多集中在单一或仅仅是流固耦合的流场分析，对于更多因素比如流固气或流固热的耦合后的复杂流场特性研究很少，所进行的实验研究以定性分析居多，定量分析较少。另外对于磨料水射流的流变特性、流场特性和本构方程等各项研究均提及较少，对磨料射流流过喷嘴、射流与磨料混合、磨料加速、射流与大气的相互干扰、磨料颗粒冲击对材料的侵蚀和喷嘴移动速度对材料的体积去除率等也较少研究。

2.2 实验研究与加工应用

张黎霞[68]通过实验对比了高压水射流去除锈迹与化学除锈、机械除锈的优缺点，认为高压水射流具有效率高、质量好的优点，除锈过程简单便捷，对锈迹适应性强，尤其对于胶体和难溶性固体有着很好的清除效果。李赵杰[69]等人通过数值模拟和试验方法对空化水射流技术、除锈技术进行了研究，试验结果表明空化射流用于除锈效果比普通水射流除锈效果更佳，空化射流内的气泡破裂可以更好地清除金属表面的锈迹，尤其在淹没射流的情况下效果更为突出。他们还优化了射流压力、靶距及入射角度等工艺参数。

丁宇等[70]等人在分析了各种不同的除锈方法的优缺点之后，对于磨料水射流除锈进行了实验，证明了在多种复杂情况下磨料水射流的除锈效果均较为理想，除锈效率高。陆亚鹏等[71]设计了一套机械设备防腐前处理的除锈系统，实际应用中不但除锈效果很好，且除锈后金属的表面质量得到了提高，进而增强了金属的抗腐蚀能力，这套设备已在煤矿设备中得到了实际应用。薛胜雄等[72]针对石化行业特有的大量压力设备，提出以高压、超高压水射流技术解决的除漆、除锈等问题，并在贮罐等容器及输送管道的清洗中得到了广泛应用。

国内研究人员对磨料水射流加工技术的不同领域均进行了大量研究，尤其是应用磨料水射流技术切割不同性能的材料进行了大量的理论和实验研究，这里主要讨论下面几种材料的发展现状。

(1)韧性材料加工：韧性材料囊括了金属材料和少部分其他非金属材料，切割韧性材料时各种工艺参数对切割质量的影响非常大，比如高压水射流的压力、磨料的供给量和磨料的种类、颗粒度等参数、磨料水射流的喷嘴进给速度及切削角度等的影响。科研人员研究了这些参数对于被加工材料的切深能力、切槽宽度、切削表面的表面粗糙度的影响，取得了一系列实用成果。依据这些成果，国内很多水射流设备生产公司在吸取国内外先进技术的同时研发出了具有很高技术水平的水射流加工设备，比如南京的大地水刀公司所设计的数控磨料水刀切割机床，五轴水刀切割机器人都达到了国际先进水平。

(2)复合材料加工：近年来复合材料在各行各业都有着突飞猛进的发展，但是复合材料切割后的质量问题一直限制着复合材料在各个领域的应用，复合材料在采用普通切割方式加工时容易产生分层现象，而且切割面表面质量较差，这一直是复合材料加工的难点。复合材料难以切割加工主要的原因是组成复合材料的各种成分的物理性能通常会有着较大差异，尤其是金属和非金属组成的复合材料，因为巨大的性能差异，切割后金属层面光滑整齐，但非金属层面则会出现凹凸不平甚至断裂损坏，但水射流加工因其柔性加工、切削力小、且不产生切削热的特点可以得到很好的应用，随着新材料的进一步发展，水射流加工必将越来越不可替代。

张运祺[73]对磨料水射流加工复合材料进行了大量实验，用到了性能各异的26种复合材料。实验结果表明，选择合适的切割厚度和切割速度进行磨料水射流切割可以得到很好的切口质量，说明采用磨料水射流切割复合材料是适用的。张运祺还进行了传统机械加工方法及超声切割、激光切割、电火花切割等非传统加工方法对这些复合材料进行了对比实验，传统方法切割的表面粗糙度较好，但微观情况下会发现复合材料的基体纤维已经被完全破坏，如果要求较高则不适合采用传统的加工方法，而激光加工对玻璃纤维材料加工所得的加工质量较高，但对其它材料则一般，电火花切割与激光切割有类似结论，而超声切割的切削参数较难以选择，需要进行更深入研究，只有磨料水射流切割各方面要求较低，切削质量稳定，微观质量也较好，适合大量复合材料的加工，并且加工后损伤少，改善了切口参差不齐的现象，能保证纤维断面与切割方向平行。

(3)脆性材料加工：典型的硬脆性材料，采用普通传统切削方式切割加工表面易产生粗糙的纹理，严重的甚至出现崩边。脆性材料因为其难加工的特点限制了很多的应用，但随着磨料水切割解决了其加工问题，脆性材料的应用随之得到了较大的发展。宋拥政等[74]研究了磨料水射流加工石英玻璃及难熔陶瓷等脆性材料，不同的切削参数对于脆性材料的加工影响较大，要取得较好的切削质量、较深的切削深度，各种切削参数均需要合理选择，在实验中建立了切削模型，切削质量和切削深度及切削速度成反比关系。赵永赞[75]分析了石材切割时改变切割工艺参数对切割深度和切割表面形貌的影响特性；分析了射流压力、磨料流量、磨粒尺寸、切割速度对切口形貌、表面粗糙度、切割能力和体积去除率的影响。

(4)半导体材料加工：水射流加工应用与半导体制造上在国外已有一定工程研究，但在国内仍处于实验研究阶段，与国外差距较大。何泽军[76]进行了磨料水射流切割晶圆的实验，在试验中成功切割了晶圆，切缝不到0.4 mm，而且可以切割出任意复杂的曲线，切割速度快，效率高是磨料水射流切割半导体材料的优点。李全来[77]进行了磨料水射流切割单晶硅片的实验，研究了不同的切削参数对单晶硅片切割的质量影响，建立了相关模型，为后续研究奠定了一定理论基础。但总体来说国内相关研究还是处在实验室研究的阶段，而国外已有半导体生产厂商将磨料水射流、微磨料水射流应用于半导体的加工生产中。

用磨料水射流加工来代替传统的金切加工，研究人员也进行了大量研究。张运祺[78]采用磨料水射流进行了车、铣、磨、钻切削加工的实验，实验结果表明不同的加工对于切削参数的选择非常重要，虽然可以达到普通金切加工的效果但效率较低，精加工时加工费用较高，用于普通金属的加工不具有优势。对于难加工材料比如钛合金、不锈钢等材料，磨料水射流切削加工的效率反而要提高了很多，而且切削质量完全满足工业需求。冯衍霞[79]进行了磨料水射流铣削脆性材料的加工实验，通过单次铣削和多次铣削加工，建立了磨料水射流铣削加工表面质量的数学模型，在多次后续实验中验证了这个模型的预测效果。

哈尔滨工业大学的科研人员对于采用高压水射流切削代替传统切削方式也进行了大量实验研究，尤其是对于脆性材料的切削加工方面，采用磨料水射流车削加工后脆性材料有着很好的表面粗糙度，但必须要选择合理的切削参数，同时切削的效率不高。山东大学卢新郁[80]对磨料水射流车削继续进行了深入研究，设计了喷嘴摆动机构，研究了喷嘴摆动对切割的影响。山东大学的何泽军采用前混合磨料射流来车削晶圆，得到了比后混合磨料更好的切削效果，效率更高、精度更好、切缝更窄。雷玉勇[81]进行了微磨料水射流车削的实验，实验中设计了特殊的水射流喷嘴，实现了不同形状的半导体材料的车削加工。雷玉勇还进行了磨削的实验研究，对碳化硼材质的圆柱零件进行了外圆磨削，对镍基合金零件进行了平面磨削，实验中微磨料水射流体现出了较好的加工能力，加工零件表面质量较好，加工精度和普通磨削差别不大，只是磨削效率不是很高。

山东大学的吕哲[82]、侯荣国[83]研究了使用超声振动来辅助磨料水射流抛光，采用工件切向振动的方式将超声振动引入微磨料水射流抛光硬脆材料，提高材料的去除率和表面质量。研制了超声振动工作台和超声振动辅助流化磨料供给装置，结果表明冲击角度,磨料粒径,水射流压力,射流压力和冲击角度、磨料粒径和冲击角度、冲击角度和超声振动功率的交互作用对抛光表面粗糙度的影响显著。

在高压水射流的实际应用领域，直接进口国外先进设备使得国内高压水射流的加工发展很快，但是对于如何解决加工精度不高，切口锥度的补偿措施等研究或者涉及较少，对于提高难加工材料和复杂零件的加工精度具体有效的工程解决方案尚未能解决。现有的磨料水射流的切削应用，在粗加工和半精加工中应用问题不大，但是在精密加工中则较少采用，这很大程度限制了磨料水射流的全面应用，即使有先进设备暂时还无法完全替代传统的加工方法和其他非传统加工方法，这些问题不仅仅是进口先进设备就能够解决的。对于其它射流，如空化射流和微磨料射流加工机理的研究需要进一步深入，尤其是将高压水射流加工与其他如激光加工、超声波加工、电解加工等方法进行结合，这使加工机理变得非常复杂，对其进行研究更是急需深入进行。

前混合磨料系统因为其加工精度容易提高，加工效率、加工能力远超后混合磨料系统，所以在美日德等国家得到了更广泛的应用。但在国内由于前混合磨料系统对于磨料的混合液研究不足，使得前混合磨料系统中磨料在混合液中分布相差较大，进而使得磨料供给不稳定，限制了前混合磨料系统在精加工中的应用效果。另外前混合磨料系统的管路和喷嘴因为磨料的冲蚀所以磨损较快，对于管路和喷嘴的材料提出了更多的要求。这些不仅仅是高压水射流技术研究的问题，也是在材料学的研究方面必须同步取得突破才能解决这些问题。

3 高压水射流成套技术的工程应用

图1所示为沈阳航空航天曹国强、张睿等人为黎明航空发动机公司设计制造的高压水射流清砂机，整套设备主要工作装置、传动装置、水枪、压力装置及水处理装置五大部分组成。

(1)工作装置由大小转盘附属构件组成；

(2)传动装置由电动机、联轴器、减速器、电磁离合器以及支架等组成；

(3)水枪由喷嘴及移动装置等组成；

(4)压力装置由高压泵组、蓄能器、控制器等组成；

(5)水处理装置由回收水槽、滤水池、软化水装置等组成。

该设备不仅降低了清砂工序的成本，而且使得单晶叶片的清砂质量得到保证，生产效率也得到提高，工作稳定、可靠，使用寿命较长。

图1 高压水射流清砂机

图2所示为曹国强、张睿等人为北京航空材料研究所设计制造的高压水射流脱芯机床，用于单晶叶片的陶瓷型芯去除工序。整套设备由主要工作装置、传动装置、水枪、压力装置及水处理装置组成。脱芯机床以高压水枪发射出的高压水射流冲击铸件内部的软化后陶瓷型芯以达到脱芯的目的。设备运行时，通过箱体内的模具夹持叶片，靠2组专用快速夹紧装置实现固定夹紧，此时，通过移动箱体和水枪的相对位置来对正叶片内的型芯。

图3所示为曹国强、张睿等人为北京航空材料研究所设计制造的数控高压水射流脱芯机床，整套设备主要数控系统、传动系统、工作装置、压力系统及水处理装置五大部分组成。

(1)数控系统采用华中数控提供的数控操作系统；

图2 高压水射流脱芯机床

图3 数控高压水射流脱芯机床

(2)传动系统由XYZ三坐标移动装置组成；

(3)工作装置由水枪及其移动系统、叶片夹持机构、工作室等组成；

(4)压力装置由高压泵组、蓄能器、控制器等组成；

(5)水处理装置由回收水槽、滤水池、软化水装置等组成。

通过此设备的应用，极大地提高了脱芯工序的效率，此设备数控编程简单，脱芯时定位精确，脱芯效果好，取得了很好的经济效益。

图4所示为曹国强、张睿等人所进行的某型发动机机匣涂层清理技术研究课题中，不同参数下机匣涂层清除效果。该课题以磨料水射流技术为基础，对磨料水射流涂层清理做理论分析；通过对涂层清理有限元模型的理论研究，分析各工艺参数对涂层清理的影响规律，这里主要分析了磨料射流的流场分布，射流压力和横移速度对涂层清理的影响规律。采用正交实验法对不同工艺参数进行磨料水射流涂层清理实验，找出较优的工艺参数水平组合以及对涂层清理影响较显著的工艺参数。

图4 不同参数下机匣涂层清除效果

从多次实验分析中得出结论：使用无磨料水射流清理涂层的效果很差，在射流压力达到150 MPa时清除效果仍然不理想。而使用磨料水射流清理涂层时，水射流压力、平移速度、靶距、磨料浓度、磨料颗粒度，入射角度六个参数对涂层清理都有着不同程度的影响。实验结果表明，工件涂层的去除速度与喷射压力、喷射时间成正比；而对于磨料浓度，涂层去除速度先随磨料浓度成正比后成反比；喷射靶距则是成反比；磨料的目数适中清理速度最快。

控制喷射压力、喷射时间、磨料浓度、靶距、入射角度，磨料颗粒度六个参数对改善涂层清理有很大影响。从提高涂层清理效率考虑，喷射压力越大越好，但为了涂层清理的质量稳定可控，喷射压力最好控制在30 MPa，枪口移动速度在5～10 mm/s之间，喷射靶距在30 mm左右，磨料的目数选择80目，入射角度60度。

但对于不同的涂层材料，要达到好的加工效果，相对白色涂层的喷射压力调高至35～40 MPa，仍可取得较好的质量，其它参数不变。

4 国内高压水射流技术存在的问题

国内高压水射流加工技术已经取得了大量的研究成果，这使得国内各种高压水射流技术的发展取得了长足的进步，但是相比水射流技术发达的美日德等国，我国的水射流加工技术的发展还存在许多不足，主要集中在以下几个方面。

(1)国内目前对高压射流加工的研究，还大多属于产品应用阶段，对于高压水射流相关理论及实验的研究没有跟上产品制造及应用发展的步伐。目前研究的内容多为进行一系列假设后，对某一特定参数变化的加工效果进行分析，虽然这样分析起来简单明了，但水射流加工的影响因素较多，对各种加工参数的相互影响研究较少就会使得深入研究基础不足。另外对于磨料水射流的流变特性、流场特性和本构方程等各项研究均提及较少，对磨料射流流过喷嘴、射流与磨料混合、磨料加速、射流与大气的相互干扰、磨料颗粒冲击对材料的侵蚀和喷嘴移动速度对材料的体积去除率等也较少研究；

(2)在加工精度方面：国内很多学者研究了不同工艺参数对高压水射流切削加工精度的影响，认为射流集中度、靶距、喷嘴结构都对水射流切割的精度有较大影响，但是对于如何解决加工精度不高、切口锥度的补偿措施等或者涉及较少，或者只是简单说明关联性而已，对于提高加工精度具体有效的工程解决方案尚未能解决。所以现有的磨料水射流的切削应用在粗加工和半精加工中应用问题不大，但是在精密加工中则较少采用，这较大地限制了磨料水射流的全面应用，暂时还无法完全替代传统的加工方法和其他非传统加工方法，而美日德等水射流技术发达的国家在精加工中使用磨料水射流技术已经较为广泛。

(3)加工表面质量方面：水射流清洗时因为现场条件限制很多情况下可见性很差，所以针对于特定零件的清洗机器人及采用旋转喷嘴等可以有效提高清理质量，国内这方面需要很大提高。在水射流喷丸强化方面，国内大多数研究仍处于实验室阶段，真正工业应用的很少。磨料射流加工的表面质量，受高压水射流的射流压力不稳定、磨料供给的波动影响较大，另外波纹度和切口斜度是磨料水射流切削必须要解决的问题，在实验中已经可以做到将这两方面降低到较低的程度，但工程应用中还需进一步研究。

(4)加工能力方面：利用高压水射流进行清洗时，考虑到水射流的剪切力对于清洗各种材质均有着很大的作用，所以旋转喷头得到了完全的普及，但国内受成本和技术水平等影响，旋转喷头的使用并不广泛，进而降低了清洗效率。数控技术方面投入研究的不足使得磨料水射流切削加工方面国内主要集中于粗加工和半精加工，在精加工及复杂形状零件的加工上应用较少。在复合材料和脆性材料加工的研究中，相当部分研究停滞于实验室研究，没有将研究成果应用于工程加工中，这方面还需要很多更深入的研究。另外，磨料水射流加工在微型零件、微通道加工及抛光领域中的应用需要进一步扩展。

(5)加工机理方面：对于普通的高压水射流及磨料水射流加工机理，国内外研究水平相差不大，只是国内研究人员对于磨料射流中磨料颗粒的分布情况，磨料射流的速度能量分布研究较少，对应的能量分布模型更是很少研究。对于其它射流，如空化射流和微磨料射流加工机理的研究需要进一步深入，尤其是将高压水射流加工与其他如激光加工、超声波加工、电解加工等方法进行结合，这使加工机理变得非常的复杂，对其进行研究更是急需深入进行。

(6)磨料水射流加工系统方面：前混合磨料系统因为其加工精度容易提高，加工效率、加工能力远超后混合磨料系统，所以在美日德等国家得到了更广泛的应用。但在国内由于前混合磨料系统对于磨料的混合液研究不足，使得前混合磨料系统中磨料在混合液中分布相差较大，进而使得磨料供给不稳定，限制了前混合磨料系统在精加工中的应用效果。另外前混合磨料系统的管路和喷嘴因为磨料的冲蚀所以磨损较快，对于管路和喷嘴的材料提出了更多的要求，有必要对前混合磨料水射流加工系统进行研究和开发。这些不仅仅是高压水射流技术研究的问题，在材料学的研究方面必须同步取得突破才能解决这些问题。

5 高压水射流技术展望

高压水射流加工技术的进一步发展主要在以下几个方面。

(1)发展智能化控制。采用高压水射流加工具有较高精度要求或复杂形状的零件， 5轴以上的水射流数控加工机床的生产和应用是必要的前提。这就需要通过大量的加工实验来确定不同情况下的工艺参数，使得工艺参数在加工过程中能够自适应调整，这样才能提高机床的加工精度。对于这类高精尖水射流加工机床的设计研发是极其必要的，直接关乎高压水射流技术是否可以满足从粗加工到精加工整个工艺流程的实用上。

(2)提高加工效率。优化磨料水射流加工工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗，使得磨料水射流加工的成本更有竞争力。利用磨料水射流加工各种不同材质的难加工材料及各种复合材料的切削，目前其加工效率仍比较低，进一步发展水射流加工技术提高这些材料的加工效率和质量是未来技术发展的重点也是难点。

(3)开辟新型射流的研究。不同的加工需求必然需要不同类型的加工能力，空化射流、脉冲射流、冷剂束射流、高粘性添加剂射流、磁流变液射流 、常温冰点射流等不同类型的高压水射流必然有着更广泛的应用前景。

(4)不断扩大水射流加工的应用范围。随着各种新材料的研究应用，与之对应的加工技术必然迅速发展，而水射流技术因其独特的优势必将得到越来越广泛的应用。水射流技术在精加工及超精密加工领域仍有着极为广泛的应用前景，但需要克服的问题难度也是极大。

(5)综合应用其他加工技术。将其他加工技术如激光、超声波、电解加工等加工技术与高压水射流技术进行有机结合将显著提高水射流技术的应用范围和加工效率。

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(责任编辑：陈素清 英文审校：唐亮)

Review on high pressure water jet

CAO Guo-qiang1,ZHANG Rui2

(Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

We review the literatures on high pressure water jet technology in recent years including ordinary water jet,pulsed water jet,cavitation jet and abrasive waterjet,etc.The domestic problems in the development of high pressure water jet technology are also discussed.We find that there are no specific effective way to improve the processing precision and relatively rare applications of high pressure water jet technology on precision processing and complex surface processing.Besides there are also many difficulties in composites and brittle materials processing.And the applications of abrasive water jet processing in the field of micro parts,micro channel processing and polishing must be studied further.Finally,the main development trend of high-pressure water jet technology is prospected,and the developments of intelligent controlling,improvement of processing efficency,reinforcement of the research on the new jet,the scope of application of water jet processing expansion,and combination with others processing technologies are thought to be the further direction.

high pressure water jet;review;development

2016-10-20

辽宁省自然科学基金(项目编号：20170540701)

曹国强(1969-)，男，河北沧州人，教授，博士，主要研究方向：先进制造技术，E-mail:sycgq@126.com

2095-1248(2017)03-0001-16

V235

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.001