科普：水刀什么的干活？

西峡县时代广场

2006年8月17日20时左右，河南省南阳市西峡县时代广场，大三学生李梅在音乐喷泉区戏水，当音乐达到高潮时，喷泉的水柱冲天而起，一下子击中了她的下身，并将她向上冲起后又抛了下来。经诊断，喷泉的水柱自下体冲入体内，阴道被冲穿，肠子被冲断。在花费近16万元医药费、经历3次手术、住院179天后李梅才勉强痊愈。

患者李梅勉强痊愈

2021年8月6日晚9时许，甘肃省庆阳市西峰区和谐广场，一个体重31公斤，身高一米五几的十岁小男孩朋朋被音乐喷泉冲离地面四、五米摔下，被紧急送往当地医院抢救，最终不治身亡。

从以上两个事例我们可以知道，当音乐喷泉达到一定水压时是可以危害人们生命安全的！那么是否给水一个超常的压力就能削铁如泥呢？答案是肯定的，水刀就几乎可以切割世界上任何材料。

水刀，顾名思义就是以水为刀。这个听起来似乎有些不可思议，水是至柔之物，怎么可用来做刀？其实早在2000多年前老子就从“滴水穿石”的现象中悟出“天下莫柔弱于水，而攻坚强者莫之能胜”的道理。千年后的今天，水配合上当代先进技术，通过超高压就能够对任何材料进行切割，它就是高压水射流切割技术，简称水刀。由于水刀可以对任何材料进行任意曲线的一次性切割加工，同时切割时产生的热量会立即被高速流动的水射流带走，因此水刀是一种冷切割，被加工的材料不会发热变形，不会变性。正因为这些优点，其广泛应用于航空、建材、化工、石油、矿产、机械加工、冶金、建筑和医疗等诸多领域。

一、水刀的发展起源

美国法兰兹博士被公认为水刀之父，他是研究的第一人。1950 年时，法兰兹是一位林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。法兰兹通过把重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴，使它获得短暂的高压射流，可以轻松切割木材。后来他将研究重心放到连续高压水流，但他很快发觉获得连续高压水流特别难，零件损耗特别严重，只能维持短短二分钟。尽管如此，但其推开了水刀技术的大门，证明了高速汇聚水流有难以想象的能量，而这种能量是法兰兹博士都无法想象的。

1979年，美国Mohamed Hashish博士在福禄研究室工作，将研究的工作重心放在增加水刀切割能量的方法上，从而实现切割金属等破质材料的愿望。Hashish博士通过在水中添加砂料的方法，使水刀切割能力成倍提高，他把砂纸上常用的石榴石作为砂料，掺入高压水射流中。这种看似简单的改进却让水刀能够无坚不摧，几乎可以切割任何材料。在1980年,Hashish博士用他发明的加砂的水刀第一次切割金属、玻璃和混凝土，效果很好。直到1982年,papachristou 和barter教授用水刀进行肝叶切除术，首次将喷射水流技术引入医学领域工。1983年，世界第一套商业化的加砂水刀横空出世，并被应用于汽车玻璃的切割。美国航空航天业很荣幸地成为这项新技术的第一批用户，因为在航空航天的应用材料中有许多不锈钢，钛镁合金等高硬度且又易变形氧化的材料，而加砂水刀以其特有的冷加工性质超越其它加工方式，成为航空航天等高新技术领域的新宠儿。从此，加砂水刀得到广泛应用。

水刀加工大理石

水刀在欧美国家的发展已非常成熟，中国水刀行业起步较晚，技术研发和品质方面略有差距。1995年底，南京研制了第一台水刀样机，并于1998年，达到初步要求，并进行了小批量生产，它标志着我国成为世界上第五个有能力生产水刀的国家。直到2011年中央电视台科教栏目详细介绍了水刀知识，水刀才得以被更多人所熟知，水刀技术在我国有喜人的进展，大量先进的切割机进入产品化，产品所有零部件均达到了国产化，在许多部门得到广泛应用，经济效益特别好。我国水刀的最大压强，更是达到了420MPa，就连5轴水刀也日趋成熟。

水刀切割圆钢

二、水刀工作原理

一台完整的水刀切割机由供水器、泵、蓄能器、控制器、增压器、 液压装置、阀、喷嘴、水箱及工作平台等组成。它通过水泵把水或添加有添加物的液体从供水器送至增压器，将水加压至100MPa以上，再通过蓄能器让不平稳的高压液体流动平稳，最后通过很小的喷嘴(直径为0.004英寸至0.016英寸)产生915米/秒的水箭速度，约为声速的三倍，这个水箭喷向工件需加工的表面，喷嘴在工作台上前后、左右和上下移动，从而实现切割的目的。

水刀工作原理

各种非金属物质如纸张–尿布–玻璃–光纤–海绵等。

对于切割金属和硬质材料，如各种石材–玻璃–陶瓷–瓷砖等材料，在高压水中混入石榴砂，以提高他们的切割能力。这种高速添砂水切割几乎可以切割任何材料。

三、水刀分类

（1）以加砂情况来分：水切割分为纯水水刀和加砂水刀。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地，纯水水刀可切割软质材料，如：纸张、尿布、玻璃、光纤、海绵等。而加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍，可切割金属和硬质材料，如钢材、石材、复合材料、玻璃和陶瓷等。

（2）以压力来分:分为高压型和低压型。一般以100MPa为界限，100MPa以上为高压型，100MPa以下为低压型。而200MPa以上为超高压型。经过大量实验人们发现，当水压超过一定阈值时，即使纯水水刀也会把某些敏感性化学品引爆，而含砂水刀由于水中含有磨料砂，砂子的势能和冲击力和物体碰撞，产生的能量也会引起特殊化学品的不稳定性，经过大量实验和论证，最后得出其阈值在237.6MPa左右。故在水切割行业，人们对100MPa以下低压型水刀主要应用于特种行业如:危化、石油、煤矿、危险物处理等方面。而对200MPa以上的水刀主要应用在机械加工行业。其实真正意义上安全的冷切割机具，则非低压水刀莫属。

（3）以设备来分:分为大型水切割和小型水切割。

（4）以机械结构来分:分为悬臂式和龙门式。

四、水刀切割的优劣势

水刀被青睐的根本原因，就在于这种冷切割方式不会导致材料的物理化学性质发生改变。很多切割方法的应用都会因为材料品种而受到限制，但任何材料都能够通过水刀，实现任意曲线上的一次性切割加工。与其它切割方式相比，水刀有着无与伦比的优势，主要有：

（1）可以切割的材料多。水刀切割对象无所不包，不管是柔软的胶体还是高硬度、高弹性以及复合材料，特殊材料，混合材料都可通吃。据不完全统计目前已有500余种材料用到了水刀切割。

（2）加工质量高。水刀切割可使机械应力和热效应得到有效避免，使后续处理变得容易。这是其它热切割所不能完成的，同吋水刀是机械加工中唯一的冷切割。

（3）切缝可以小到0.3mm,而微型水刀切缝可小到2.5*10-8mm;水刀切割能够自动减速再加上水刀切割还有磨削的特质，因此切割面粗糙度可以小到 Ra3.2，因此水刀切割可以直接用于零件的成型。

（4）能方便的与计算机控制的工作台或机器人结合，通过编程能够实现数控加工甚至三维加工。新一代水刀结合了CAD/CAM软件技术，其自动化水平国际领先。

（5）切割厚度厚。水刀切割金属材料的厚度一般可达80mm以上。而一般激光加工无法切割16mm的厚度，水刀的优势之大显而易见。

（6）水刀能够切割任意形状。可以切割车刀无法加工的尖角等任意形状。

水刀拼花

（8）水刀有很好的选择加工性能。例如:剥去导线的绝缘皮，而不伤害导线芯，甚至在医用上不会损坏血管。

（9）经济性好。水消耗量少，且砂石易于获取，价格低廉。例如:在航空航天的钛金属切割中用水刀切割可以节约50%的加工费，而且产品的质量性能还提高了。

水刀拼花装修效果图

当然，水刀切割也有其局限性，主要有：

（1）进给的速度较火焰刀切割、等离子切割要慢。

（2）前期投资很大。水刀的价格比较贵，若要进口一台价钱可达到10—60万不等，国产的也需要30—40万元人民币。

（3）喷嘴易于磨损。

（5）多数水刀精度上不及电火花加工的好。