水刀结构原理

自古以来，人类就利用水流的冲击力制造水车、水车等水力机械。如果水从高压水枪喷出，其冲击力会更大。前苏联将其用于采煤业，称为水力采煤。高速喷出的水被煤层挡住，速度突然下降，会在瞬间产生足够的冲击力，使煤层发生脆性破裂，完成采煤作业。受此启发，前苏联科学家开发了高压水射流切割技术，美国公司获得了该技术的专利权并将其商业化。

普通水通过超高压加压器加压到4000巴(60,000psi)，然后通过一个微小的喷嘴(直径为0.004英寸到0.016英寸)，可以产生速度为每秒915米(约为音速的三倍)的水箭。这种水箭可以用于各种表面处理和切割。

对于切割各种石头、玻璃、陶瓷、瓷砖等金属和硬质材料，福禄开发了一项专利和一个更完善的设计，就是将沙子与水箭混合，增强切割能力。这种高速加砂水刀几乎可以切割任何材料。

为此，对水、管道和喷嘴的需求很高。比如在管道中，水刀是水被高压工具加压后射出的，需要极高的压力才能切割坚硬的切割材料。所以管道必须能承受极高的压力，远远大于700 MPa，因为薄钢板(切割材料)本身就能承受700 MPa的压力。

其次，水刀用的水根本没有杂质是不对的。因为水压远大于700 MPa，对于管道等密封设备来说，再好的密封性能，纯水总会让它们磨损泄漏。为了解决这一问题，应在水射流中加入5%的可溶性乳化油，以提高密封效果。对于高压泵，还应加入一些油来提高其密封性能。

如上所述，水射流的喷嘴由硬质合金、蓝宝石等材料制成。喷嘴直径只有0.05 mm，孔内壁光滑平整，能承受1700 MPa的压力，所以喷出来的高压水可以像刀子一样切割材料。有的水中还加入一些长链聚合物，如聚氧化乙烯，增加水的“粘度”，使喷出的水看起来像“细线”。

其加工精度高，切削宽度仅为0.1-0.8mm，可用于加工复杂曲面的零件。加工后的零件切口光滑整齐，无需修边。特别是对于受热容易变形的材料的加工，“水刀”更有独特的优势。

它不存在刀具那样的磨损问题，混合到水射流中的磨料和废水可以回收利用，设备简单，加工成本低。加工产生的振动和噪音很小，切屑量仅为机械加工的15%-20%，切屑会随水流而去，不会飞起来伤到操作者。

“水刀”，因为不是刀，所以开辟了广泛的用途。复合材料的切割是加工中的一个难题。如果使用传统的加工方法，会出现脱层和撕裂现象，而“水刀”是解决这一问题的理想工具。用“水刀”去除零件的陶瓷涂层优于机械法和化学法。“水刀”可以用来打孔，粉碎材料。用“水刀”清理船体和螺旋桨表面的附着物以及化工管道内的水垢也很方便。

水刀也可以用于外科手术。东京大学医学院用压力为0.7兆帕的水刀在兔子身上做实验，结果表明可以用于肝、肾等器官的手术，不会损伤周围组织，也不容易引起感染。〕