磨料水射流具有超强的切割能力,可实现对绝大部分难切削材料的切割,但射流切割后的工件往往存在拖尾、切口锥度等质量缺陷,限制了该技术的进一步应用和发展。本文从射流的结构及能量分布入手,分析了射流的冲蚀特性及其对材料的破坏去除机理,研究了切割缺陷的形成机理及主要特性,剖析了工艺参数对各项切割指标影响的根本原因及内在联系,多角度构建模型并给出了工艺参数的快速选择策略,提出了多种可改善切割质量的切割方法,并探索了提升切割效率的堆叠切割方法。主要内容如下:(1)磨料水射流加工机理研究及冲蚀特性分析。分析射流的结构特征和磨料颗粒、射流速度及射流能量的分布规律,分别从磨料颗粒和水的角度研究射流冲蚀难切削材料的破坏去除机理,结合磨料水射流冲蚀的各项特性,提出了基于倾角冲蚀的磨料水射流冲蚀特性分析模型,并基于该模型分析了磨料颗粒的冲击和剪切作用对材料破坏去除的影响,验证了磨粒冲击作用在材料破坏去除过程中的主导地位。(2)拖尾和切口轮廓的形成机理及其相关特性研究。分析基于射流能量径向分布的拖尾形成理论的不足,基于被广泛认可的切割台阶形成理论,提出了拖尾形成机理,并对比验证了理论下的拖尾形貌;分析射流的有效冲蚀边界及其与切口轮廓形貌的内在联系,提出了切口轮廓的形成机理,并研究了切口轮廓的理论多样性和实际单一性;分析了射流滞后和切口锥度的内涵和本质,研究了二者在曲线切割中对材料上下表面尺寸偏差的交叉影响,并给出了基于射流冲蚀能量的总尺寸偏差整体调控策略。(3)工艺参数对切割指标的影响机制及内在联系研究。对比磨料水射流和纯水射流冲蚀实验,验证了磨料颗粒在加工中承担主要破坏去除任务的地位;基于四个主要工艺参数对切割深度的单因素实验,研究工艺参数对切割深度的影响规律,深入剖析工艺参数影响的根本原因,揭示了工艺参数对射流切割性能的影响层次及联系,阐明了工艺参数对切割深度、切割质量及切割效率可提升空间的影响趋势的内在一致性。(4)多元化磨料水射流切割预测模型构建。分别构建了射流形成过程和冲蚀过程的仿真模型,并以形成过程仿真的输出作为冲蚀过程仿真的输入,实现了磨料水射流加工的全过程仿真;构建了面向磨料水射流切割的BP神经网络预测模型,并以正交试验和单因素实验得出的数据作为样本数据,通过Matlab对所构建的人工神经网络进行了训练;以材料去除体积为聚焦点,将射流对材料的微观去除和宏观体现相结合,基于二者之间的实际等量关系,构建了磨料水射流切割深度的数学模型。(5)工艺参数反推模型的构建及参数快速选择的实现。提出了基于切割深度预测模型的工艺参数选择策略,但认为该策略对工艺参数的选择仍然不够直接,为了彻底摆脱参数选择的试错环节,基于人工神经网络的超高柔性特点,在BP神经网络切割深度预测模型的基础上,通过调整网络结构,构建了工艺参数反推模型,并根据BP神经网络切割深度预测模型的预测精度误差,引入保障系数修正目标切割深度,确保模型预测的参数能够实现对工件的切断,实现了对工艺参数的快速选择。(6)磨料水射流切割质量提升方法研究。针对优化工艺参数对切割质量的提升存在限制的问题,提出了包含二次正面切割和二次反面切割在内的二次切割方法、包含修剪切割和多道切割在内的多次切割方法、整合现有两种喷嘴倾角切割方法的喷嘴空间倾角切割方法,研究并对比了各种方法的切割优势和不足,并面向不同的切割需求,给出了各种切割方法的选择优先级,为进一步改善切割质量提供了多条可行途径。(7)堆叠切割的切割质量控制策略研究及切割深度预测模型构建。以成倍提升磨料水射流的切割效率为目标,基于射流超强的切割能力,提出了堆叠切割方法,分析工件厚度对切割质量的影响,研究磨料水射流堆叠切割的切割特性,给出了可获得较优切割质量的堆叠切割策略,并参考切割深度数学模型的建模思路,构建了两层材料堆叠的切割深度预测模型,进一步将其推广为多层材料堆叠的切割深度预测模型。