水刀是一种新兴的特种加工方式，它工艺适应性强、切割效率高、无环境污染，由于是冷态加工不产生残余应力，已经在许多行业中得到应用。因为各种材料的结构与性能各不相同，切割机理也存在差异，而目前对许多材料加工机理的研究并不成熟，使水刀加工的应用受到制约。本文结合切割碳纤维复合材料试验，对水刀切割碳纤维复合材料的切割机理以及产生分层失效的原因进行了分析。

　　在水刀加工硬脆材料时，最常见的加工方式磨料流对材料的冲击作用。在此种加工状态下，磨料粒子经过加速后以极高的速度撞击到被加工材料上并在其表面产生裂纹，然后高压水促使裂纹的延伸最终导致材料的破坏完成材料去除。当水刀加工碳纤维复合材料时，在裂纹形成并延伸时，由于复合材料各层材料的交界处的强度要低于其他区域，所以裂纹到达各层边界处附近后会停止自由方向的延伸而转向边界方向的脆弱部分延伸。也就是说，各层边界处会成为裂纹释放能量的主要区域，并在此处形成明显的破坏作用。

　　当被加工的材料出现裂纹时，由于机床喷出的水射流的压强极大，当进入裂纹中无处释放便会对已经形成的裂纹完成扩展辅助材料破坏，此种作用就是水楔作用。在水刀加工碳纤维复合材料时，由于复合材料各层边界处的强度相对较小，所以水楔作用对各层边界处脆弱部分的裂纹延伸的促进作用也是更加显著。

　　水刀冲击作用于碳纤维复合材料，一般会对材料的分层结构进行破坏并导致失效，具体表现为复合材料的分层。从试验中的观察发现，正常的切割状态下，切割碳纤维材料不产生分层现象。这说明正常情况下磨料对加工材料的磨削作用是材料破坏与去除的主要方式。当磨料射流直接冲击到碳纤维复合材料上或者最大加工深度无法将材料切透时，射流的能量无处释放则会对各层材料边界处造成破坏，使其产生分层失效。此时的材料破坏和去除方式为磨料水射流的冲击和水楔的协同作用。

　　由于碳纤维复合材料在加工过程中出现分层是加工时所不期望出现的，所以在加工过程中要尽量使材料的破坏与去除以磨料水射流的磨削机理为主导，避免磨料射流对材料进行冲击和水楔作用。为了避免磨料水射流对材料的正面冲击，一般会通过选择大长度入刀口或用低压状态下磨料的磨削作用对复合材料先钻孔从孔中开始切割的方法来避免。最大切割深度无法切透材料导致的分层，则需要提前预测切割深度并和材料厚度对比来解决。

　　阅读延伸：《碳纤维复合材料是否可以采用激光切割工艺》