研究磨料水射流的切割過程，關鍵在于研究切割前沿的形成，根據 Hashish 采用高速攝像儀拍攝磨料水射流切割透明有機玻璃的研究[21]和 Mazurkiewicz 采用高速攝像儀拍攝磨料水射流橫越試件時的切割和穿透過程[23]，得到了磨料水射流切割的切割前沿移動過程，如圖 3.1 所示。

從磨料水射流切入材料開始，隨著噴嘴的移動，磨料水射流也向右移動，但由于磨料水射流不是剛性的，且下方材料還沒有被切穿，射流束從上到下會發生一定的偏轉，直到到達切割深度，此后切割過程循環進行，直至噴嘴從上方移出材料范圍。對此，Hashish 博士根據其系列實驗提出了磨料水射流切割中材料移除的兩段理論，該理論認為，磨料水射流切割是一個不斷的循環過程，單個的循環由上部的切割磨損區和下部的變形磨損區構成[74]，并提出切割表面波紋的產生原因即是由于切割磨損過程和變形磨損過程的交替出現，如圖 3.2 所示。

沈忠厚院士根據以上透明材料切割研究以及金屬材料斷面形貌分析，提出了如下的磨料水射流切割過程中切割前沿的成型機理磨料水射流切割材料時，在一定的給進速度下，射流的一部分以恒定速度射向材料，另一部分則隨著射入深度增加，其切割效力減弱，于是切割面沿給進相反方向出現彎曲，如圖 3.3a；彎曲切割面軸線與原射流軸線之間的角度，從射流進入材料處開始逐漸增大，磨料水射流隨之沿給進相反方向偏轉越來越大。但由于磨料自身慣性較大，并不隨水射流載體偏轉，因而導致磨粒與水射流分離和磨粒的局部過分沖蝕。磨粒加速度越大，分離折射角越大，集中沖蝕越劇烈。磨料局部集中沖蝕使得沿切割面的磨削量明顯增加，從而在切割面上形成階梯，因此，在形成階梯的沖蝕中，階梯以上射流偏轉角不斷增大，射流偏離切割面越遠，階梯以下的磨削量越小，直至上部階梯與原射流方向垂直，如圖 3.3b 所示。隨著切割給進，切割面重新轉變為平滑切割磨削，至此循環完成了一遍，如圖 3.3c 所示。

Zeng 與 Kim 在 1992 年通過對脆性材料的切割過程的研究，提出了如下的模型以解釋磨料水射流中的階梯現象[25]，整個過程如下：切割過程開始時，射流從右邊開始給進材料，此時的切割是一個平滑的過程，直至射流束進入材料，如圖 3.4a 所示，這一階段的材料移除由初始射流造成，是一個穩定的階段；此后隨著射流的繼續給進，在原始射流束后方（切割的反方向）的材料開始受到發生偏轉后的射流的二次沖擊，這導致了材料移除率的突然變化，因此切割前沿曲線也會跟著突然改變，這就是一個臺階形成的開始階段，如圖 3.4b；隨后，由于射流會沿著該臺階的上表面偏轉，該臺階開始變長，并成為其下方材料的保護層，但當該臺階成長到一定程度時，它所承受的射流的侵蝕能力超過了其強度，射流開始逐步移除其上表面的材料，至此一個穩定的臺階形狀成型，并保持其外形逐步下移，如圖 3.4c 所示；在上一步穩定的臺階成型并向下逐步移除的同時，射流還在向前給進，臺階前方的材料也會像該臺階的形成過程一樣形成新的臺階并被穩定移除，并且隨著射流的給進，前方的材料也會不斷循環這一過程，如圖3.4d 所示；但同時需要指出的是，新生成的臺階并不會馬上與原有臺階合并成一條曲線，而是會從上至下逐漸覆蓋原有臺階的形貌，當有多個臺階同時存在時，就會根據同一時刻承受射流移除更多的臺階形貌來改變整個切割前沿的形貌，如圖 3.4e 所示。

 以上兩種模型均是從磨料粒子侵蝕材料的角度對磨料水射流切割過程中的臺階現象進行了解釋，并對切面波紋的產生原因進行了分析，并且按以上兩種模型分析，射流中的磨料顆粒并不隨著射流的偏轉而偏轉，則必然會出現磨料顆粒在撞擊材料后突破射流界限進入空氣中的現象，但實際情況中并沒有觀察到相應的現象。本文認為上述兩種模型都是將磨料水射流切割過程看做了簡單的磨料顆粒對材料的撞擊與移除，而沒有考慮整個過程中磨料顆粒與水之間、磨料顆粒之間的相互作用。實驗研究表明，兩相流的流體相與顆粒之間以及不同尺寸顆粒群之間存在相對滑移，這不僅是湍流擴散的結果，還因為相間存在時均速度差，通常在多相流動中，相間滑移既存在于沿著軌道的運動中，又存在于沿軌道兩側的擴散運動中，當然以前者為主。岑可法發現在氣固燃燒爐中煤粉在爐內噴嘴出口處其速度和氣流速度之比在 0.95-0.98 左右[76]，兩相之間一直存在速度梯度和相間滑移，并始終相互作用。而考慮磨料顆粒質量遠大于煤粉顆粒，且后混合射流的相間混合方式使得磨料顆粒很難進入水射流核心區，即水射流速度、能量的區域，磨料顆粒與水之間的速度梯度與相間滑移必然遠大于煤粉與空氣。而在磨料與水同時與材料發生撞擊時，由于材料的移除主要是磨料顆粒的作用，且磨料的密度遠大于水的密度，磨料顆粒的速度損失必然遠大于水，因而會隨著隨后而來的射流相互作用并發生偏轉。

根據以上分析，在磨料水射流切割過程中，水的速度始終大于磨料顆粒的速度，并且在磨料水射流形成階段，也是先生成高壓水射流，然后磨料在自重與負壓的雙重作用下被吸入混合腔的，因而與材料接觸的是純水，但因純水切割能力不強，只能在材料表面形成輕微的痕跡或是直接被反彈開，而最初與磨料顆粒接觸并相互作用的水由于速度大于磨料顆粒，因而會越過磨料顆粒，然后磨料顆粒再被后方的水射流繼續加速，當然這個過程中會發生紊流，但磨料顆粒始終是沿著水射流的軌跡在運動的。而在磨料顆粒與材料相互作用后，材料被磨料顆粒移除，碰撞后的磨料顆粒速度大減，并會根據與材料撞擊的角度與自身形狀發生旋轉，并被后方射流再次加速，并再沿著射流的軌跡與前方材料再次發生碰撞，此過程會一直循環直至磨料顆粒隨射流軌跡射出材料。據此理論，磨料顆粒與材料的碰撞次數會遠遠多于前人的分析，這可以解釋切割完畢后的磨料顆粒通常棱角基本都被磨平，并且與河道中淤泥類似的原因；并且在整個切割過程中水始終會比磨料顆粒先接觸材料，因而在出現較大的臺階導致射流反濺現象時，水會先反濺出來形成軌跡，隨后磨料在后續射流的帶動下沿射流軌跡一同反濺而出，而不會出現磨料顆粒與水射流分離的情況。