數控超高壓水射流切割技術的特點及其應用

　　機床與液壓bookmark0數控超高壓水射流切割技術的特點及其應用陳光明（南京農業大學工學院，江蘇南京210031）性新技術、新工藝。超高壓水射流切割是一種非傳統的冷切割方法，具有傳統的切割方式難以比擬的優點。本文論述了數控超高壓水射流切割機的基本工作原理、水射流切割的加工形式和水射流切割機床的組成闡述了數控超高壓水射流切割機的加工特點及其應用領域并對超高壓水射流切割技術發展趨勢進行了展望。

　　前言近幾十年來，隨著科學技術的不斷發現，人們給液滴賦予了比自由落體運動大得多的打擊能量，使漫長的滴水穿石現象在瞬間便可完成，這就是水射流。

　　為了提高效率，人們將水加以高壓，并使之以直徑較小的噴嘴中噴出，形成一束高速、連續或間斷的水流束，這便是高壓水射流。水射流加工（WateretCut ting）又稱水噴射加工，是利用高壓高速水流對工件的沖擊作用來去除材料的，俗稱“水刀加工”即是利用超高壓（達數百MPa）水射流對各種材料進行切割、穿孔和工件表層材料去除等加工。

　　使用水射流技術可以實現多種加工，例如切割、脫膠、清潔、鉆孔、修邊、開槽以及工件表層材料的去除。工業的發展以及新材料的不斷涌現對加工過程提出了新的要求。例如，在航空制造業中使用了一些特種材料，如鈦合金、碳纖維復合材料、增強塑料玻璃等，這些材料用其它方法難以進行切割或存在加工質量問題。與激光切割、等離子切割和電火花線切割有所不同，高壓水射流切割由于其獨特的優點，對這些用其它方法難以切割的航空材料，是非常理想或唯一的加工手段。高壓水射流切割是一種非傳統的冷切割方法，具有傳統的切割方式難以比擬的優點。

　　本文將介紹工業中所使用的超高壓水射流切割技術，具體說明超高壓水射流切割機的加工特點和發展方向。

　　1超高壓水射流切割機工作原理高壓水射流加工技術的基本工作原理是運用液體增壓原理，通過特定的轉能裝置（增壓器或高壓泵），將動力源（電動機）的機械能轉換成水的壓力能，具有巨大壓力能的水在通過小孔噴嘴后，再將壓力能轉變成動能，從而形成高速水射流，噴射到工件表面，當水射流沖擊被切工件時，動能又重新轉變成作用于材料上的壓力能，若壓力能超過材料的破壞強度時，即可切斷材料，達到去除材料的加工目的。因而高壓水射流又常被稱為高速水射流。

　　割機的具體工作原理是將普通的水經過過濾，然后通過一個超高壓增壓器逐級增壓，將水流加壓至200~40CMPa然后再通過一個直徑為數控超高壓水射流0.1~0.3mm的噴嘴切割機床原理圖（一般由藍寶石制成）形成一束射流速度可達1（約為音速的3倍）、具有極大動能的水線，這一水束就像一把切削加工的刀具，在數控系統的控制下對所需要加工的工件進行切割加工成型。數控超高壓水射流切割機床原理所示。由可以知道，首先通過磨料供給裝置把磨料送人混合器，水箱水經過超高壓水射流發生器后成為高壓水，并在混合器中將磨料與高壓水混勻。然后，通過水刀切割頭裝置的噴嘴以每秒數百米的高速度噴向切割工件。同時，水刀切割頭裝置在數控系統控制下，按照用戶加工程序要求的軌跡進行平面移動最終切割出用戶所要求的工件。目前水射流切割機床采用工業計算機為硬件平臺，以Window98的操作系統為軟件平臺，該系統具有自動編程、加工軌跡圖示仿真、人機界面友好和網絡通信功能。

　　2水射流切割的形式和水射流切割機床的構成1水射流切割的形式水射流切割的形式從水質上分，有純水切割和加磨料切割；從加壓方式上分，有液壓加壓和機械加壓；從機床機械結構上分，有龍門式結構和懸臂式結構；從驅動方式上分，有步進電機驅動和交流伺服電機驅動。

　　從水質上分，目前工業中使用的超高壓水射流切割有2種形式，一是純水切割，可方便地切割任意形狀的軟質材料，其割縫為0.1~1.1mm（如進行食品加工）當水壓在10（MPa以上時，食品、海綿、橡膠、皮革、纖維、塑料、紙張類和紡織品等軟材料可以被切割；其二是加磨料（常用60~100目的石英砂和氧化鋁等）切割，其割縫為0.8~1.8mm（如進行鋼板切割）磨料的加入使得水射流具有了鋸條的特性，增加其切割力，水射流的力量被大大加強了，磨料水射流切割幾乎可以切割任何硬質材料，如金屬、復合材料、石料、陶瓷、玻璃等。

　　數控軸的龍門式結構和懸臂式結構，這種結構多用于切割板材；5―6個數控軸的機器人結構，這種結構多用于切割汽車內飾件和轎車的內襯等。

　　最簡單的超高壓水切割機具備2個數控軸，由CNC控制X-軸數控移動，并能實現CAD /CAM直接轉換，真正做到免鍵盤輸入，無圖加工，只要在CAD畫出的任意復雜曲線，都可以直接切割成形。

　　2.2水射'/流切割機床的構成一臺數控超高壓水射流切割機床由超高壓水射流發生器系統、水刀切割頭裝置、數控切割平臺、數控系統及其輔助裝置等部分組成。高壓部分是水射流切割機床的心臟，數控部分是水射流切割機床的大腦。

　　為龍門式數控超高壓水射流切割機床結構圖。其中數控切割平臺采用獨特的龍門架雙驅動設龍門式數控超高壓水射流切割機床結構圖高速運行狀態也不會產生震動和變形；機床采用交流伺服電機、高精度的滾珠絲杠和滾動導軌保證零件加工的高精度；采用高性能的水切割專用數控系統（如所示）不僅功能完備，實現三軸聯動控制，具有強大的網絡功能，菜單式操作簡單易學，而且保證設備具有極高的可靠性，在PC機Windows環境下控制機器及高壓泵；完善的防護系統能有效地防水防砂，使機器經久耐用；集中自動潤滑系統，使設備的維護簡單方便。

　　數控水射流切割專用數控系統3超高壓水射流切割機加工特點水射流切割與激光切割、等離子切割、線切割等傳統的切割方法相比，具有如下加工特點：計一的通用性，祜艮好的1」即使在秘隙很窄的材料。切縫窄e（0eS758mm）wS斗bookmark3切割品質優異，加工質量高。水射流切割是一種先進的“冷態切割”加工新工藝技術。水刀切割加工時幾乎不產生熱量，對工件材料無熱影響，因而工件不會產生熱影響區和熱變形、不會造成材料的組織結構變化或變質，這對加工熱敏感材料如鈦合金尤為有利；水切割時不會產生裂痕，它可以切割間利用率，一般而言，純水切割其切口為0.1 ~1.1mm加砂切割其切口在0.8 ~1.8mm之間，隨著砂噴嘴內孔直徑擴大其切口也就愈大。且切口質量好，幾乎無飛邊、毛刺，切割面垂直，切口光滑、平整，無裂縫、無浮渣；切割力小，水刀在工件上所產生的橫向及縱向的作用力極小，對材料不產生直接的表面壓力，幾乎不存在機械應力與應變，工件變形小，加工精度較高。

　　生產效率高。水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低；由于高壓水經過小直徑的噴嘴以后可以產生極高的能量，所以高壓水射流技術的效率非常高，能夠在很小的區域內集中極大的能量。

　　工件材料的廣泛適應性。由于超高壓水射流切割幾乎“無堅不摧”幾乎沒有材料和切割尺寸的限制，被譽為“萬能切割機”。可用于各種軟質與硬質材料、導電與非導電材料、金屬與非金屬材料、塑性與脆性材料、復合材料等切割加工；可以輕松地切割鋼板或堅硬的大理石、花崗巖等，對那些因其它方法難以切割的材料如鈦合金及各種復合材料更是非常理想或唯一的加工手段。

　　高度彈性化。可切割任意輪廓，切入點和終結點可選在工件表面的任意一點，可作全方位的切割，可從任何一點開始，無切割方向的限制，可切割出任何復雜的圖形，可完成各種異形加工，包括各種形狀、角度或斜度，且程序的編輯也容易。

　　工作環境好、操作安全可靠。水刀是安全的，水刀噴嘴離被切割材料的距離為2~3mm，一般人的手很難伸到下面去。因其工作介質是水，在切割加工過程中無塵埃、無環境污染、無噪聲、無公害，切割過程中清潔、無飛塵，有降溫、滅塵、潤滑等作用，能夠減少大量的粉塵對于環境的污染，也不會損害人體健康；改善工作環境，操作環境整潔，符合環保要求，提高了操作人員的安全性；切割時不會產生火花和有毒氣體，可以有效地避免火災的產生，同時由于水的冷卻作用，工件溫度較低，非常適合對易燃易爆物件如木材、紙張等的加工，這對于安全工程特別是煤礦生產非常重要。

　　加工成本低。不需要進行磨邊等二次加工，不需要冷卻液，可節省時間及降低制造成本；加工“刀具”為高速高壓水流，水刀不磨損，加工過程中不會變鈍，既減少了刀具準備、刃磨等時間，同時切割質量好而穩定，工藝一致性好，效率高。除此之外，水刀所產生的廢料通常也是比較有價值的，因為它是整片形式而非碎屑，可以再一次利用。

　　具有綠色制造工藝特點。切割用水及磨料來源充足。高壓水射流的工作介質是水，不但豐富易取而且便宜。人們知道水資源是一種可再生、無污染的資源，開發水能對于促進國民經濟發展、改善能源消費結構、減少環境污染等方面具有積極的作用。

　　便于實現自動化控制，操作簡便。高壓水射流的工作機構具有噴頭體積很小、移動方便，便于實現數控控制，操作方便，所有操作均可使用軟件控制，易懂易學，減輕工人勞動強度。

　　總之，高壓水射流技術符合綠色制造概念的要求，數控水射流切割平臺與超高壓水射流發生器組合而成的數控水射流切割機，作為一種通用切割機械適用于對各種材料：如陶瓷、石材、玻璃、化纖、復合材料、合金材料等作任意圖形的平面切割。尤其是適合建筑裝潢石材拼花、服裝業（切割皮革、布料）、汽車工業、食品加工業。如為超高壓水射流切割機的切割樣品。與傳統的切割工藝相比，水射流切割更具有切縫窄、切口光滑平整、無熱變形、無邊縫毛剌、切割速度快、效率高、無污染、操作安全方便和成本低等特點。

　　超高壓水射流切割機的切割樣品4超高壓水射流切割技術的應用領域水射流加工技術應用于切割，從某種意義上來說是切割領域的一次革命。隨著水射流技術的成熟及某些局限的克服，水射流切割是對于其它切割工藝的一種完善的補充，有著十分廣泛的應用前景。

　　水射流切割所加工的材料品種很多，主要是一般切割方法不易加工或不能加工的非金屬或金屬材料，特別是一些新型和合成材料。目前，超高壓水射流切割的技術廣泛地應用于如陶瓷、石材、水泥制成品、紙張類、食物、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡膠、玻璃、化纖、金屬類、硬質合金、模具鋼、鈦合金、鎢鉬鈷合金、復合材料（如以金屬為基體的纖維增強金屬、纖維增強橡膠等）、不銹鋼、鋁合金、高娃鑄鐵及可鍛鑄鐵等等各種材料作任意圖形的平面切割。由于超高壓水射流切割幾乎“無堅不摧”對那些因其它方法難以切割的材料，如鈦合金及各種復合材料是非常理想或唯一的加工手段。技術的主要應用領域i超高壓水射流切割幾乎適用于所有工業領域，如機器制造業、模具制造業、金屬加工業、航空制造業、飛機制造業、汽車制造業、石材加工和建筑業、陶瓷業、輕工業、造紙業、橡膠業、紡織和皮革工業、電子工業、食品工業等行業中。用水射流切割碳纖維復合材料，各種堅硬的金屬及非金屬材料，或帶有蜂窩結構的材料等。以汽車制造業為例，其中汽車內部裝飾材料（如汽車地毯、儀表板、頂蓬等）的加工占水射流加工的40%，此外，還用于汽車后架、車輪罩和隔熱材料等的切割。由于數控技術發展，因此，水射流切割很容易通過計算機實現自動控制，從而可切割各種曲線形狀的工件。目前，國內外已安裝了數千條水射流自動切割生產線。

　　高壓水射流技術廣泛應用于橋梁、水電工程等大量使用鋼筋混凝土結構的部門，特別在煤炭、石油、化工、軍工、核工業等自然條件惡劣、工作危險的部門應用，能高效作業，大大減輕工人勞動強度、改善勞動環境、降低和防止危險事故的發生。在地震搶險和災后重建工作中，高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結構等能夠發揮重要作用。

　　建筑物的切割或破碎高壓水射流可以按人們的意愿，在各種建筑物上切割、開孔、破碎。因此，可用于拆除舊建筑物，維修橋梁，開挖鋪設電纜或煤氣管道的溝槽，破碎馬路等等。

　　雖然理論上說超高壓水切割可以切割任何材料，但在應用上還是有所側重的。超高壓水切割的用途主要有3個：一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷磚、玻璃、水泥制品等材料，這是熱切割無法加工的材料；二是切割可燃性材料，如鋼板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡膠等，以往的熱切割也可以加工這些材料，但容易產生燃燒區和毛刺，而水切割加工不會產生燃燒區和毛刺，被切割材料的物理、機械性能不發生改變，這也是水切割的一大優點；三是切割易燃易爆材料，如彈藥和易燃易爆環境內的切割，這是其它加工方法無法取代的。

　　一般情況下，能夠利用激光、等離子、火焰、線切割、鋸、銑削等加工方法基本滿足加工工藝要求時，則不宜采用水切割加工，畢竟水切割的運行成本較高，噴嘴、導流套、高壓密封件等都是進口的耗材，價格較貴。但當您感到激光和等離子所能切割的厚度太薄，所產生的毛刺太大，所產生的熱影響區不利時，您可以考慮選用水切割；當您感到火焰切割的毛刺太大、粗糙度太差、熱影響區太大時，您可以考能切割非導電材料時，您可以考慮選用水切割；當您感到銑削的方法產生了許多廢屑，造成了很大的浪費時，您也可以考慮選用水切割；當您感到使用圓鋸和帶鋸太慢，而又不能進行非直線切割時，您可以考慮選用水切割；當您切割易燃易爆材料或在易燃易爆的環境下切割時，則必須考慮選用水切割；當您切割時不想產生毒副氣體、不需二次加工、不想產生熱效應或變形或微裂縫、又想產生良好的切邊品質并能同時切割細小的孔時，您更要考慮選用水切割。總之，水切割是一種萬能的切割方式，但某些場合下的使用并不是最佳的，所以選擇時要做具體分析。

　　5超高壓水射流切割技術發展趨勢展望顯而易見，超高壓水切割有許多優點，水射流切割工藝幾乎可以切割各種材料，但也從技術角度提出更高的要求，如數控技術、水射流的壓力、切割的速度（割槍的移動速度）、噴嘴的形狀和出口直徑以及噴嘴材料的耐磨性、超高壓的密封問題、超高壓的壓力容器安全問題、超高壓的可靠性、增壓器設計、機械結構設計、磨料的種類選用、噴射技術、超高壓水射流切割的工藝技術等發展都是同行業關注的焦點。

　　超高壓水射流切割技術發展趨勢可以概括為以下幾個方面：主機設計日趨完善。如主機的超高壓、大功率化，目前水射流的壓力已超過50（MPa主機的超高壓、大功率化等研究與開發十分活躍，設計工作壓力更高的、更加穩定的高壓系統是當前研究熱點之一。如國外的高壓部分設計有2個高壓發生器，其中一個高壓發生器工作，另一個高壓發生器備用，2個高壓發生器交替工作，可以保證機床連續工作；其完善的自動診斷及保護功能使其運行更安全、維護更加簡單方便；機床定位精度高，其直線定位精度為0.076mm，重復定位精度為0.050mm；設計了自動調高系統，能夠在切割過程中自動調整切割頭與工件之間的距離以保證優良的切割品質和防止砂管被撞斷；此外如發展為加裝多個切割刀頭形式，即用一臺高壓系統，同時帶動3―4個噴嘴同時進行切割；加砂切割頭帶自動輸砂裝置；采用高度及碰撞感應器；增加自動化除砂系統等等。

　　切割工藝參數不斷優化，進一步提高效率，減少磨料消耗和降低能耗，如最佳的磨料量使用可節省成本。儲備了工件材料數據庫，用戶可根據工件材料種類、厚度和加工要求自動變換加工參數，操作者可自行擴展數據庫。

　　慮選，切割藤感到速度太慢廿塍不昭實現從eT的兩軸控制系統發展為五軸的、i用于bookmark4控制系統追求智能化、數控化控制。要進一步完善專用的水切割數控系統的功能，發展智能化控制，使工藝參數能在加工過程中自適應調整。尤其1劉晉春。特種加工M.四版。北京：機械工業出2胡傳圻。特種加工手冊。北京：北京工業大學出版社，2001. 3孫大汽01先進制1造技（術￡1（1 3D輪廓切割的控制系統。采用PC控制的簡便的編程系統，帶圖形顯示界面。切割路徑模擬演示，用以檢查切割過程，計算切割路徑長度、切割時間，核算加工成本。

　　進一步擴大超高壓水射流切割加工的應用范圍。5個控制軸可以切割立體的輪廓并可以進一步擴展應用范圍。由二維的切割和去毛刺加工發展至孔加工和三維型面的加工。與機器人相結合的水射流加工設備脫穎而出，高壓水管以螺旋形繞在機器人手臂上，利用機器人手臂和手腕可使水切割頭的噴嘴快速沿直線或弧線運行，達到3維加工工件的目的。

　　今后需在制作材料、加工工藝，裝配工藝等方面加大研究。提高設備的可靠性和易損件等零部件壽命特別是關鍵零部件，如高壓泵、噴嘴等的壽命。由于水噴射的流速達到了2~3倍的音速，壓力高達50CMPa以上，由于強大的壓力，很多零配件像噴嘴、砂管、密封圈等易磨損，壽命低，不得不停機進行調整更換，目前高壓泵和閥體的壽命可達6000h噴嘴的壽命可達2 000h但多數還達不到這個指標。故如何通過提高材料的性能，采取一系列防磨損措施，進而延長易損件的壽命，降低水切割加工成本，是今后的研究重點之一。

　　我國相關工業部門已從國外引進了多套高檔次水切割系統，用于切割鈦合金、鋁合金、不銹鋼、碳纖維、航空玻璃以及復合材料等。但由于存在加工速度慢、加工效率低、加工精度不理想等問題，因此未能在我國得到廣泛的應用。研究高壓水射流切割的工藝技術，可以通過優化工藝提高加工速度，改善加工精度，為高壓水射流切割的推廣應用奠定基礎，進而提高我國在材料切割特別是特種材料切割領域的加工水平。超高壓水射流切割技術是一種符合當今可持續發展潮流的綠色制造技術，是一種新型的冷態高能束切割技術，它是近20年來迅速發展起來的一門新技術，其應用十分廣泛。超高壓水射流技術的發展體現了綠色制造概念正逐步深入人心，越來越被人們所重視，被認為是21世紀優先發展的主流切割技術。作為21世紀的綠色切割工具，超高壓水射流切割機有著很多優勢，而且很有應用前景，今后正向高效、多功能、智能化、高精度化、環保化方向發展。中國作為“世界制造業中心”，應該盡快武裝好自己的切割工具，發揮出更高的生產力水平。