數控超高壓水射流切割技術的特點及其應用

潘海楠 盧方青

摘要：超高壓水射流技術是符合綠色制作概念的一種新式技術,是集泵、閥、密封、液壓、主動化操控為一體的綜合性新技術、新工藝。超高壓水射流切割是一種非傳統的冷切割辦法,具有傳統的切割方法難以比擬的長處。這篇文章剖析了數控超高壓水射流切割技術特色及其使用。

關鍵詞：切割;水射流技術;磨料;超高壓;數控

中圖分類號：TU528文獻標識碼： A

一、水射流分類

射流脫離噴嘴后最常見的方式是圓柱射流。這種方式的射流帶著射流能量最為有用，但它在靶件外表上的有用沖擊面積也最小。為了進行大面積清洗，通過改動噴嘴形狀就有了扇形射流，其特色是射流以一條線的方式沖擊在靶件上，跟著噴嘴的位移，便呈現了一條寬幅的清洗帶。近期還呈現了一些不一樣形狀的噴嘴，如圓錐形、三角形。矩形等，統稱為異形噴嘴。

射流因其介質不再局限于水，應嚴格界說為液體射流。如切割富含糖分的食物，水則簡單溶化糖而損壞了這些食物。為了防止此缺陷，對切割蛋糕和巧克力之類的食物應選用植物油或其他可食用油作介質。某些射流使用場合還需求用乳化液作介質?？墒?，我們泛稱水射流并不影響其他液體射流的存在。

實踐使用的水射流大致能夠分為3種類型：接連射流、脈沖射流、空化射流。

1超高壓水射流切割機工作原理

高壓水射流加工技術的根本工作原理是運用液體增壓原理,通過特定的轉能設備(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,具有無窮壓力能的水在通過小孔噴嘴后,再將壓力能轉變成動能,然后構成高速水射流,噴射到工件外表,當水射流沖擊被切工件時,動能又從頭轉變成作用于材料上的壓力能,若壓力能超過材料的損壞強度時,即可切斷材料,到達去掉材料的加工意圖。因此高壓水射流又常被稱為高速水射流。超高壓水射流切

割機的具體工作原理是將普通的水通過過濾,然后通過一個超高壓增壓器逐級增壓,將水流加壓至200~400MPa,然后再通過一個直徑為011~013mm的噴嘴(通常由藍寶石制成)構成一束射流速度可達1000m/s(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,在數控系統的操控下對所需求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圖1所示。由圖1能夠知道,首先通過磨料供應設備把磨料送人混合器,水箱水通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,通過水刀切割頭設備的噴嘴以每秒數百米的高速度噴向切割工件。一起,水刀切割頭設備在數控系統操控下,依照用戶加工程序需求的軌道進行平面移動終究切割出用戶所需求的工件。目前水射流切割機床選用工業計算機為硬件渠道,以W indow98的操作系統為軟件渠道,該系統具有主動編程、加工軌道圖示仿真、人機界面友好和網絡通信功用。

圖1數控超高壓水射流切割機床原理圖

2水射流切割的形式和水射流切割機床的構成

211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;從加壓方法上分,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;從驅動方法上分,有步進電機驅動和溝通伺服電機驅動。從水質上分,當前工業中使用的超高壓水射流切割有2種方法,一是純水切割,可方便地切割恣意形狀的軟質資料,其割縫為011~111mm(如圖2進行食物加工),當水壓在100MPa以上時,食物、海綿、橡膠、皮革、纖維、塑料、紙張類和紡織品等軟資料能夠被切割;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018~118mm(如圖3進行鋼板切割),磨料的參加使得水射流具有了鋸條的特性,增加其切割力,水射流的力氣被大大加強了,磨料水射流切割簡直能夠切割任何硬質材料,如金屬、復合資料、石料、陶瓷、玻璃等。

圖2圖3

從結構形式上分,可有多種形式,如:2)3個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轎車內飾件和轎車的內襯等。最簡略的超高壓水切割機具有2個數控軸,由CNC操控X-Y軸數控移動,并能完成CAD/CAM直接變換,真實做到免鍵盤輸入,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。

212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、水刀切割頭設備、數控切割渠道、數控系統及其輔助設備等有些構成。高壓有些是水射流切割機床的心臟,數控有些是水射流切割機床的大腦。圖4為龍門式數控超高壓水射流切割機床結構圖。其間數控切割渠道選用共同的龍門架雙驅動規劃,有極好的通用性,床身有很好的穩定性,即使在高速運轉狀況也不會發生轟動和變形;機床選用交流伺服電機、高精度的滾珠絲杠和翻滾導軌確保零件加工的高精度;選用高性能的水切割專用數控系統(如圖5所示)不只功用完備,完成三軸聯動操控,具有強壯的網絡功用,菜單式操作簡略易學,并且確保設備具有極高的可靠性,在PC機W indows環境下操控機器及高壓泵;完善的防護系統能有效地防水防砂,使機器經久耐用;會集主動光滑系統,使設備的維護簡單方便。

圖4龍門式數控超高壓水射流切割機床結構圖

圖5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

(1)切割質量優良,加工質量高。水射流切割是一種領先的/冷態切割0加工新工藝技術。水刀切割加工時簡直不發作熱量,對工件材料無熱影響,因而工件不會發作熱影響區和熱變形、不會形成材料的組織結構改變或蛻變,這對加工熱敏感材料如鈦合金尤為有利;水切割時不會發作裂縫,它能夠切割間隙很窄的材料。切縫窄(01075~118mm),進步材料利用率,一般而言,純水切割其切斷為011~111mm,加砂切割其切斷在018~118mm之間,隨著砂噴嘴內孔直徑擴展其切斷也就愈大。且切斷質量好,簡直無飛邊、毛刺,切割面筆直,切斷潤滑、平整,無裂縫、無浮渣;切割力小,水刀在工件上所發作的橫向及縱向的作用力極小,對材料不發作直接的外表壓力,簡直不存在機械應力與應變,工件變形小,加工精度較高。

(2)生產效率高。水刀加工切割速度快,功率高,加工成本低;因為高壓水經過小直徑的噴嘴今后能夠發作極高的能量,所以高壓水射流技術的功率十分高,能夠在很小的區域內會集極大的能量。

(3)工件材料的廣泛適應性。因為超高壓水射流切割簡直“攻無不克”,簡直沒有材料和切割尺度的約束,被譽為“全能切割機”?？捎糜诟鞣N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;能夠輕松地切割鋼板或堅固的大理石、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十分抱負或僅有的加工手法。

(4)高度彈性化?？汕懈钊我飧爬?切入點和終結點可選在工件外表的任意一點,可作全方位的切割,可從任何一點開端,無切割方向的約束,可切割出任何雜亂的圖形,可完結各種異形加工,包含各種形狀、視點或斜度,且程序的修改也容易。

4超高壓水射流切割技術的使用領域

(1)工業制作

超高壓水射流切割簡直適用于一切工業領域,如機器制工作、模具制工作、金屬加工業、航空制工作、飛機制工作、轎車制工作、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、食品工業等職業中。用水射流切割碳纖維復合材料,各種堅固的金屬及非金屬材料,或帶有蜂窩結構的材料等。以轎車制工作為例,其間轎車內部裝修材料(如轎車地毯、儀表板、頂蓬等)的加工占水射流加工的40%,此外,還用于轎車后架、車輪罩和隔熱材料等的切割。因為數控技術發展,因而,水射流切割很容易經過計算機完成主動控制,然后可切割各種曲線形狀的工件。當前,國內外已安裝了數千條水射流主動切割生產線。

(2)安全減災環保

高壓水射流技術廣泛使用于橋梁、水電工程等很多使用鋼筋混凝土結構的部分,特別在煤炭、石油、化工、軍工、核工業等自然條件惡劣、工作風險的部門使用,能高效工作,大大減輕工人勞作強度、改進勞作環境、下降和避免風險事故的發作。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。

結束語

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。

參考文獻

[1]劉晉春1特種加工[M]1四版1北京:機械工業出版社,2011

[2]胡傳炘1特種加工手冊[M]1北京:北京工業大學出版社,2012