数控超高压水射流切割技术的特点及其应用

潘海楠 卢方青

摘要：超高压水射流技术是符合绿色制作概念的一种新式技术,是集泵、阀、密封、液压、主动化操控为一体的综合性新技术、新工艺。超高压水射流切割是一种非传统的冷切割办法,具有传统的切割方法难以比拟的长处。这篇文章剖析了数控超高压水射流切割技术特色及其使用。

关键词：切割;水射流技术;磨料;超高压;数控

中图分类号：TU528文献标识码： A

一、水射流分类

射流脱离喷嘴后最常见的方式是圆柱射流。这种方式的射流带着射流能量最为有用，但它在靶件外表上的有用冲击面积也最小。为了进行大面积清洗，通过改动喷嘴形状就有了扇形射流，其特色是射流以一条线的方式冲击在靶件上，跟着喷嘴的位移，便呈现了一条宽幅的清洗带。近期还呈现了一些不一样形状的喷嘴，如圆锥形、三角形。矩形等，统称为异形喷嘴。

射流因其介质不再局限于水，应严格界说为液体射流。如切割富含糖分的食物，水则简单溶化糖而损坏了这些食物。为了防止此缺陷，对切割蛋糕和巧克力之类的食物应选用植物油或其他可食用油作介质。某些射流使用场合还需求用乳化液作介质。可是，我们泛称水射流并不影响其他液体射流的存在。

实践使用的水射流大致能够分为3种类型：接连射流、脉冲射流、空化射流。

1超高压水射流切割机工作原理

高压水射流加工技术的根本工作原理是运用液体增压原理,通过特定的转能设备(增压器或高压泵),将动力源(电动机)的机械能转换成水的压力能,具有无穷压力能的水在通过小孔喷嘴后,再将压力能转变成动能,然后构成高速水射流,喷射到工件外表,当水射流冲击被切工件时,动能又从头转变成作用于材料上的压力能,若压力能超过材料的损坏强度时,即可切断材料,到达去掉材料的加工意图。因此高压水射流又常被称为高速水射流。超高压水射流切

割机的具体工作原理是将普通的水通过过滤,然后通过一个超高压增压器逐级增压,将水流加压至200~400MPa,然后再通过一个直径为011~013mm的喷嘴(通常由蓝宝石制成)构成一束射流速度可达1000m/s(约为音速的3倍)、具有极大动能的水线,这一水束就像一把切削加工的刀具,在数控系统的操控下对所需求加工的工件进行切割加工成型。数控超高压水射流切割机床原理图1所示。由图1能够知道,首先通过磨料供应设备把磨料送人混合器,水箱水通过超高压水射流发生器后成为高压水,并在混合器中将磨料与高压水混匀。然后,通过水刀切割头设备的喷嘴以每秒数百米的高速度喷向切割工件。一起,水刀切割头设备在数控系统操控下,依照用户加工程序需求的轨道进行平面移动终究切割出用户所需求的工件。目前水射流切割机床选用工业计算机为硬件渠道,以W indow98的操作系统为软件渠道,该系统具有主动编程、加工轨道图示仿真、人机界面友好和网络通信功用。

图1数控超高压水射流切割机床原理图

2水射流切割的形式和水射流切割机床的构成

211水射流切割的形式

水射流切割的形式从水质上分,有纯水切割和加磨料切割;从加压方法上分,有液压加压和机械加压;从机床机械结构上分,有龙门式结构和悬臂式结构;从驱动方法上分,有步进电机驱动和沟通伺服电机驱动。从水质上分,当前工业中使用的超高压水射流切割有2种方法,一是纯水切割,可方便地切割恣意形状的软质资料,其割缝为011~111mm(如图2进行食物加工),当水压在100MPa以上时,食物、海绵、橡胶、皮革、纤维、塑料、纸张类和纺织品等软资料能够被切割;其二是加磨料(常用60~100目的石英砂和氧化铝等)切割,其割缝为018~118mm(如图3进行钢板切割),磨料的参加使得水射流具有了锯条的特性,增加其切割力,水射流的力气被大大加强了,磨料水射流切割简直能够切割任何硬质材料,如金属、复合资料、石料、陶瓷、玻璃等。

图2图3

从结构形式上分,可有多种形式,如:2)3个数控轴的龙门式结构和悬臂式结构,这种结构多用于切割板材;5)6个数控轴的机器人结构,这种结构多用于切割轿车内饰件和轿车的内衬等。最简略的超高压水切割机具有2个数控轴,由CNC操控X-Y轴数控移动,并能完成CAD/CAM直接变换,真实做到免键盘输入,无图加工,只要在CAD画出的任意复杂曲线,都可以直接切割成形。

212水射流切割机床的构成

一台数控超高压水射流切割机床由超高压水射流发生器系统、水刀切割头设备、数控切割渠道、数控系统及其辅助设备等有些构成。高压有些是水射流切割机床的心脏,数控有些是水射流切割机床的大脑。图4为龙门式数控超高压水射流切割机床结构图。其间数控切割渠道选用共同的龙门架双驱动规划,有极好的通用性,床身有很好的稳定性,即使在高速运转状况也不会发生轰动和变形;机床选用交流伺服电机、高精度的滚珠丝杠和翻滚导轨确保零件加工的高精度;选用高性能的水切割专用数控系统(如图5所示)不只功用完备,完成三轴联动操控,具有强壮的网络功用,菜单式操作简略易学,并且确保设备具有极高的可靠性,在PC机W indows环境下操控机器及高压泵;完善的防护系统能有效地防水防砂,使机器经久耐用;会集主动光滑系统,使设备的维护简单方便。

图4龙门式数控超高压水射流切割机床结构图

图5数控水射流切割专用数控系统

3超高压水射流切割机加工特点

(1)切割质量优良,加工质量高。水射流切割是一种领先的/冷态切割0加工新工艺技术。水刀切割加工时简直不发作热量,对工件材料无热影响,因而工件不会发作热影响区和热变形、不会形成材料的组织结构改变或蜕变,这对加工热敏感材料如钛合金尤为有利;水切割时不会发作裂缝,它能够切割间隙很窄的材料。切缝窄(01075~118mm),进步材料利用率,一般而言,纯水切割其切断为011~111mm,加砂切割其切断在018~118mm之间,随着砂喷嘴内孔直径扩展其切断也就愈大。且切断质量好,简直无飞边、毛刺,切割面笔直,切断润滑、平整,无裂缝、无浮渣;切割力小,水刀在工件上所发作的横向及纵向的作用力极小,对材料不发作直接的外表压力,简直不存在机械应力与应变,工件变形小,加工精度较高。

(2)生产效率高。水刀加工切割速度快,功率高,加工成本低;因为高压水经过小直径的喷嘴今后能够发作极高的能量,所以高压水射流技术的功率十分高,能够在很小的区域内会集极大的能量。

(3)工件材料的广泛适应性。因为超高压水射流切割简直“攻无不克”,简直没有材料和切割尺度的约束,被誉为“全能切割机”。可用于各种软质与硬质材料、导电与非导电材料、金属与非金属材料、塑性与脆性材料、复合材料等切割加工;能够轻松地切割钢板或坚固的大理石、花岗岩等,对那些因其它方法难以切割的材料如钛合金及各种复合材料更是十分抱负或仅有的加工手法。

(4)高度弹性化。可切割任意概括,切入点和终结点可选在工件外表的任意一点,可作全方位的切割,可从任何一点开端,无切割方向的约束,可切割出任何杂乱的图形,可完结各种异形加工,包含各种形状、视点或斜度,且程序的修改也容易。

4超高压水射流切割技术的使用领域

(1)工业制作

超高压水射流切割简直适用于一切工业领域,如机器制工作、模具制工作、金属加工业、航空制工作、飞机制工作、轿车制工作、石材加工和建筑业、陶瓷业、轻工业、造纸业、橡胶业、纺织和皮革工业、电子工业、食品工业等职业中。用水射流切割碳纤维复合材料,各种坚固的金属及非金属材料,或带有蜂窝结构的材料等。以轿车制工作为例,其间轿车内部装修材料(如轿车地毯、仪表板、顶蓬等)的加工占水射流加工的40%,此外,还用于轿车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。因为数控技术发展,因而,水射流切割很容易经过计算机完成主动控制,然后可切割各种曲线形状的工件。当前,国内外已安装了数千条水射流主动切割生产线。

(2)安全减灾环保

高压水射流技术广泛使用于桥梁、水电工程等很多使用钢筋混凝土结构的部分,特别在煤炭、石油、化工、军工、核工业等自然条件恶劣、工作风险的部门使用,能高效工作,大大减轻工人劳作强度、改进劳作环境、下降和避免风险事故的发作。在地震抢险和灾后重建工作中,高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等能够发挥重要作用。

结束语

研究高压水射流切割的工艺技术,可以通过优化工艺提高加工速度,改善加工精度,为高压水射流切割的推广应用奠定基础,进而提高我国在材料切割特别是特种材料切割领域的加工水平。

参考文献

[1]刘晋春1特种加工[M]1四版1北京:机械工业出版社,2011

[2]胡传炘1特种加工手册[M]1北京:北京工业大学出版社,2012