(2002-7-2)
利用高壓液體射流進行切割是壹種先進的材料加工方法。美國在1961獲得專利。然而，這壹主題最早發表於20世紀40年代中期的俄羅斯。然而，在20世紀80年代後期，莫斯科金屬切削機床實驗科學研究所開始進行深入研究。在漢諾威1997和巴黎1999的EMO展會上證明了這種方法有了很大的進步，這方面的技術進步非常顯著。僅在巴黎，就展出了三種大型工作裝置，分別為Flow(德國)、Bystronic(瑞士)和Digital Control(法國)所有。擅長機械打孔和激光打孔的通快(德國)也開始研發水射流切割設備。
水射流切割方法的技術特點
水射流切割是在400MPa的壓力下，從直徑為0.1mm~0.2mm的噴嘴中以100m/s的速度噴出水射流或磨料水混合物的切割過程。磨料水切割時，射流通過小直徑(約1mm)硬質合金噴嘴從噴嘴噴出，磨料粉末通過噴嘴入口處的噴射從專用料鬥中吸出。水射流的動能將被傳遞給磨粒，從而從切割坯件上去除微碎片。此時實際上根本沒有熱量和力作用在毛坯上，所以切割面沒有變形，沒有毛刺和材料組織扭曲。
當切割功率達到30kW以上時，可以用手或機器人夾緊裝置自由夾持工作頭。機器人的微處理器數控裝置可以實現空間任意角度的切割。
噴水裝置可以切割金屬板、精確地制作直角、鉆小孔、開窄槽以及完成非常接近的型材(包括非導熱材料)。
切口可以從工件表面的任何壹點開始。切口寬度小(水切割0.1mm~0.3mm，磨料水切割1mm~1.5mm)，能保證節材，降低能耗。該工藝流程具有靈活性和生態清潔性的特點，通常可用於完成需要快速重新調整設備的單件訂單。表1列出了各種鈑金切割方法的評價結果(根據Flow公司的數據)。
表1各種切割方法的比例
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評估標準評估各種切割方法(5分制)
磨料水切割激光切割等離子切割氧氣切割
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槽口寬度5 2 4 5
切口質量5 5 2 2
切割速度4 5 4 4
切割精度5 5 4 3
打磨表面的可能性5 4 4 2
形成汙泥4 2 2 4
總處理時間4 4 3 2
流程靈活性5 4 2 3
普遍性5 3 4 2
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主要工藝參數是生產率或切割速度v，對於大多數水射流設備:v = 0.001m/min ~ 12m/min，切割精度為0.1mm。表2列出了Flow公司關於磨料水切割各種材料的速度和毛坯厚度的數據。表3列出了英格索蘭(德國)關於水射流切割速度的數據。
表2不同坯料厚度的切割速度
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切割材料坯料的厚度(mm)
5 10 20 50
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鋁切割2.28 1.04 0.47 0.16
鈦切割1.09 0.49 0.22 0.08
耐腐蝕鋼速度0.62 0.28 0.12 0.04
玻璃度數6.45 2.91.1.30 0.46
花崗巖(米/ 3.55 1.60 0.72 0.25)
大理石最低4.59 2.06 0.93 0.32
)
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註:工作壓力為350MPa；磨料供應量680克/分鐘；磨料為80號粒度花崗巖。
表3英格索蘭公司采用的切削速度
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切割材料坯料的厚度(mm)
2 5 10
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橡膠① 25-10
聚氨酯切割20 8 3
聚四氟乙烯的速度是6 2 0.8。
膠合板(米/分鐘)25 4 0.5
泡沫②-25
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註:①坯料厚度為20mm時，v=2m/min。
②當坯料厚度為100mm時，v=5m/min。
由於現代計算機配備了水射流切割裝置，可以利用大量的數據庫來優化切割過程(包括實時優化)和解決切割材料的優化任務，因此這種方法的可制造性可以得到顯著擴展。
布局方案
目前水射流設備的布局有多種方案，有機器人配套的形式，也有帶轉臺的形式，但以移動龍門或固定龍門的布局應用最為廣泛。
在壹系列移動機架的裝置中預先考慮了輔助角坐標[如百超、Waterjet(意大利)]。當工作頭沿Z軸移動時，可以加工管坯，包括非圓表面。
消除射流的殘余能量是在工作臺下面的開口槽中進行的，這使得生態環境惡化。必須借助刮板傳送帶、螺旋輸送機和液壓渦旋機定期清理池中的汙泥。
用於坯料定位的工作臺可以由不銹鋼板、金屬絲網和尖釘制成網格狀；工作臺的表面可以由粒狀材料形成。類似的工作臺很貴，而且被jet磨損，所以使用壽命短。
Watejet公司的裝置中使用的工作臺，優點是由正方形(120mm×1200mm)網構成的實心框架，深度沈澱池由耐腐蝕鋼制成，傳動裝置設置在框架的外尺寸內，有控制零點的終點開關。維護區設置在框架長度的壹側，裝載區可以完全打開，網元悠揚可更換，框架很高。
帶活動龍門的設備最好用於加工切割時不易移動的重零件。典型代表是Flow公司的Tll-200設備，其工作臺尺寸為2m×4m。
固定龍門布局的壹個例子是英格索蘭公司的設備，其工作臺尺寸為2m×3m。
當收集器中的殘余射流能量消除後，形成的汙泥將沿專用軟管排入沈澱池。由於靠近工作頭出口孔的區域覆蓋有特殊的蓋子，且蓋子與真空吸塵器連接，收集器設置在距離坯料幾毫米處，因此切割過程可以達到最大的生態清潔度。沒有廢水罐，設備的重量可以顯著降低。
上述布局在結構上比移動門架的布局更復雜，並且在收集器中存在快速磨損的部件。此外，為了避免射流在坯料出口處彎曲過大而偏離收集器，對切割速度有壹些限制。
工作臺典型尺寸(以流量公司設備為例):2m×1.5m；；2m×3m；2m×4m；2m×6m；3m×2m；3m×4m和3m×6m(第壹個數字是沿X軸的尺寸)。為了使工作頭沿各軸運動，大多數機電伺服驅動采用滾珠絲杠傳動。壹般沿Z軸移動不超過180mm~200mm。
在制造裝置時，要特別註意材料的選擇和傳動裝置的保護，以免水和灰塵落入其中。在Waterjet的裝置上，有壹個耐腐蝕的鋼制小車和壹個由預緊滾珠支撐的鋁制滑塊，滑塊沿著拋光的耐腐蝕鋼制導軌移動。傳動由無刷交流電機通過外擺線齒輪和足夠抗拉強度的齒形帶實現。沿Y坐標的傳動關系由鋁軸實現。傳動裝置預先考慮了橡膠帶和波紋簾的雙重保護。
噴水裝置的主要參數
水射流裝置的主要部件之壹是高壓裝置。它由壹個液壓裝置箱、壹個帶驅動電機的變量泵、壹個或多個增壓器、蓄能器、液壓部件、壹個油調節系統(過濾和冷卻)、壹個工藝用水輔助泵、壹個細水過濾器和壹個電氣控制箱組成。
在雙作用增壓器中，油從1泵分流供給低壓(壹般為12MPa~16PMa)液壓缸，迫使其活塞與高壓液壓缸的活塞壹起運動。因為低壓和高壓液壓缸活塞的工作面積之比為(20 ~ 30): 1，所以可以相應提高水壓。因此，0.8MPa~1MPa壓力下的工藝水可以通過另壹個單向閥充滿高壓液壓缸，進入蓄能器和工作頭。
蓄能器可以緩沖液壓缸活塞反向時的壓力波動。工作頭入口處的壓力波動不應超過5%。因此，在選擇蓄能器的容量時，必須考慮到壓力為400MPa時，高壓液壓缸中水的壓縮接近20%。因為蓄能器是壹個高壓容器，裏面有大量的金屬，所以在現代設備中盡量不使用。為了減少壓力波動，壹般在油泵的助力油路上安裝壹個容量在2.5L左右的蓄能器。
水射流切割過程的效率在很大程度上與工作壓力P有關，因此裝置設計者試圖保證其最大值，但在超過400MPa的極限後仍未成功應用。壹般P=350MPa~380MPa。問題是當P=300MPa時，高壓液壓缸內表面的應力已經達到大多數結構鋼的屈服極限(即使沒有局部應力集中系數)。這需要使用高強度耐腐蝕鋼。另外，目前彈性體密封的壽命還沒有超過500h。為了減少作用在液壓缸緊固件上的軸向載荷，密封件的徑向尺寸應該最小。
水射流裝置的主要參數(工藝水流量Q和傳輸功率P)根據噴嘴直徑D和液壓系統的效率確定(圖1)，D壹般小於0.65 mm..為了提高水的流量，通過安裝輔助(第二)標準增壓器來實現。事實上，所有的增壓器都設計有雙作用增壓器和可控液壓方向閥。高壓液壓缸有壹個光滑的內孔(無應力集中源)和壹個內置單向閥的蓋子。
流量公司生產30多種增壓器，壓力380MPa，q = 1.93 l/min ~ 12l/min。
百超的裝置中使用的高壓裝置有以下主要優點:有兩個雙作用增壓器，可以保持參數P和Q恒定，不使用蓄能器；沖壓壓力和工作壓力無級調節；有三級精濾水器；可以觀察高壓密封的情況，並快速更換密封；足夠供應幾個工作頭的電力。