水切割的原理及應(yīng)用

1、水切割的原理及應(yīng)用科目:先進(jìn)制造系統(tǒng)導(dǎo)論專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號:110606423姓名:XXX水切割的原理及應(yīng)用摘要:水切割也稱水射流切割或水刀切割。高壓水射流切割是一種特殊的加工方法。它利用增壓器將水加壓,達(dá)到10MPa一400MPa甚至更高的壓力。水獲得壓力能,再從細(xì)小的噴嘴噴射而出,將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,從而形成高速射流。切割正是利用這種高速射流的動(dòng)能對工件的沖擊破壞作用,達(dá)到切斷、成形的目的。高壓水射流既不同于傳統(tǒng)加工的銑、刨、磨、削,也有別于一般的剪切和沖裁。它屬于高能切割。高壓水射流切割就是把高壓水射流的動(dòng)能作為切割能,對材料進(jìn)行沖蝕和擠壓、破壞,以達(dá)到切割的目的的一種新工

2、藝。它最大特點(diǎn)是非熱源的高能量射流束加工,切割過程中無熱產(chǎn)生,故可以切割所有的金屬和非金屬材料,特別是各種熱切割方法難以切割的材料。具有:切口快、切口平整、無塵埃、無熱變形、無污染、減少材料浪費(fèi)等特點(diǎn)?？汕懈?鈦合金、銅板、鋼板、鋁板、鑄鐵、花崗巖、大理石、瓷磚、化纖、木材、布匹、紙張、皮革、塑料等材料。已應(yīng)用于航空、軍工、石材、建筑、裝潢等精加工領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:水刀,超高壓,高能量,安全,成本低,無污染,高速度,精加工。水在人們的概念里往往是“柔”、“軟”的代表,然而自古就有水滴石穿之說。以柔克剛水滴石穿給水賦予了新的定義,如今利用柔軟的水也能夠進(jìn)行切割物體了,不論是純鋼的鋼板還是堅(jiān)硬的石頭,

3、在水刀面前變得輕而易舉。高壓水射流加工技術(shù)正是利用與水滴石穿相同的原理,把動(dòng)量加大,縮短時(shí)間,達(dá)到斷石、斷鐵、切割的目的。人們在很早的時(shí)間就開始利用很高壓力的水進(jìn)行材料的加工和切割。1870年前后,美國在加利福尼亞的金礦中用增壓后的水流開采礦石,俄國人也曾用水采煤。在上世紀(jì)60年代,密蘇里大學(xué)林業(yè)系的諾曼·弗朗茲教授發(fā)明了高壓水射流的切割實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的核心是一個(gè)單缸增壓器,壓力可以達(dá)到344.7MPa(s000opsi,用這樣的高壓水可以來切割木材。這一裝置引起包括著名的依格所爾公司在內(nèi)的許多壓力設(shè)備制造商和研究單位的興趣。1971年第一臺(tái)商用水切割試驗(yàn)機(jī)在杰克遜的阿爾頓紙品公司

4、投入應(yīng)用,用于切割層壓紙管,并且可以在紙管上切出各種形狀。高壓水切割技術(shù)的真正的商品化應(yīng)用是上世紀(jì)80年代初洛克韋爾飛機(jī)公司用水切割機(jī)來切割BI轟炸機(jī)的欽合金零件,可以節(jié)約成本50%。目前許多國外的公司用高壓水切割各種材料,甚至用于軍艦制造。普通的加工方式即利用硬度較強(qiáng)的金屬制作刀具,在主軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)刀具進(jìn)行切割多余材料來達(dá)到加工目的,然而由于,這種方式是用硬的材料來切軟的材料,那么較硬的材料采用這種方式就會(huì)比較難加工,況且加工過程中,產(chǎn)生大量的熱量,經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致工件的熱變形,影響加工精度,直接接觸切割也容易導(dǎo)致刀具的磨損,使刀具使用壽命降低,在加工過程中的冷卻液也會(huì)造成加工質(zhì)量的不穩(wěn)定,

5、增加相應(yīng)制造成本,造成環(huán)境污染。水射流切割機(jī)包括四個(gè)基本組成部分:壓力發(fā)生裝置提供切割動(dòng)能,如:高強(qiáng)度的加壓泵、蓄能器:水供給裝置,如過濾器、輸送管線;切割裝置,如:控制閥門、噴嘴等;回收裝置等。有的還具備精確控制裝置;磨料供給裝置等。水射流技術(shù)特點(diǎn)較之激光、等離子、線切割等傳統(tǒng)的切割方式,水射流切割技術(shù)確實(shí)有其獨(dú)特、顯著的優(yōu)勢:1.切割品質(zhì)優(yōu)異:水射流是一種冷加工方式,水刀不磨損且半徑很小,能加工具有銳邊輪廓的小圓弧。加工本身無熱量產(chǎn)生且加工力小,加工表面不會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū),自然切口處材料的組織結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化,也幾乎不存在熱和機(jī)械的應(yīng)力與應(yīng)變,無需二次加工,無裂縫、無毛邊、無浮渣,因此其切割

6、品質(zhì)優(yōu)良。2.幾乎沒有材料和厚度的限制:無論是金屬類如普通鋼板、不銹鋼、銅、鈦、鋁合金等,或是非金屬類如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、紙張及復(fù)合材料,皆可適用。3.節(jié)省成本:水切割所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小,不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或細(xì)微的裂縫,不需二次加工,既可鉆孔亦可切割,降低了切割時(shí)間及制造成本。4.清潔環(huán)保無污染:在切割過程中不會(huì)產(chǎn)生弧光、灰塵及有毒氣體。操作環(huán)境整潔,符合嚴(yán)格的環(huán)保要求。5.便于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能和自動(dòng)化、數(shù)控化:高壓水射流是全方位點(diǎn)切割器,無碩萬孔,可以在任意點(diǎn)切割,切出任何復(fù)雜的形狀。因此對程序化和數(shù)控操作十分便利。另外采用CAM或CAD控制加工,可以達(dá)到高精度,重復(fù)加工能力強(qiáng)

7、。6.優(yōu)化材料的利用率。由于射流切口小、切割可以精確控制,因此樣板可以嵌套或者相切排列,充分利用每一塊材料,減少廢料。7.加工能力強(qiáng),可以加工不同材質(zhì)的工件;硬質(zhì)材料的加工厚度達(dá)6;可以加工某些難以用傳統(tǒng)加工方法切割的材料。水刀的分類兩種水刀是指純水水刀和加砂水刀。純水水刀是最早的水切割方法.第一次商業(yè)應(yīng)用始于二十世紀(jì)七十年代中期,用于切割瓦楞紙板。純水水刀最大的應(yīng)用是切割拋棄式尿布、棉紙和汽車內(nèi)飾件。對于棉紙和拋棄式尿布,與其它技術(shù)相比,水刀技術(shù)在材料上留下的水分最少。純水水刀的特點(diǎn)非常少的材料切割損失,切割時(shí)不產(chǎn)生熱量,切割厚度可以很大也可切得很薄,切割速度快,能夠切割軟、輕質(zhì)材料(例如厚

8、達(dá) 24"的纖維玻璃絕緣材料,極小的切削力,夾具簡單,每天 24 小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行。加砂水刀與純水水刀只有幾點(diǎn)不同。在純水水刀中,由超音速水流侵蝕材料。在加砂水刀中,由水射流加速砂料顆粒,然后由這些顆粒(而非水侵蝕材料。加砂水刀的能力比純水水刀強(qiáng)大成百上千倍。純水水刀和加砂水刀都有其用武之地。純水水刀可切割軟質(zhì)材料,而加砂水刀則切割硬質(zhì)材料,如鋼材、石材、復(fù)合材料和陶瓷。使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的加砂水刀能夠切割硬度等于(甚至稍稍超過氧化鋁陶瓷(常常稱作礬土,AD 99.9的材料。我們將在下面介紹加砂水刀的特點(diǎn),以及加砂水刀切割刀頭的工作方式。加砂水刀的特點(diǎn)水流細(xì)(直徑 0.020 到 0.050

9、 英寸,可切割非常復(fù)雜的幾何形狀,薄材料切割10 英寸厚度切割,堆積切割,材料切割損失非常少,夾具簡單,切割力小(切割時(shí)低于1磅,對幾乎所有加砂水刀作業(yè)都只需設(shè)置一次,可方便地從單切割刀頭切換到多切割刀頭,可快捷地從純水水刀切換為加砂水刀,減少了輔助操作,毛刺很少或無毛刺。水切割的不足之處1、高硬度的材料,諸如鋼、金屬陶瓷、高強(qiáng)度復(fù)合材料、堅(jiān)硬的巖石純水射流不能切割;而磨料水射流存在噴嘴磨損和切割成本大的問題。2、高壓水射流的設(shè)備成本比其他切割方法高。3、在一些應(yīng)用中,與激光切割、等離子弧切割、線電極電火花切割等方法比較,存在進(jìn)給速率低、加工精度差等不足。4、在切割過程中,影響切割質(zhì)量的參數(shù)多

10、,條件復(fù)雜,有時(shí)切割導(dǎo)致斷面分層和條紋。水切割的發(fā)展目前從事水射流加工技術(shù)研究和應(yīng)用的國家己超過四十個(gè):主要有美國、俄羅斯、日本、德國、瑞士、英國、法國、加拿大、澳大利亞、印度、韓國、新加坡等國。我國高壓水射流技術(shù)的研究和應(yīng)用,通過幾年來的發(fā)展,取得了許多令人矚目的成績。國內(nèi)的大連理工大學(xué)、石油大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等幾所大學(xué)和機(jī)械部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、機(jī)械部通用機(jī)械研究所、航空工藝研究所等研究機(jī)構(gòu),先后開展了水射流加工技術(shù)的研究。通過全國性學(xué)術(shù)交流和許多學(xué)者的努力,我國的水射流理論水平也不斷提高。我國的水射流技術(shù)起步于上世紀(jì)50年代,主要用于采礦業(yè)。到1980年以后,開始引進(jìn)超

11、高壓水射流設(shè)備,進(jìn)行仿制和自主的研究開發(fā),用于航空復(fù)合材料的切割。同時(shí),在船舶工業(yè),水射流主要用于清洗、除銹。1993年我國正式推出第一臺(tái)國產(chǎn)高壓(最大壓力392MPa磨料水射流切割設(shè)備。自上世紀(jì)90年代開始,我國的高壓水射流設(shè)備發(fā)展很快,從小功率到大功率、從單機(jī)到成套設(shè)備、從高壓到超高壓,從通用設(shè)備到專用設(shè)備,新產(chǎn)品不斷開發(fā),促進(jìn)了高壓水射流技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域十分廣泛。一般包括工業(yè)切割、挖掘、開采和鉆探、巖石切割和掘進(jìn)、表面清洗、材料破碎等。水射流技術(shù)在切割方面的應(yīng)用水射流應(yīng)用于造紙業(yè)、橡膠業(yè),而加砂水刀則可應(yīng)用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、金屬加工業(yè)。

12、尤其值得一提的汽車制造業(yè),隨著近幾年中國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展,國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商產(chǎn)值的擴(kuò)大,車型的不斷更新,生產(chǎn)周期的縮短,對配套的汽車內(nèi)飾件(如汽車地毯、儀表板、頂蓬等廠家來說,早期手工加工汽車內(nèi)飾件的切邊及打孔的方法、由于效率低下、產(chǎn)品精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大,顯然已不能滿足當(dāng)前汽車業(yè)發(fā)展的需求。此時(shí),與機(jī)器人相結(jié)合的的水射流設(shè)備脫穎而出。高壓水管以螺旋形繞在機(jī)器人手臂上,利用機(jī)器人手臂和手腕可使水射流頭的噴嘴快速沿直線或弧線運(yùn)行,達(dá)到3維加工內(nèi)飾件的目的。水射流技術(shù)在工業(yè)清洗方面的應(yīng)用水射流技術(shù)可應(yīng)用于汽車業(yè)噴漆房清洗、石化業(yè)熱交換器內(nèi)外管清洗、飛機(jī)跑道的橡膠清洗、工業(yè)上除銹防蝕工程表面處理、

13、航天工業(yè)引擎零件清洗、核能發(fā)電廠清除輻射污染等。近幾年,國外已有公司通過超高壓技術(shù),將其應(yīng)用于食品殺毒達(dá)到食品保鮮的目的,并成功打入食品保鮮行業(yè)(如美國著名的HEMELL公司已使用超高壓設(shè)備進(jìn)行食品保鮮,取得了良好的口碑。水射流可用來清洗汽車、高層建筑物、飛機(jī)場跑道、化工廠換熱器等,近年來這類業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。各種清洗機(jī)和清洗設(shè)施相繼問世,并大量投放市場,各種清洗公司和服務(wù)公司也相繼成立,為用戶提供服務(wù)。美國密蘇里羅拉大學(xué)的最新研究表明,高壓水射流在使用上還有很大潛力,它可將煤粉碎成細(xì)小顆粒,以便進(jìn)行清洗和生產(chǎn)清潔的燃料,還可用水力制漿法分離木纖維。2002年,美國FLOW公司將超高壓技術(shù)帶入了一個(gè)革命性的階段,發(fā)布了最高壓可達(dá)87000mpa的超高壓水射流設(shè)備,在大大提高了生產(chǎn)效率的同時(shí),使用成本也較之以前下降40%。隨著對水射流技術(shù)不斷研發(fā)、提升、應(yīng)用,其發(fā)展和使用前景將無可限量。參考