近年來(lái)，“數(shù)控超高壓水切割機(jī)”--(又稱水刀)隨著產(chǎn)品的成熟和應(yīng)用面的擴(kuò)大而逐步進(jìn)入快速成長(zhǎng)期，依托于更高精度的大型數(shù)控平臺(tái)和更大功率、更高壓力的高壓系統(tǒng)，五軸、六軸控制系統(tǒng)、斜度和自校正切割、水切割與刀具加工相結(jié)合等新技術(shù)應(yīng)用，將水切割技術(shù)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更加廣闊的金屬和非金屬(及食品)加工和工業(yè)制造領(lǐng)域。切割與加工相結(jié)合，從切割下料上升到加工半成品以及成品零件，提升了加工效率與價(jià)值，使得多變化、大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件與難加工材料的切割與加工問(wèn)題而易于解決。
超高壓水切割—冷態(tài)切割新技術(shù)水切割是基于超高壓水射流應(yīng)用的冷態(tài)切割技術(shù)。與熱切割(如火焰、等離子、激光等)相比，“水刀”幾乎可以切割從軟到硬的所有材料，尤其在厚度20mm以上的金屬，碳纖維、鈦合金、鋁合金、蜂窩結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的成型加工中，已經(jīng)成為*的加工方式。
水切割技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于鋼材、銅鋁材、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、塑料、人造纖維、布、紙、復(fù)合材料等的加工，并可直接制成結(jié)構(gòu)零件或焊接件，因而水切割系統(tǒng)已成為航空航天、軍工，軌道交通、船舶、汽車，工程機(jī)械、輕工，化工、能源，建筑工程等產(chǎn)業(yè)的新型制造裝備。
目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)從2 0 世紀(jì)6 0 年代開始， 美國(guó)、德國(guó)、日本、俄羅斯等就不惜巨款投資在超高壓發(fā)生系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)方面進(jìn)行研究和開發(fā)，直到20世紀(jì)90年代，超高壓水切割系統(tǒng)才逐步商業(yè)化。上代表性的企業(yè)有FLOW、KMT、OMAX，目前，zui高切割壓力可達(dá)600MPa。我國(guó)開展超高壓水切割技術(shù)的研究近四十年，目前國(guó)內(nèi)商業(yè)化水切割設(shè)備一般運(yùn)行壓力一般在220MPa—400MPa左右，通用數(shù)控超高壓水切割機(jī)床已有幾十種產(chǎn)品在定型生產(chǎn)，并已在編制“數(shù)控水切割機(jī)”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品水平已達(dá)到了先進(jìn)水平。同時(shí)， 五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)、機(jī)器人水切割機(jī)、大型數(shù)控水切割機(jī)床、水切割加工中心等智能化產(chǎn)品，也快速普及和拓展了我國(guó)超高壓水切割技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
水切割特點(diǎn)：
將普通的水通過(guò)加壓蓄能的方法而獲得200-400MPa及以上的高壓能再通過(guò)小孔(Φ0.15mm—Φ0.05mm)噴射而產(chǎn)生800-1000m/s的高速射流，運(yùn)用這束高速水箭或再加入少量細(xì)砂對(duì)物體進(jìn)行打擊和運(yùn)動(dòng)而形成切割，其產(chǎn)生的溫度zui高在60℃內(nèi)，而這束射流幾乎可以切割從軟到硬的任何材料，我們又稱之為“冷態(tài)切割技術(shù)”。
我們都知道，無(wú)論是刀具加工或是過(guò)去的熱切割方式等眾多的切割和加工方式中雖然各有優(yōu)勢(shì)，又都存在一定的使用局限性。只有“水切割”適用性zui廣泛，由于切割過(guò)程中溫度低，對(duì)被切割材質(zhì)物理性能無(wú)影響，無(wú)熱變形，且切縫窄、精度高、切面光潔、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
同時(shí)水切割還能加工對(duì)于傳統(tǒng)方法難以加工的材料：如碳纖維、玻璃鋼、環(huán)氧多層壓合板、PVC等工程塑料、鋁、銅合金， 多種金屬與非金屬的復(fù)合材料，耐高溫的玻璃、陶瓷、石材、石棉板、塑料與毛氈、熱敏、易燃易爆等材料。隨著人們對(duì)水切割技術(shù)的了解進(jìn)一步深化，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
水切割與熱切割的比較分析：
以金屬切割為例，和激光切割相比較，水切割在薄板的切割速度方面要低于激光切割，但在16mm以上的金屬切割采用激光法則明顯效率降低且投資大成本高，而且切縫周邊仍有一定的熱影響區(qū)，在20mm以上厚板切割中水切割表現(xiàn)出、經(jīng)濟(jì)且切割厚度可達(dá)100mm以上，其能效高于熱切割并且對(duì)材料無(wú)任何影響，再加上水刀對(duì)切割材料沒(méi)有限制。綜合這些因素，很多原先選擇激光或其它切割手段的用戶轉(zhuǎn)而采用水切割方式。
目前“ 水刀”的數(shù)控機(jī)床多采用滾珠絲桿和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的精密傳動(dòng)技術(shù)，控制精度都在+0.02mm以內(nèi)，同時(shí)加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長(zhǎng)壽命的噴嘴材料的技術(shù)突破，配合了400Mpa大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，全自動(dòng)供砂和控砂及高壓水啟、?？刂葡到y(tǒng)配合，使得“水刀”能24小時(shí)連續(xù)切割和自動(dòng)加工。
“ 水刀” 更兼有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制功能，特別在“轉(zhuǎn)角和尖角”切割時(shí)自動(dòng)減速，以減小切割中甩尾的影響，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特質(zhì)，這使得“水刀”在切割質(zhì)量和效率上都有了極大的變化和提高，而可直接用于金屬零件的成形切割加工。
水切割的優(yōu)點(diǎn)：
切割粗糙度可達(dá)1.6μm ，切割精度高于±0.10mm，可用于精密成形切割；
低熔點(diǎn)及易燃材料的切割，如紙、皮革、橡膠、尼龍、PVC塑料、毛氈、化纖、木材、環(huán)氧 壓層板、危險(xiǎn)品等材料；
高硬度和不可溶的材料切割： 石材、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、金剛石等；
用于有色金屬和不銹鋼的切割中有著獨(dú)到之處，無(wú)反光影響和邊緣損失；
不同熔點(diǎn)的金屬?gòu)?fù)合體或非金屬?gòu)?fù)合材料的一次成形切割；難加工、新型工業(yè)材料：鈦合金、碳纖維、玻璃鋼、石棉、蜂窩結(jié)構(gòu)材料；特殊的場(chǎng)地和環(huán)境下切割：水下、有可燃?xì)怏w環(huán)境；
新技術(shù)在水切割機(jī)中的應(yīng)用情況在各種切割及加工行業(yè)中，追求高質(zhì)量，率的直接成形加工，是目前上的發(fā)展趨勢(shì)，“水刀”切割機(jī)正是針對(duì)這種需求而在相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用上不斷創(chuàng)新：
高精度的數(shù)控機(jī)床
隨著包括精密滾珠絲桿， 伺服電機(jī)，直線伺服馬達(dá)，諧振減速單元等技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)床可以達(dá)到更高的位置精度和運(yùn)動(dòng)速度，反向間隙補(bǔ)償，重復(fù)定位精度的提高，機(jī)床制造廠商將更大的精力投入到分析機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因，通過(guò)采用球桿測(cè)量?jī)x和激光干涉儀等高精度測(cè)量器具檢測(cè)機(jī)床幾何精度并建立誤差映射表來(lái)給予精度修正，以此制造高精度機(jī)床。
大功率超高壓系統(tǒng)
提高水切割的能量，將提高切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割機(jī)的壓力和輸出流量成為影響切割能力的主要參數(shù)。目前，上對(duì)此也在做進(jìn)一步地研究和試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，當(dāng)壓力達(dá)到700MPa以上時(shí)，也可以用清水切割薄鋼板和較硬的復(fù)合材料，這樣進(jìn)一步提高增壓器的壓力可大大提高水切割機(jī)的切割性能，但提高系統(tǒng)壓力會(huì)帶來(lái)諸多高難度問(wèn)題，相較之下，增大系統(tǒng)的流量會(huì)容易一些。
另一方面，在同等的壓力之下，提高射流的流量，即加大射流的功率也一樣可提高切割能力，因此而產(chǎn)生多增壓器并聯(lián)技術(shù)：在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)不做大改動(dòng)的前提下，采用多增壓器并聯(lián)技術(shù)，即將兩個(gè)或多個(gè)高壓發(fā)生器并聯(lián)使用，可以很方便地提高增壓器的輸出流量，采用大口徑噴嘴進(jìn)行切割，這樣水射流有效切割能量更大，切割效果更好。
*，激光，氣體等離子，射流等切割手段，由于能量梯度的作用，切面越深時(shí)(距噴嘴越遠(yuǎn))，切割能力越差，所形成的切割面往往不垂直于工件表面，稱之為切割斜度，這是所有切割手段的一個(gè)固有缺陷。雖然通過(guò)提高切割能量或降低切割速度可以部分減小切割斜度，但依然存在不能*垂直的問(wèn)題。于是，可傾斜切割頭的設(shè)想于1997年被提了出來(lái)，目前上已有商用產(chǎn)品，這是解決切割斜度，提高精度zui直接有效的方法。其原理是通過(guò)在原有三軸平臺(tái)XYZ的基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)刀頭可向任何方向擺動(dòng)，并利用預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置的斜度模型，通過(guò)對(duì)切割軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算，再考慮被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割的過(guò)程中不斷地?cái)[動(dòng)切割頭，使得切割出來(lái)的工件達(dá)到的無(wú)斜度狀態(tài)或形成角度切割。
中國(guó)水刀的發(fā)展
在吸收世界同行先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)， 秉承不斷創(chuàng)新的理念， 近幾年經(jīng)“ 中國(guó)水刀” 同行的共同努力， 不斷拓展水刀的應(yīng)用領(lǐng)域， 專注于研發(fā)新技術(shù)及輔助裝備，目前我們已有技術(shù)產(chǎn)品如下：
并聯(lián)增壓器的大功率系統(tǒng)工作壓力可達(dá)到4 0 0 M P a ，100HP~200HP功率輸出。
大型高精度數(shù)控水切割機(jī)床
金屬切割用大型工作平臺(tái)；X向尺寸可達(dá)5000mm，Y向尺寸可達(dá)8-50m及以上；控制精度： ±0.02mm/m；切削精度： ±0.1mm；X、Y向運(yùn)動(dòng)速度：0～40m/min；切割頭數(shù)：2～4。
NEWCAM軟件
為大輻度地提高“水刀”的切割效果，不斷改進(jìn)的水切割NEWCAM軟件，CAD模塊具有模塊化編程，自動(dòng)排版套料，CAM模塊具有拐角自動(dòng)減速，切斷自動(dòng)減速等特性，通過(guò)在拐角處與切斷點(diǎn)降低程序速度，解決水切割因水射流的滯后效應(yīng)引起的拐角過(guò)切現(xiàn)象與程序結(jié)束點(diǎn)無(wú)法切斷的情況，有效地提高輔助設(shè)計(jì)、切割效果的質(zhì)量和效率。
空間曲線水切割系統(tǒng)(六軸機(jī)器人水刀)
“機(jī)器人水刀”有純水切割系統(tǒng)和加砂切割系統(tǒng)可以切割任何空間曲線，目前被廣泛地應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件和空間曲線構(gòu)件的切割。
五軸水刀
雖然機(jī)器人水刀也可以達(dá)到傾斜刀頭切割的目的，然而在精度和剛度上不如傳統(tǒng)機(jī)床，不能用于高精密切割。要達(dá)到高精密的無(wú)斜度切割以及圓錐面、圓弧面、旋轉(zhuǎn)曲面、斜面、坡口等切割時(shí)，必須使用五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)。
“廢舊咋藥銷毀”水刀
由于水刀低溫切割的優(yōu)異特性，使得水切割機(jī)可以用于易燃易爆物質(zhì)的切割，其中zui為典型的應(yīng)用就是“廢舊咋藥銷毀系統(tǒng)”，水刀在切斷彈殼的同時(shí)不會(huì)引爆其中的爆藥，從而達(dá)到安全、就地銷毀過(guò)期危險(xiǎn)品的目的。該技術(shù)已達(dá)到先進(jìn)水平。
雙頭/多頭水切割機(jī)
與大功率發(fā)壓發(fā)生系統(tǒng)相匹配，采用多刀頭同時(shí)切割方式，切割效率可提高數(shù)倍而成本增加很少。
水刀加工中心
“ 水刀加工中心” 具有超高壓水切割系統(tǒng)和電主軸系統(tǒng)，并備有刀庫(kù)，可容24把刀。該產(chǎn)品集水切割切、鏜、銑、磨等多功能于一體，可一次對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合型的成形加工。
其它輔助設(shè)備 為了提高加工效率，我們還開發(fā)了以下輔助裝備：
超高壓水開關(guān)： 超高壓水開關(guān)：DWCH；工作壓力：400Mpa；工作方式： 常閉式、氣動(dòng)開啟； 工作性能：10ms內(nèi)開啟或關(guān)閉。
SP7能加砂切割頭：水噴嘴與砂管有zui近的距離，使得zui大限度的利用水射流能量，獲得*的切割效率。
防回水砂閥——通過(guò)引導(dǎo)水流向下流動(dòng)，可以有效地防止回水濕砂；
自動(dòng)供砂系統(tǒng)— — 將切割磨料不間斷地輸送到切割機(jī)，無(wú)需任何人工干預(yù)，并且自動(dòng)檢測(cè)砂量，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一次加砂長(zhǎng)時(shí)間使用的目的。
自動(dòng)排砂系統(tǒng)— — 在切割的過(guò)程中，自動(dòng)將產(chǎn)生的泥漿抽出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾將砂，水分離，再將水反灌到水箱中，保證水箱水位，避免水箱中長(zhǎng)時(shí)間積砂和免除了人工清理。
自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)—在切割過(guò)程中，主動(dòng)跟隨工件的起伏而自動(dòng)調(diào)整切割頭的高度以適應(yīng)*切割。
大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)提出的問(wèn)題：
我國(guó)大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)正在高速發(fā)展之中，這些項(xiàng)目接軌、節(jié)能、環(huán)保、高起點(diǎn)、廣泛采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，由此帶來(lái)尋求制造的新方法。
飛機(jī)、機(jī)車、船舶的外殼：飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車的外殼多采用鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金板，為減輕重量，也有采用碳纖維，小型船體外殼也有采用玻璃鋼制成。
建議其加工采用：大型切割機(jī)、400MPa大功率高壓系統(tǒng)、五軸控制切割頭。
通風(fēng)系統(tǒng)：通風(fēng)系統(tǒng)的管道和聯(lián)接法蘭多采用金屬材料為輕型化，考慮而采用鈦、鋁合金和碳纖維制成。
建議采用加工設(shè)備： 中小型切割機(jī)、400MPa中小功率高壓系統(tǒng)、通用切割頭。
內(nèi)飾、座椅、內(nèi)設(shè)：飛機(jī)、機(jī)車、船舶汽車的內(nèi)飾、座椅、內(nèi)部衛(wèi)生設(shè)備都有共同之處，為安全、美觀、輕型、耐用，多采用鋁合金、工程塑料坐支架承重，采用泡沫塑料為襯墊，用化纖織品、皮革、人造革為外皮。
建議采用加工設(shè)備： 機(jī)器人水刀(六軸控制)、400MPa中小功率高壓系統(tǒng)、純水切割頭。
機(jī)身、機(jī)翼、起落架等骨架機(jī)構(gòu)件都有強(qiáng)度要求，能承載！但由于是運(yùn)輸設(shè)備，在滿足強(qiáng)度要求的條件之下又需盡可能的減輕自身重量，減少能耗。因此多采用金屬制作，常見(jiàn)有合金鋼、不銹鋼、鋁合金、新材料有鈦合金、碳纖維等。
建議采用加工設(shè)備：中型多功能水切割機(jī)、400MPa大功率高壓系統(tǒng)、五軸切割頭。
門窗、內(nèi)隔屏：
飛機(jī)、高速機(jī)車、船舶、汽車的門上、窗戶、內(nèi)隔屏等都采用玻璃和夾膠玻璃制成。
建議采用加工設(shè)備：中、小型切割機(jī)、300MPa、400MPa小功率高壓系統(tǒng)、通用水切割頭或水切割加工中心。
結(jié)束語(yǔ)
柔性超高壓水切割技術(shù)在大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還需我們不斷地去探索、追求和創(chuàng)新，我們堅(jiān)信隨著該技術(shù)的逐步完善及其應(yīng)用產(chǎn)品的日趨成熟，這種加工精度高、切面光潔、節(jié)能、節(jié)材、、綠色環(huán)保的新興“ 冷態(tài)切割技術(shù)”將為汽車、造船、軌道車輛、航空航天等產(chǎn)業(yè)中大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型材料、復(fù)合材料的成型加工帶來(lái)一場(chǎng)全新的工藝革命。
