水切割,又稱水刀切割,即高壓水射流切割技術(shù),是一種利用高壓水流切割的機(jī)器。在電腦的控制下能任意雕琢工件,而且受材料質(zhì)地影響小。因?yàn)槠涑杀镜?,易操作,良品率又高,水切割正逐漸成為工業(yè)切割技術(shù)方面的主流切割方式。
高壓水射流切割的基本原理高壓水射流切割的基本工作原理是以水為介質(zhì),運(yùn)用液體增壓原理,將動(dòng)力源的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成水的壓力能,再將壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能,通過(guò)高壓發(fā)生設(shè)備增壓獲得巨大能量,形成高速水射流,噴射到工件表面,當(dāng)水射流沖擊被切工件時(shí),若壓力能超過(guò)材料的破壞強(qiáng)度時(shí),即可切斷材料,達(dá)到去除材料的加工目的。
高壓水射流切割時(shí)不產(chǎn)生熱量和有害物質(zhì),材料無(wú)熱效應(yīng)(冷態(tài)切割),切割后不需要或易于二次加工,安全、環(huán)保,成本低、速度快、效率高,可實(shí)現(xiàn)任意曲線的切割加工,方便靈活、用途廣泛。水切割是目前適用性最強(qiáng)的切割工藝方法。
水切割技術(shù)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1、是真正的冷態(tài)切割:因?yàn)椴捎盟湍チ锨懈?,加工過(guò)程中基本不產(chǎn)生熱效應(yīng),工件無(wú)受熱變形,不會(huì)改變物理和化學(xué)性質(zhì),受熱影響大的材料比如鈦尤其適用。
2、可切割范圍廣:不論是金屬還是非金屬材料幾乎都可以切割,如不銹鋼、銅、鋁、各種合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等,而且不受厚度限制。
3、切割精度高:切割面整齊平滑,不會(huì)在切割過(guò)程中使被切割物體有任何損傷,可以完成許多切割工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)的切割作業(yè);割縫極小,可以降低材料浪費(fèi)率。
4、適應(yīng)性好:生產(chǎn)效率高,切割可從工件上任意點(diǎn)開(kāi)始,向任意方向進(jìn)行,結(jié)合數(shù)控技術(shù)CNC可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的批量生產(chǎn)。而且一個(gè)噴嘴可以加工不同類型的材料和形狀,無(wú)需更換刀具,節(jié)省了時(shí)間和成本,提高了生產(chǎn)效率。
5、安全性和環(huán)保性高:切割過(guò)程中不產(chǎn)生有毒煙霧,而且無(wú)火花、無(wú)熱效應(yīng)、振動(dòng)小,是安全環(huán)保的切割工藝,特別適合有特殊要求的危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境。
高壓水射流切割技術(shù)的分類水射流切割按照有無(wú)磨料添加,可以分為純水射流切割和磨料水射流切割。相比較于純水射流,磨料水射流由于添加了一定硬度和數(shù)量的磨料顆粒,磨料顆粒的密度比水大2~6倍,且具有棱角,大大提高了射流的打擊效果。根據(jù)磨料供給的方式不同,磨料水射流又分為后混合磨料水射流和前混合磨料水射流,其中前混合磨料水射流技術(shù)是在后混合磨料水射流技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。
后混合磨料水射流是高速水與低速磨料通過(guò)虹吸作用進(jìn)行混合,從磨料噴嘴噴出。由兩者間巨大的速度差,且磨料顆粒加速的過(guò)程較短,大量的磨料顆粒不能達(dá)到射流的中心,無(wú)法使磨料顆粒達(dá)到很高的速度,一般只能達(dá)到水的速度的25%。所以要達(dá)到切割硬物的目的時(shí),后混合磨料水射流往往需要較高的工作壓力,對(duì)系統(tǒng)的性能要求較高。
相比較于后混合磨料水射流,前混合磨料水射流其磨料是在射流形成之前與水在磨料罐中進(jìn)行了充分的混合,在高壓水的作用下形成了固液兩相流,能夠使磨料顆粒進(jìn)入射流的中心,使磨料顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能,從而獲得更好的切割效果。對(duì)兩種磨料混合方式水射流進(jìn)行性能對(duì)比如下表所列。
高壓水射流切割技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域
高壓水切割設(shè)備與工藝是近年各國(guó)水射流行業(yè)的研究熱點(diǎn),從歷次國(guó)際水射流會(huì)議來(lái)看,隨著水切割設(shè)備與工藝的商品化,水射流技術(shù)從鳳毛麟角發(fā)展為主導(dǎo)內(nèi)容,已滲透到許多工業(yè)領(lǐng)域。二十世紀(jì)八十年代中期,英國(guó)流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)(British Hydrody-namics Research Association)提出將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中。
1、航空航天領(lǐng)域,如鈦合金、碳纖維、特種夾層厚玻璃、有機(jī)玻璃、蜂窩板、陶瓷隔熱層、特種橡膠、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料、火箭固體燃料的切割、儀表盤(pán)加工等。
2、軍事領(lǐng)域,用于切割高強(qiáng)度鋼板、裝甲板、各種特殊裝修材料,各種戰(zhàn)車的裝甲板、履帶、炮塔、保險(xiǎn)杠、火炮、槍械、防彈玻璃、車體、彈藥等。清理戰(zhàn)爭(zhēng)遺留的地雷和炸彈以及應(yīng)對(duì)恐怖主義、分裂勢(shì)力制造的爆炸物處理,軍用機(jī)場(chǎng)跑道附膠層及冰層的剝離、原子核反應(yīng)堆及廢料的切割、軍港水下結(jié)構(gòu)物及沉船的切割、軍事工事及工程的破巖等。
3、采掘業(yè)領(lǐng)域,射流切割巖石時(shí)產(chǎn)生的粉塵和摩擦火花少,使其特別適合在密閉環(huán)境,如地下開(kāi)采巖石。粉塵的減少改善了工作環(huán)境,摩擦火花的減少使得采煤時(shí)引發(fā)瓦斯爆炸的可能性大大減小。針對(duì)不同硬度煤層和不同類型鉆孔擴(kuò)孔的超高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備能夠增加鉆孔周圍煤體的暴露面積,增大鉆孔的卸壓范圍和影響半徑,從而提高鉆孔的抽排效果。
4、汽車制造業(yè)領(lǐng)域,用于切割儀表盤(pán)、內(nèi)飾及外飾件、門(mén)板、車窗玻璃,不需要模具,可提高生產(chǎn)線的加工柔性。
5、建材工業(yè)和建筑裝潢領(lǐng)域,具有其他切割技術(shù)缺少的技術(shù)優(yōu)勢(shì),可用于切割大理石、花崗巖、玻璃纖維、陶瓷、石棉等材料,也可切割復(fù)雜形狀的石材拼花,切割尺寸精確,無(wú)污染??捎盟淞髑懈罴夹g(shù)去除工件外部的氧化鋁、鑄件上的型砂及陶瓷涂層等,也可切割常規(guī)方法難以切割的灰鑄鐵件。
6、電子工業(yè)領(lǐng)域,用于印制電路板的輪廓切割,集成電路芯片制造中的晶圓切割和陶瓷拼花工藝中的切割工序等。
7、食品工業(yè)領(lǐng)域,用于切割松脆食品、菜、肉等,可減少細(xì)胞組織的損壞,增加存放期。切割食品時(shí),“數(shù)控水刀”用數(shù)控裝置可以控制其切割速度及路線,可以最大限度地保持被切割物的營(yíng)養(yǎng)成分,不會(huì)造成細(xì)菌傳播而且形狀規(guī)整。
8、造紙工業(yè)領(lǐng)域,可用于牛皮紙、波紋箱板等的分卷切條,無(wú)粉塵污染。
9、紡織工業(yè)領(lǐng)域,用于切割多層布料,提高切割效率,減少邊端損傷。水切割還廣泛應(yīng)用于服裝裁剪、制鞋下料等,水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能夠節(jié)省多達(dá)18%的原材料。
10、水下切割領(lǐng)域,海底石油及固體礦藏的開(kāi)采、船舶及艦艇的維修都不可避免的需要水下切割技術(shù)。超高壓水射流切割可用于水下?tīng)I(yíng)救和水下修理、打撈作業(yè)、水下演示取樣、石油鉆井、海上平臺(tái)拆卸、碼頭建設(shè)與維護(hù)、艦船的水下作業(yè)和海洋工程等各個(gè)場(chǎng)合。隨著海洋的開(kāi)發(fā)和利用,超高壓磨料水射流水下切割技術(shù)必將得到快速發(fā)展。
11、有害有毒現(xiàn)場(chǎng)的在線切割,在地震搶險(xiǎn)和災(zāi)后重建工作中,超高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結(jié)構(gòu)等。水射流切割技術(shù),特別適合于易燃易爆環(huán)境下切割工件。
同其他切割方法比較,水切割有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
1、與激光切割比較
激光切割是一種非常先進(jìn)的切割技術(shù),其切割速度快、精度高,但局限性在于多用于薄鋼板、部分非金屬材料的切割,而且切割時(shí)在切縫處會(huì)引起熱效應(yīng),對(duì)鋁、銅等有色金屬、合金切割效果不理想,對(duì)厚度較大的金屬板材,切割速度慢,甚至無(wú)法切割。水切割幾乎適用各種材料,切割厚度大,無(wú)熱效應(yīng),基本沒(méi)有激光切割的局限。但水切割的切割速度沒(méi)有激光切割快。
2、與等離子切割比較
等離子切割是利用高溫等離子電弧進(jìn)行切割,熱效應(yīng)明顯,精度不高,切割過(guò)程產(chǎn)生大量有毒煙氣,環(huán)保性差。屬于冷態(tài)切割的水切割,不產(chǎn)生熱變形,切割精度好,安全環(huán)保。
3、與線切割比較
線切割屬電加工范疇,對(duì)金屬加工有很高的精度。缺點(diǎn)是只能切割導(dǎo)電的金屬材料,且速度慢、效率低,有時(shí)需要提前在工件上打出工藝孔,用來(lái)穿絲,切割用的電極絲易斷,而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制,切割速度快、效率高,加工尺寸可選余地大。
4、與其他傳統(tǒng)切割方法比較
火焰切割常用于金屬板材的切割,與水切割相比其熱效應(yīng)明顯、切割表面質(zhì)量和精度較差,一般需要二次加工;沖剪加工,效率高、速度快,一般適用于大批量的小件加工,缺點(diǎn)是需要特定的模具和刀具,而且很難或無(wú)法對(duì)厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形狀、厚度、硬度等的影響,通用性更好。
高壓水射流切割技術(shù)存在的問(wèn)題國(guó)內(nèi)高壓水射流加工技術(shù)已經(jīng)取得了大量的研究成果,這使得國(guó)內(nèi)各種高壓水射流技術(shù)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但是相比水射流技術(shù)發(fā)達(dá)的美日德等國(guó),我國(guó)的水射流加工技術(shù)的發(fā)展還存在許多不足,主要集中在以下幾個(gè)方面。
1、在加工精度方面:國(guó)內(nèi)很多學(xué)者研究了不同工藝參數(shù)對(duì)高壓水射流切削加工精度的影響,認(rèn)為射流集中度、靶距、噴嘴結(jié)構(gòu)都對(duì)水射流切割的精度有較大影響,但是對(duì)于如何解決加工精度不高、切口錐度的補(bǔ)償措施等或者涉及較少,或者只是簡(jiǎn)單說(shuō)明關(guān)聯(lián)性而已,對(duì)于提高加工精度具體有效的工程解決方案尚未能解決。
2、加工表面質(zhì)量方面:水射流清洗時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)條件限制很多情況下可見(jiàn)性很差,所以針對(duì)于特定零件的清洗機(jī)器人及采用旋轉(zhuǎn)噴嘴等可以有效提高清理質(zhì)量,國(guó)內(nèi)這方面需要很大提高。在水射流噴丸強(qiáng)化方面,國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,真正工業(yè)應(yīng)用的很少。
3、加工能力方面:利用高壓水射流進(jìn)行清洗時(shí),考慮到水射流的剪切力對(duì)于清洗各種材質(zhì)均有著很大的作用,所以旋轉(zhuǎn)噴頭得到了完全的普及,但國(guó)內(nèi)受成本和技術(shù)水平等影響,旋轉(zhuǎn)噴頭的使用并不廣泛,進(jìn)而降低了清洗效率。
4、加工機(jī)理方面:對(duì)于普通的高壓水射流及磨料水射流加工機(jī)理,國(guó)內(nèi)外研究水平相差不大,只是國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)于磨料射流中磨料顆粒的分布情況,磨料射流的速度能量分布研究較少,對(duì)應(yīng)的能量分布模型更是很少研究。
5、磨料水射流加工系統(tǒng)方面:前混合磨料系統(tǒng)因?yàn)槠浼庸ぞ热菀滋岣?,加工效率、加工能力遠(yuǎn)超后混合磨料系統(tǒng),所以在美日德等國(guó)家得到了更廣泛的應(yīng)用。但在國(guó)內(nèi)由于前混合磨料系統(tǒng)對(duì)于磨料的混合液研究不足,使得前混合磨料系統(tǒng)中磨料在混合液中分布相差較大,進(jìn)而使得磨料供給不穩(wěn)定,限制了前混合磨料系統(tǒng)在精加工中的應(yīng)用效果。
高壓水射流加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面。
1、發(fā)展智能化控制。采用高壓水射流加工具有較高精度要求或復(fù)雜形狀的零件, 5軸以上的水射流數(shù)控加工機(jī)床的生產(chǎn)和應(yīng)用是必要的前提。這就需要通過(guò)大量的加工實(shí)驗(yàn)來(lái)確定不同情況下的工藝參數(shù),使得工藝參數(shù)在加工過(guò)程中能夠自適應(yīng)調(diào)整,這樣才能提高機(jī)床的加工精度。對(duì)于這類高精尖水射流加工機(jī)床的設(shè)計(jì)研發(fā)是極其必要的,直接關(guān)乎高壓水射流技術(shù)是否可以滿足從粗加工到精加工整個(gè)工藝流程的實(shí)用上。
2、提高加工效率。優(yōu)化磨料水射流加工工藝參數(shù),進(jìn)一步提高效率,減少磨料消耗和降低能耗,使得磨料水射流加工的成本更有競(jìng)爭(zhēng)力。利用磨料水射流加工各種不同材質(zhì)的難加工材料及各種復(fù)合材料的切削,目前其加工效率仍比較低,進(jìn)一步發(fā)展水射流加工技術(shù)提高這些材料的加工效率和質(zhì)量是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。
3、開(kāi)辟新型射流的研究。不同的加工需求必然需要不同類型的加工能力,空化射流、脈沖射流、冷劑束射流、高粘性添加劑射流、磁流變液射流 、常溫冰點(diǎn)射流等不同類型的高壓水射流必然有著更廣泛的應(yīng)用前景。
4、不斷擴(kuò)大水射流加工的應(yīng)用范圍。隨著各種新材料的研究應(yīng)用,與之對(duì)應(yīng)的加工技術(shù)必然迅速發(fā)展,而水射流技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。水射流技術(shù)在精加工及超精密加工領(lǐng)域仍有著極為廣泛的應(yīng)用前景,但需要克服的問(wèn)題難度也是極大。
5、綜合應(yīng)用其他加工技術(shù)。將其他加工技術(shù)如激光、超聲波、電解加工等加工技術(shù)與高壓水射流技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合將顯著提高水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和加工效率。
2018-06-28 18:05:02 1743 http://www.yiqi.com/citiao/detail_845.html 熱門(mén)標(biāo)簽: