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水射流切割工艺介绍 |
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加工材料的先进方法之一是用高压液体射流切割。美国在1961年已获得专利。但是，在俄罗斯第一次发表这题目是在40年代中期。而在80年代末才由莫斯科金属切削机床实验科学研究所开始深入研究。1997年的汉诺威和1999年的巴黎EMO展览会上证明，该方法有了很大发展，且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展出3台大型的工作装置，它们是Flow公司（德国）、Bystronic公司（瑞士）和Digital Control公司（法国）的。专门从事机械冲床和激光打孔机的Trumpf公司（德国）亦开始在研制水射流切割装置。
水射流切割法的工艺特点
水射流切割是水射流或磨料水混合物在压力达400MPa下，以速度达100m/s从直径0.1mm~0.2mm的喷嘴中射出进行的切割。在磨料水切割时，射流从喷嘴通过小直径（约1mm）硬质合金喷管喷出，并借助于在喷管入口喷射，从专用料斗中吸入磨料粉。水射流的动能将传给磨料颗粒，从而从被切割毛坯上去除微屑。这时，实际上在毛坯上完全没有热和力的作用，故切口表面不变形，且无毛刺及材料的组织畸变。
当切割功率达30kW以上时，工作头可用手或机器人的夹持装置自由握住。机器人的微处理器数控装置可在空间任意角度下实现切割。
水射流装置可切割板料、精确直角、打小孔、开窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非导热材料）。
切口可从制件表面的任意点开始。切口宽度较小（在水切割时为0.1mm~0.3mm，在磨料水切割时为1mm~1.5mm），从而可保证节约材料，降低能耗。工艺过程具有柔性的生态洁净的特点，通常可用于完成要求快速重调设备的单件订货。各种方法切割板料的评定结果列于表1（根据Flow公司的数据）。
表1 各种切割方法的比例
主要工艺参数是生产率或切割速度V。对大多数水射流装置：V=0.001m/min~12m/min，切割精度±0.1mm。表2列举出了Flow公司关于磨料水切割各种材料的速度与毛坯厚度有关的数据。表3中列出了Ingersoll-Rand公司（德国）关于水射流切割速度的数据。
表2 不同毛坯厚度的切割速度
注：工作压力350MPa；磨料供给量680g/min；磨料为80号粒度花岗岩。
表3 Ingersoll-Rand公司采用的切割速度
由于采用现代计算机装备水射流切割装置，可利用大量数据库优化切割过程（其中包括实时优化），和解决裁料的优化任务，故本方法的工艺性可显著扩大。
布局方案
水射流设备的布局目前有各种方案，其中包括机器人配套的形式、带回转工作台的形式等，但应用最广的是移动龙门架或固定龙门架的布局。
在一系列移动龙门架的装置内[例如Bystronic、Waterjet公司（意大利）]预先考虑有辅助角坐标。当工作头沿Z轴移动具有足够快速动作的恰服装置时可加工管坯，其中包括非圆型面。
消除射流的余能是在工作台下面的敞开槽内进行的，从而使生态环境变坏。槽内泥渣必须借助刮板传送带、螺旋输送机、水力涡旋机等进行定期清理。
毛坯定位用的工作台可用耐蚀板、金属丝网、磨尖的销钉做成格子形状来制成；工作台表面可用散粒材料等形成。类似工作台十分昂贵，且因射流作用而磨损，故寿命较低。
在Watejet公司装置上采用的工作台，其优点是由正方形（120mm×1200mm）网络形成的坚固的框架，深淀箱由耐蚀钢做成，传动装置配置在框架的外廓尺寸内，设有控制零点的终点开关，维护区安排在框架的长度一侧，装载区可完全敞开，网络元悠扬可更换，框架具有很高的承载能力。
带移动龙门架的设备最好用于加工在切割过程中不好移动的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll-200型装置，其工作台尺寸为2m×4m。
固定龙门架的布局示例是Ingersoll-Rand公司的装置，其工作台尺寸为2m×3m。
当收集器内的射流余能被消除后，形成的泥渣将沿专用软管排入沉淀槽。因在工作头出口孔附近区遮盖有专用罩，且罩与吸尘器相连，而收集器安排在距离毛坯几毫米处，故切割过程可达到最大的生态洁净。不设置废水槽，可显著减轻装置的重量。
上述布局在结构上较移动龙门架的布局复杂，且在收集器内有快速磨损的零件。此外，为了避免射流在毛坯出口上过于弯曲和对收集器的偏离，切割速度存在某些限制。
工作台的典型尺寸（以Flow公司的装置为例）：2m×1.5m；2m×3m；2m×4m；2m×6m；3m×2m；3m×4m和3m×6m（第一位数为沿X轴的尺寸）。为使工作头沿所有轴移动，大多采用带滚珠丝杠传动的机电伺服传动装置。沿Z轴的移动一般不超过180mm~200mm。
在建立装置时特别注意选择材料和传动装置的保护使水和尘埃不落入。在Waterjet公司的装置上，具有耐蚀钢小车和有预紧力的滚珠支承的铝滑块，滑块沿经抛光的耐蚀钢导轨移动。传动是由无刷交流电动机借助外摆线齿轮和拉伸强度足够的齿形带实现。沿Y坐标的传动关系借助铝轴实现。传动装置预先考虑有用橡胶带和波纹遮帘双保护。
水射流装置主要参数
水射流装置的主要部件之一是高压装置。它由液压装置箱、带传动电动机的变量泵、一个或若干个增压器、蓄能器、液压件、油液调节系统（过滤和冷却）、供工艺水用辅助泵、精滤水器和电器控制箱所组成。
在双作用增压器内，油液从1个泵经换向准备供入低压（一般12MPa~16PMa）液压缸内，迫使其活塞与高压液压缸的活塞一起运动。由于低压和高压液压缸活塞的工作面积之比为（20~30）：1，故可保证相应提高水的压力。因此，在0.8MPa~1MPa压力下的工艺水可通过另一单向阀充满高压液压缸进入蓄能器和工作头。
蓄能器可缓冲液压缸的活塞反向时的压力波动。在工作头入口处的压力波动不应超过5%。因此，在选择蓄能器的容量时必须考虑到当压力400MPa时在高压液压缸内水的压缩接近20%。因蓄能器是金属用量大的高压容器，故在现代化装置中尽可能不用它。为减小压力波动，在油泵的增压油路上一般安装容量约2.5L的蓄能器。
水射流切割过程的效率在很大程度上与工作压力P的大小有关，因此装置设计人员力图保证其最大，但超过400MPa极限的至今尚未应用成功。一般，P=350MPa~380MPa。问题在于当P=300MPa时高压液压缸内表面上的应力已达到大多数结构钢的屈服极限（甚至在无局部应力集中因素时）。这就要求采用高强度耐蚀钢。此外，弹性体密封的寿命目前尚未超过500h。为减小作用在液压缸紧固件上的轴向负荷，密封的径向尺寸应最小。
水射流装置的主要参数（工艺水流量Q和传动装置功率P）是根据喷嘴的直径D和考虑到液压系统的效率确定的（图1），D一般不超过0.65mm。为了提高水的流量是通过安装辅助（第二）标准增压器达到的实际上在所有增压器的设计中，均采用双作用增压器，并配有可控液压换向阀。高压液压缸有贯穿的平滑内孔（无应力集中源）和带内置式单向阀的盖。
Flow公司出产30多种型号的增压器，其压力为380MPa，Q=1.93L/min~12L/min。
在Bystronic公司装置上采用的高压装置有下列主要优点：有两个双作用增压器，可保持参数P和Q恒定，且不利用蓄能器；无级调节打孔压力和工作压力；有三级精滤水器；可观察高压密封状况并可快速更换密封；足以供给若干工作头用的功率。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/9/2004) |
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