数控超高压水射流切割技术的特点及其应用

　　机床与液压bookmark0数控超高压水射流切割技术的特点及其应用陈光明（南京农业大学工学院，江苏南京210031）性新技术、新工艺。超高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法，具有传统的切割方式难以比拟的优点。本文论述了数控超高压水射流切割机的基本工作原理、水射流切割的加工形式和水射流切割机床的组成阐述了数控超高压水射流切割机的加工特点及其应用领域并对超高压水射流切割技术发展趋势进行了展望。

　　前言近几十年来，随着科学技术的不断发现，人们给液滴赋予了比自由落体运动大得多的打击能量，使漫长的滴水穿石现象在瞬间便可完成，这就是水射流。

　　为了提高效率，人们将水加以高压，并使之以直径较小的喷嘴中喷出，形成一束高速、连续或间断的水流束，这便是高压水射流。水射流加工（WateretCut ting）又称水喷射加工，是利用高压高速水流对工件的冲击作用来去除材料的，俗称“水刀加工”即是利用超高压（达数百MPa）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层材料去除等加工。

　　使用水射流技术可以实现多种加工，例如切割、脱胶、清洁、钻孔、修边、开槽以及工件表层材料的去除。工业的发展以及新材料的不断涌现对加工过程提出了新的要求。例如，在航空制造业中使用了一些特种材料，如钛合金、碳纤维复合材料、增强塑料玻璃等，这些材料用其它方法难以进行切割或存在加工质量问题。与激光切割、等离子切割和电火花线切割有所不同，高压水射流切割由于其独特的优点，对这些用其它方法难以切割的航空材料，是非常理想或唯一的加工手段。高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法，具有传统的切割方式难以比拟的优点。

　　本文将介绍工业中所使用的超高压水射流切割技术，具体说明超高压水射流切割机的加工特点和发展方向。

　　1超高压水射流切割机工作原理高压水射流加工技术的基本工作原理是运用液体增压原理，通过特定的转能装置（增压器或高压泵），将动力源（电动机）的机械能转换成水的压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴后，再将压力能转变成动能，从而形成高速水射流，喷射到工件表面，当水射流冲击被切工件时，动能又重新转变成作用于材料上的压力能，若压力能超过材料的破坏强度时，即可切断材料，达到去除材料的加工目的。因而高压水射流又常被称为高速水射流。

　　割机的具体工作原理是将普通的水经过过滤，然后通过一个超高压增压器逐级增压，将水流加压至200~40CMPa然后再通过一个直径为数控超高压水射流0.1~0.3mm的喷嘴切割机床原理图（一般由蓝宝石制成）形成一束射流速度可达1（约为音速的3倍）、具有极大动能的水线，这一水束就像一把切削加工的刀具，在数控系统的控制下对所需要加工的工件进行切割加工成型。数控超高压水射流切割机床原理所示。由可以知道，首先通过磨料供给装置把磨料送人混合器，水箱水经过超高压水射流发生器后成为高压水，并在混合器中将磨料与高压水混匀。然后，通过水刀切割头装置的喷嘴以每秒数百米的高速度喷向切割工件。同时，水刀切割头装置在数控系统控制下，按照用户加工程序要求的轨迹进行平面移动最终切割出用户所要求的工件。目前水射流切割机床采用工业计算机为硬件平台，以Window98的操作系统为软件平台，该系统具有自动编程、加工轨迹图示仿真、人机界面友好和网络通信功能。

　　2水射流切割的形式和水射流切割机床的构成1水射流切割的形式水射流切割的形式从水质上分，有纯水切割和加磨料切割；从加压方式上分，有液压加压和机械加压；从机床机械结构上分，有龙门式结构和悬臂式结构；从驱动方式上分，有步进电机驱动和交流伺服电机驱动。

　　从水质上分，目前工业中使用的超高压水射流切割有2种形式，一是纯水切割，可方便地切割任意形状的软质材料，其割缝为0.1~1.1mm（如进行食品加工）当水压在10（MPa以上时，食品、海绵、橡胶、皮革、纤维、塑料、纸张类和纺织品等软材料可以被切割；其二是加磨料（常用60~100目的石英砂和氧化铝等）切割，其割缝为0.8~1.8mm（如进行钢板切割）磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性，增加其切割力，水射流的力量被大大加强了，磨料水射流切割几乎可以切割任何硬质材料，如金属、复合材料、石料、陶瓷、玻璃等。

　　数控轴的龙门式结构和悬臂式结构，这种结构多用于切割板材；5―6个数控轴的机器人结构，这种结构多用于切割汽车内饰件和轿车的内衬等。

　　最简单的超高压水切割机具备2个数控轴，由CNC控制X-轴数控移动，并能实现CAD /CAM直接转换，真正做到免键盘输入，无图加工，只要在CAD画出的任意复杂曲线，都可以直接切割成形。

　　2.2水射'/流切割机床的构成一台数控超高压水射流切割机床由超高压水射流发生器系统、水刀切割头装置、数控切割平台、数控系统及其辅助装置等部分组成。高压部分是水射流切割机床的心脏，数控部分是水射流切割机床的大脑。

　　为龙门式数控超高压水射流切割机床结构图。其中数控切割平台采用独特的龙门架双驱动设龙门式数控超高压水射流切割机床结构图高速运行状态也不会产生震动和变形；机床采用交流伺服电机、高精度的滚珠丝杠和滚动导轨保证零件加工的高精度；采用高性能的水切割专用数控系统（如所示）不仅功能完备，实现三轴联动控制，具有强大的网络功能，菜单式操作简单易学，而且保证设备具有极高的可靠性，在PC机Windows环境下控制机器及高压泵；完善的防护系统能有效地防水防砂，使机器经久耐用；集中自动润滑系统，使设备的维护简单方便。

　　数控水射流切割专用数控系统3超高压水射流切割机加工特点水射流切割与激光切割、等离子切割、线切割等传统的切割方法相比，具有如下加工特点：计一的通用性，祜艮好的1」即使在秘隙很窄的材料。切缝窄e（0eS758mm）wS斗bookmark3切割品质优异，加工质量高。水射流切割是一种先进的“冷态切割”加工新工艺技术。水刀切割加工时几乎不产生热量，对工件材料无热影响，因而工件不会产生热影响区和热变形、不会造成材料的组织结构变化或变质，这对加工热敏感材料如钛合金尤为有利；水切割时不会产生裂痕，它可以切割间利用率，一般而言，纯水切割其切口为0.1 ~1.1mm加砂切割其切口在0.8 ~1.8mm之间，随着砂喷嘴内孔直径扩大其切口也就愈大。且切口质量好，几乎无飞边、毛刺，切割面垂直，切口光滑、平整，无裂缝、无浮渣；切割力小，水刀在工件上所产生的横向及纵向的作用力极小，对材料不产生直接的表面压力，几乎不存在机械应力与应变，工件变形小，加工精度较高。

　　生产效率高。水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低；由于高压水经过小直径的喷嘴以后可以产生极高的能量，所以高压水射流技术的效率非常高，能够在很小的区域内集中极大的能量。

　　工件材料的广泛适应性。由于超高压水射流切割几乎“无坚不摧”几乎没有材料和切割尺寸的限制，被誉为“万能切割机”。可用于各种软质与硬质材料、导电与非导电材料、金属与非金属材料、塑性与脆性材料、复合材料等切割加工；可以轻松地切割钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其它方法难以切割的材料如钛合金及各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。

　　高度弹性化。可切割任意轮廓，切入点和终结点可选在工件表面的任意一点，可作全方位的切割，可从任何一点开始，无切割方向的限制，可切割出任何复杂的图形，可完成各种异形加工，包括各种形状、角度或斜度，且程序的编辑也容易。

　　工作环境好、操作安全可靠。水刀是安全的，水刀喷嘴离被切割材料的距离为2~3mm，一般人的手很难伸到下面去。因其工作介质是水，在切割加工过程中无尘埃、无环境污染、无噪声、无公害，切割过程中清洁、无飞尘，有降温、灭尘、润滑等作用，能够减少大量的粉尘对于环境的污染，也不会损害人体健康；改善工作环境，操作环境整洁，符合环保要求，提高了操作人员的安全性；切割时不会产生火花和有毒气体，可以有效地避免火灾的产生，同时由于水的冷却作用，工件温度较低，非常适合对易燃易爆物件如木材、纸张等的加工，这对于安全工程特别是煤矿生产非常重要。

　　加工成本低。不需要进行磨边等二次加工，不需要冷却液，可节省时间及降低制造成本；加工“刀具”为高速高压水流，水刀不磨损，加工过程中不会变钝，既减少了刀具准备、刃磨等时间，同时切割质量好而稳定，工艺一致性好，效率高。除此之外，水刀所产生的废料通常也是比较有价值的，因为它是整片形式而非碎屑，可以再一次利用。

　　具有绿色制造工艺特点。切割用水及磨料来源充足。高压水射流的工作介质是水，不但丰富易取而且便宜。人们知道水资源是一种可再生、无污染的资源，开发水能对于促进国民经济发展、改善能源消费结构、减少环境污染等方面具有积极的作用。

　　便于实现自动化控制，操作简便。高压水射流的工作机构具有喷头体积很小、移动方便，便于实现数控控制，操作方便，所有操作均可使用软件控制，易懂易学，减轻工人劳动强度。

　　总之，高压水射流技术符合绿色制造概念的要求，数控水射流切割平台与超高压水射流发生器组合而成的数控水射流切割机，作为一种通用切割机械适用于对各种材料：如陶瓷、石材、玻璃、化纤、复合材料、合金材料等作任意图形的平面切割。尤其是适合建筑装潢石材拼花、服装业（切割皮革、布料）、汽车工业、食品加工业。如为超高压水射流切割机的切割样品。与传统的切割工艺相比，水射流切割更具有切缝窄、切口光滑平整、无热变形、无边缝毛剌、切割速度快、效率高、无污染、操作安全方便和成本低等特点。

　　超高压水射流切割机的切割样品4超高压水射流切割技术的应用领域水射流加工技术应用于切割，从某种意义上来说是切割领域的一次革命。随着水射流技术的成熟及某些局限的克服，水射流切割是对于其它切割工艺的一种完善的补充，有着十分广泛的应用前景。

　　水射流切割所加工的材料品种很多，主要是一般切割方法不易加工或不能加工的非金属或金属材料，特别是一些新型和合成材料。目前，超高压水射流切割的技术广泛地应用于如陶瓷、石材、水泥制成品、纸张类、食物、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶、玻璃、化纤、金属类、硬质合金、模具钢、钛合金、钨钼钴合金、复合材料（如以金属为基体的纤维增强金属、纤维增强橡胶等）、不锈钢、铝合金、高娃铸铁及可锻铸铁等等各种材料作任意图形的平面切割。由于超高压水射流切割几乎“无坚不摧”对那些因其它方法难以切割的材料，如钛合金及各种复合材料是非常理想或唯一的加工手段。技术的主要应用领域i超高压水射流切割几乎适用于所有工业领域，如机器制造业、模具制造业、金属加工业、航空制造业、飞机制造业、汽车制造业、石材加工和建筑业、陶瓷业、轻工业、造纸业、橡胶业、纺织和皮革工业、电子工业、食品工业等行业中。用水射流切割碳纤维复合材料，各种坚硬的金属及非金属材料，或带有蜂窝结构的材料等。以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材料（如汽车地毯、仪表板、顶蓬等）的加工占水射流加工的40%，此外，还用于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。由于数控技术发展，因此，水射流切割很容易通过计算机实现自动控制，从而可切割各种曲线形状的工件。目前，国内外已安装了数千条水射流自动切割生产线。

　　高压水射流技术广泛应用于桥梁、水电工程等大量使用钢筋混凝土结构的部门，特别在煤炭、石油、化工、军工、核工业等自然条件恶劣、工作危险的部门应用，能高效作业，大大减轻工人劳动强度、改善劳动环境、降低和防止危险事故的发生。在地震抢险和灾后重建工作中，高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等能够发挥重要作用。

　　建筑物的切割或破碎高压水射流可以按人们的意愿，在各种建筑物上切割、开孔、破碎。因此，可用于拆除旧建筑物，维修桥梁，开挖铺设电缆或煤气管道的沟槽，破碎马路等等。

　　虽然理论上说超高压水切割可以切割任何材料，但在应用上还是有所侧重的。超高压水切割的用途主要有3个：一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷砖、玻璃、水泥制品等材料，这是热切割无法加工的材料；二是切割可燃性材料，如钢板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等，以往的热切割也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，而水切割加工不会产生燃烧区和毛刺，被切割材料的物理、机械性能不发生改变，这也是水切割的一大优点；三是切割易燃易爆材料，如弹药和易燃易爆环境内的切割，这是其它加工方法无法取代的。

　　一般情况下，能够利用激光、等离子、火焰、线切割、锯、铣削等加工方法基本满足加工工艺要求时，则不宜采用水切割加工，毕竟水切割的运行成本较高，喷嘴、导流套、高压密封件等都是进口的耗材，价格较贵。但当您感到激光和等离子所能切割的厚度太薄，所产生的毛刺太大，所产生的热影响区不利时，您可以考虑选用水切割；当您感到火焰切割的毛刺太大、粗糙度太差、热影响区太大时，您可以考能切割非导电材料时，您可以考虑选用水切割；当您感到铣削的方法产生了许多废屑，造成了很大的浪费时，您也可以考虑选用水切割；当您感到使用圆锯和带锯太慢，而又不能进行非直线切割时，您可以考虑选用水切割；当您切割易燃易爆材料或在易燃易爆的环境下切割时，则必须考虑选用水切割；当您切割时不想产生毒副气体、不需二次加工、不想产生热效应或变形或微裂缝、又想产生良好的切边品质并能同时切割细小的孔时，您更要考虑选用水切割。总之，水切割是一种万能的切割方式，但某些场合下的使用并不是最佳的，所以选择时要做具体分析。

　　5超高压水射流切割技术发展趋势展望显而易见，超高压水切割有许多优点，水射流切割工艺几乎可以切割各种材料，但也从技术角度提出更高的要求，如数控技术、水射流的压力、切割的速度（割枪的移动速度）、喷嘴的形状和出口直径以及喷嘴材料的耐磨性、超高压的密封问题、超高压的压力容器安全问题、超高压的可靠性、增压器设计、机械结构设计、磨料的种类选用、喷射技术、超高压水射流切割的工艺技术等发展都是同行业关注的焦点。

　　超高压水射流切割技术发展趋势可以概括为以下几个方面：主机设计日趋完善。如主机的超高压、大功率化，目前水射流的压力已超过50（MPa主机的超高压、大功率化等研究与开发十分活跃，设计工作压力更高的、更加稳定的高压系统是当前研究热点之一。如国外的高压部分设计有2个高压发生器，其中一个高压发生器工作，另一个高压发生器备用，2个高压发生器交替工作，可以保证机床连续工作；其完善的自动诊断及保护功能使其运行更安全、维护更加简单方便；机床定位精度高，其直线定位精度为0.076mm，重复定位精度为0.050mm；设计了自动调高系统，能够在切割过程中自动调整切割头与工件之间的距离以保证优良的切割品质和防止砂管被撞断；此外如发展为加装多个切割刀头形式，即用一台高压系统，同时带动3―4个喷嘴同时进行切割；加砂切割头带自动输砂装置；采用高度及碰撞感应器；增加自动化除砂系统等等。

　　切割工艺参数不断优化，进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗，如最佳的磨料量使用可节省成本。储备了工件材料数据库，用户可根据工件材料种类、厚度和加工要求自动变换加工参数，操作者可自行扩展数据库。

　　虑选，切割藤感到速度太慢廿塍不昭实现从eT的两轴控制系统发展为五轴的、i用于bookmark4控制系统追求智能化、数控化控制。要进一步完善专用的水切割数控系统的功能，发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自适应调整。尤其1刘晋春。特种加工M.四版。北京：机械工业出2胡传圻。特种加工手册。北京：北京工业大学出版社，2001. 3孙大汽01先进制1造技（术￡1（1 3D轮廓切割的控制系统。采用PC控制的简便的编程系统，带图形显示界面。切割路径模拟演示，用以检查切割过程，计算切割路径长度、切割时间，核算加工成本。

　　进一步扩大超高压水射流切割加工的应用范围。5个控制轴可以切割立体的轮廓并可以进一步扩展应用范围。由二维的切割和去毛刺加工发展至孔加工和三维型面的加工。与机器人相结合的水射流加工设备脱颖而出，高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器人手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工工件的目的。

　　今后需在制作材料、加工工艺，装配工艺等方面加大研究。提高设备的可靠性和易损件等零部件寿命特别是关键零部件，如高压泵、喷嘴等的寿命。由于水喷射的流速达到了2~3倍的音速，压力高达50CMPa以上，由于强大的压力，很多零配件像喷嘴、砂管、密封圈等易磨损，寿命低，不得不停机进行调整更换，目前高压泵和阀体的寿命可达6000h喷嘴的寿命可达2 000h但多数还达不到这个指标。故如何通过提高材料的性能，采取一系列防磨损措施，进而延长易损件的寿命，降低水切割加工成本，是今后的研究重点之一。

　　我国相关工业部门已从国外引进了多套高档次水切割系统，用于切割钛合金、铝合金、不锈钢、碳纤维、航空玻璃以及复合材料等。但由于存在加工速度慢、加工效率低、加工精度不理想等问题，因此未能在我国得到广泛的应用。研究高压水射流切割的工艺技术，可以通过优化工艺提高加工速度，改善加工精度，为高压水射流切割的推广应用奠定基础，进而提高我国在材料切割特别是特种材料切割领域的加工水平。超高压水射流切割技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色制造技术，是一种新型的冷态高能束切割技术，它是近20年来迅速发展起来的一门新技术，其应用十分广泛。超高压水射流技术的发展体现了绿色制造概念正逐步深入人心，越来越被人们所重视，被认为是21世纪优先发展的主流切割技术。作为21世纪的绿色切割工具，超高压水射流切割机有着很多优势，而且很有应用前景，今后正向高效、多功能、智能化、高精度化、环保化方向发展。中国作为“世界制造业中心”，应该尽快武装好自己的切割工具，发挥出更高的生产力水平。