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柔性超高压水切割技术的应用与发展
来源:通广传媒《现代金属加工》 作者:陈波 总经理 浏览次数:0
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陈波 总经理 南京大地水刀股份有限公司 

   近年来,“数控超高压水切割机”--(又称水刀)随着产品的成熟和应用面的扩大而逐步进入快速成长期,依托于更高精度的大型数控平台和更大功率、更高压力的高压系统,五轴、六轴控制系统、斜度和自校正切割、水切割与刀具加工相结合等新技术应用,将水切割技
术应用范围扩展到更加广阔的金属和非金属(及食品)加工和工业制造领域。切割与加工相结合,从切割下料上升到加工半成品以及成品零件,提升了加工效率与价值,使得多变化、大型、复杂的结构件与难加工材料的切割与加工问题而易于解决。

超高压水切割—冷态切割新技术

水切割是基于超高压水射流应用的冷态切割技术。与热切割(如火焰、等离子、激光等)相比,“水刀”几乎可以切割从软到硬的所有材料,尤其在厚度20mm以上的金属,碳纤维、钛合金、铝合金、蜂窝结构及复合材料的成型加工中,已经成为国际公认的最理想加工
方式。
   水切割技术目前已被广泛应用于钢材、铜铝材、玻璃、陶瓷、硬质合金、塑料、人造纤维、布、纸、复合材料等的加工,并可直接制成结构零件或焊接件,因而水切割系统已成为航空航天、军工,轨道交通、船舶、汽车,工程机械、轻工,化工、能源,建筑工程等产业的新型制造装备。

目前国内外发展的现状与趋势

从2 0 世纪6 0 年代开始, 美国、德国、日本、俄罗斯等就不惜巨款投资在超高压发生系统和喷射系统方面进行研究和开发,直到20世纪90年代,超高压水切割系统才逐步商业化。国际上代表性的企业有FLOW、KMT、OMAX,目前,最高切割压力可达600MPa。我国开展超高压水切割技术的研究近四十年,目前国内商业化水切割设备一般运行压力一般在220MPa—400MPa左右,通用数控超高压水切割机床已有几十种产品在定型生产,并已在编制“数控水切割机”国家标准,其产品水平已达到了国际先进水平。同时, 五轴联动水切割机、机器人水切割机、大型数控水切割机床、水切割加工中心等智能化产品,也快速普及和拓展了我国超高压水切割技术的应用领域。
水切割特点:
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    将普通的水通过加压蓄能的方法而获得200-400MPa及以上的高压能再通过小孔(Φ0.15mm—Φ0.05mm)喷射而产生800-1000m/s的高速射流,运用这束高速水箭或再加入少量细砂对物体进行打击和运动而形成切割,其产生的温度最高在60℃内,而这束射流几乎可以切割从软到硬的任何材料,我们又称之为“冷态切割技术”。
    我们都知道,无论是刀具加工或是过去的热切割方式等众多的切割和加工方式中虽然各有优势,又都存在一定的使用局限性。只有“水切割”适用性最广泛,由于切割过程中温度低,对被切割材质物理性能无影响,无热变形,且切缝窄、精度高、切面光洁、绿色环保
等优点。
    同时水切割还能加工对于传统方法难以加工的材料:如碳纤维、玻璃钢、环氧多层压合板、PVC等工程塑料、铝、铜合金, 多种金属与非金属的复合材料,耐高温的玻璃、陶瓷、石材、石棉板、塑料与毛毡、热敏、易燃易爆等材料。随着人们对水切割技术的了解进一
步深化,其应用越来越广泛。

水切割与热切割的比较分析:
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以金属切割为例,和激光切割相比较,水切割在薄板的切割速度方面要低于激光切割,但在16mm以上的金属切割采用激光法则明显效率降低且投资大成本高,而且切缝周边仍有一定的热影响区,在20mm以上厚板切割中水切割表现出高效、经济且切割厚度可达100mm以上,其能效高于热切割并且对材料无任何影响,再加上水刀对切割材料没有限制。综合这些因素,很多原先选择激光或其它切割手段的用户转而采用水切割方式。
目前“ 水刀” 的数控机床多采用滚珠丝杆和滚动直线导轨的精密传动技术,控制精度都在+0.02mm以内,同时加砂水射流的喷嘴和切割头的聚焦性能及长寿命的喷嘴材料的技术突破,配合了400Mpa大功率超高压系统的连续平稳工作,全自动供砂和控砂及高压水启、停控制系统配合,使得“水刀”能24小时连续切割和自动加工。
   “ 水刀” 更兼有强大的计算机辅助设计和控制功能,特别在“转角和尖角”切割时自动减速,以减小切割中甩尾的影响,使得切割面光洁圆滑,加之“水刀”切割具有“磨削”的特质,这使得“水刀”在切割质量和效率上都有了极大的变化和提高,而可直接用于金属零件的成形切割加工。
水切割的优点:
   切割粗糙度可达1.6μm ,切割精度高于±0.10mm,可用于精密成形切割;
   低熔点及易燃材料的切割,如纸、皮革、橡胶、尼龙、PVC塑料、毛毡、化纤、木材、环氧  压层板、炸药等材料;
   高硬度和不可溶的材料切割: 石材、玻璃、陶瓷、硬质合金、金刚石等;
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   用于有色金属和不锈钢的切割中有着独到之处,无反光影响和边缘损失;

不同熔点的金属复合体或非金属复合材料的一次成形切割;

难加工、新型工业材料:钛合金、碳纤维、玻璃钢、石棉、蜂窝结构材料;

特殊的场地和环境下切割:水下、有可燃气体环境;

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新技术在水切割机中的应用情况

在各种切割及加工行业中,追求高质量,高效率的直接成形加工,是目前国际上的发展趋势,“水刀”切割机正是针对这种需求而在相关的技术应用上不断创新:
高精度的数控机床
    随着包括精密滚珠丝杆, 伺服电机,直线伺服马达,谐振减速单元等技术的出现,机床可以达到更高的位置精度和运动速度,反向间隙补偿,重复定位精度的提高,机床制造厂商将更大的精力投入到分析机床几何误差产生的原因,通过采用球杆测量仪和激光干涉仪等高精度测量器具检测机床几何精度并建立误差映射表来给予精度修正,以此制造高精度机床。
大功率超高压系统
   提高水切割的能量,将提高切割能力。水射流能量越大,切割效果越好,所以水切割机的压力和输出流量成为影响切割能力的主要参数。目前,国际上对此也在做进一步地研究和试验,试验证明,当压力达到700MPa以上时,也可以用清水切割薄钢板和较硬的复合材
料,这样进一步提高增压器的压力可大大提高水切割机的切割性能,但提高系统压力会带来诸多高难度问题,相较之下,增大系统的流量会容易一些。

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 图8.金属切割蝴蝶        金属切割精密齿轮       图10.80mm不锈钢
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   图11.瓦楞纸                 图12.橡胶                   图13.木板
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   图14.夹胶玻璃             图15.陶瓷                 图16.石材

      另一方面,在同等的压力之下,提高射流的流量,即加大射流的功率也一样可提高切割能力,因此而产生多增压器并联技术:在对现有系统不做大改动的前提下,采用多增压器并联技术,即将两个或多个高压发生器并联使用,可以很方便地提高增压器的输出流量,采用大口径喷嘴进行切割,这样水射流有效切割能量更大,切割效果更好。
五轴控制技术—斜度或垂直切割
      众所周知,激光,气体等离子,射流等切割手段,由于能量梯度的作用,切面越深时(距喷嘴越远),切割能力越差,所形成的切割面往往不垂直于工件表面,称之为切割斜度,这是所有切割手段的一个固有缺陷。虽然通过提高切割能量或降低切割速度可以部分减小切割斜度,但依然存在不能完全垂直的问题。于是,可倾斜切割头的设想于1997年被提了出来,目前国际上已有商用产品,这是解决切割斜度,提高精度最直接有效的方法。其原理是通过在原有三轴平台XYZ的基础上再增加两个旋转轴,实现刀头可向任何方向摆动,并利用预先在系统中设置的斜度模型,通过对切割轨迹的实时计算,再考虑被切工件的材料与厚度进行修正,在切割的过程中不断地摆动切割头,使得切割出来的工件达到完美的无斜度状态或形成角度切割。
中国水刀的发展
     在吸收世界同行先进经验的同时, 秉承不断创新的理念, 近几年经“ 中国水刀” 同行的共同努力, 不断拓展水刀的应用领域, 专注于研发新技术及辅助装备,目前我们已有高新技术产品如下:
    并联增压器的大功率系统工作压力可达到4 0 0 M P a ,100HP~200HP功率输出。
大型高精度数控水切割机床
    金属切割用大型工作平台;X向尺寸可达5000mm,Y向尺寸可达8-50m及以上;控制精度: ±0.02mm/m;切削精度: ±0.1mm;X、Y向运动速度:0~40m/min;切割头数:2~4。
NEWCAM软件
     为大辐度地提高“水刀”的切割效果,不断改进的水切割专用NEWCAM软件,CAD模块具有模块化编程,自动排版套料,CAM模块具有拐角自动减速,切断自动减速等特性,通过在拐角处与切断点降低程序速度,解决水切割因水射流的滞后效应引起的拐角过切现象与程序结束点无法切断的情况,有效地提高辅助设计、切割效果的质量和效率。
空间曲线水切割系统(六轴机器人水刀)
     “机器人水刀”有纯水切割系统和加砂切割系统可以切割任何空间曲线,目前被广泛地应用于汽车内饰件和空间曲线构件的切割。
五轴水刀
      虽然机器人水刀也可以达到倾斜刀头切割的目的,然而在精度和刚度上不如传统机床,不能用于高精密切割。要达到高精密的无斜度切割以及圆锥面、圆弧面、旋转曲面、斜面、坡口等切割时,必须使用五轴联动水切割机。
“废旧弹药销毁”水刀
      由于水刀低温切割的优异特性,使得水切割机可以用于易燃易爆物质的切割,其中最为典型的应用就是“废旧弹药销毁系统”,水刀在切断弹壳的同时绝对不会引爆其中的炸药,从而达到安全、就地销毁过期弹药的目的。该技术已达到国际先进水平。
双头/多头水切割机
      与大功率发压发生系统相匹配,采用多刀头同时切割方式,切割效率可提高数倍而成本增加很少。
水刀加工中心
      “ 水刀加工中心” 具有超高压水切割系统和电主轴系统,并备有刀库,可容24把刀。该产品集水切割切、镗、铣、磨等多功能于一体,可一次对工件进行复合型的成形加工。
其它辅助设备
     为了提高加工效率,我们还开发了以下辅助装备:
     超高压水开关: 超高压水开关:DWCH;工作压力:400Mpa;工作方式: 常闭式、气动开启; 工作性能:10ms内开启或关闭。
      SP7高效能加砂切割头:水喷嘴与砂管有最近的距离,使得最大限度的利用水射流能量,获得最佳的切割效率。
      防回水砂阀——通过引导水流向下流动,可以有效地防止回水湿砂;
      自动供砂系统— — 将切割磨料不间断地输送到切割机,无需任何人工干预,并且自动检测砂量,并发出报警信号,实现一次加砂长时间使用的目的。
      自动排砂系统— — 在切割的过程中,自动将产生的泥浆抽出,经过过滤将砂,水分离,再将水反灌到水箱中,保证水箱水位,避免水箱中长时间积砂和免除了人工清理。
自动调高系统—在切割过程中,主动跟随工件的起伏而自动调整切割头的高度以适应最佳切割。
大飞机、船舶、高速机车、汽车等制造业提出的问题
      我国大飞机、船舶、高速机车、汽车等制造业正在高速发展之中,这些项目国际接轨、节能、环保、高起点、广泛采用新材料、新结构、新工艺,由此带来寻求制造的新方法。
飞机、机车、船舶的外壳:飞机、船舶、高速机车的外壳多采用钢、不锈钢、钛合金、铝合金板,为减轻重量,也有采用碳纤维,小型船体外壳也有采用玻璃钢制成。
建议其加工采用:大型切割机、400MPa大功率高压系统、五轴控制切割头。
      通风系统:通风系统的管道和联接法兰多采用金属材料为轻型化,考虑而采用钛、铝合金和碳纤维制成。
     建议采用加工设备: 中小型切割机、400MPa中小功率高压系统、通用切割头。
     内饰、座椅、内设:飞机、机车、船舶汽车的内饰、座椅、内部卫生设备都有共同之处,为安全、美观、轻型、耐用,多采用铝合金、工程塑料坐支架承重,采用泡沫塑料为衬垫,用化纤织品、皮革、人造革为包皮。
      建议采用加工设备: 机器人水刀(六轴控制)、400MPa中小功率高压系统、纯水切割头。
      机身、机翼、起落架等骨架机构件都有强度要求,能承载!但由于是运输设备,在满足强度要求的条件之下又需尽可能的减轻自身重量,减少能耗。因此多采用金属制作,常见有合金钢、不锈钢、铝合金、新材料有钛合金、碳纤维等。
       建议采用加工设备:中型多功能水切割机、400MPa大功率高压系统、五轴切割头。
      门窗、内隔屏:
      飞机、高速机车、船舶、汽车的门上、窗户、内隔屏等都采用玻璃和夹胶玻璃制成。
建议采用加工设备:中、小型切割机、300MPa、400MPa小功率高压系统、通用水切割头或水切割加工中心。

结束语

柔性超高压水切割技术在大飞机、船舶、高速机车、汽车等制造业的各个领域中的应用还需我们不断地去探索、追求和创新,我们坚信随着该技术的逐步完善及其应用产品的日趋成熟,这种加工精度高、切面光洁、节能、节材、高效、绿色环保的新兴“ 冷态切割技
术”将为汽车、造船、轨道车辆、航空航天等产业中大型、复杂结构的新型材料、复合材料的成型加工带来一场全新的工艺革命。



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