特种加工(水切割)

特种加工

摘要

由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，新产品更新换代日益加快，提出的要求也越来越高，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。为解决这一系列问题，特种加工于20世纪40年代开始逐步发展起来。而能适应这些加工要求的先进切割技术——水射流切割，在1950年初步形成概念，到80年代发展已较为完善。

关键词：特种加工；精密机械零件；水射流切割

定义

特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。

发展

特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。

对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。

特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。

独到之处

与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：

(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料；

(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件；

(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小；

(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

加工形式

目前，特种加工技术的加工形式大致有如下类别：电火花、电子束、离子束、等离子、化学、电化学、超声波、激光、快速成形、挤压珩磨、水射流切割、磁性磨料研磨加工和磁性磨料电解研磨加工、铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术等。

下面着重介绍水射流切割技术。

水射流切割

一、工作原理

超高压水射流切割机是将普通的水通过一个超高压加压器，将水加压至3000bar，然后通过通道直径为0.3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、纤维等，若加入砂料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料。

二、特点：

1．无切割方向的限制，可完成各种异形加工；

2．水刀在工件上所产生的侧向力极小，可降低设定时间及节省使用夹具成本；

3．水刀加工不会产生热变形，不需二次加工，可节省时间及制造成本；

4．水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低。

三、优点：

1．可以轻松地切割不锈钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其他方法难以切割的材料如芳纶、钛合金等各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。

2．切割时不会产生裂痕，它可以切割间隙很窄的材料。一般而言，纯水切割其切口约为0.1mm 至1.1mm，加砂切割其切口约在0.8mm至1.8mm之间.。随着砂喷嘴内孔直径扩大其切口也就愈大。

3．可作全方位的切割，包括各种形状、角度或斜度；

4．不需要进行磨边等二次加工，在切割过程中还可以减少飞尘，改善工作环境。

四、水切割的形式和水切割机床的构成：

水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；从机床结构上分，有龙门式结构和悬臂式结构。

一套完整的水切割设备由超高压系统、水刀切割头装置、水刀切割平台、CNC控制器及CAD/CAM切割软件等组成

五、水切割与其他形式切割的比较：

水切割与激光切割的比较：激光切割设备的投资较大，目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，切割速度较快，精度较高，但激光切割时在切缝处会引起弧痕并引起热效应；另外对有些材料激光切割不理想，如铝、铜等有色金属、合金，尤其是对较厚金属板材的切割，切割表面不理想，甚至无法切割。目前人们对大功率激光发生器的研究，就是力图解决厚钢板的切割，但设备投资、维护保养和运行消耗等成本也很可观。水切割投资小,运行成本低,切割材料范围广,效率高，操作维修方便。

水切割与线切割的比较：对金属的加工，线切割有更高的精度，但速度很慢，有时需要用其它方法另外穿孔、穿丝才能进行切割，而且切割尺寸受到很大局限，水切割可以对任何材料打孔、切割，切割速度快,加工尺寸灵活。

水切割与等离子切割的比较：等离子切割有明显的热效应，精度低，切割表面不容易再进行二次加工。水切割属于冷态切割,无热变形,切割面质量好,无须二次加工，如需要也很容易进行二次加工

六、水切割技术不足之处

由于水射流的靶距是不确定的或者说是变化的，数控水刀的最大切割厚度并不好明确界定。胆大者，敢称400、500mm，保守者称100mm以内，都是合理的。现有的数控水刀一般流量在2～3升，工作压力在200～380MPa，射流经过空气阻力，能量衰减极快，到400、500mm 时，基本就随风飘散了，就没有打击力。

就一般应用而言，切割金属板材厚度建议不超过100mm，发泡材料如海绵厚度建议不超过