水射流切割技术及其应用

水射流切割技术及其应用

摘要：本文对水射流切割机原理及设备进行了阐述，并介绍了水切割的优点及其在城轨车辆部件铝合金板材下料中的应用。

关键词：水切割加砂水切割增压泵石榴砂铝合金

0前言

由于用途广泛且易于操作，水射流切割已成为世界上发展最快的主要机床加工技术之一，其加工的能力是无限的，通过使用超高压水进行切割能带来更高的效率和生产力。它只需要少数的辅助操作，无需加热区域、无热变形或者其它切削方法导致的机械变形，能够加工狭窄的缺口，能够让原材料得到更好的使用。它可以切割任何材料，并保持切口光滑平整。目前我公司已大量使用水切割来进行城轨车辆制造铝合金板材的下料，获得了显著的经济效益。

1水切割原理

水射流切割技术又称超高压水切割。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴通过时，可产生一道每秒达近千米（约音速的三倍）的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品、纸张、橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时，所产生的加砂水射流可切割任何硬质材料，包括金属、复合材料、石材和玻璃。

超高压水的形成关键在于高压泵。绝大多数水切割高压泵使用增压器增压。增压器的工作过程一般是从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入储压器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压力的目的。

经过高压泵所产生的高压水经由高压管路流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用红宝石、蓝宝石或金刚石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。图1为水射流工作原理图。

2水切割机设备

水切割加工设备的组成包括：增压泵（超高压泵）、水切割切割头装置、数控切割机台、高压管道、智能型控制器、磨料供给系统、软化水处理装置等。

2.1增压泵

普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。

水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和储压器。用入口水过滤系统过滤普通自来水-通常包括一个 1 微米滤筒和一个0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是90psi-保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前，会首先流经储压器。这个大容器缓冲了压力波动，确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有储压器，将能够看到并听到水流脉动，在被切割材料上留下印记。

液压管路包括电机（25 到200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压帮浦从油箱吸油，并把压力升高至3000 psi。高压油被输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作（通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。增压泵体现了先进的帮浦技术。正如水管路的说明所描述的那样，增压泵把过滤后的自来水加压到60000 psi。利用的是“增压原理”。

液压油被加压至3000 psi（举例）。由液压油推动活塞。柱塞的表面面积比推水一侧的活塞面积小20 倍。因此，3000 psi 的油压就被增压20 倍，产生60000 psi水压。“增压原理”改变压力方程中的面积变量，从而增强或增加压力。

2.2高压管道

高压泵产生高压水后，高压管道把水传送给切割刀头。除了传输高压水外，管道也帮助切割刀头实现自由运动。高压管道最常见的是使用特种不锈钢管。

2.3水切割切割头装置

每台加砂水切割都包括纯水水切割。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿混砂管被加速，就像步枪子弹那样。加砂水射流切割所用的砂料是经专门筛选、大小一致的硬砂。最常用的砂料是石榴石。石榴石质硬、强度高并且便宜。

混砂管就像步枪枪管那样加速砂料颗粒。混砂管有许多不同的尺寸和使用寿命。混砂管大约长 3 英寸，直径1/4 英寸；内径范围从0.020 到0.060 英寸，最常用的是0.040 英寸。

混砂管与目标材料的间距通常为0.010 到0.200 英寸。间距较大时（大于0.080 英寸）会导致零件切割边缘出现雾化。很多水切割系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。

水切割切割头装置包含一个直径微小的宝石喷嘴，这种喷嘴镶嵌在金属材料中，喷嘴安装在可以进行上下微量调整的架子上，以使高压水箭能精确通过所要

加工的方位，而不损坏工件其它任何地方。这也是保证水切割切割精度的一个重要因素。

2.4数控XY切割机台

XY工作台有时称作“扁材设备”，是最常见的一种水切割运动设备。任何可能的扁平图样设计都可在工作台上切割。加砂水切割和纯水水切割工作台的尺寸范围在2 x 4英尺至30 x 100英尺之间。XY工作台的基本部件为：

—由CNC或PC控制

—伺服马达，通常采用死循环回馈以确保位置和速度的一致性

—基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动

—桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠

—收集槽，带有材料支架

XY工作台有许多不同的类型，但有两种截然不同的类型居于统治地位，即龙门式切割机和悬臂式切割机。龙门式切割机有两条基轨和一座桥架。悬臂式切割机有一条基轨和一个钢性桥架。在下图中，绿色的桥架向一个方向移动，而红色箭头（表示切割刀头）向另一个方向移动。所有设备的切割刀头高度都可调节（切割刀头高度由Z轴控制）。可通过手动曲柄、电动螺旋机构或完全可编程伺服螺旋机构调节Z轴。我公司使用的福禄水切割机为悬臂式切割机，X、Y、Z 三轴控制两轴联动。采用Y轴单边驱动，Z轴整合在X轴的双滑轨上。工作台切割范围为4000mm×2000 mm，Z轴伺服高度动作范围为200mm。采用分离式承载水箱、双层防尘护套、电子式切割性能监控装置。机床驱动系统为闭合回路自动控制。机床最大快移速度为9m/min，最大切割速度为7.62 m/min。X/Y轴定位精度：±0.08mm/M，X/Y轴重复定位精度：±0.05mm/M。

2.5智能型控制器

我公司福禄水切割机使用Flow Master 智能型控制器。即PC based CAD/CAM/控制器，简化了高压水切割从绘图到实现切割的整个处理过程，由FlowPATH和FlowCUT组成。

FlowPATH —计算机辅助设计及处理加工程序来产生切割路径，输出ORD 文件及储存DXF档。

FlowCUT —利用FlowPATH的切割路径ORD文件产生加工程序，并传送至机器驱动水切割来进行切割。

3 水切割技术的应用