数控超高压水射流切割技术的特点及其应用_陈光明
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( 2) 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 。
( 3) 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 。
Keywords: Cutting; W ater jet technology; Abrasive; H igh p ressure; NC
0 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 (W ater Jet Cut2 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 。
从结构形式上分 , 可有多种形式 , 如 : 2— 3 个 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 2Y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 。 212 水射流切割机床的构成
超高压水射流切
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 ～ 400MPa, 然 后 再 通 过 一 个 直 径 为 图 1 数控超高压水射流
011 ～ 013mm 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
CHEN Guangm ing
( The College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjng 210031, China) Abstract: H igh p ressure water jet technology is a kind of new technology according to the concep tion of green manufacturing1 It is also an integrative technology of the pump, valve, seal, hydraulic p ressure and automatic control1H igh p ressure water jet cutting is a non2traditional cool cutting method, which is superior to traditional cutting methods1The p rincip le and composition of NC high p ressure
000m / s (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图 1 所示 。由图 1 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
关键词 : 切割 ; 水射流技术 ; 磨料 ; 超高压 ; 数控 中图分类号 : TP263; TP601; TG580 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 8 - 064 - 5
The Fea ture and Applica tion of NC H igh Pressure W a ter Jet Cutting Technology
( 4) 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 。
( 5) 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 。
图 5 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 : (1) 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 隙很窄的材料 。切缝窄 ( 01075～118mm) , 提高材料
2007年 8月 第 35卷 第 8期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Aug1 2007 Vol135 No18
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)
摘要 : 超高压水射流技术是符合绿色制造概念的一种新型技术 , 是集泵 、阀 、密封 、液压 、自动化控制为一体的综合 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 。
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
water jet cutting machine, the p rocess form of water jet cutting method were discussed, its manufacturing feature, app lication and develop ing trend in p rospect were illustrated1
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机床与液压
第 35卷
利 用 率 , 一 般 而 言 , 纯 水 切 割 其 切 口 为 011 ～ 111mm , 加砂切割其切口在 018 ～118mm 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 。
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 。
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
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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 。
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
第 8期
陈光明 : 数控超高压水射流切割技术的特点及其应用
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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 W indow98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 211 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 011 ～111mm (如图 2 进行 食品加工 ) , 当水压在 100MPa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 018 ～118mm (如图 3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 。
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 。 图 4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 计 , 有极好的通用性 , 床身有很好的稳定性 , 即使在
图 4 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 (如图 5 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 W indows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 。
( 3) 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 。
Keywords: Cutting; W ater jet technology; Abrasive; H igh p ressure; NC
0 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 (W ater Jet Cut2 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 。
从结构形式上分 , 可有多种形式 , 如 : 2— 3 个 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 2Y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 。 212 水射流切割机床的构成
超高压水射流切
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 ～ 400MPa, 然 后 再 通 过 一 个 直 径 为 图 1 数控超高压水射流
011 ～ 013mm 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
CHEN Guangm ing
( The College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjng 210031, China) Abstract: H igh p ressure water jet technology is a kind of new technology according to the concep tion of green manufacturing1 It is also an integrative technology of the pump, valve, seal, hydraulic p ressure and automatic control1H igh p ressure water jet cutting is a non2traditional cool cutting method, which is superior to traditional cutting methods1The p rincip le and composition of NC high p ressure
000m / s (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图 1 所示 。由图 1 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
关键词 : 切割 ; 水射流技术 ; 磨料 ; 超高压 ; 数控 中图分类号 : TP263; TP601; TG580 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2007) 8 - 064 - 5
The Fea ture and Applica tion of NC H igh Pressure W a ter Jet Cutting Technology
( 4) 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 。
( 5) 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 。
图 5 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 : (1) 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 隙很窄的材料 。切缝窄 ( 01075～118mm) , 提高材料
2007年 8月 第 35卷 第 8期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Aug1 2007 Vol135 No18
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)
摘要 : 超高压水射流技术是符合绿色制造概念的一种新型技术 , 是集泵 、阀 、密封 、液压 、自动化控制为一体的综合 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 。
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
water jet cutting machine, the p rocess form of water jet cutting method were discussed, its manufacturing feature, app lication and develop ing trend in p rospect were illustrated1
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机床与液压
第 35卷
利 用 率 , 一 般 而 言 , 纯 水 切 割 其 切 口 为 011 ～ 111mm , 加砂切割其切口在 018 ～118mm 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 。
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 。
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
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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 。
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
第 8期
陈光明 : 数控超高压水射流切割技术的特点及其应用
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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 W indow98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 211 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 011 ～111mm (如图 2 进行 食品加工 ) , 当水压在 100MPa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 018 ～118mm (如图 3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 。
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 。 图 4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 计 , 有极好的通用性 , 床身有很好的稳定性 , 即使在
图 4 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 (如图 5 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 W indows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 。