万能水切割机技术工艺发展分析

第一节 万能水切割机基本生产技术、工艺或流程

高压水射流切割的原理是将水增至超高压(≤400MPa)，再经节流小孔(￠0.15~0.4mm)，使水压势能转变为射流动能(流速高选900m／s)，用这种高速密集的水射流进行切割。磨料射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子，经混合管(￠0.9～1.5mm)形成磨料射流，用磨料射流进行切割。在磨料射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨粒质量大、硬度高，所以磨料射流较之水射流，其射流动能更大，切割效能更强。

WJJ／AWJ切割设备的组成和流程如下：

供水系统→增压系统→高压水路系统→磨料供给系统→wJ／AwJ切割头装置→接收装置→运动控制系统

实验表明，蓝宝石水喷嘴的工作寿命取决于水质。直接使用自来永寿命为84小时，用软化水的寿命为78小时，用反渗水寿命为180小时，用混合层软水寿命高于200小时。

第二节 万能水切割机新技术研发、应用情况

一、瑞士百超最新推出的高压水切割机

2008年瑞士百超最新推出的高压水切割机ByJet Pro L系列，最多可配置4个全数控自动切割头，在最短准备时间，实现最高产量和最佳质量，效率可达普通水切割的5倍。高精密切割头HPT (High Precision Tool) 是高精密切割的重要保证。切割头间距自动调整，应用灵活，大大降低非切割时间，同时切割头间距也是最小的，实现了最高材料利用率和最高产量，即使最小尺寸零件。其多功能和高精度能够帮助客户获得更多订单，机床设计理念充分满足用户各种需要: 模块结构满足用户所有生产要求。可以自动根据零件几何排版情况，灵活调整工作(大零件1个切割头－－小零件4个切割头)。切割头高度自动跟踪，防碰撞等功能，保证高质量切割，对于有变形的板材也能有效加工。

二、南京大地水刀研制的“五轴超高压水切割机技术”国际领先

南京大地水刀股份有限公司自行研发的“五轴超高压水切割机”日前通过科技成果鉴定。鉴定委员会认为，该产品具有自主知识产权，填补了国内外该领域的空白，其主要性能指标达到了国际领先水平。

该产品通过在三轴水切割机的基础上增加切割头的回转轴（C轴）和偏摆轴（B轴），调整切割头在切割过程中的姿态，解决了切割厚板时切割面产生斜度的难题，提高了切割效率和切割精度；偏摆角达±45°，不仅可用于矫正切割斜度，还可用于切断面为一定斜度（如加工焊接件坡口）的工件加工，并具有加工圆锥体、圆锥齿轮及匀速旋转曲面的功能，拓展了水切割机的应用领域。

“以切入点为偏摆中心的偏刀机构”（已获国家发明专利）可将复杂的五轴联动控制转化为四轴联动控制，降低了软硬件成本，提高了产品的竞争力。产品可广泛应用于机械制造、航空航天、轨道交通、船舶、汽车、复合材料加工等行业。

第三节 万能水切割机国外技术发展现状

从六十年代开始，美，英，日和原苏联等国相继开展了该技术的研究工作。经过约10年的研究和开发，在1971年制造出了世界上第一台高压纯水射流切割设备，并用于家具制造中的切割加工，在显示出水射流切割的独特优点的同时，鉴于纯水型的切割能力有限，可切割加工的材料受到限制，故自80年代初开始研究在水中加入磨料的水射流加工技术，并取得了迅速发展。1982年即制成了第一台高压加磨料水射流切割设备，使之能切割各种金属和陶瓷等硬质材料，从而引起工业界对水射流切割方法的重视。

目前“水刀”的数控平台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±0.02m m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，可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 小时自动连续切割。

 “水刀”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”的特性，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，而且可直接用于金属零件的成形切割加工。

第四节 万能水切割机技术开发热点、难点分析

自八十年代以来,我国仅在航空航天部门引进了少量的国外设备,且价格都在数百万元以上。因此,形成这样一种局面,一是此种设备只能依赖进口,且价格昂贵,二是由于进口设备价格昂贵，又制约了该项技术在中国的推广。因而开发具有我国超高压技术特色,适合国内及国际市场需求的水切割机产品是十分迫切和非常有意义的。

水切割机由超高压系统(高压水发生装置),数控切割平台,高压管路,喷射系统,磨料控制系统和电气系统等部分组成,经过对水切割机的深入研究,我们认为,超高压技术是该项目的核心技术。在超高压系统中,高压缸,单向阀,蓄能器等零件要承受压力从零到数百兆帕,每分钟数十次的高交变应力的作用,同时要经受水的腐蚀,如何提高高压零部件耐压,耐冲击,耐腐蚀,耐疲劳能力,提高系统运行的可靠性,稳定性,是该项目急需解决的难题。

第五节 万能水切割机未来技术发展趋势

在各种加工行业中，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。

1、高精度的数控机床

随着包括精密滚珠丝杆、伺服电机、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；而反向间隙补偿、重复定位精度的提高，使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，从而通过采用球杆测量仪和激光干涉仪等高。

2、大功率超高压系统

提高水的能量，将提高其切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割机的压力和最大输出流量就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的研究和试验，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能力。

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2 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。

3、五轴水切割技术——自校正切割

由于能量梯度的作用，激光、气体等离子、射流等切割手段在切面越深时（距喷嘴越远），切割能力越差，所以所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被称之为切割斜度，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切割的问题。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的基础上再增加2 个旋转轴，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，再根据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。

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