一種超高壓水射流切割機的探究

盧方青 潘海楠

摘要：水切割作為一種冷態(tài)切割工藝，具有高能、冷態(tài)、點割的特點，它對被切割材料沒有選擇性，切割時不會產生分層、無熱聚集、無熱影響區(qū)、無粉塵污染等，不會破壞材料的內部組織，無斷點切割，切縫窄，無畸變，能進行二維與三維異形切割。本文就主要對超高壓水射流切割機相關問題進行了簡要分析。

關鍵詞：高壓泵；數(shù)控系統(tǒng)；切割工藝

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

一、超高壓水射流切割技術應用領域

超高壓水切割設備與工藝是近10年各國水射流行業(yè)的研究熱點，從歷次國際水射流會議來看，隨著水切割設備與工藝的商品化，水射流技術從鳳毛麟角發(fā)展為主導內容，已滲透到許多工業(yè)領域。二十世紀八十年代中期，英國流體力學研究協(xié)會（BritishHydrody-namicsResearchAssociation）提出將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中。

1、航空航天領域，如鈦合金、碳纖維、特種夾層厚玻璃、有機玻璃、蜂窩板、陶瓷隔熱層、特種橡膠、金屬基及陶瓷基復合材料、火箭固體燃料的切割、儀表盤加工等。

2、軍事領域，用于切割高強度鋼板、裝甲板、各種特殊裝修材料，各種戰(zhàn)車的裝甲板、履帶、炮塔、保險杠、火炮、槍械、防彈玻璃、車體、彈藥等。清理戰(zhàn)爭遺留的地雷和炸彈以及應對恐怖主義、分裂勢力制造的爆炸物處理，軍用機場跑道附膠層及冰層的剝離、原子核反應堆及廢料的切割、軍港水下結構物及沉船的切割、軍事工事及工程的破巖等。

3、采掘業(yè)領域，射流切割巖石時產生的粉塵和摩擦火花少，使其特別適合在密閉環(huán)境，如地下開采巖石。粉塵的減少改善了工作環(huán)境，摩擦火花的減少使得采煤時引發(fā)瓦斯爆炸的可能性大大減小。針對不同硬度煤層和不同類型鉆孔擴孔的超高壓水射流擴孔設備能夠增加鉆孔周圍煤體的暴露面積，增大鉆孔的卸壓范圍和影響半徑，從而提高鉆孔的抽排效果。

4、汽車制造業(yè)領域，用于切割儀表盤、內飾及外飾件、門板、車窗玻璃，不需要模具，可提高生產線的加工柔性。

5、建材工業(yè)和建筑裝潢領域，具有其他切割技術缺少的技術優(yōu)勢，可用于切割大理石、花崗巖、玻璃纖維、陶瓷、石棉等材料，也可切割復雜形狀的石材拼花，切割尺寸精確，無污染?？捎盟淞髑懈罴夹g去除工件外部的氧化鋁、鑄件上的型砂及陶瓷涂層等，也可切割常規(guī)方法難以切割的灰鑄鐵件。

6、電子工業(yè)領域，用于印制電路板的輪廓切割，集成電路芯片制造中的晶圓切割和陶瓷拼花工藝中的切割工序等。

7、食品工業(yè)領域，用于切割松脆食品、菜、肉等，可減少細胞組織的損壞，增加存放期。切割食品時，“數(shù)控水刀”用數(shù)控裝置可以控制其切割速度及路線，可以最大限度地保持被切割物的營養(yǎng)成分，不會造成細菌傳播而且形狀規(guī)整。

8、造紙工業(yè)領域，可用于牛皮紙、波紋箱板等的分卷切條，無粉塵污染。

9、紡織工業(yè)領域，用于切割多層布料，提高切割效率，減少邊端損傷。水切割還廣泛應用于服裝裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能夠節(jié)省多達18%的原材料。

10、水下切割領域，海底石油及固體礦藏的開采、船舶及艦艇的維修都不可避免的需要水下切割技術。超高壓水射流切割可用于水下營救和水下修理、打撈作業(yè)、水下演示取樣、石油鉆井、海上平臺拆卸、碼頭建設與維護、艦船的水下作業(yè)和海洋工程等各個場合。隨著海洋的開發(fā)和利用，超高壓磨料水射流水下切割技術必將得到快速發(fā)展。

11、有害有毒現(xiàn)場的在線切割，在地震搶險和災后重建工作中，超高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結構等。水射流切割技術，特別適合于易燃易爆環(huán)境下切割工件。

二、超高壓水射流切割機的工作原理

超高壓水射流切割技術是以水作為攜帶能量的載體，通過用增壓器將水壓升到300～1000MPa并使得水通過直徑為0.1～0.6mm的噴嘴產生高速水射流對各類材料進行切斷加工的一種方法。當水射流沖擊被切割材料壓力超過材料的破壞強度時即可切斷材料。該加工方法分為兩類：一類是純水射流切割，它的結構較簡單，噴嘴磨損慢，但由于切割能力較低，一般適于切割軟材料；第二類是磨料射流切割，在水中加入約90%的磨料的混合液作為能量載體，由于磨料的加入，大大提高了切割功效，并極大地拓寬了切割范圍，適于切割硬材料，但磨料加快了噴嘴的磨損，且結構較為復雜。

三、超高壓水射流切割機的硬件部分

高壓水射流切割系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供砂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及廢水處理裝置等部分組成。高壓泵或增壓器是增壓系統(tǒng)的關鍵部分。往復壓縮式增壓器在液壓系統(tǒng)提供的高壓油作用下往復運動，使得水壓上升至300～1000MPa。在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器。

冷卻系統(tǒng)主要用來冷卻壓縮式增壓器在往復運動時所產生的熱量，避免因溫度過高而損壞增壓器的活塞。供砂系統(tǒng)主要由磨料流量調節(jié)系統(tǒng)和磨料切割頭構成，其中磨料切割頭是超高壓射流切割的核心。通過計算機或人工對控制系統(tǒng)進行控制，進而指揮各個進給軸的移動，完成對工件的加工。廢水處理系統(tǒng)主要用來收集切割時所產生的廢水。

四、超高壓水射流切割機的軟件部分

控制軟件是完成超高速水射流切割機的核心之一，本控制系統(tǒng)采用VisualC++6.0開發(fā)平臺，在WindowsXP環(huán)境下運行，憑借MFC、API及運動控制卡所匹配的動態(tài)鏈接庫來開發(fā)的控制系統(tǒng)。軟件采用了面向對象可視化編程思想、多線程編程等編程技術，采用模塊化的設計方法和自頂向下的設計理念，是一款適用于超高速水射流切割機的控制系統(tǒng)。

超高壓水射流切割機控制系統(tǒng)的軟件結構，控制軟件主要包括位置顯示、程序編輯、系統(tǒng)配置、參數(shù)設置、偏移設置、參考點設置、故障診斷、自動運行、手動操作等9大子界面。

為實現(xiàn)超高壓水射流切割機的運動控制，采用了模塊化的設計思想。功能模塊主要包括圖形仿真模塊、CNC代碼編輯與編譯模塊、系統(tǒng)配置模塊、參數(shù)設置模塊、故障診斷模塊、自動加工模塊、手動調整模塊。

其中，圖形仿真模塊主要用來顯示程序的運行軌跡，驗證加工路徑的正確性。CNC代碼編輯與編譯模塊主要用來實現(xiàn)CNC代碼的手動輸入、修改等，同時將CAD圖形轉化為G代碼等操作；編譯模塊用來對CNC代碼的詞法及語義錯誤進行檢驗，對各程序段進行數(shù)據處理，完成控制系統(tǒng)的插補運算，生成結構體數(shù)據，為自動加工模塊與圖形仿真模塊提供數(shù)據支持。

參數(shù)設置模塊主要用來設置系統(tǒng)最大進給速度、最大移動速度、脈沖當量、加速度、進給軸的回參考點的方向。系統(tǒng)配置模塊主要用來配置系統(tǒng)的運行環(huán)境的相關參數(shù)，運動控制卡與控制軟件的之間的配合與優(yōu)化。故障診斷模塊主要用來檢查系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如I/O電平的高低等，系統(tǒng)提示的相關信息，方便用戶排除故障。

自動加工模塊主要是結合G代碼來對結構體各個結點進行順序讀取，仿真加工時根據結點數(shù)據進行圖形仿真、CNC程序運行、加工狀態(tài)數(shù)據動態(tài)顯示，同步加工時還要調用動態(tài)鏈接庫文件的運動函數(shù)，并對機床運動進行控制。

手動調整模塊主要用來完成各進給軸的移動，調用動態(tài)鏈接庫運動函數(shù)。同時完成開關量控制，如水泵、油泵、氣閥、高壓閥、砂閥等的開關控制。

結束語

總之，水射流切割技術以其諸多優(yōu)點得到越來越廣泛的應用。水射流切割技術正朝著超高壓、大功率、智能化、多用途、高精度的方向發(fā)展，隨著綠色環(huán)保理念的深入人心，它的應用范圍將不斷擴大。希望本文的分析研究對相關研究人員有一定的借鑒意義。

參考文獻

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