高壓水射流切割技術(shù)及在航空制造和維修中的應(yīng)用

摘 要：該文介紹了高壓水射流切割技術(shù)的基本概念、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、同其他典型切割方法的技術(shù)比較以及這項技術(shù)的最新發(fā)展動向，并根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢介紹了高壓水射流切割技術(shù)在航空制造和維修領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：高壓水射流 切割技術(shù) 航空制造維修

中圖分類號：TG356 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0056-02

1 什么是高壓水射流切割技術(shù)

高壓水射流切割技術(shù)簡稱水切割（以下同），又稱為水刀，即以水為刀。作為一種冷切割工藝，這項技術(shù)于20世紀(jì)70年代在美國發(fā)展起來，用以切割各類金屬或非金屬、塑性或脆性材料。隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)及數(shù)控技術(shù)的日新月異，水切割技術(shù)近年來也得到了飛速發(fā)展，并以其獨(dú)有的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 工作原理

水切割是把普通的水經(jīng)過發(fā)生器（增壓系統(tǒng)）將壓力提升到幾十至幾百M(fèi)Pa，然后再通過內(nèi)孔極小的束流噴嘴（直徑約0.15～0.35 mm）噴射形成每秒近千米的高速水射流，利用這種高速水射流的動能對工件的沖擊破壞作用，達(dá)到切割成型的目的。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

水切割技術(shù)主要有以下幾個特點(diǎn)：（1）是真正的冷態(tài)切割。因為采用水和磨料切割，加工過程中基本不產(chǎn)生熱效應(yīng)，工件無受熱變形，不會改變物理和化學(xué)性質(zhì)，受熱影響大的材料比如鈦尤其適用。（2）可切割范圍廣。不論是金屬還是非金屬材料幾乎都可以切割，如不銹鋼、銅、鋁、各種合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，而且不受厚度限制。（3）切割精度高。切割面整齊平滑，不會在切割過程中使被切割物體有任何損傷，可以完成許多切割工具無法實現(xiàn)的切割作業(yè)；割縫極小，可以降低材料浪費(fèi)率。（4）適應(yīng)性好。生產(chǎn)效率高，切割可從工件上任意點(diǎn)開始，向任意方向進(jìn)行，結(jié)合數(shù)控技術(shù)CNC可實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的批量生產(chǎn)。而且一個噴嘴可以加工不同類型的材料和形狀，無需更換刀具，節(jié)省了時間和成本，提高了生產(chǎn)效率。（5）安全性和環(huán)保性高。切割過程中不產(chǎn)生有毒煙霧，而且無火花、無熱效應(yīng)、振動小，是安全環(huán)保的切割工藝，特別適合有特殊要求的危險作業(yè)環(huán)境。

2 同其他切割方法的技術(shù)比較

同其他切割方法比較，水切割有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢。

2.1 與激光切割比較

激光切割是一種非常先進(jìn)的切割技術(shù)，其切割速度快、精度高，但局限性在于多用于薄鋼板、部分非金屬材料的切割，而且切割時在切縫處會引起熱效應(yīng)，對鋁、銅等有色金屬、合金切割效果不理想，對厚度較大的金屬板材，切割速度慢，甚至無法切割。水切割幾乎適用各種材料，切割厚度大，無熱效應(yīng)，基本沒有激光切割的局限。但水切割的切割速度沒有激光切割快。

2.2 與等離子切割比較

等離子切割是利用高溫等離子電弧進(jìn)行切割，熱效應(yīng)明顯，精度不高，切割過程產(chǎn)生大量有毒煙氣，環(huán)保性差。屬于冷態(tài)切割的水切割，不產(chǎn)生熱變形，切割精度好，安全環(huán)保。

2.3 與線切割比較

線切割屬電加工范疇，對金屬加工有很高的精度。缺點(diǎn)是只能切割導(dǎo)電的金屬材料，且速度慢、效率低，有時需要提前在工件上打出工藝孔，用來穿絲，切割用的電極絲易斷，而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制，切割速度快、效率高，加工尺寸可選余地大。

2.4 與其他傳統(tǒng)切割方法比較

火焰切割常用于金屬板材的切割，與水切割相比其熱效應(yīng)明顯、切割表面質(zhì)量和精度較差，一般需要二次加工；沖剪加工，效率高、速度快，一般適用于大批量的小件加工，缺點(diǎn)是需要特定的模具和刀具，而且很難或無法對厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形狀、厚度、硬度等的影響，通用性更好。

3 高壓水射流切割技術(shù)的發(fā)展動向

3.1 “水切割”數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使加工的定位精度、切割速度和補(bǔ)償間隙，都得到了極大的提高通過采用高精度測量器具檢測機(jī)床的幾何精度，并給予精度修正，可以制造出高精度的水切割設(shè)備。

3.2 斜度切割由于五軸控制技術(shù)的出現(xiàn)而得以實現(xiàn)

原理是在原有X、Y、Z三軸平臺的基礎(chǔ)上，增加兩個旋轉(zhuǎn)軸，使噴嘴可向任意方向擺動，并利用在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的斜度模型，通過對切割軌跡的實時分析及計算，再考慮對被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割過程中不斷擺動切割頭，使得切割出來的工件達(dá)到完美的斜度（或角度）。

3.3 六軸水切割即空間曲線水切割系統(tǒng)，俗稱“機(jī)器人水刀”，具備更高的靈活性，而且切割精度更高，可以切割任意空間曲線

目前，這項技術(shù)已趨成熟，在空間曲線構(gòu)件的加工上得到了廣泛應(yīng)用。

3.4 影響水切割切割能力的主要參數(shù)是壓力和輸出流量，水射流能量越大，切割效果越好

提高系統(tǒng)壓力可以使切割能力得到增強(qiáng)，但同時會帶來許多技術(shù)難題，相比之下，增加系統(tǒng)的流量會容易一些。另外，在壓力不變的情況下，采用多增壓器并聯(lián)技術(shù)提高射流的功率，同樣可使切割能力得到提高，增大噴嘴口徑進(jìn)行切割，水射流有效切割能量更大，效果更好。

4 高壓水射流切割技術(shù)在航空制造和維修中的應(yīng)用

隨著航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，各種新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)得到廣泛采用，因此迫切需要尋求制造和維修的新方法。對于飛機(jī)上各種合金材料和復(fù)合材料切割精度和切割時應(yīng)有的熱度等都有很高的要求。而水切割技術(shù)，以其切割精度高、適用材料廣、切割厚度大以及特有的冷態(tài)切割不會產(chǎn)生熱變形等優(yōu)勢，可以在航空制造和維修中得到廣泛的應(yīng)用。

（1）飛機(jī)的機(jī)身多采用鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金及碳纖維材料制成，針對這些材質(zhì)部件的制造，可以應(yīng)用大型水切割機(jī)，采用大功率高壓系統(tǒng)、五軸控制切割頭進(jìn)行切割加工。

（2）飛機(jī)內(nèi)飾、座椅等部件多采用鋁合金、工程塑料制作承重部分，采用泡沫塑料為襯墊，用化纖織品、皮革、人造革為包皮，可采用機(jī)器人水刀（六軸控制）、中小功率高壓系統(tǒng)，純水切割頭進(jìn)行切割加工。

（3）飛機(jī)門窗以及內(nèi)隔屏等都采用玻璃和夾膠玻璃制成?？刹捎弥行⌒颓懈顧C(jī)，小功率高壓系統(tǒng)，通用水切割頭或水切割加工中心進(jìn)行切割加工。

（4）在飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷搶修領(lǐng)域，應(yīng)用水切割技術(shù)可以快速切除損傷、變形的結(jié)構(gòu)，并且獲得光滑、美觀、無損傷的邊緣，為實施修復(fù)創(chuàng)造施工條件，節(jié)省寶貴時間。用在戰(zhàn)傷搶修中可采用便攜式水切割機(jī)和小型化的、可用于損傷部位的運(yùn)動控制和執(zhí)行系統(tǒng)。

（5）在飛機(jī)修理中，利用高壓水切割的噴流清洗，是一種非常理想的表面涂層消除方法。對于飛機(jī)機(jī)體和結(jié)構(gòu)部件 ，其表面噴涂了各種合金、陶瓷涂層，在對其表面重新加工前，必須清除原有涂層，相比傳統(tǒng)磨削、浸酸等方法，用高壓水射流清除，可控制清除深度、不損傷表面，而且大量節(jié)省修理時間。

5 結(jié)語

近年來，高壓水射流切割技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，相關(guān)設(shè)備的國家標(biāo)準(zhǔn)已于2011年正式執(zhí)行。隨著技術(shù)創(chuàng)新的持續(xù)升級、應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步深入拓展、專業(yè)認(rèn)知度的不斷提高，高壓水射流切割技術(shù)憑借其獨(dú)有的優(yōu)勢，必將在各個行業(yè)，尤其在航空制造和維修領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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