超高壓水切割多功能特征解析

薛勝雄，陳正文，陳 波，武子全，李岳峰，韓彩紅，任啟樂

超高壓水切割多功能特征解析

薛勝雄1，陳正文1，陳 波2，武子全3，李岳峰4，韓彩紅1，任啟樂1

1.合肥通用機械研究院，通用機械復合材料技術安徽省重點實驗室，安徽合肥 230031；2.南京大地水刀股份有限公司，江蘇南京 211300；3.沈陽奧拓福科技股份有限公司，遼寧沈陽 110121；4.廣州華臻機械設備有限公司，廣東廣州 510830）

航空航天對超高壓水切割提出了特殊技術要求，筆者應對大尺度曲面復合材料切割，大型葉輪粗加工和特殊精細切割，復合材料的銑削、鉆孔、拋光等需求，以國家863計劃課題為契機，研制了500MPa壓力的特大型專用機翼加工裝備和多功能加工中心，本文介紹了這2臺先進裝備所引發(fā)的超高壓水射流多功能技術特征，并結合國外同步先進水平解析了實現(xiàn)高難度水切割、銑削等多功能應用的技術模塊、參數(shù)匹配、工藝方法和試驗結果。

超高壓水切割；復合材料切割；粗加工；微切割；銑削

1 前言

超高壓水射流切割工藝與裝備在我國發(fā)展已經(jīng)整整20年了，從筆者研制的第一臺水切割機（壓力 250MPa，流量 2.5L/m in，采用超高壓泵主機）到當今的普及產(chǎn)品水平（壓力400MPa，流量3L/m in，采用增壓器或超高壓往復泵主機）［1］，中國已成為世界上超高壓水切割機最大制造基地和市場。然而，我國與發(fā)達國家在超高壓綜合創(chuàng)新能力、大型化專用裝備研發(fā)能力和整機智能化應用水平方面還是存在差異。比如在尖端技術方面，美國某公司的五軸聯(lián)動水切割頭已經(jīng)研制了幾代產(chǎn)品，從實現(xiàn)五軸聯(lián)動到精準控制再到識別調節(jié)，一直成為同行的技術目標。

國內外水平差距的溯源在于市場驅動。我國水切割技術是以石材、玻璃等低端切割市場為起源的，所以面臨高端市場需求就顯得需要跳躍式的技術攻關；而美國水切割技術是以航空應用等高端切割市場為起源的，技術發(fā)展的連貫性使其容易適應新的目標。

航空市場極大地驅動了超高壓水切割技術的發(fā)展，僅以波音787與波音767飛機相比［2］，更清潔、更靜音和更高效的一個很大的差異因素就在于材料構成，波音787采用的材料比例：復合材料50%，鋁材23%，鈦材15%，鋼材6%，其他6%；而波音767，僅鋁材就占了77%的重量。復材、鈦材的切割，鋁材的銑削都成為了超高壓水切割的主要工藝目標。除此之外，對鉻鎳鐵合金等鋼材、工具材料、塑料材料和實驗室試驗材料，水切割工藝都顯示出優(yōu)越性能。也就是說，磨料水切割將擴展到飛機制造幾乎所有的商業(yè)應用，且因復合材料加工的難以替代使其格外重視。

水射流加工的優(yōu)勢：對不同材料和結構的適應能力；不同特征的可加工性（多功能用途）；沒有加工的熱效應；由于射流打擊力的限制，不會使被加工材料產(chǎn)生變形；不會對復材產(chǎn)生分層、劈裂、邊緣擦傷或其它完整性問題；對一般應用無需再加工；減少了工具和夾具；清潔、綠色、無粉塵；高效潛能［3］。水射流加工對切割材料的無選擇性是其它工藝無法做到的，因此，它的應用范圍就更加寬泛。同時，由于它的體量小，微細射流流量小，形成的運動慣性和反作用力就小，所以容易實現(xiàn)機器人自動化作業(yè)，從而有利于提高切割速度和精度，并且程序簡單、維護容易和操作安全。當然，水射流加工的突出缺點就是噪聲較大和磨料成本較高。

2 超高壓水切割的水平標志

航空工業(yè)的一個重大需求是對大尺度曲面復合材料的機翼、尾翼和蒙皮的加工［4］，由于機械加工對復合材料會產(chǎn)生分層、變形和劈裂等問題，美國波音公司已將超高壓五軸聯(lián)動水切割作為標準工藝，因此，催生了特大型水切割專用加工機床。

為應對國內需求和國際競爭，筆者承擔了2015年國家863計劃：復合及特種耐高溫材料超高壓水射流加工裝備與工藝，表1列出了本課題樣機與國外同類產(chǎn)品的技術參數(shù)對比，由此可見，特大型、曲面加工、極端參數(shù)、五軸聯(lián)動、加工-測量-調控一體化自動化控制、高精度、速度要求和工藝數(shù)字模型等構成了高端超高壓水切割技術的水平標志。

表1 國內外同類產(chǎn)品的技術參數(shù)比較

圖1所示為特大型水切割專用加工機床的總成，其試驗數(shù)據(jù)為：磨料：石英砂120目，工作壓力385MPa，切割速度435mm/m in，磨料耗量400g/m in，噴嘴直徑：寶石水噴嘴0.25mm，磨料噴嘴0.76mm，靶距 3mm。

成套裝備的構成如下［5］：

（1）超高壓增壓器系統(tǒng)。采用對置式雙缸2臺增壓器并聯(lián)方式，工作壓力450MPa，單臺流量3L/m in，缸體采用雙層嵌套，承壓材料為15-5HP，柱塞直徑 22mm，行程100mm，往復次數(shù)70m in-1。

（2）龍門式切割平臺。工作尺寸15000mm×5000mm，采用齒輪齒條傳動，Z軸運動尺寸1200mm，采用伺服電機控制器和軟件控制各運動件，采用光柵隨機測量主梁行走位置。

（3）點陣浮動托架。采用標準的立柱點托架，以120個點構成對特大型曲面工件的附合支撐和定位，每個支點會3D旋轉真空杯構造實現(xiàn)柔性支撐，自帶動力用以調節(jié)其高度和轉角，點陣最高升幅為 600mm。

圖1 特大型水切割專用加工機床

（4）磨料射流五軸聯(lián)動切割頭系統(tǒng)。包括磨料射流切割頭，固定在電主軸（Z軸）上的五軸聯(lián)動總成部件，C型杯總成部件，置于橫梁上的真空泵和磨料收集器及管路總成。作業(yè)時，五軸聯(lián)動部件帶動切割頭做3D動作并沿Z軸升降，工件夾在C型杯間做切邊工作，磨料廢液由C型杯（內置消音鋼珠）接取并經(jīng)真空泵抽吸至集液器進行固液分離。

（5）3D水切割運行軟件。該軟件的核心是將五軸聯(lián)動與點陣托架動作同步控制調節(jié)，亦即它將識別曲面、調節(jié)點陣附合曲面且控制切割頭沿曲面邊緣切割作業(yè)，因為增加了點陣托架的同步動作，使得運行軟件成為技術關鍵。

（6）在線測量系統(tǒng)。在橫梁上設置2個立軸，一個為水刀Z軸，另一個裝機械刀具備用和在線測量探針，通過其反饋實現(xiàn)“加工、測量和調控”一體化自動控制全加工過程。

3 粗加工與微切割

超高壓水切割與五軸聯(lián)動的成功復合，似乎就可以像機床加工那樣成型機械零件了，其實不然，因為水射流束在其直徑范圍內的打擊力仍有強弱之分；水射流有效靶距范圍很短，致使加工件尺寸受限。這就使其切縫邊緣精度很難具有明確的“剛性表現(xiàn)”，即要像機加工一樣留有“加工余量”，而“加工余量”很難再繼續(xù)采用水切割工藝進行“剔除”，因為水射流是“柔性刀具”而非“剛性刀具”。

盡管如此，水切割對材料加工至“加工余量”，這就是一個了不起的“粗加工”工藝，對于航空工業(yè)等加工大型渦輪葉片尤為重要，傳統(tǒng)的渦輪葉片成型為了保證形位精度，往往是葉片與渦輪分開加工，然后焊接或把接，由此帶來了根部強度、精度等問題，整體加工一直是一種追求，雖然有了五軸聯(lián)動加工中心，整體加工葉輪的工作量依然很大，需要一層層地切削，而且編程復雜。水切割的“粗加工”則很好地解決了這一問題，即一次性沿曲面邊緣“切肉”至“加工余量”，保證了曲面的任意扭曲度和交接面的尖點與過渡圓弧，這樣的“粗加工”極大地提高了整體渦輪的加工效率，對于“加工余量”再由機加工中心二次加工或電化學工藝完成。對于二次精加工的定位問題由2種工藝的運行軟件一致性解決。

圖2所示為大型葉輪粗加工實例，這里涉及2個關鍵技術問題：采用超高壓前混合大流量磨料射流技術提高射流靶距以適應較大曲面尺寸加工；五軸聯(lián)動機構設置切割頭與Z軸呈600布置，以適應較大曲率加工。

圖2 大型葉輪的粗加工

微切割是在水切割工藝基礎上的又一派生，它專門針對薄板材料、復合材料和稀貴金屬材料的精細加工，強調切縫趨于零（即切割后的組合尺寸與切割前無大變化）和超高精度加工，尤其對銳角、窄邊和復雜圖案的切割。

微切割的工作量不大，也沒有切割速度要求，但要想很好的完成微切割加工，針對不同材料有以下2種工藝路線：（1）精細磨料射流，即在高端超高壓射流基礎上，采用150目以上的精細磨料，射流噴嘴和流量都將進一步降低；（2）純水射流，即在450MPa甚至更高的超高壓射流基礎上，采用純水射流以3倍以上超音速射流作業(yè)。

微切割的精度目標：磨料射流復現(xiàn)性精度±0.01mm；純水射流線性精度±0.067mm/m in，切割速度 10000mm/m in。

圖3所示為微切割加工實例。

圖3 微切割加工

4 超高壓水射流的多功能特征

筆者承擔的課題為兩個方向2套樣機：為航空機翼研制的特大型曲面復合材料切割裝備和為航天耐高溫零件研制超高壓水射流多功能加工中心。后者的技術目標就是應用水射流技術解決銑（車）削、鉆孔和拋光等工藝，實現(xiàn)硬度HRC70耐高溫復合材料“可加工”。

圖4所示為課題研制樣機，即五軸聯(lián)動超高壓水切割與2軸運動工件平臺的復合，后者能調節(jié)被加工工件的加工面以適應射流方向，兩者在運行軟件的控制下相對運動，再加之特制的“銑削切割頭（采用扇形噴嘴）”，就構成了適應于超硬復合材料的“多功能加工中心”。

圖4 多功能水射流加工中心

多功能水射流加工中心的應用包括：

（1）車削：即工作臺夾持工件做旋轉運動，超高壓水射流沿工件軸向橫移（見圖5所示），限于水射流的車削效率，此工藝僅用于難以采用機械車削的特殊材料，如復合材料。

圖5 超高壓水射流的車削原理

（2）銑削：在工作臺的配合下，超高壓水銑可以進行任意角度的加工，水銑不僅適用于特殊材料，而且還能彌補機械銑削的功能。

（3）鉆孔：同銑削一樣，水射流鉆微小孔也是采用模板附和進行，其最小孔徑可達0.3mm，水射流鉆一般的孔（尤其異形孔）其原理與水切割相同。

（4）拋光：由于水射流是非剛性接觸加工工藝，所以不能進行磨削；但可以采用扇形噴嘴或旋轉射流進行拋光作業(yè)，其粗糙度與磨料的選擇有關。

5 超高壓銑削工藝及拓展

（1）銑削，是多功能加工最常應用的工藝，其表現(xiàn)形式就是對被加工材料進行深度控制的切割，即不切透，這是很難執(zhí)行和控制的工藝，因為“不切透”就意味著要“切”的深度一致且底面平滑。

圖 6 所示為銑削工藝原理［5，6］，顯然，隨著磨料水射流（AWJ）通過工件的“切割”速度由穿透時增加，隨著u＞u0，工件的穿透變?yōu)椴淮┩?，少深度乃至微深度，而“切深”底表面由不?guī)則表面到粗糙表面再到平滑表面?？梢酝茢?，當射流橫移速度由5mm/s增加到5000mm/s甚至更高時，“切深”的底表面將會光滑、均勻和平直，即較大的橫移速度很好地解決了銑削深度控制和表面完美這對矛盾，使工件達到精度指標。

圖6 磨料射流（AWJ）橫移速度造成了從切割到銑削的變化

銑削工藝最簡單的模式就是將銑削模板貼附在工件上，磨料射流沿模板銑削，針對射流束軌跡造成的表面波紋，在下一次銑削中再微調錯位，避免表面微凸，模板銑削型槽，則先銑出兩端界溝，然后再貼附模板去除中間部分，采用射流銑削直角，射流與被銑垂面呈10°，有利于“掏盡余肉”。

復合材料銑削的實例記錄見表2，這一工藝經(jīng)驗，同樣可以適用于鉆孔和拋光工藝。

表2 銑削復合材料試驗數(shù)據(jù)

6 結語

應用500MPa超高壓水射流（工作壓力在450MPa以內）可以很好地進行高精度、高難度的復合材料水切割工藝，而且當五軸聯(lián)動水射流與點陣托架、3D工作臺復合應用時，又可以進行大尺度曲面加工、銑削、車削、鉆孔和拋光等多功能應用，尤其在模板的配合使用下，試驗工況和結果很好地實現(xiàn)了對大尺寸復合材料水銑的精確加工；渦輪葉片粗加工的最佳工況是超高壓前混合磨料射流且五軸聯(lián)動水切割頭與Z軸呈60°布置。

參數(shù)文獻

［1］薛勝雄.高壓水射流技術工程［M］.合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2006.

［2］ Daniel G Sanders.What cutting of materials at the boing company：a critical resource for manufacturing airplanes［R］.The he 23rd International Conference on Water Jetting，Seattle，USA，2016.

［3］ Mohamed Hashish.Water jets for aero engines and aero structures［R］.The 23rd International Conference on Water Jetting 2016，Seattle，USA，2016.

［4］ 薛勝雄，孟俊坤，任啟樂，等.大曲面復合材料水切割的工況與機構研究［J］.流體機械，2016，44（12）：25-28.

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Introduction and Analysis of the Ultrahigh Pressure Water Jet Cutting Multifunctional Application

XUE Sheng-xiong1，CHEN Zheng-wen1，CHEN Bo2，WU Zi-quan3，LI Yue-feng4，HAN Cai-hong1，REN Qi-le1

（1. Anhui Province Key Laboratory of General Machine Composite Material Technology，Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2. Dardi International Corporation ，Nanjing 211300，China；3. Shenyang All-Powerful Science & Technology Stock Co.，Ltd.，Shenyang 110121，China；4. Guangzhou Sino Achieve Mechanical Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou 510830，China）

The aerospace industry bring a new development for ultrahigh pressure water jet cutting technology，such as large scale curved composite components cutting process engineering application，large scale impeller rough cutting，special precise cutting，composite material’s milling/drill/polishing. In a national high technology research and development plan as an opportunity，the writer develop a 500MPa ultrahigh pressure machining equipment for super-huge type wing and a multifunction CNC center. This paper introduce the ultrahigh pressure water jet multifunctional technical features about these two equipments involved，and combine with the foreign development situation，analysis the technical modules/ parameter match/process method/experiment result in realizing the highly-difficult water jet cutting/milling and other applications.

ultrahigh pressure water jet cutting；composite material cutting；rough machining；micro cutting；milling

TH137

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.004

1005-0329（2017）11-0017-05

2017-04-13

國家863計劃課題（2015AA043401）；安徽省科技重大專項（15czz02028）

薛勝雄（1957-），男，教授級高工，主要從事流體機械技術的研究與開發(fā)工作，通訊地址：230031安徽合肥市長江西路888號合肥通用機械研究院，E-m ail：13805511174@163.com。