近年來，“數(shù)控超高壓水切割機(jī)”--(又稱水刀)隨著產(chǎn)品的成熟和應(yīng)用面的擴(kuò)大而逐步進(jìn)入快速成長(zhǎng)期，依托于更高精度的大型數(shù)控平臺(tái)和更大功率、更高壓力的高壓系統(tǒng)，五軸、六軸控制系統(tǒng)、斜度和自校正切割、水切割與刀具加工相結(jié)合等新技術(shù)應(yīng)用，將水切割技術(shù)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更加廣闊的金屬和非金屬(及食品)加工和工業(yè)制造領(lǐng)域。切割與加工相結(jié)合，從切割下料上升到加工半成品以及成品零件，提升了加工效率與價(jià)值，使得多變化、大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件與難加工材料的切割與加工問題而易于解決。
超高壓水切割—冷態(tài)切割新技術(shù)水切割是基于超高壓水射流應(yīng)用的冷態(tài)切割技術(shù)。與熱切割(如火焰、等離子、激光等)相比，“水刀”幾乎可以切割從軟到硬的所有材料，尤其在厚度20mm以上的金屬，碳纖維、鈦合金、鋁合金、蜂窩結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的成型加工中，已經(jīng)成為*的加工方式。
水切割技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于鋼材、銅鋁材、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、塑料、人造纖維、布、紙、復(fù)合材料等的加工，并可直接制成結(jié)構(gòu)零件或焊接件，因而水切割系統(tǒng)已成為航空航天、軍工，軌道交通、船舶、汽車，工程機(jī)械、輕工，化工、能源，建筑工程等產(chǎn)業(yè)的新型制造裝備。
目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)從2 0 世紀(jì)6 0 年代開始， 美國(guó)、德國(guó)、日本、俄羅斯等就不惜巨款投資在超高壓發(fā)生系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)方面進(jìn)行研究和開發(fā)，直到20世紀(jì)90年代，超高壓水切割系統(tǒng)才逐步商業(yè)化。上代表性的企業(yè)有FLOW、KMT、OMAX，目前，zui高切割壓力可達(dá)600MPa。我國(guó)開展超高壓水切割技術(shù)的研究近四十年，目前國(guó)內(nèi)商業(yè)化水切割設(shè)備一般運(yùn)行壓力一般在220MPa—400MPa左右，通用數(shù)控超高壓水切割機(jī)床已有幾十種產(chǎn)品在定型生產(chǎn)，并已在編制“數(shù)控水切割機(jī)”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品水平已達(dá)到了先進(jìn)水平。同時(shí)， 五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)、機(jī)器人水切割機(jī)、大型數(shù)控水切割機(jī)床、水切割加工中心等智能化產(chǎn)品，也快速普及和拓展了我國(guó)超高壓水切割技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
水切割特點(diǎn)：
將普通的水通過加壓蓄能的方法而獲得200-400MPa及以上的高壓能再通過小孔(Φ0.15mm—Φ0.05mm)噴射而產(chǎn)生800-1000m/s的高速射流，運(yùn)用這束高速水箭或再加入少量細(xì)砂對(duì)物體進(jìn)行打擊和運(yùn)動(dòng)而形成切割，其產(chǎn)生的溫度zui高在60℃內(nèi)，而這束射流幾乎可以切割從軟到硬的任何材料，我們又稱之為“冷態(tài)切割技術(shù)”。
我們都知道，無論是刀具加工或是過去的熱切割方式等眾多的切割和加工方式中雖然各有優(yōu)勢(shì)，又都存在一定的使用局限性。只有“水切割”適用性zui廣泛，由于切割過程中溫度低，對(duì)被切割材質(zhì)物理性能無影響，無熱變形，且切縫窄、精度高、切面光潔、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
同時(shí)水切割還能加工對(duì)于傳統(tǒng)方法難以加工的材料：如碳纖維、玻璃鋼、環(huán)氧多層壓合板、PVC等工程塑料、鋁、銅合金， 多種金屬與非金屬的復(fù)合材料，耐高溫的玻璃、陶瓷、石材、石棉板、塑料與毛氈、熱敏、易燃易爆等材料。隨著人們對(duì)水切割技術(shù)的了解進(jìn)一步深化，其應(yīng)用越來越廣泛。
水切割與熱切割的比較分析：
以金屬切割為例，和激光切割相比較，水切割在薄板的切割速度方面要低于激光切割，但在16mm以上的金屬切割采用激光法則明顯效率降低且投資大成本高，而且切縫周邊仍有一定的熱影響區(qū)，在20mm以上厚板切割中水切割表現(xiàn)出、經(jīng)濟(jì)且切割厚度可達(dá)100mm以上，其能效高于熱切割并且對(duì)材料無任何影響，再加上水刀對(duì)切割材料沒有限制。綜合這些因素，很多原先選擇激光或其它切割手段的用戶轉(zhuǎn)而采用水切割方式。
目前“ 水刀”的數(shù)控機(jī)床多采用滾珠絲桿和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的精密傳動(dòng)技術(shù)，控制精度都在+0.02mm以內(nèi)，同時(shí)加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長(zhǎng)壽命的噴嘴材料的技術(shù)突破，配合了400Mpa大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，全自動(dòng)供砂和控砂及高壓水啟、?？刂葡到y(tǒng)配合，使得“水刀”能24小時(shí)連續(xù)切割和自動(dòng)加工。
“ 水刀” 更兼有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制功能，特別在“轉(zhuǎn)角和尖角”切割時(shí)自動(dòng)減速，以減小切割中甩尾的影響，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特質(zhì)，這使得“水刀”在切割質(zhì)量和效率上都有了極大的變化和提高，而可直接用于金屬零件的成形切割加工。
水切割的優(yōu)點(diǎn)：
切割粗糙度可達(dá)1.6μm ，切割精度高于±0.10mm，可用于精密成形切割；
低熔點(diǎn)及易燃材料的切割，如紙、皮革、橡膠、尼龍、PVC塑料、毛氈、化纖、木材、環(huán)氧 壓層板、危險(xiǎn)品等材料；
高硬度和不可溶的材料切割： 石材、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、金剛石等；
用于有色金屬和不銹鋼的切割中有著獨(dú)到之處，無反光影響和邊緣損失；
不同熔點(diǎn)的金屬?gòu)?fù)合體或非金屬?gòu)?fù)合材料的一次成形切割；難加工、新型工業(yè)材料：鈦合金、碳纖維、玻璃鋼、石棉、蜂窩結(jié)構(gòu)材料；特殊的場(chǎng)地和環(huán)境下切割：水下、有可燃?xì)怏w環(huán)境；
新技術(shù)在水切割機(jī)中的應(yīng)用情況在各種切割及加工行業(yè)中，追求高質(zhì)量，率的直接成形加工，是目前上的發(fā)展趨勢(shì)，“水刀”切割機(jī)正是針對(duì)這種需求而在相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用上不斷創(chuàng)新：
高精度的數(shù)控機(jī)床
隨著包括精密滾珠絲桿， 伺服電機(jī)，直線伺服馬達(dá)，諧振減速單元等技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)床可以達(dá)到更高的位置精度和運(yùn)動(dòng)速度，反向間隙補(bǔ)償，重復(fù)定位精度的提高，機(jī)床制造廠商將更大的精力投入到分析機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因，通過采用球桿測(cè)量?jī)x和激光干涉儀等高精度測(cè)量器具檢測(cè)機(jī)床幾何精度并建立誤差映射表來給予精度修正，以此制造高精度機(jī)床。
大功率超高壓系統(tǒng)
提高水切割的能量，將提高切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割機(jī)的壓力和輸出流量成為影響切割能力的主要參數(shù)。目前，上對(duì)此也在做進(jìn)一步地研究和試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，當(dāng)壓力達(dá)到700MPa以上時(shí)，也可以用清水切割薄鋼板和較硬的復(fù)合材料，這樣進(jìn)一步提高增壓器的壓力可大大提高水切割機(jī)的切割性能，但提高系統(tǒng)壓力會(huì)帶來諸多高難度問題，相較之下，增大系統(tǒng)的流量會(huì)容易一些。
另一方面，在同等的壓力之下，提高射流的流量，即加大射流的功率也一樣可提高切割能力，因此而產(chǎn)生多增壓器并聯(lián)技術(shù)：在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)不做大改動(dòng)的前提下，采用多增壓器并聯(lián)技術(shù)，即將兩個(gè)或多個(gè)高壓發(fā)生器并聯(lián)使用，可以很方便地提高增壓器的輸出流量，采用大口徑噴嘴進(jìn)行切割，這樣水射流有效切割能量更大，切割效果更好。
*，激光，氣體等離子，射流等切割手段，由于能量梯度的作用，切面越深時(shí)(距噴嘴越遠(yuǎn))，切割能力越差，所形成的切割面往往不垂直于工件表面，稱之為切割斜度，這是所有切割手段的一個(gè)固有缺陷。雖然通過提高切割能量或降低切割速度可以部分減小切割斜度，但依然存在不能*垂直的問題。于是，可傾斜切割頭的設(shè)想于1997年被提了出來，目前上已有商用產(chǎn)品，這是解決切割斜度，提高精度zui直接有效的方法。其原理是通過在原有三軸平臺(tái)XYZ的基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)刀頭可向任何方向擺動(dòng)，并利用預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置的斜度模型，通過對(duì)切割軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算，再考慮被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割的過程中不斷地?cái)[動(dòng)切割頭，使得切割出來的工件達(dá)到的無斜度狀態(tài)或形成角度切割。
中國(guó)水刀的發(fā)展
在吸收世界同行先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)， 秉承不斷創(chuàng)新的理念， 近幾年經(jīng)“ 中國(guó)水刀” 同行的共同努力， 不斷拓展水刀的應(yīng)用領(lǐng)域， 專注于研發(fā)新技術(shù)及輔助裝備，目前我們已有技術(shù)產(chǎn)品如下：
并聯(lián)增壓器的大功率系統(tǒng)工作壓力可達(dá)到4 0 0 M P a ，100HP~200HP功率輸出。
大型高精度數(shù)控水切割機(jī)床
金屬切割用大型工作平臺(tái)；X向尺寸可達(dá)5000mm，Y向尺寸可達(dá)8-50m及以上；控制精度： ±0.02mm/m；切削精度： ±0.1mm；X、Y向運(yùn)動(dòng)速度：0～40m/min；切割頭數(shù)：2～4。
NEWCAM軟件
為大輻度地提高“水刀”的切割效果，不斷改進(jìn)的水切割NEWCAM軟件，CAD模塊具有模塊化編程，自動(dòng)排版套料，CAM模塊具有拐角自動(dòng)減速，切斷自動(dòng)減速等特性，通過在拐角處與切斷點(diǎn)降低程序速度，解決水切割因水射流的滯后效應(yīng)引起的拐角過切現(xiàn)象與程序結(jié)束點(diǎn)無法切斷的情況，有效地提高輔助設(shè)計(jì)、切割效果的質(zhì)量和效率。
空間曲線水切割系統(tǒng)(六軸機(jī)器人水刀)
“機(jī)器人水刀”有純水切割系統(tǒng)和加砂切割系統(tǒng)可以切割任何空間曲線，目前被廣泛地應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件和空間曲線構(gòu)件的切割。
五軸水刀
雖然機(jī)器人水刀也可以達(dá)到傾斜刀頭切割的目的，然而在精度和剛度上不如傳統(tǒng)機(jī)床，不能用于高精密切割。要達(dá)到高精密的無斜度切割以及圓錐面、圓弧面、旋轉(zhuǎn)曲面、斜面、坡口等切割時(shí)，必須使用五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)。
“廢舊咋藥銷毀”水刀
由于水刀低溫切割的優(yōu)異特性，使得水切割機(jī)可以用于易燃易爆物質(zhì)的切割，其中zui為典型的應(yīng)用就是“廢舊咋藥銷毀系統(tǒng)”，水刀在切斷彈殼的同時(shí)不會(huì)引爆其中的爆藥，從而達(dá)到安全、就地銷毀過期危險(xiǎn)品的目的。該技術(shù)已達(dá)到先進(jìn)水平。
雙頭/多頭水切割機(jī)
與大功率發(fā)壓發(fā)生系統(tǒng)相匹配，采用多刀頭同時(shí)切割方式，切割效率可提高數(shù)倍而成本增加很少。
水刀加工中心
“ 水刀加工中心” 具有超高壓水切割系統(tǒng)和電主軸系統(tǒng)，并備有刀庫(kù)，可容24把刀。該產(chǎn)品集水切割切、鏜、銑、磨等多功能于一體，可一次對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合型的成形加工。
其它輔助設(shè)備 為了提高加工效率，我們還開發(fā)了以下輔助裝備：
超高壓水開關(guān)： 超高壓水開關(guān)：DWCH；工作壓力：400Mpa；工作方式： 常閉式、氣動(dòng)開啟； 工作性能：10ms內(nèi)開啟或關(guān)閉。
SP7能加砂切割頭：水噴嘴與砂管有zui近的距離，使得zui大限度的利用水射流能量，獲得*的切割效率。
防回水砂閥——通過引導(dǎo)水流向下流動(dòng)，可以有效地防止回水濕砂；
自動(dòng)供砂系統(tǒng)— — 將切割磨料不間斷地輸送到切割機(jī)，無需任何人工干預(yù)，并且自動(dòng)檢測(cè)砂量，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一次加砂長(zhǎng)時(shí)間使用的目的。
自動(dòng)排砂系統(tǒng)— — 在切割的過程中，自動(dòng)將產(chǎn)生的泥漿抽出，經(jīng)過過濾將砂，水分離，再將水反灌到水箱中，保證水箱水位，避免水箱中長(zhǎng)時(shí)間積砂和免除了人工清理。
自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)—在切割過程中，主動(dòng)跟隨工件的起伏而自動(dòng)調(diào)整切割頭的高度以適應(yīng)*切割。
大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)提出的問題：
我國(guó)大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)正在高速發(fā)展之中，這些項(xiàng)目接軌、節(jié)能、環(huán)保、高起點(diǎn)、廣泛采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，由此帶來尋求制造的新方法。
飛機(jī)、機(jī)車、船舶的外殼：飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車的外殼多采用鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金板，為減輕重量，也有采用碳纖維，小型船體外殼也有采用玻璃鋼制成。
建議其加工采用：大型切割機(jī)、400MPa大功率高壓系統(tǒng)、五軸控制切割頭。
通風(fēng)系統(tǒng)：通風(fēng)系統(tǒng)的管道和聯(lián)接法蘭多采用金屬材料為輕型化，考慮而采用鈦、鋁合金和碳纖維制成。
建議采用加工設(shè)備： 中小型切割機(jī)、400MPa中小功率高壓系統(tǒng)、通用切割頭。
內(nèi)飾、座椅、內(nèi)設(shè)：飛機(jī)、機(jī)車、船舶汽車的內(nèi)飾、座椅、內(nèi)部衛(wèi)生設(shè)備都有共同之處，為安全、美觀、輕型、耐用，多采用鋁合金、工程塑料坐支架承重，采用泡沫塑料為襯墊，用化纖織品、皮革、人造革為外皮。
建議采用加工設(shè)備： 機(jī)器人水刀(六軸控制)、400MPa中小功率高壓系統(tǒng)、純水切割頭。
機(jī)身、機(jī)翼、起落架等骨架機(jī)構(gòu)件都有強(qiáng)度要求，能承載！但由于是運(yùn)輸設(shè)備，在滿足強(qiáng)度要求的條件之下又需盡可能的減輕自身重量，減少能耗。因此多采用金屬制作，常見有合金鋼、不銹鋼、鋁合金、新材料有鈦合金、碳纖維等。
建議采用加工設(shè)備：中型多功能水切割機(jī)、400MPa大功率高壓系統(tǒng)、五軸切割頭。
門窗、內(nèi)隔屏：
飛機(jī)、高速機(jī)車、船舶、汽車的門上、窗戶、內(nèi)隔屏等都采用玻璃和夾膠玻璃制成。
建議采用加工設(shè)備：中、小型切割機(jī)、300MPa、400MPa小功率高壓系統(tǒng)、通用水切割頭或水切割加工中心。
結(jié)束語(yǔ)
柔性超高壓水切割技術(shù)在大飛機(jī)、船舶、高速機(jī)車、汽車等制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還需我們不斷地去探索、追求和創(chuàng)新，我們堅(jiān)信隨著該技術(shù)的逐步完善及其應(yīng)用產(chǎn)品的日趨成熟，這種加工精度高、切面光潔、節(jié)能、節(jié)材、、綠色環(huán)保的新興“ 冷態(tài)切割技術(shù)”將為汽車、造船、軌道車輛、航空航天等產(chǎn)業(yè)中大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型材料、復(fù)合材料的成型加工帶來一場(chǎng)全新的工藝革命。
