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发表于 2009-3-25 20:44:09
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来自： 中国山东聊城
水刀原理
水刀原理
% @* D( E% |; n高压密封故障会由于通过小孔（摩擦）挤出水流而产生热量，低压泄漏不会产生明显的热量。因此答案是低压。 ) K$ I% I4 f% \0 \, b/ X
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传输水和实现运动时不仅需要管子，也需要其它配件。可能需要三通、直接头、弯头、切断阀和旋转接头。 旋转接头－不同的运动形式需要不同的接头类型。 带5轴腕的三维加工工具使用旋转件实现切割刀头的运动。本特殊设备使用一个点抓器来捕捉射流。 两种类型的水刀 ) K+ W& S1 {8 ~# ]8 L+ `
; A& p. t4 j, Z: B* I
两种水刀是指纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。
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' _" H. S! }3 S3 }4 s5 m1 [. \纯水水刀 3 L' e( _' t, [* y+ N, }
; P; M, t! a5 g9 m. j% y6 b纯水水刀是最早的水切割方法。第一次商业应用始于二十世纪七十年代中期，用于切割瓦楞纸板。纯水水刀最大的应用是切割抛弃式尿布、棉纸和汽车内饰件。对于棉纸和抛弃式尿布，与其它技术相比，水刀技术在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉纸工厂中，意外停机时间对其他切割技术而言非常普遍，代价超过每小时20000美元。而水刀则为这种应用提供全年不断的连续运行－维护操作可被纳入生产过程中。 0 P+ ~- m; S. N) m* U3 `- @
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纯水水刀的特点 6 t+ T+ m: l' _" ^4 Q$ e
) b3 x. ~% }' B Z·非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸）
& f5 i4 J% y9 h$ ^4 B7 f·非常详细的几何形状 6 J4 T3 ~! L; A2 w" a: } n% c% X/ A
·非常少的材料切割损失
( b* r9 S+ G8 E& a7 D·切割时不产生热量 h# [/ ]; v: d) v
·切割厚度可以很大 ) l7 x2 D" J9 \* @
·也可切得很薄 3 O E6 H& O7 z- K$ M/ F4 k2 D
·切割速度快 " T( {+ S4 s- W/ |6 p7 E
·能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料） 6 R8 I' s- S2 E+ J; E# \6 u) U0 n
·极小的切削力 % ^$ |: o: X. } \; Y
·夹具简单
+ l) Z/ Y6 g- o$ ~& h& J·每天 24 小时的连续运行 . t$ W+ r. M& n4 Y. h7 o
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三马赫水射流的温度有多高？ 2 k! ]5 b+ r+ F. S; Z9 v
' d- ~& J7 Y3 @% G6 @- K当把水加速到高速时，水的温度会上升。随着水流出喷嘴，摩擦力和其它因素会加热水流。以进水水温为起始点。每增加1000 psi，水温升高 2 到 3 度。因此三马赫的水流的温度大约是 170 至 180 华氏度。 : ^; W6 T: w+ n
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纯水水刀切割刀头
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如前文所述，基本水刀流程包括水从帮浦流出、通过管道并从切割刀头输出。 2 `: H; _# g8 f
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在水刀切割中，材料去除过程可称为超音速侵蚀技术。除下材料微粒的不是压力，而是水流的速度。压力和速度是两种截然不同的能量形式。但帮浦的水压是如何转换成另外一种能量形式（即水速）的呢？答案是一块小巧的宝石。在管子的末端装有一块宝石。宝石中有一个很小的孔。高压水穿过这个细小的开口流出，从而把压力转化为速度。在大约 40000 psi 时，流出喷嘴的水流以 2 马赫的速度运动。在 60000 psi 下，其速度超过 3 马赫。
# Q, W$ U$ W1 w; L; d z5 ^对于普通切割，纯水水刀喷嘴的直径范围为 0.004 到 0.010英寸。用牵引车来回移动喷嘴以冲刷混凝土时，常用的是单个大号喷嘴，最大直径 1/10 英寸。 1 R" b) J# l: j8 U
8 \6 {9 Q9 x/ e# j* z" Y& [( v三种常用的喷嘴材料（蓝宝石、红宝石、钻石）各有其独特属性。蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料。它是人造单晶宝石。它的水流品质相当好；在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。在加砂水刀应用中，蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 1/2。通常情况下，蓝宝石的价格在 15 到 30 美元/块之间。 0 L4 ^1 t- T* \% o0 O4 d
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红宝石也可用于加砂水刀应用。其水流特性非常适合加砂水刀，但并不太适合纯水水刀切割。其成本与蓝宝石大致相同。 0 k/ }# _- J% |# O) _1 l3 n
- m% ^: ^$ e; K, z钻石的使用寿命长得多 （800 到 2000 小时），但价格却要高10到20倍。钻石在需要每天 24 小时连续运行的情况下非常有用。与其它类型的喷嘴不同，有时可以对钻石进行超声波清洗，并重复使用。5 p, A, k& r& C# g) a6 Q H
加砂水刀 , M& V6 D/ J9 Q% b. }( w
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加砂水刀与纯水水刀只有几点不同。在纯水水刀中，由超音速水流侵蚀材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料颗粒，然后由这些颗粒（而非水）侵蚀材料。加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地。纯水水刀可切割软质材料，而加砂水刀则切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷。使用标准参数的加砂水刀能够切割硬度等于（甚至稍稍超过）氧化铝陶瓷（常常称作矾土，AD 99.9）的材料。我们将在下面介绍加砂水刀的特点，以及加砂水刀切割刀头的工作方式。0 @# q) F; _' l6 L
加砂水刀的特点 4 m( i# w9 H6 [8 z1 z
7 {; q/ L# Z. l·极为通用的技术
" l9 T# h" V! i$ z, m" K·无HAZ . k' i9 S0 o- o% Y# T1 H
·无机械应力 # u; g" _' U d; [5 p/ p9 {5 \; v
·易于编程
5 T0 A1 Q6 i7 C- [" W& T·水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸）
- a- H3 _" o0 @( W·可切割非常复杂的几何形状
' A" j2 X, U) E, P3 J8 w+ Q; [·薄材料切割
1 Q- S n' d( C5 X. V·10 英寸厚度切割
" h# P3 j7 _4 W·堆积切割 . B s2 X2 a$ R* y7 h w6 \) A: j
·材料切割损失非常少
0 |5 I& ]4 e2 w, z- D. S W·夹具简单 5 V: C9 S' W/ x1 |, ^0 s
·切割力小（切割时低于 1 磅）
" h ]6 m% k+ `+ P3 q) q·对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次 : i$ `8 X" o. h4 e
·可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头 v% d* W, P- D; V) z
·可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀
! d* ~, m3 |+ o3 l' F+ V2 \+ p; I·减少了辅助操作
; y0 e" x) t$ l4 ?9 j·毛刺很少或无毛刺
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加砂水刀切割刀头 0 p K1 X0 c) h( H
c: f8 f# P; _5 k# s0 a# r
每台加砂水刀都包括纯水水刀。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿刀管被加速，就像步枪子弹那样。 " k( F. Z9 f) j8 F2 Z* E
9 {! i. Z+ D) w4 u5 a( a. _
加砂水刀切割所用的砂料是经专门筛选、大小一致的硬砂。最常用的砂料是石榴石。石榴石质硬、强度高并且便宜。像五金店中的粉红色砂纸一样，不同的大小用于不同的工作：
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120 Mesh－产生平滑的表面
$ w+ r9 r3 @) i- Q6 p: H, E80 Mesh－最常用，一般性用途 8 E' f& k' P4 Z T
50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些
' x5 l) p5 A& r5 x5 X- I2 _; J# b3 e/ ?& x; B) D# i0 K2 v
刀管就像步枪枪管那样加速砂料颗粒。类似喷嘴，刀管有许多不同的尺寸和使用寿命。刀管大约长 3 英寸, 直径 1/4 英寸；内径范围从 0.020 到 0.060 英寸，最常用的是 0.040 英寸。
9 F2 B/ i6 G3 X9 v尽管加砂水刀设备常常被视为操作简单的可靠设备，刀管需要得到操作员的关注。水刀技术的主要进展就是发明了寿命很长的刀管。不幸的是，长寿命刀管比以前的碳化钨管脆弱得多。如果切割刀头碰到了夹具、重物或目标材料，刀管有可能破裂。破裂的管子无法修复。目前，最先进的系统配有防碰撞探测装置，以保护刀管。5 y: A6 w9 Z+ C# q/ `
刀管与目标材料的间距通常为 0.010 到 0.200 英寸。间距较大时（大于 0.080 英寸）会导致零件切割边缘出现雾化。很多水刀系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。 2 X6 E) t9 x8 \+ k/ M4 ]) P
7 _8 F: e- L; \% j( n; i1 L3 P1 w加砂水刀切割中的耗材是水、砂料、喷嘴（通常是红宝石）以及刀管。砂料和刀管是加砂水刀所独有的材料。其它耗材也可用于纯水水刀。
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6 y/ o" y- e8 z4 ?( u8 b设备运作 : P9 q* e$ z: } x
) m' _# M8 j5 Y" ?水刀运动设备或机床有许多不同的类型和配置。除实现运动外，机床还必须包含用于固定切割材料、捕捉射流、并收集水和碎屑的装置。 ) j4 W, q! m0 @( k2 y* u1 Y
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固定式和1维设备
* l3 k. ?' d/ _( G5 }4 }" t; L. B固定式水刀是最简单的一种设备。它看起来像一台锯刀，通常用于航天工业中复合材料的修整。像操作锯刀一样，操作人员让进料穿过水流。材料被切割后，收集槽会收集水流和碎屑。通常情况下为纯水水刀，但有些固定式水刀设备配有加砂水刀。 * @3 r9 Y# s7 M# c* V# @- H1 ]
& Q7 h2 A( Y# v: Q: l固定式设备的另一种类型为纵切机。向机器送入产品（例如纸）时，产品会被水刀切割成特定宽度。单轴移动式设备的另一种类型为横切机。横切机通常与纵切机一起使用，尽管它不是真正的固定式设备。当横切机切割通过其下方的产品时，纵切机将产品切割成特定宽度。纵切机和横切机常常一起配合工作，因此材料被切割成像自动售货机中布朗尼蛋糕那样的网格图形。
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一般不建议手动操作加砂水刀（用手移动材料或切割刀头）- 按特定速度用手移动是很困难的。大多数制造商不建议手动操作加砂水刀或提供报价。只有在保证操作员安全的特定条件下，才能手动操作加砂水刀。! b: E7 G. E; t
用于二维切割的XY工作台
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/ g" d7 o: \; O/ W. @XY工作台有时称作“扁材设备”，是最常见的一种水刀运动设备。这些设备使用纯水水刀切割衬垫、塑料、橡胶和泡沫。加砂水刀利用这种工作台来切割金属、复合材料、玻璃、石材和陶瓷。任何可能的扁平图样设计都可在工作台上切割。加砂水刀和纯水水刀工作台的尺寸范围在2 x 4英尺至30 x 100英尺之间。XY工作台的基本组件为： 4 D, f7 f; _" R$ j( W" E
+ {; S) C" i, d2 v
由CNC或PC控制 ) b8 s b& }8 o$ u
伺服马达，通常采用死循环回馈以确保位置和速度的一致性 & I9 r& I$ G9 K4 |6 j
基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动
1 |+ g1 | L. t! A5 S2 e+ b* N桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠 ( J' d( T; W6 x9 L5 l
收集槽，带有材料支架 7 Q4 E* t# U/ Q6 K
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提供许多不同的设备类型，但有两种截然不同的类型居于统治地位，即龙门式切割机和悬臂式切割机。
m0 d" T) e0 o& W, r扁材设备（通常称作XY工作台）具有多种配置以满足特定应用。有些是小型精密设备，其它则是大产量设备。 龙门式切割机有两条基轨和一座桥架。悬臂式切割机有一条基轨和一个钢性桥架。在下图中，绿色的桥架向一个方向移动，而红色箭头（表示切割刀头）向另一个方向移动。所有设备的切割刀头高度都可调节（切割刀头高度由Z轴控制）。可通过手动曲柄、电动螺旋机构或完全可编程伺服螺旋机构调节Z轴。" F- A0 }& X' p
材设备上的收集槽通常注满水，并且带有栅条或板条以支承工件。在切割过程中会缓慢消耗这些支承材料。如果收集槽中沉积了废料，可进行自动清洁；也可选择手动清洁来定期清空收集槽。 ; h2 k u6 G1 ? ` }$ G
; P. G1 m) n r6 l: L
所有XY工作台都具有下列方面的重要规格，这代表（但并不确保）您的设备的性能。 4 f; t: D# @% ~$ j: K8 V4 M
$ I7 I5 x, r( c; s以下是水刀机床运动规格的简要说明，通常出现在报价单和文献中：
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包线尺寸 ( ?) B; H0 {2 G: y: y$ e; ?/ Z
每根运动轴的行程长度。在纯水水刀或加砂水刀设备上，扁材切割的常用尺寸为2x3x0.3米或约6x10x1英尺。为便于装载厚板，并考虑到夹持情况以及粗加工板尺寸的变化，收集槽通常要比行程长度和宽度至少大6英寸。 $ ?, w/ H: A y- ?* `2 E9 T4 C3 r
% W. B s0 o5 Y- ]9 r% e6 m6 h
直线定位精度 1 K& A% S( ~, i
7 q3 M( b$ D0 P: R0 `
测量机器移动时的精度。从一点到另一点，每次测量一根轴。此处未考虑速度因素。
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9 @$ {0 M/ n5 P& h5 k( y, T5 Q5 e机器的重复精度
0 k8 L# g/ S. K- T& R8 S1 D6 n$ X( S2 Q% a
机器返回某点的能力。 + ^0 O ?$ Y4 p
0 u/ z$ |7 B W5 Z! D% R) v
最快移动速度
. o! B* X) ?. L# m( _
- I% @- S( J" Y# z2 A最快移动速度是设备在不进行切割的情况下移动时的最高速度。控制系统仅需向驱动马达发送信号：“朝那个方向尽快移动”。在快速移动期间，机器运动的精度通常会受到影响。快速移动功能可用来从一条切割路径（例如一个切孔）移动到另一条切割路径（例如另一个切孔）。
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切割速度
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! ~; F( X1 o0 ^. q% q0 f机器在保持所有精度规格（即精度、可重复性、速度）的条件下移动时的最高速度。这是一项重要的规格，因为它关系到零件生产周期和精度。 |
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发表于 2009-3-25 20:43:19