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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
8 R* M& a$ _1 y( q- x! d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。 ; w- N4 b3 y, n7 W/ Y/ m7 y- x
! s i9 T% c6 L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
8 j* r. e" f/ F, L, }0 _% s: I! `8 k6 R- v7 j
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。 % r* f6 `/ G( E/ _: n+ _
+ \5 K5 P4 j# K% X- F/ e0 k' M1 d纯水水刀 - L" T* P/ P- S A$ U% B
, _& ~6 s! V0 H/ E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。 ( r0 f4 V$ ?' C( j
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纯水水刀的特点 5 T; Q3 m' ~! V) z
0 j3 R/ W! K8 Q3 D/ E·非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸）
8 F/ T3 j C: z6 Y5 I·非常详细的几何形状
: Q# c% y5 g a3 X* z' y# V4 f& r·非常少的材料切割损失 $ o7 r4 |5 F, Y/ v- E9 {
·切割时不产生热量 $ c2 z6 S4 e; I3 g
·切割厚度可以很大
& d( {2 \1 _1 ^$ a. `2 B$ I" T·也可切得很薄
9 L3 |' | Z1 e5 ^- ^3 C- k( t·切割速度快
8 B/ j" O1 [& {·能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料） 9 E' A+ O% w5 B% f8 Z, v+ c& A* e& O
·极小的切削力
% @; g; D3 l1 ]/ E9 |) F% i% l# B·夹具简单 + j. F" N- o( R8 P7 V8 f* Q
·每天 24 小时的连续运行 % w2 V/ ~: I. Y6 ]2 b& z
3 `1 |" D' e3 k三马赫水射流的温度有多高？ , c9 L* P( V+ O
& F$ k3 u0 a& @& ^: w) P/ L# }4 {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。
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纯水水刀切割刀头
& K# p4 k# g& s% G3 T5 {' B, Q! V! X X8 s; f
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。 ! I' w7 `; e1 o
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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。
( G# P6 w6 E# O, C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。 8 K* M5 j& l7 F. B8 T
9 s6 j6 b* L1 ~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。 ; b4 R. x+ {4 q0 Y" X K9 {) K
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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。 : ^& I" m; t, I" @7 ?7 ^% v
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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。
- v0 C0 V9 ~* x加砂水刀
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, c' [6 {/ @ ~8 O. V8 u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。
1 C3 R( g/ ~9 |" u8 p. P加砂水刀的特点
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·极为通用的技术 $ M9 G0 t) t }7 \2 y$ O
·无HAZ
% } W8 s+ b0 ?# l$ h) W4 K·无机械应力 5 {% P6 V' O- |- b
·易于编程 4 Y. F- s4 x! {7 q8 w7 {
·水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸） 1 C3 c9 K& `6 H/ J% G
·可切割非常复杂的几何形状
5 W. P; U/ W# P+ p! t- W+ |* n·薄材料切割
. }; G- h- O2 @9 y" g·10 英寸厚度切割
4 m+ v) z U' x·堆积切割
: D: V# c9 z. e, _) \·材料切割损失非常少 + g( x' k! y& `$ ? o* G% Z
·夹具简单
4 i* y+ N& y4 p# m# {4 z·切割力小（切割时低于 1 磅）
+ h) r2 ] j% Q# i2 ~ m" ~+ o! b·对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次
# g7 P; z& |. \& J: M+ S& ^/ \2 X9 E·可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头 " _1 Z$ d7 B2 [7 @, ~# ^
·可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀
9 d% v: J5 f* |+ W) O5 X) H" ]·减少了辅助操作 & c, r: R! M; A+ s6 f5 N' Z; w5 Q
·毛刺很少或无毛刺 0 }) {$ C! F: I6 ^, r5 X
# D$ g+ r& Q* l5 c: h
加砂水刀切割刀头
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7 w& z) R- l% R; |! M' Z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。
% `2 w+ t1 I f8 m2 ~
! d! \, Z% t' O; d+ w5 Z1 P5 w) r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：
% g0 K6 y3 o; t( w/ g
2 O( q* o1 V1 \% J120 Mesh－产生平滑的表面 ; R1 W) }: t6 v; r" Q7 z
80 Mesh－最常用，一般性用途 4 A1 H/ }; H/ z
50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些
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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。
: R } I) B; [1 T7 i4 w1 U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。
; U4 J8 d6 F, E" J0 v- n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。 & g9 h% T, r; Q2 t! W2 |
: B1 O* F2 b# t( M7 n1 ~: s# }
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。 3 \% `# T4 c$ ^3 ~# E7 A
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设备运作
3 L: D* _ D/ q5 w3 A8 p0 I, n/ I, V f1 j: _% `! R2 K
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。 * I, V& Y+ f% M1 n
# n; C0 a6 d- K a8 F1 S7 |5 E固定式和1维设备 & h( ~$ b" X" ?' D
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。 ) h& d) K: m. P: y+ i2 S8 `
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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。 0 D- f) Z" }- P8 I( j2 i, q3 A- V
3 D3 N+ k, R. S0 c X$ w0 R
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。; r% X1 j# g5 _
用于二维切割的XY工作台
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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： 0 H2 q2 B. F) T+ q& ~
' V" Y# W7 o4 V) Q1 Q2 [3 o8 [
由CNC或PC控制 ' J# j6 z: s6 j8 i. }
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 - e) S7 s6 E6 k5 r1 V. m
基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动
! o9 ~! m+ r; ?3 M I3 K' o# Q$ A& M桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠 0 a8 {6 @" O3 D7 u# i2 f
收集槽，带有材料支架 " Q5 n5 }+ l) X
0 t* t$ D$ z* O! t: @+ _9 ^4 }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。
8 L2 c M+ {$ k2 s9 d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。
% Z6 S9 T$ I& d% \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。
! t# W! X2 T6 J; }4 B, ` q2 @; V) R N2 c2 t# O% T1 `% _5 n
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。 # V/ b. K$ Q' Y+ N
9 \. n& |; P0 e
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 4 a4 b* ?. E2 Z! m$ I5 ?! `% o
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。 $ X" L/ E9 \6 Z: {1 \3 E
. g& U! r& q- x) u6 O8 W, D直线定位精度
# X, m! I% b" { J: K) V( n0 L
5 u* o% E( Z6 L" i9 \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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机器的重复精度 1 f9 Q4 `* t- s( B
' B3 L4 c! j. N7 h8 F, N机器返回某点的能力。 $ @" C+ r+ k1 A
) n/ q7 J3 W2 P# v0 }+ p最快移动速度 + w& |9 ~9 P+ p* u/ s7 [
" D5 W0 g: l! \1 v7 Y! g8 O" w$ 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）。 8 Y* ]4 X: D2 T: U; x- `
) x& @! p" Z) `$ @- N" B; b1 q切割速度 9 `8 K& y, ~2 P! X- v8 c
/ \5 R6 L* c; G: U1 i9 _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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