水刀原理（上）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承,水刀 简介 在削减成本的努力中，工程师和制造部门始终需要寻找新的优势。水刀技术向您提供了多种独一无二的功能和优点。深入了解水刀技术，将使您有机会利用这些节省成本的切割设备。 除低成本切割外，水刀还被认为是世界上功能最多样、增长速度最快的加工技术（根据 Frost & Sullivan 和Market Intelligence Research公司的报告）。水刀在全球范围内广泛用于高产量应用。它与其它技术（铣床、雷射、EDM、等离子和刨床）相辅相成。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或机械变形。它是一种真正的多功能 、高效率冷切割技术。 水刀已经证明自己可以完成其它技术无法处理的工作。从在石材、玻璃和金属上切割极薄的细节，在钛合金上快速钻孔，切割食品、直至对饮料和溶液进行杀菌消毒，水刀已经证明了它独一无二的价值。 水刀的历史 Norman Franz 博士一直被公认为水刀之父。他是研究超高压（UHP）水刀切割工具的第一人。超高压的定义是高于 30000 psi。Franz 博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。1950 年，Franz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。 Franz 博士从没制造出一种量产的木材切割器。而今天木材切割却是超高压技术最不重要的应用之一。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量－这种能量的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。 1979 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。 他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。凭借这种方法，水刀（含有砂料）能够切割几乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。 高压水的产生 基本技术既简单又复杂。在最基本的情况下，水从泵流过，经过管道，然后从切割刀头流出。其说明、操作和维护都很简单。但是，这一过程包含非常复杂的材料技术和设计。为了生成和控制 60000 psi 的水压，需要书本上没有的科学技术。在这种压力下，如果设计不当，微小的泄漏有可能对工件造成永久的侵蚀性损害。幸运的是，水刀制造商采用了复杂的材料技术和先进工程设计。用户只需了解基本的水刀操作知识即可。 从本质上讲，有两类水刀：（1）纯水水刀和（2） 加砂水刀。设备设计为只能使用纯水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。无论何种形式，必须首先对水加压。 泵 泵是水刀系统的核心成员。对水进行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水刀应用可以采用两种泵－增压泵和直接驱动泵。 直接驱动泵 直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。它是一种直接由电机驱动三个活塞产生运动的三级泵。因为其简单可靠，这些泵得到了水刀工业的认可。到本文发稿时为止，直接驱动泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低 10％ 到 25％（直接驱动泵为 20K 到 50K 、增压泵为 40 K 到 60K ）。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242150403264.bmp[/img]直接驱动泵也是一种相对新型的高压泵 (上世纪八十年代后期开始上市）尽管直接驱动泵被用于某些工业应用，目前绝大多数用于水刀的超高压泵还是增压泵。 增压泵 普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。 水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和减震器。用入口水过滤系统过滤普通自来水－通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是 90psi－保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至 60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前，会首先流经减震器。这个大容器缓冲了压力波动，确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有减震器，将能够看到并听到水流脉动，在被切割材料上留下印记。 液压管路包括电机（25 到 200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压帮浦从油箱吸油，并把压力升高至 3000 psi。高压油被输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作（通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242150545991.bmp[/img]典型的增压泵装置。本装置设计为独立式，而非整合到运动设备中增压泵体现了先进的帮浦技术。正如水管路的说明所描述的那样，增压泵把过滤后的自来水加压到 60000 psi。利用的是“增压原理”。 液压油被加压至 3000 psi（举例）。由液压油推动活塞。柱塞的表面面积比推水一侧的活塞面积小 20 倍。因此，3000 psi 的油压就被增压 20 倍，产生 60000 psi水压。“增压原理”改变压力方程中的面积变量，从而增强或增加压力。 压力＝力/面积 如果力 ＝20、面积＝20， 那么压力 ＝1。如果保持力不变而大幅减少面积，则压力将升高。例如，把面积从 20 降到 1，压力将从 1 增至 20。在下列示意图中，小箭头表示 3000 psi 的油压，它推动的活塞面积是柱塞表面面积的 20倍。因而增压比是 20：1。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242151042180.bmp[/img]在下列说明中用圆圈圈出了活塞和柱塞。活塞带有小箭头，表示向左移动。两个水柱塞从活塞的两侧延伸出去。高压水从左侧流出，而低压水从右侧注入。在行程的终点，活塞/柱塞组件的次序被颠倒。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242151229467.bmp[/img]复杂的止回阀保证低压和高压水只向一个方向流动。容纳柱塞和活塞系统的高压油缸和端盖经过特殊设计，足以承受巨大的力和持久的疲劳。 使用 10：1 的增压比和 3000 psi 的油压，形成的水压是多少？ 形成的水压将是液压油压的 10 倍。因此答案就是 30000 psi。 整个装置的设计注重延长寿命，同时采用防故障方式设计。水刀系统的故障是逐步渐进的，而非立即发生。通过专门设计的泄水孔，密封和接头慢慢开始泄漏。操作员或维护人员能看到泄水孔慢慢出现滴水。滴水的量和位置代表何时需要维护。通常情况下，通过观察这种逐步渐进的泄漏，维护人员能够确定 1 到 2 周内需要定期维护的密封或止回阀。帮浦装置还得到警告和关机传感器的监测，以进一步防止帮浦的损坏。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242151334464.bmp[/img]增压泵的故障排除工作相当简单。泄水孔流出热水表示高压泄漏，冷水则表示低压泄漏。在实际图片中，红色表示热水或温水水滴，蓝色表示冷水。 高压泵产生水压后，高压管道把水传送给切割刀头。除了传输高压水外，管道也帮助切割刀头实现自由运动。高压管道最常见的形式是特种不锈钢管。管道有不同的规格，用于不同的用途。 1/4 英寸钢管－因为其具可绕性，这种管道常常被用作运动设备的管材。不用于长距离输送高压水（例如从泵到运动设备的底座）。10 到 20 英尺长的管子被用于向 X、Y 和 Z 轴运动供水（称为高压抽动）。它容易弯折。也可把这种管子盘成圈（长距离输送时管圈能提供更大的可绕性）。 3/8 英寸钢管－常用于从泵向运动设备底座输送水。可以弯折。通常不用作运动设备的管材。 9/16" 钢管－常用于长距离输送高压水。其内径大可降低压力损失。需要使用很大的泵时，这种管子非常有用（需要传输的高压水的量越多，潜在压力损失就越大）。此管不可弯折。弯角处需要使用接头（三通、弯头等）。 如果冷水慢慢从增压泵端盖泄漏出来，您看到的是低压还是高压密封故障？ 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。 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。 [img]http://www.jinkouzc.com/0903242151433581.bmp[/img]旋转接头－不同的运动形式需要不同的接头类型。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242151523817.bmp[/img]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 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。 纯水水刀 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。 纯水水刀的特点 ?非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸） ?非常详细的几何形状 ?非常少的材料切割损失 ?切割时不产生热量 ?切割厚度可以很大 ?也可切得很薄 ?切割速度快 ?能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料） ?极小的切削力 ?夹具简单 ?每天 24 小时的连续运行 三马赫水射流的温度有多高？ 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。 纯水水刀切割刀头 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。 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242152039327.bmp[/img]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。 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。 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。 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242152157954.bmp[/img]加砂水刀 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242152264617.bmp[/img]加砂水刀的特点 ?极为通用的技术 ?无HAZ ?无机械应力 ?易于编程 ?水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸） ?可切割非常复杂的几何形状 ?薄材料切割 ?10 英寸厚度切割 ?堆积切割 ?材料切割损失非常少 ?夹具简单 ?切割力小（切割时低于 1 磅） ?对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次 ?可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头 ?可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀 ?减少了辅助操作 ?毛刺很少或无毛刺 加砂水刀切割刀头 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。 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： 120 Mesh－产生平滑的表面 80 Mesh－最常用，一般性用途 50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242152389112.bmp[/img]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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242152488431.bmp[/img]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。 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。 设备运作 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。 固定式和1维设备 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。 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。 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242153009291.bmp[/img]用于二维切割的XY工作台 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： 由CNC或PC控制 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 基本装置，带有线性滑轨、okb轴承座和滚珠丝杠驱动 桥式装置，也带有滑轨、okb轴承座和滚珠丝杠 收集槽，带有材料支架 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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242153139540.bmp[/img]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。[img]http://www.jinkouzc.com/0903242153236993.bmp[/img]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。 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。 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：包线尺寸 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。 直线定位精度 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。 机器的重复精度 机器返回某点的能力。 最快移动速度 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）。 切割速度 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。【MechNet】

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