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| 水射流切割工藝介紹 |
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| 加工材料的方法之一是用高壓液體射流切割。美國(guó)在1961年已獲得專(zhuān)利。但是，在俄羅斯次發(fā)表這題目是在40年代中期。而在80年代末才由莫斯科金屬切削機(jī)床實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所開(kāi)始深入研究。1997年的漢諾威和1999年的巴黎EMO展覽會(huì)上證明，該方法有了很大發(fā)展，且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步十分顯著。僅在巴黎就展出3臺(tái)大型的工作裝置，它們是Flow公司（德國(guó)）、Bystronic公司（瑞士）和Digital Control公司（法國(guó)）的。專(zhuān)門(mén)從事機(jī)械沖床和激光打孔機(jī)的Trumpf公司（德國(guó)）亦開(kāi)始在研制水射流切割裝置。 水射流切割法的工藝特點(diǎn) 水射流切割是水射流或磨料水混合物在壓力達(dá)400MPa下，以速度達(dá)100m/s從直徑0.1mm~0.2mm的噴嘴中射出進(jìn)行的切割。在磨料水切割時(shí)，射流從噴嘴通過(guò)小直徑（約1mm）硬質(zhì)合金噴管?chē)姵?，并借助于在噴管入口噴射，從?zhuān)用料斗中吸入磨料粉。水射流的動(dòng)能將傳給磨料顆粒，從而從被切割毛坯上去除微屑。這時(shí)，實(shí)際上在毛坯上完全沒(méi)有熱和力的作用，故切口表面不變形，且無(wú)毛刺及材料的組織畸變。 當(dāng)切割功率達(dá)30kW以上時(shí)，工作頭可用手或機(jī)器人的夾持裝置自由握住。機(jī)器人的微處理器數(shù)控裝置可在空間任意角度下實(shí)現(xiàn)切割。 水射流裝置可切割板料、直角、打小孔、開(kāi)窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非導(dǎo)熱材料）。 切口可從制件表面的任意點(diǎn)開(kāi)始。切口寬度較?。ㄔ谒懈顣r(shí)為0.1mm~0.3mm，在磨料水切割時(shí)為1mm~1.5mm），從而可節(jié)約材料，降低能耗。工藝過(guò)程具有柔性的生態(tài)潔凈的特點(diǎn)，通?？捎糜谕瓿梢罂焖僦卣{(diào)設(shè)備的單件訂貨。各種方法切割板料的評(píng)定結(jié)果列于表1（根據(jù)Flow公司的數(shù)據(jù)）。
表1 各種切割方法的比例 主要工藝參數(shù)是生產(chǎn)率或切割速度V。對(duì)大多數(shù)水射流裝置：V=0.001m/min~12m/min，切割精度±0.1mm。表2列舉出了Flow公司關(guān)于磨料水切割各種材料的速度與毛坯厚度有關(guān)的數(shù)據(jù)。表3中列出了Ingersoll-Rand公司（德國(guó)）關(guān)于水射流切割速度的數(shù)據(jù)。
表2 不同毛坯厚度的切割速度
表3 Ingersoll-Rand公司采用的切割速度 由于采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)裝備水射流切割裝置，可利用大量數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化切割過(guò)程（其中包括實(shí)時(shí)優(yōu)化），和解決裁料的優(yōu)化任務(wù)，故本方法的工藝性可顯著擴(kuò)大。布局方案 水射流設(shè)備的布局目前有各種方案，其中包括機(jī)器人配套的形式、帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的形式等，但應(yīng)用廣的是移動(dòng)龍門(mén)架或固定龍門(mén)架的布局。 在一系列移動(dòng)龍門(mén)架的裝置內(nèi)[例如Bystronic、Waterjet公司（意大利）]預(yù)先考慮有輔助角坐標(biāo)。當(dāng)工作頭沿Z軸移動(dòng)具有足夠快速動(dòng)作的恰服裝置時(shí)可加工管坯，其中包括非圓型面。 消除射流的余能是在工作臺(tái)下面的敞開(kāi)槽內(nèi)進(jìn)行的，從而使生態(tài)環(huán)境變壞。槽內(nèi)泥渣必須借助刮板傳送帶、螺旋輸送機(jī)、水力渦旋機(jī)等進(jìn)行定期清理。 毛坯定位用的工作臺(tái)可用耐蝕板、金屬絲網(wǎng)、磨尖的銷(xiāo)釘做成格子形狀來(lái)制成；工作臺(tái)表面可用散粒材料等形成。類(lèi)似工作臺(tái)十分昂貴，且因射流作用而磨損，故壽命較低。 在Watejet公司裝置上采用的工作臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是由正方形（120mm×1200mm）網(wǎng)絡(luò)形成的堅(jiān)固的框架，深淀箱由耐蝕鋼做成，傳動(dòng)裝置配置在框架的外廓尺寸內(nèi)，設(shè)有控制零點(diǎn)的終點(diǎn)開(kāi)關(guān)，維護(hù)區(qū)安排在框架的長(zhǎng)度一側(cè)，裝載區(qū)可完全敞開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)元悠揚(yáng)可更換，框架具有很高的承載能力。 帶移動(dòng)龍門(mén)架的設(shè)備用于加工在切割過(guò)程中不好移動(dòng)的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll-200型裝置，其工作臺(tái)尺寸為2m×4m。 固定龍門(mén)架的布局示例是Ingersoll-Rand公司的裝置，其工作臺(tái)尺寸為2m×3m。 當(dāng)收集器內(nèi)的射流余能被消除后，形成的泥渣將沿專(zhuān)用軟管排入沉淀槽。因在工作頭出口孔附近區(qū)遮蓋有專(zhuān)用罩，且罩與吸塵器相連，而收集器安排在距離毛坯幾毫米處，故切割過(guò)程可達(dá)到的生態(tài)潔凈。不設(shè)置廢水槽，可顯著減輕裝置的重量。 上述布局在結(jié)構(gòu)上較移動(dòng)龍門(mén)架的布局復(fù)雜，且在收集器內(nèi)有快速磨損的零件。此外，為了避免射流在毛坯出口上過(guò)于彎曲和對(duì)收集器的偏離，切割速度存在某些限制。 工作臺(tái)的典型尺寸（以Flow公司的裝置為例）：2m×1.5m；2m×3m；2m×4m；2m×6m；3m×2m；3m×4m和3m×6m（位數(shù)為沿X軸的尺寸）。為使工作頭沿所有軸移動(dòng)，大多采用帶滾珠絲杠傳動(dòng)的機(jī)電伺服傳動(dòng)裝置。沿Z軸的移動(dòng)一般不超過(guò)180mm~200mm。 在建立裝置時(shí)特別注意選擇材料和傳動(dòng)裝置的保護(hù)使水和塵埃不落入。在Waterjet公司的裝置上，具有耐蝕鋼小車(chē)和有預(yù)緊力的滾珠支承的鋁滑塊，滑塊沿經(jīng)拋光的耐蝕鋼導(dǎo)軌移動(dòng)。傳動(dòng)是由無(wú)刷交流電動(dòng)機(jī)借助外擺線(xiàn)齒輪和拉伸強(qiáng)度足夠的齒形帶實(shí)現(xiàn)。沿Y坐標(biāo)的傳動(dòng)關(guān)系借助鋁軸實(shí)現(xiàn)。傳動(dòng)裝置預(yù)先考慮有用橡膠帶和波紋遮簾雙保護(hù)。 水射流裝置主要參數(shù) 水射流裝置的主要部件之一是高壓裝置。它由液壓裝置箱、帶傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變量泵、一個(gè)或若干個(gè)增壓器、蓄能器、液壓件、油液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（過(guò)濾和冷卻）、供工藝水用輔助泵、精濾水器和電器控制箱所組成。 在雙作用增壓器內(nèi)，油液從1個(gè)泵經(jīng)換向準(zhǔn)備供入低壓（一般12MPa~16PMa）液壓缸內(nèi)，迫使其活塞與高壓液壓缸的活塞一起運(yùn)動(dòng)。由于低壓和高壓液壓缸活塞的工作面積之比為（20~30）：1，故可相應(yīng)提高水的壓力。因此，在0.8MPa~1MPa壓力下的工藝水可通過(guò)另一單向閥充滿(mǎn)高壓液壓缸進(jìn)入蓄能器和工作頭。 蓄能器可緩沖液壓缸的活塞反向時(shí)的壓力波動(dòng)。在工作頭入口處的壓力波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)5%。因此，在選擇蓄能器的容量時(shí)必須考慮到當(dāng)壓力400MPa時(shí)在高壓液壓缸內(nèi)水的壓縮接近20%。因蓄能器是金屬用量大的高壓容器，故在現(xiàn)代化裝置中盡可能不用它。為減小壓力波動(dòng)，在油泵的增壓油路上一般安裝容量約2.5L的蓄能器。 水射流切割過(guò)程的效率在很大程度上與工作壓力P的大小有關(guān)，因此裝置設(shè)計(jì)人員力圖其，但超過(guò)400MPa極限的至今尚未應(yīng)用成功。一般，P=350MPa~380MPa。問(wèn)題在于當(dāng)P=300MPa時(shí)高壓液壓缸內(nèi)表面上的應(yīng)力已達(dá)到大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限（甚至在無(wú)局部應(yīng)力集中因素時(shí)）。這就要求采用高強(qiáng)度耐蝕鋼。此外，彈性體密封的壽命目前尚未超過(guò)500h。為減小作用在液壓缸緊固件上的軸向負(fù)荷，密封的徑向尺寸應(yīng)小。 水射流裝置的主要參數(shù)（工藝水流量Q和傳動(dòng)裝置功率P）是根據(jù)噴嘴的直徑D和考慮到液壓系統(tǒng)的效率確定的，D一般不超過(guò)0.65mm。為了提高水的流量是通過(guò)安裝輔助（第二）標(biāo)準(zhǔn)增壓器達(dá)到的實(shí)際上在所有增壓器的設(shè)計(jì)中，均采用雙作用增壓器，并配有可控液壓換向閥。高壓液壓缸有貫穿的平滑內(nèi)孔（無(wú)應(yīng)力集中源）和帶內(nèi)置式單向閥的蓋。 Flow公司出產(chǎn)30多種型號(hào)的增壓器，其壓力為380MPa，Q=1.93L/min~12L/min。 在Bystronic公司裝置上采用的高壓裝置有下列主要優(yōu)點(diǎn)：有兩個(gè)雙作用增壓器，可保持參數(shù)P和Q恒定，且不利用蓄能器；無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)打孔壓力和工作壓力；有三級(jí)精濾水器；可觀(guān)察高壓密封狀況并可快速更換密封；足以供給若干工作頭用的功率。 |
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