水射流技术的进步帮助制造商达到更高的产能

本网编辑 Chip Burnham美国福禄国际股份有限公司副总裁 2011-04-02

通过目前的研究和发展，水射流技术已经得到提升并解决了水切割中面临的挑战——在切割叠合板材中提高了切割速度、产品的精度与公差。

近年来，超高压水射流技术在世界范围内已连续快速成长为主要的机床加工技术。众多的制造商认可了水射流加工的通用性和易操作性。但是作为一种机床加工工艺，水射流也因在工件上的切割痕迹而受到限制。例如，铣削机床因为铣刀的每一次旋转在工件表面重复留下微小切削痕迹，在相同的转速条件下，铣刀的进给量越大，切痕的间距越大且越明显。等离子切割会留下热灼边，从等离子弧转移到工件的热量越多，工件表面的热破坏越严重。对于水射流而言，因水箭的弯曲而导致的切割工件的几何误差是水刀切割痕迹。此外，对水射流的最多的要求是机床的切割速度更快，这可转化为较低的切割成本和更高的机床产能。

每一种机床加工技术都在持续发展并改善自身的不足。新的进步是重要和值得期盼的。回顾机床的历史，重大的技术进步往往导致制造界的巨大飞跃。例如，数年前的二氧化碳激光功率跃升到1.5 kW并加入特殊的辅助气体改善性能后，应用得到了飞跃发展。在1970年基于电火花EDM技术的线切割加工工艺发展后，EDM (放电加工)得到了巨大的增长并普及。水射流技术改进也实现了极大的进步。应客户和制造业界对部件生产成本及效益的需求，美国福禄国际股份有限公司最近推出的动态水刀(DynamicWaterjetTM)是一项革命性的新型水射流切割工艺，速度比以往的平板切割机床提高4倍，同时进一步提高了产品品质。

动态水刀(Dynamic WaterjetTM)

动态水刀是一个可倾斜的切割头的切割系统，用以在较高的速度条件下生产更精密的部件。换言之，水箭不再机械地与平板的平面保持90.，而是根据材料和工件的要求自动地倾斜。由控制关节的软件驱动，动态水刀是一套包括复杂的动力学、高速三维动作和成熟软件组成的非常先进的系统。动态水刀操控着水箭的接触角度，使传统的二维切割系统所产生的几何误差得到补偿。实际上，动态水刀是设置于平面机床上的小型三维“关节”，其成效如下：

●部件的切割速度比传统的平板切割机床快25%～400%。

●每个部件的成本减少25%～400%。

●消除切割斜度。

●水射流实现厚板精密切割。

简单地说，动态水刀的切割头被倾斜了少许角度补偿所有的切割斜边，以便达到部件良好的切边品质。由于切入角和射出点的改变，确保水流无论在材料中的要求如何，都可以以最小的速度损失产生精确的切角，内角的品质得到了改善。旋转角度后水箭成弧线，在切割中消除了锥形现象。

动态水刀如何改善切割工艺

水射流加工类似于“集束”加工。当切入材料时，集束失去能量，水流开始产生滞后(水箭的射出点滞后于射入点)。加砂水刀(磨料射流)的切割是一个柔性的过程，切入材料的水箭会产生弯曲和偏转。当水箭从材料的左边向右边移动时，在材料上的射出点

滞后于射入点(图1 )。操作的切割速度越快，滞后量越大。这种滞后量造成了工件内角的重大误差。例如，如果你要以接近最高的切割速度在一块整料上切割四方窗型，内角便会有严重缺损。图2显示了这种缺损的实例。在标准的2轴机床中，解决这种误差的惟一方法便是在水箭接近和离开转角时降低机床的运行速度。PC-based控制软件可帮助水箭在转角处减速，使内角的缺陷最小化，但是却损失了加工时间。另一类与水流滞后相关的缺陷是锥形效应(图3)。当加砂水刀(磨料射流)进行圆弧或转角运行时，水流滞后会产生锥形。水箭的运动速度越接近最大值，锥形效应越大。

还有一类由射流导致的缺陷是“V”型坡口(图4)，有时也称为斜边。当在材料中运行时，水箭损失了能量。与水流滞后十分相似，切割速度越接近最大值，坡口的斜度越大。例如，如果以7 in/min的速度切割1 in的钢板，在此特定的材料和厚度条件下机床以相对的高速运行，坡口斜度大约为单边0.009 in(切入口径为0.040 in，切出口径为0.022 in)。为减小坡口斜度，必须降低喷嘴的运行速度。在加砂水刀(磨料射流)切割精密部件时，此类坡口斜度通常是最难以控制的缺陷。如果选择很慢的切割速度(通常为最快速度的15%～20%)，加砂水刀(磨料射流)切割1 in(或以下)厚度的工件精度可达±0.003 in。这意味着如果机床可以100 in/min的最大速度切割材料，但为了消除坡口斜度，切割速度必须降低到15 in/min。