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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。美國在1961年已獲得專利。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床實驗科學(xué)研究所開始深入研究。1997年的漢諾威和1999年的巴黎EMO展覽會上證明，該方法有了很大發(fā)展，且在該領(lǐng)域中的技術(shù)進步十分顯著。僅在巴黎就展出3臺大型的工作裝置，它們是Flow公司（德國）、Bystronic公司（瑞士）和Digital Control公司（法國）的。專門從事機械沖床和激光打孔機的Trumpf公司（德國）亦開始在研制水射流切割裝置。 水射流切割法的工藝特點 水射流切割是水射流或磨料水混合物在壓力達400MPa下，以速度達100m/s從直徑0.1mm~0.2mm的噴嘴中射出進行的切割。在磨料水切割時，射流從噴嘴通過小直徑（約1mm）硬質(zhì)合金噴管噴出，并借助于在噴管入口噴射，從專用料斗中吸入磨料粉。水射流的動能將傳給磨料顆粒，從而從被切割毛坯上去除微屑。這時，實際上在毛坯上完全沒有熱和力的作用，故切口表面不變形，且無毛刺及材料的組織畸變。 當(dāng)切割功率達30kW以上時，工作頭可用手或機器人的夾持裝置自由握住。機器人的微處理器數(shù)控裝置可在空間任意角度下實現(xiàn)切割。 水射流裝置可切割板料、直角、打小孔、開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開始。切口寬度較小（在水切割時為0.1mm~0.3mm，在磨料水切割時為1mm~1.5mm），從而可節(jié)約材料，降低能耗。工藝過程具有柔性的生態(tài)潔凈的特點，通常可用于完成要求快速重調(diào)設(shè)備的單件訂貨。各種方法切割板料的評定結(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）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)代計算機裝備水射流切割裝置，可利用大量數(shù)據(jù)庫優(yōu)化切割過程（其中包括實時優(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，其中包括機器人配套的形式、帶回轉(zhuǎn)工作臺的形式等，但應(yīng)用廣的是移動龍門架或固定龍門架的布局。 在一系列移動龍門架的裝置內(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軸移動具有足夠快速動作的恰服裝置時可加工管坯，其中包括非圓型面。 消除射流的余能是在工作臺下面的敞開槽內(nèi)進行的，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、水力渦旋機等進行定期清理。 毛坯定位用的工作臺可用耐蝕板、金屬絲網(wǎng)、磨尖的銷釘做成格子形狀來制成；工作臺表面可用散粒材料等形成。類似工作臺十分昂貴，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，其優(yōu)點是由正方形（120mm×1200mm）網(wǎng)絡(luò)形成的堅固的框架，深淀箱由耐蝕鋼做成，傳動裝置配置在框架的外廓尺寸內(nèi)，設(shè)有控制零點的終點開關(guān)，維護區(qū)安排在框架的長度一側(cè)，裝載區(qū)可完全敞開，網(wǎng)絡(luò)元悠揚可更換，框架具有很高的承載能力。 帶移動龍門架的設(shè)備用于加工在切割過程中不好移動的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll-200型裝置，其工作臺尺寸為2m×4m。 固定龍門架的布局示例是Ingersoll-Rand公司的裝置，其工作臺尺寸為2m×3m。 當(dāng)收集器內(nèi)的射流余能被消除后，形成的泥渣將沿專用軟管排入沉淀槽。因在工作頭出口孔附近區(qū)遮蓋有專用罩，且罩與吸塵器相連，而收集器安排在距離毛坯幾毫米處，故切割過程可達到的生態(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)上較移動龍門架的布局復(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于彎曲和對收集器的偏離，切割速度存在某些限制。 工作臺的典型尺寸（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，大多采用帶滾珠絲杠傳動的機電伺服傳動裝置。沿Z軸的移動一般不超過180mm~200mm。 在建立裝置時特別注意選擇材料和傳動裝置的保護使水和塵埃不落入。在Waterjet公司的裝置上，具有耐蝕鋼小車和有預(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。傳動是由無刷交流電動機借助外擺線齒輪和拉伸強度足夠的齒形帶實現(xiàn)。沿Y坐標(biāo)的傳動關(guān)系借助鋁軸實現(xiàn)。傳動裝置預(yù)先考慮有用橡膠帶和波紋遮簾雙保護。 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、帶傳動電動機的變量泵、一個或若干個增壓器、蓄能器、液壓件、油液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（過濾和冷卻）、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動。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另一單向閥充滿高壓液壓缸進入蓄能器和工作頭。 蓄能器可緩沖液壓缸的活塞反向時的壓力波動。在工作頭入口處的壓力波動不應(yīng)超過5%。因此，在選擇蓄能器的容量時必須考慮到當(dāng)壓力400MPa時在高壓液壓缸內(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，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)計人員力圖其，但超過400MPa極限的至今尚未應(yīng)用成功。一般，P=350MPa~380MPa。問題在于當(dāng)P=300MPa時高壓液壓缸內(nèi)表面上的應(yīng)力已達到大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限（甚至在無局部應(yīng)力集中因素時）。這就要求采用高強度耐蝕鋼。此外，彈性體密封的壽命目前尚未超過500h。為減小作用在液壓缸緊固件上的軸向負荷，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0.65mm。為了提高水的流量是通過安裝輔助（第二）標(biāo)準(zhǔn)增壓器達到的實際上在所有增壓器的設(shè)計中，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：有兩個雙作用增壓器，可保持參數(shù)P和Q恒定，且不利用蓄能器；無級調(diào)節(jié)打孔壓力和工作壓力；有三級精濾水器；可觀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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