盧方青 潘海楠

摘要：水切割作為一種冷態(tài)切割工藝，具有高能、冷態(tài)、點(diǎn)割的特點(diǎn)，它對被切割材料沒有選擇性，切割時不會產(chǎn)生分層、無熱聚集、無熱影響區(qū)、無粉塵污染等，不會破壞材料的內(nèi)部組織，無斷點(diǎn)切割，切縫窄，無畸變，能進(jìn)行二維與三維異形切割。本文就主要對超高壓水射流切割機(jī)相關(guān)問題進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：高壓泵；數(shù)控系統(tǒng)；切割工藝

中圖分類號：C35文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一、超高壓水射流切割技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

超高壓水切割設(shè)備與工藝是近10年各國水射流行業(yè)的研究熱點(diǎn)，從歷次國際水射流會議來看，隨著水切割設(shè)備與工藝的商品化，水射流技術(shù)從鳳毛麟角發(fā)展為主導(dǎo)內(nèi)容，已滲透到許多工業(yè)領(lǐng)域。二十世紀(jì)八十年代中期，英國流體力學(xué)研究協(xié)會（BritishHydrody-namicsResearchAssociation）提出將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中。

1、航空航天領(lǐng)域，如鈦合金、碳纖維、特種夾層厚玻璃、有機(jī)玻璃、蜂窩板、陶瓷隔熱層、特種橡膠、金屬基及陶瓷基復(fù)合材料、火箭固體燃料的切割、儀表盤加工等。

2、軍事領(lǐng)域，用于切割高強(qiáng)度鋼板、裝甲板、各種特殊裝修材料，各種戰(zhàn)車的裝甲板、履帶、炮塔、保險(xiǎn)杠、火炮、槍械、防彈玻璃、車體、彈藥等。清理戰(zhàn)爭遺留的地雷和炸彈以及應(yīng)對恐怖主義、分裂勢力制造的爆炸物處理，軍用機(jī)場跑道附膠層及冰層的剝離、原子核反應(yīng)堆及廢料的切割、軍港水下結(jié)構(gòu)物及沉船的切割、軍事工事及工程的破巖等。

3、采掘業(yè)領(lǐng)域，射流切割巖石時產(chǎn)生的粉塵和摩擦火花少，使其特別適合在密閉環(huán)境，如地下開采巖石。粉塵的減少改善了工作環(huán)境，摩擦火花的減少使得采煤時引發(fā)瓦斯爆炸的可能性大大減小。針對不同硬度煤層和不同類型鉆孔擴(kuò)孔的超高壓水射流擴(kuò)孔設(shè)備能夠增加鉆孔周圍煤體的暴露面積，增大鉆孔的卸壓范圍和影響半徑，從而提高鉆孔的抽排效果。

4、汽車制造業(yè)領(lǐng)域，用于切割儀表盤、內(nèi)飾及外飾件、門板、車窗玻璃，不需要模具，可提高生產(chǎn)線的加工柔性。

5、建材工業(yè)和建筑裝潢領(lǐng)域，具有其他切割技術(shù)缺少的技術(shù)優(yōu)勢，可用于切割大理石、花崗巖、玻璃纖維、陶瓷、石棉等材料，也可切割復(fù)雜形狀的石材拼花，切割尺寸精確，無污染。可用水射流切割技術(shù)去除工件外部的氧化鋁、鑄件上的型砂及陶瓷涂層等，也可切割常規(guī)方法難以切割的灰鑄鐵件。

6、電子工業(yè)領(lǐng)域，用于印制電路板的輪廓切割，集成電路芯片制造中的晶圓切割和陶瓷拼花工藝中的切割工序等。

7、食品工業(yè)領(lǐng)域，用于切割松脆食品、菜、肉等，可減少細(xì)胞組織的損壞，增加存放期。切割食品時，“數(shù)控水刀”用數(shù)控裝置可以控制其切割速度及路線，可以最大限度地保持被切割物的營養(yǎng)成分，不會造成細(xì)菌傳播而且形狀規(guī)整。

8、造紙工業(yè)領(lǐng)域，可用于牛皮紙、波紋箱板等的分卷切條，無粉塵污染。

9、紡織工業(yè)領(lǐng)域，用于切割多層布料，提高切割效率，減少邊端損傷。水切割還廣泛應(yīng)用于服裝裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能夠節(jié)省多達(dá)18%的原材料。

10、水下切割領(lǐng)域，海底石油及固體礦藏的開采、船舶及艦艇的維修都不可避免的需要水下切割技術(shù)。超高壓水射流切割可用于水下營救和水下修理、打撈作業(yè)、水下演示取樣、石油鉆井、海上平臺拆卸、碼頭建設(shè)與維護(hù)、艦船的水下作業(yè)和海洋工程等各個場合。隨著海洋的開發(fā)和利用，超高壓磨料水射流水下切割技術(shù)必將得到快速發(fā)展。

11、有害有毒現(xiàn)場的在線切割，在地震搶險(xiǎn)和災(zāi)后重建工作中，超高壓水射流噴霧降塵和切割混凝土結(jié)構(gòu)等。水射流切割技術(shù)，特別適合于易燃易爆環(huán)境下切割工件。

二、超高壓水射流切割機(jī)的工作原理

超高壓水射流切割技術(shù)是以水作為攜帶能量的載體，通過用增壓器將水壓升到300～1000MPa并使得水通過直徑為0.1～0.6mm的噴嘴產(chǎn)生高速水射流對各類材料進(jìn)行切斷加工的一種方法。當(dāng)水射流沖擊被切割材料壓力超過材料的破壞強(qiáng)度時即可切斷材料。該加工方法分為兩類：一類是純水射流切割，它的結(jié)構(gòu)較簡單，噴嘴磨損慢，但由于切割能力較低，一般適于切割軟材料；第二類是磨料射流切割，在水中加入約90%的磨料的混合液作為能量載體，由于磨料的加入，大大提高了切割功效，并極大地拓寬了切割范圍，適于切割硬材料，但磨料加快了噴嘴的磨損，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

三、超高壓水射流切割機(jī)的硬件部分

高壓水射流切割系統(tǒng)主要由增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供砂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及廢水處理裝置等部分組成。高壓泵或增壓器是增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。往復(fù)壓縮式增壓器在液壓系統(tǒng)提供的高壓油作用下往復(fù)運(yùn)動，使得水壓上升至300～1000MPa。在增壓器與高壓水路之間裝有蓄能器。

冷卻系統(tǒng)主要用來冷卻壓縮式增壓器在往復(fù)運(yùn)動時所產(chǎn)生的熱量，避免因溫度過高而損壞增壓器的活塞。供砂系統(tǒng)主要由磨料流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和磨料切割頭構(gòu)成，其中磨料切割頭是超高壓射流切割的核心。通過計(jì)算機(jī)或人工對控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，進(jìn)而指揮各個進(jìn)給軸的移動，完成對工件的加工。廢水處理系統(tǒng)主要用來收集切割時所產(chǎn)生的廢水。

四、超高壓水射流切割機(jī)的軟件部分

控制軟件是完成超高速水射流切割機(jī)的核心之一，本控制系統(tǒng)采用VisualC++6.0開發(fā)平臺，在WindowsXP環(huán)境下運(yùn)行，憑借MFC、API及運(yùn)動控制卡所匹配的動態(tài)鏈接庫來開發(fā)的控制系統(tǒng)。軟件采用了面向?qū)ο罂梢暬幊趟枷?、多線程編程等編程技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法和自頂向下的設(shè)計(jì)理念，是一款適用于超高速水射流切割機(jī)的控制系統(tǒng)。

超高壓水射流切割機(jī)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，控制軟件主要包括位置顯示、程序編輯、系統(tǒng)配置、參數(shù)設(shè)置、偏移設(shè)置、參考點(diǎn)設(shè)置、故障診斷、自動運(yùn)行、手動操作等9大子界面。

為實(shí)現(xiàn)超高壓水射流切割機(jī)的運(yùn)動控制，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。功能模塊主要包括圖形仿真模塊、CNC代碼編輯與編譯模塊、系統(tǒng)配置模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、故障診斷模塊、自動加工模塊、手動調(diào)整模塊。

其中，圖形仿真模塊主要用來顯示程序的運(yùn)行軌跡，驗(yàn)證加工路徑的正確性。CNC代碼編輯與編譯模塊主要用來實(shí)現(xiàn)CNC代碼的手動輸入、修改等，同時將CAD圖形轉(zhuǎn)化為G代碼等操作；編譯模塊用來對CNC代碼的詞法及語義錯誤進(jìn)行檢驗(yàn)，對各程序段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成控制系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算，生成結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，為自動加工模塊與圖形仿真模塊提供數(shù)據(jù)支持。

參數(shù)設(shè)置模塊主要用來設(shè)置系統(tǒng)最大進(jìn)給速度、最大移動速度、脈沖當(dāng)量、加速度、進(jìn)給軸的回參考點(diǎn)的方向。系統(tǒng)配置模塊主要用來配置系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，運(yùn)動控制卡與控制軟件的之間的配合與優(yōu)化。故障診斷模塊主要用來檢查系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如I/O電平的高低等，系統(tǒng)提示的相關(guān)信息，方便用戶排除故障。

自動加工模塊主要是結(jié)合G代碼來對結(jié)構(gòu)體各個結(jié)點(diǎn)進(jìn)行順序讀取，仿真加工時根據(jù)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形仿真、CNC程序運(yùn)行、加工狀態(tài)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，同步加工時還要調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件的運(yùn)動函數(shù)，并對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行控制。

手動調(diào)整模塊主要用來完成各進(jìn)給軸的移動，調(diào)用動態(tài)鏈接庫運(yùn)動函數(shù)。同時完成開關(guān)量控制，如水泵、油泵、氣閥、高壓閥、砂閥等的開關(guān)控制。

結(jié)束語

總之，水射流切割技術(shù)以其諸多優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。水射流切割技術(shù)正朝著超高壓、大功率、智能化、多用途、高精度的方向發(fā)展，隨著綠色環(huán)保理念的深入人心，它的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。希望本文的分析研究對相關(guān)研究人員有一定的借鑒意義。

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