楊瑜挺

摘 要：水切割技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)，但其發(fā)展卻非常迅速。在短短的幾十年中，水切割已經(jīng)用于非常多的材料加工中，成為切割加工中越來(lái)越流行的工藝。水切割雖然具有切割效率高、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但在技術(shù)方面仍存在很多問(wèn)題?；诖?，文章通過(guò)研究國(guó)內(nèi)使用水切割技術(shù)的領(lǐng)域，探討水切割技術(shù)的研究背景，進(jìn)而就水切割的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：水切割;軸聯(lián)動(dòng)加工;切割特性;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)研究背景及意義

1.1 軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)背景

當(dāng)今，高水壓切割技術(shù)在不斷地更新和完善，并開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。雖然我國(guó)的水切割技術(shù)設(shè)備在改革開(kāi)放后取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)進(jìn)步，但與德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比，仍然存在較為明顯的差距，主要體現(xiàn)在以下方面。

在軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)領(lǐng)域，自主研發(fā)能力薄弱，自主生產(chǎn)力水平較低;國(guó)內(nèi)軸聯(lián)動(dòng)水切割市場(chǎng)占額小，推廣力度不夠大;五軸聯(lián)動(dòng)下的水切割設(shè)備數(shù)控化程度整體較低;軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)行業(yè)技術(shù)的規(guī)范性程度缺失，整體缺乏梯度性服務(wù)。高壓數(shù)控水切割機(jī)床進(jìn)行的水切割，是利用純水或是加了顆粒材料的水去進(jìn)行噴射，以產(chǎn)生動(dòng)能對(duì)工件進(jìn)行加工。高壓水切割根據(jù)其組成，分為純水切割和磨料水切割兩大類(lèi)。

純水切割具有節(jié)能、衛(wèi)生等特性，可用于切割乳膠等軟加工材料[1-2];磨料水切割給水切割加入一些磨料，形成高壓磨料水刀，以水為介質(zhì)，使切割具有一定的沖擊性，可以加大對(duì)工件的切割力度，因此其應(yīng)用更加廣泛，其可以對(duì)熱敏感度高的鈦合金、碳纖維等材料進(jìn)行加工;水刀切割相比其他的切割方式，如線(xiàn)切割、切割鋸切割、等離子切割等切割方式，有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：水切割是當(dāng)今世界唯一一種冷態(tài)高能束加工方式。所以，其切割出來(lái)的東西沒(méi)有任何的熱損傷、熱影響，這是其最大的優(yōu)勢(shì)所在。水切割在加工過(guò)程中，并沒(méi)有使材料的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，因此，絲毫不會(huì)影響到材料的物理性質(zhì)，相當(dāng)?shù)胤€(wěn)定。水切割在切割過(guò)程中，能保持切割工件表面的清潔及完整性，而且其切割過(guò)程不發(fā)熱、不冒煙，不產(chǎn)生煙霧和粉塵等[3]。

相對(duì)于由三個(gè)軸組成的三軸水切割系統(tǒng)，由于在水噴射出去時(shí)具有梯度的消耗性以及水的發(fā)散和匯集作用，導(dǎo)致其具有切割空間的局限性。當(dāng)需要切割的面越深時(shí)，即切割面距離噴嘴越遠(yuǎn)時(shí)，水刀對(duì)工件的切割能力就會(huì)下降一定的程度，導(dǎo)致割出來(lái)的切割面并不垂直于工件的表面，產(chǎn)生一個(gè)傾斜程度。可以通過(guò)一些量的改變，如降低水切割時(shí)的速度或者提高水的能量，來(lái)降低水刀在進(jìn)行切割時(shí)的偏斜程度。為了解決切割不垂直度的問(wèn)題，五軸聯(lián)動(dòng)的水切割技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，除了X、Y、Z軸，還有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)擺動(dòng)軸。通過(guò)刀具中心點(diǎn)控制的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)水刀向任意方向的移動(dòng)，這運(yùn)用了RTCP技術(shù)（即“Rotational Tool Center Point”），即“旋轉(zhuǎn)刀具中心”[4]。

從而使水切割產(chǎn)品能夠無(wú)斜度切面或形成指定角度的切面。旋轉(zhuǎn)軸可以指定為任意A軸、B軸或者C軸。其次，旋轉(zhuǎn)軸顧名思義，是可以進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)的一個(gè)軸。擺動(dòng)軸即是定義完一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸后，以剩下兩個(gè)軸中的一個(gè)作為擺動(dòng)軸。擺動(dòng)軸顧名思義，就是像鐘擺一樣，只能在固定的角度內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，而不能像旋轉(zhuǎn)軸那樣進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)的一個(gè)軸。五軸聯(lián)動(dòng)加工具有高效能、高精準(zhǔn)度的特點(diǎn)，五面體的加工只需一次的裝夾即可完成。如果運(yùn)用高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)與之配合，還可以對(duì)復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行高精度加工。

1.2 軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)研究的意義

水射流切割技術(shù)在生活中應(yīng)用廣泛，其運(yùn)用過(guò)程往往結(jié)合一些常用的算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等。目前，國(guó)內(nèi)的軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)相比國(guó)外，還是有非常大的差距。國(guó)外已經(jīng)擁有五軸或六軸聯(lián)動(dòng)水切割技術(shù)，在高精度儀器的控制下，誤差最多只有發(fā)絲般粗細(xì)，可見(jiàn)其精度之高。相比國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)的多軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)床，由于起步晚、發(fā)展慢、工藝技術(shù)落后等原因，現(xiàn)今還是以三軸水切割數(shù)控機(jī)床為主流機(jī)床，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)水切割數(shù)控機(jī)床技術(shù)的開(kāi)發(fā)及運(yùn)用所見(jiàn)甚少。水切割技術(shù)作為一種高新技術(shù)，是切割領(lǐng)域一次新的革命[5]，有著等離子切割等切割方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：

切割材料范圍很廣;可以切割大多數(shù)材料，如易熱變形的鈦合金、碳纖維材料等。切口光滑平緩，不會(huì)產(chǎn)生毛刺感，以及梯度性加工誤差等。

冷態(tài)加工：因?yàn)槠洳捎盟蚰チ匣旌显谝黄鹎懈?，加工中不發(fā)熱也不冒煙，能保持材料的性質(zhì)不發(fā)生化學(xué)變化。與傳統(tǒng)切割相比，具有更驚人的切割效果。

節(jié)能環(huán)保：用水作為工具，不僅成本低，而且還能節(jié)約資源。

無(wú)需更換刀具：不需要更換切割機(jī)裝置，一個(gè)噴嘴就可以加工不同類(lèi)型的材料和形狀，節(jié)約成本和時(shí)間。

切割迅速，精確度高：水刀切割能力強(qiáng)，所以在移動(dòng)時(shí)可以很迅速。除此以外，水刀的切口細(xì)，可以加工很精密的零件，精確度高。

若國(guó)內(nèi)成功研制出五軸聯(lián)動(dòng)水切割數(shù)控機(jī)床，將有利于國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)的形成與發(fā)展。而且低成本、低耗能的方式，還能為環(huán)保事業(yè)做出一份貢獻(xiàn)。五軸聯(lián)動(dòng)水切割技術(shù)減少了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)，直至生產(chǎn)出來(lái)的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，能夠有效控制廢品率，提高勞動(dòng)者的勞動(dòng)創(chuàng)造能力，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。并且，國(guó)際上把五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)作為衡量一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的一個(gè)標(biāo)志性里程碑。

2 軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 軸聯(lián)動(dòng)水刀切割技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)為一體，可以應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。多軸聯(lián)動(dòng)水切割的高壓水流具有極強(qiáng)的切割能力，其速度能達(dá)到聲速的數(shù)倍。而且通過(guò)在其中添加砂子等磨料，可以使其切割能力倍增。水刀切割可以對(duì)任何材料進(jìn)行任意曲線(xiàn)的一次性切割加工，而且在切割時(shí)不產(chǎn)生熱量和有害物質(zhì)，材料無(wú)熱效應(yīng)（冷態(tài)切割），切割后不需要或易于二次加工。

由于能量梯度的作用，激光、氣體等離子、射流切割手段在切面越深時(shí)（距噴嘴越遠(yuǎn)），切割能力越差，因此所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被稱(chēng)為切割斜度，這是所有切割手段的一個(gè)固有缺陷。雖然通過(guò)提高切割能量或降低切割速度，可以部分減小切割斜度，但依然存在不能完全垂直切割的問(wèn)題。

1997年，可傾斜切割頭想法誕生了。這應(yīng)該是目前以來(lái)解決切割斜度，提高精準(zhǔn)度最直接有效的方法。其原理是，通過(guò)在原先三軸平臺(tái)的基礎(chǔ)上再增加1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和1個(gè)擺動(dòng)軸，就可以使刀頭可向任何方向擺動(dòng)。并利用之前設(shè)計(jì)好的模型，通過(guò)對(duì)切割軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，再根據(jù)被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割過(guò)程中不斷地?cái)[動(dòng)切割頭，使得切割出來(lái)的工件達(dá)到完美的無(wú)斜度狀態(tài)。這種技術(shù)被稱(chēng)作動(dòng)態(tài)水刀切割技術(shù)。

1936年，水切割技術(shù)誕生，美國(guó)和前蘇聯(lián)工程師將水進(jìn)行增壓，形成高壓水射流，利用高壓能采煤、采礦;1950年，被稱(chēng)為水刀之父的Norman Franz博士成為研究超高壓水刀切割工具的第一人，其將重物放到水柱上，利用很小的噴嘴使水流通過(guò)，因此獲得了很短暫的高壓水射流。低壓水通過(guò)高壓水泵的作用變?yōu)楦邏核ㄟ^(guò)高壓管從切割噴頭射出來(lái)。因?yàn)樾枰邏荷涑觯运兜目趶胶苄?，水刀噴嘴一般是用高?jí)硬質(zhì)合金、寶石、金剛石等制成。水流噴出的速度是聲速的幾倍，這種高壓水流具有極強(qiáng)的切割能力。動(dòng)態(tài)水刀能以更快的速度切割出更高品質(zhì)的切割面。動(dòng)態(tài)水刀切割過(guò)程的核心是復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，如射流的偏斜、水箭中射入及射出位置的相對(duì)關(guān)系等變數(shù)。切割路徑由數(shù)學(xué)模式計(jì)算得出，切口斜邊可被消除。即使在高速下也可以產(chǎn)生完美的轉(zhuǎn)角和弧線(xiàn)。1979年，Mohamed Hashish博士在普通水刀中添加礫砂料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以大大加強(qiáng)水切割的切割能力，幾乎可以切割任何的材料。到了1983年，產(chǎn)生了世界上第一套運(yùn)用于商業(yè)化的加砂水刀切割系統(tǒng)，現(xiàn)在被用于玻璃的切割。

2.2 軸聯(lián)動(dòng)下水切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

近些年，國(guó)內(nèi)水切割技術(shù)在吸收世界先進(jìn)水切割技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，努力學(xué)習(xí)和發(fā)展新技術(shù)，并將其應(yīng)用于新的領(lǐng)域。五軸數(shù)控加工水切割技術(shù)由于涉及水刀在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比三軸機(jī)床復(fù)雜得多。所以五軸聯(lián)動(dòng)水切割技術(shù)說(shuō)起來(lái)容易，但在現(xiàn)實(shí)中要很好地操作運(yùn)用，卻相當(dāng)困難。關(guān)于多軸聯(lián)動(dòng)水切割的發(fā)展方向，有以下幾點(diǎn)：

需要提升國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)性功能原件的開(kāi)發(fā)能力，以滿(mǎn)足多方面化發(fā)展的需求。

由于某些水切割將磨料與水混合來(lái)加工零件，致使其維修成本較高，需要運(yùn)用創(chuàng)新思維來(lái)降低加工的成本，提升加工的質(zhì)量與效率。

擴(kuò)大加工的工藝范圍，更為廣泛地運(yùn)用多軸聯(lián)動(dòng)水切割技術(shù)。

隨著國(guó)家投入和民營(yíng)資本的執(zhí)著發(fā)展，多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)可能會(huì)創(chuàng)造出多頭同時(shí)切割等創(chuàng)新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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