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发表于 2009-3-25 20:44:09
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来自: 中国山东聊城
水刀原理
水刀原理 , f: x* V+ R3 c! b( P$ I: q! B
高压密封故障会由于通过小孔(摩擦)挤出水流而产生热量,低压泄漏不会产生明显的热量。因此答案是低压。
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& |: H7 X9 l% {! l4 w$ _ \传输水和实现运动时不仅需要管子,也需要其它配件。可能需要三通、直接头、弯头、切断阀和旋转接头。 旋转接头-不同的运动形式需要不同的接头类型。 带5轴腕的三维加工工具使用旋转件实现切割刀头的运动。本特殊设备使用一个点抓器来捕捉射流。 两种类型的水刀
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两种水刀是指纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。 + y' V- T0 x/ h& e7 B( c2 G
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纯水水刀 # z% L' S1 A9 p! \3 G
2 T: O$ U: `2 I0 W* }5 T: T* k
纯水水刀是最早的水切割方法。第一次商业应用始于二十世纪七十年代中期,用于切割瓦楞纸板。纯水水刀最大的应用是切割抛弃式尿布、棉纸和汽车内饰件。对于棉纸和抛弃式尿布,与其它技术相比,水刀技术在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉纸工厂中,意外停机时间对其他切割技术而言非常普遍,代价超过每小时20000美元。而水刀则为这种应用提供全年不断的连续运行-维护操作可被纳入生产过程中。
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' N8 m; B- a4 J0 r+ N纯水水刀的特点 ; }; H5 X5 K B! G' \# }
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·非常细的水流(常见直径范围:0.004至0.010英寸) " }. P6 P) Y* G( X+ n' O
·非常详细的几何形状
; _ ~) p9 [% S( w3 U·非常少的材料切割损失 5 w8 N5 q( {- _& C5 ~' Y [
·切割时不产生热量 % _% n& [9 w- k) c
·切割厚度可以很大
# n' G0 [2 }4 ]% m$ g, x·也可切得很薄
1 F% a$ L h/ H* G" I7 d" S·切割速度快 6 T2 m4 S- c/ \6 {# P' K
·能够切割软、轻质材料(例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料) , I# m2 T3 c) S8 j* _4 s6 H
·极小的切削力 + v- z! W; G" @' |. d
·夹具简单
( \: t* ^9 `& Z·每天 24 小时的连续运行
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. X! r0 e/ F5 t- x, ?( o三马赫水射流的温度有多高? - F* x) o; ~" X6 ]$ n; p( q9 m7 p, k
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当把水加速到高速时,水的温度会上升。随着水流出喷嘴,摩擦力和其它因素会加热水流。以进水水温为起始点。每增加1000 psi,水温升高 2 到 3 度。因此三马赫的水流的温度大约是 170 至 180 华氏度。 " Q1 j2 {0 u; i5 ^: [
; ~4 W+ Q9 X/ t4 l3 e8 D9 C纯水水刀切割刀头
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如前文所述,基本水刀流程包括水从帮浦流出、通过管道并从切割刀头输出。 / @ d+ F/ }" H1 x( G, l( \# J- X
/ P8 H" w1 J; _: U6 w, m" L在水刀切割中,材料去除过程可称为超音速侵蚀技术。除下材料微粒的不是压力,而是水流的速度。压力和速度是两种截然不同的能量形式。但帮浦的水压是如何转换成另外一种能量形式(即水速)的呢?答案是一块小巧的宝石。在管子的末端装有一块宝石。宝石中有一个很小的孔。高压水穿过这个细小的开口流出,从而把压力转化为速度。在大约 40000 psi 时,流出喷嘴的水流以 2 马赫的速度运动。在 60000 psi 下,其速度超过 3 马赫。
[+ C: P* Q2 y+ D( s对于普通切割,纯水水刀喷嘴的直径范围为 0.004 到 0.010英寸。用牵引车来回移动喷嘴以冲刷混凝土时,常用的是单个大号喷嘴,最大直径 1/10 英寸。
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三种常用的喷嘴材料(蓝宝石、红宝石、钻石)各有其独特属性。蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料。它是人造单晶宝石。它的水流品质相当好;在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。在加砂水刀应用中,蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 1/2。通常情况下,蓝宝石的价格在 15 到 30 美元/块之间。
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9 _1 c, ]/ l2 K4 p8 ^$ {8 n红宝石也可用于加砂水刀应用。其水流特性非常适合加砂水刀,但并不太适合纯水水刀切割。其成本与蓝宝石大致相同。 5 W. S! b" z8 o% z, v" y
& \/ m1 A( p; [) ]5 S4 s钻石的使用寿命长得多 (800 到 2000 小时),但价格却要高10到20倍。钻石在需要每天 24 小时连续运行的情况下非常有用。与其它类型的喷嘴不同,有时可以对钻石进行超声波清洗,并重复使用。1 F: t1 f3 p1 q& C! }
加砂水刀
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, S6 e: W! k2 i5 ?+ V [* S W' s加砂水刀与纯水水刀只有几点不同。在纯水水刀中,由超音速水流侵蚀材料。在加砂水刀中,由水射流加速砂料颗粒,然后由这些颗粒(而非水)侵蚀材料。加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地。纯水水刀可切割软质材料,而加砂水刀则切割硬质材料,如钢材、石材、复合材料和陶瓷。使用标准参数的加砂水刀能够切割硬度等于(甚至稍稍超过)氧化铝陶瓷(常常称作矾土,AD 99.9)的材料。我们将在下面介绍加砂水刀的特点,以及加砂水刀切割刀头的工作方式。. E4 ^- V, {: u8 z
加砂水刀的特点 8 h+ X' G2 h$ y/ v
# g q4 R( W& O( a: Y·极为通用的技术 0 W* p* Z, y# m% c$ Q
·无HAZ # U- F( f) s: S8 d5 r1 X8 o3 t
·无机械应力 ' P3 b& `( X3 f x* x* S7 a; [
·易于编程 " s5 d/ v7 O6 k1 ?: Z$ y" v
·水流细(直径 0.020 到 0.050 英寸) 6 d" N1 y8 F. y- k: A( ~4 ]
·可切割非常复杂的几何形状 1 r8 A' E# g! t& B+ ?) B
·薄材料切割
9 X z2 f& Y6 J2 W·10 英寸厚度切割
, k/ R- l9 o z) d·堆积切割 % Y* l" y4 Q. D' {8 j
·材料切割损失非常少
0 S' B: w; q/ _9 |6 [1 H·夹具简单
" v8 n7 f) I: {$ e1 O4 E: ^·切割力小(切割时低于 1 磅)
E4 p+ C3 M& p5 i0 p6 p·对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次 : l! a* d$ L; k% r. T, U
·可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头 " b5 Y+ C+ k- u; Y" g l3 ?
·可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀
+ R) o/ K: C5 Z: E, [·减少了辅助操作 # P1 Z& @2 C! n. E! o6 q
·毛刺很少或无毛刺 + w4 {( v8 i4 _, E4 A! c! ]5 Q
3 N# @7 B2 {1 }) N$ H加砂水刀切割刀头
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每台加砂水刀都包括纯水水刀。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿刀管被加速,就像步枪子弹那样。
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; D0 N3 g. n% o0 t* f! ^+ q- o加砂水刀切割所用的砂料是经专门筛选、大小一致的硬砂。最常用的砂料是石榴石。石榴石质硬、强度高并且便宜。像五金店中的粉红色砂纸一样,不同的大小用于不同的工作:
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120 Mesh-产生平滑的表面
/ a1 ?3 g1 H1 L F80 Mesh-最常用,一般性用途
1 }/ r9 }: o/ ^3 J9 V50 Mesh-切割速度比 80 Mesh快一点,但表面稍稍粗糙一些
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/ @7 b6 Z/ l* j8 {% B7 F刀管就像步枪枪管那样加速砂料颗粒。类似喷嘴,刀管有许多不同的尺寸和使用寿命。刀管大约长 3 英寸, 直径 1/4 英寸;内径范围从 0.020 到 0.060 英寸,最常用的是 0.040 英寸。2 R7 [2 C5 H, k
尽管加砂水刀设备常常被视为操作简单的可靠设备,刀管需要得到操作员的关注。水刀技术的主要进展就是发明了寿命很长的刀管。不幸的是,长寿命刀管比以前的碳化钨管脆弱得多。如果切割刀头碰到了夹具、重物或目标材料,刀管有可能破裂。破裂的管子无法修复。目前,最先进的系统配有防碰撞探测装置,以保护刀管。1 ]' @" i; v1 m0 Q/ [9 x
刀管与目标材料的间距通常为 0.010 到 0.200 英寸。间距较大时(大于 0.080 英寸)会导致零件切割边缘出现雾化。很多水刀系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。 6 F1 ]/ \/ `" e
7 C6 ^4 `# A9 h& }3 J5 d加砂水刀切割中的耗材是水、砂料、喷嘴(通常是红宝石)以及刀管。砂料和刀管是加砂水刀所独有的材料。其它耗材也可用于纯水水刀。
4 l g* b3 |6 Z; Q, Q, |$ d) E% _ ?
) o% w+ F1 S) j1 h设备运作
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水刀运动设备或机床有许多不同的类型和配置。除实现运动外,机床还必须包含用于固定切割材料、捕捉射流、并收集水和碎屑的装置。 / v, e, N- Q; k A8 E+ r
3 n- l/ F7 ?) ~% f' v4 D R固定式和1维设备 8 H$ ~0 i, Q5 ?5 h" D3 k: ?6 b
固定式水刀是最简单的一种设备。它看起来像一台锯刀,通常用于航天工业中复合材料的修整。像操作锯刀一样,操作人员让进料穿过水流。材料被切割后,收集槽会收集水流和碎屑。通常情况下为纯水水刀,但有些固定式水刀设备配有加砂水刀。
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" _; `3 X5 A- L& c2 @固定式设备的另一种类型为纵切机。向机器送入产品(例如纸)时,产品会被水刀切割成特定宽度。单轴移动式设备的另一种类型为横切机。横切机通常与纵切机一起使用,尽管它不是真正的固定式设备。当横切机切割通过其下方的产品时,纵切机将产品切割成特定宽度。纵切机和横切机常常一起配合工作,因此材料被切割成像自动售货机中布朗尼蛋糕那样的网格图形。 % K8 h6 }6 x2 Y7 P! \4 X0 ~
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一般不建议手动操作加砂水刀(用手移动材料或切割刀头)- 按特定速度用手移动是很困难的。大多数制造商不建议手动操作加砂水刀或提供报价。只有在保证操作员安全的特定条件下,才能手动操作加砂水刀。! v p- R) C u
用于二维切割的XY工作台 {% U6 P- y5 v. x2 c
) p# {7 l% X9 C4 Y3 SXY工作台有时称作“扁材设备”,是最常见的一种水刀运动设备。这些设备使用纯水水刀切割衬垫、塑料、橡胶和泡沫。加砂水刀利用这种工作台来切割金属、复合材料、玻璃、石材和陶瓷。任何可能的扁平图样设计都可在工作台上切割。加砂水刀和纯水水刀工作台的尺寸范围在2 x 4英尺至30 x 100英尺之间。XY工作台的基本组件为: 8 B$ X2 }' [8 i% o
2 G! x" S2 |$ W
由CNC或PC控制
) k p# w1 A4 r2 V& o) p伺服马达,通常采用死循环回馈以确保位置和速度的一致性 % r! _* Q/ c7 a4 W; E! J8 h
基本装置,带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动 - H9 W: x" M8 N
桥式装置,也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠
- A9 T8 `8 }4 e$ R/ E收集槽,带有材料支架 ) V- Y7 W3 O6 L# H) ]6 U) S
, s7 h/ t U+ M提供许多不同的设备类型,但有两种截然不同的类型居于统治地位,即龙门式切割机和悬臂式切割机。1 ~4 C' ]7 I# z k# [& v
扁材设备(通常称作XY工作台)具有多种配置以满足特定应用。有些是小型精密设备,其它则是大产量设备。 龙门式切割机有两条基轨和一座桥架。悬臂式切割机有一条基轨和一个钢性桥架。在下图中,绿色的桥架向一个方向移动,而红色箭头(表示切割刀头)向另一个方向移动。所有设备的切割刀头高度都可调节(切割刀头高度由Z轴控制)。可通过手动曲柄、电动螺旋机构或完全可编程伺服螺旋机构调节Z轴。
, u9 B- a0 `! A+ d8 d: a `+ V+ W材设备上的收集槽通常注满水,并且带有栅条或板条以支承工件。在切割过程中会缓慢消耗这些支承材料。如果收集槽中沉积了废料,可进行自动清洁;也可选择手动清洁来定期清空收集槽。 P. K/ i6 j9 R4 N# B1 v) `
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所有XY工作台都具有下列方面的重要规格,这代表(但并不确保)您的设备的性能。
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以下是水刀机床运动规格的简要说明,通常出现在报价单和文献中:2 K2 `, i# ~2 y% @8 r% M+ e
7 E" ]; D9 }. L/ D# \+ v6 ^7 r3 |包线尺寸
8 r5 E+ A2 K) ^9 `每根运动轴的行程长度。在纯水水刀或加砂水刀设备上,扁材切割的常用尺寸为2x3x0.3米或约6x10x1英尺。为便于装载厚板,并考虑到夹持情况以及粗加工板尺寸的变化,收集槽通常要比行程长度和宽度至少大6英寸。 $ a8 h' c+ X+ T, b3 p6 }
! P F1 f5 L1 T3 K直线定位精度
; f9 p. g/ V" r2 }7 u) `4 A) G" ?, ~3 y5 {5 Z; i* h
测量机器移动时的精度。从一点到另一点,每次测量一根轴。此处未考虑速度因素。 / U, m0 }) c, [
! F" l" g, R" x) Q( X9 w
机器的重复精度
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+ V D. P* T9 F2 E9 ]机器返回某点的能力。 6 Q. W/ G8 k3 Y' B; ~
/ q0 B& s8 q6 d* E# I: X最快移动速度 - Z B8 F. ~7 l; N2 {
5 {* X0 o1 z, P% T6 B7 n最快移动速度是设备在不进行切割的情况下移动时的最高速度。控制系统仅需向驱动马达发送信号:“朝那个方向尽快移动”。在快速移动期间,机器运动的精度通常会受到影响。快速移动功能可用来从一条切割路径(例如一个切孔)移动到另一条切割路径(例如另一个切孔)。 9 F- Q& ?: ^+ x w$ K
% \1 W( n6 i8 e6 Q3 V切割速度
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5 T1 n5 D) w* ^机器在保持所有精度规格(即精度、可重复性、速度)的条件下移动时的最高速度。这是一项重要的规格,因为它关系到零件生产周期和精度。 |
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