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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
Z D- X5 r; E3 O7 V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。 5 Z; s" W. S1 S* j" K* r
3 s. Y$ l) }; t5 u% ^' l
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 , s9 j3 a% K/ S# }$ d0 B6 q* l5 @
7 B, f7 R1 n. y# z# @
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。
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: ^& v" P6 ^4 v# L: i7 b5 s8 }纯水水刀 2 E3 f: a& l! G4 f, J$ e9 g/ l
) a1 o4 D+ ~$ o8 D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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纯水水刀的特点
6 @8 a& Q; N/ u9 J" _
, z b: R- }: J( }0 _! N: F3 d·非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸） * f. x% n4 @( l7 v# u1 F& Q
·非常详细的几何形状
0 N% q0 Q* z: y& V, p7 y: n9 o·非常少的材料切割损失
0 m1 Q; A- ?* r6 Z) e& F·切割时不产生热量
/ f# l( m$ p6 w0 Z7 K$ K8 A8 r6 b·切割厚度可以很大 & m/ {# L+ O/ a
·也可切得很薄 % J- v0 o6 s3 e6 U7 V0 _2 h& z! q, y
·切割速度快
$ i( |0 k& D& ]·能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料）
$ I5 H( M* e4 c' O- q·极小的切削力 % Q9 p+ @, F. x8 e! e9 q; f' r
·夹具简单 ; G( T/ W" u8 m7 J8 _$ J9 {
·每天 24 小时的连续运行
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三马赫水射流的温度有多高？
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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。 ) i# V* e* A, @. ?7 ?8 K8 q
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纯水水刀切割刀头
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8 X- z R2 X3 o: b2 g& m3 `* @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。
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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。
2 H/ ~- [% P+ Z ~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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3 R3 n. G- e9 j! I# v4 e# A. k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。 ) r0 F- L5 {# c4 J( o* m6 g6 J& s
4 z* _2 h& I) N" K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。
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4 Y. q7 N9 H) ~/ _4 v [, f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。
, W& M. s. ]6 ~! e# _! [6 y- a% }2 ~; c% o加砂水刀
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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。8 {9 J0 _) @- |; r
加砂水刀的特点
* m U: P+ m2 f" O. A
/ f: R; `0 t& }! J Z- W, b5 M* O·极为通用的技术 1 R0 R- R4 b% M& r6 w3 c
·无HAZ
, y$ ]% j: p4 E" s·无机械应力 + F3 j5 i5 R" p6 h" c
·易于编程 5 r6 _1 ^; Q; p
·水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸） 0 Z% N4 a7 E# a) A
·可切割非常复杂的几何形状 6 H% K% |' f$ F
·薄材料切割 ' P+ n# R& Y7 |
·10 英寸厚度切割
& X N. @# R0 v# ]( o0 G·堆积切割
2 r6 @& v/ R* k* f+ N V" Z·材料切割损失非常少 ! w& k3 D% w) i
·夹具简单
: X1 O' s6 h; ]. t" X* c* w·切割力小（切割时低于 1 磅）
/ Q# h- g) ~+ o& C·对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次 ! U( j7 ]; w! h* y( t0 e
·可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头
( n _/ c4 l' V6 i# Z·可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀 9 W* V" N0 a# K% r3 O
·减少了辅助操作 3 k) L2 s ] p# L9 I5 _$ u& W
·毛刺很少或无毛刺 1 u Q: n, F; p- ]2 `5 P7 C
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加砂水刀切割刀头 & f3 h3 ~0 @! W9 a* i7 n
9 H( ?' }' F0 u: D" X0 s1 n A8 ^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。 ( n2 s1 U, d4 X7 E/ k# e2 o
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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：
) m( k& h; L- o7 t
. C$ ?8 K) O) h, y3 k120 Mesh－产生平滑的表面
) ~% Q1 J6 s! u7 x4 m+ T80 Mesh－最常用，一般性用途
+ k* N- n; [6 t, d" R- H1 [. n% I50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些 9 V2 z0 p) x5 A3 F! z5 |
4 A$ `( a7 ?1 H
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。& Y+ U% ~. M5 `" u w+ C$ e
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。! w2 b! N( \) h& I+ 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。
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" A8 d& @' S U6 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。 ! k0 Z. o1 N7 E$ g' |
, [& s& ~# W4 C设备运作 * b) ]) h( X+ H& l
; t/ g; Z5 I! [: Z7 W5 @, t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。 3 f; a( `; D6 h1 `5 ^8 P
" d2 ?' u* b7 n& u3 \7 @; [固定式和1维设备 " H- i/ r+ o" q0 [# {- c1 K: }2 q
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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2 Y7 H+ V$ k2 Z" |! ^+ [$ J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。 # Z b4 q5 W7 D, e# G
* h7 N3 Y0 r0 L) q' }, q9 M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。
; d H. f/ |1 b1 y l' \用于二维切割的XY工作台
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h1 x0 O% K2 R2 m' N0 P' cXY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：
: Y0 O% E" u; `9 H9 c6 D9 W
7 h# C" u1 z, |7 x由CNC或PC控制
* Z& K- Z. Z, Z" [3 M; b, E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 , v+ o5 i. b$ w. B) `" }: L8 r
基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动
- u; f3 r. s2 Y( v: D5 ]8 e桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠 - v! T+ U: e! J& [, t! G
收集槽，带有材料支架 5 v+ E- N5 A8 z5 |
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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。
" X5 e! d; Z3 [2 e2 G) t8 U2 x* Y5 P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。& r v0 R: J9 K. Z6 i, v
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。
8 c$ T K% V4 l3 B. W8 a8 Y( e4 [; ?7 y. c6 y f* }
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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/ D! r/ k! C6 b6 G m1 S0 E6 n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：1 }" z7 D6 A, L& z& _- ~$ n
* K* G; [2 {8 E* b
包线尺寸 0 Z* \4 R7 X, o2 _
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。
; R3 q. h( P5 o! m5 }/ A* I" c
2 @; ^7 |6 B/ N7 ~# ?6 _1 }直线定位精度
8 M1 d" X* F4 B- o2 l
. U+ y0 p' a; ^$ W, T0 D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。 . {4 |4 _4 j8 ]: Z
0 d _, I5 t4 l- p; p2 z- _机器的重复精度 2 t( E) M5 z$ l/ p" R9 R
) W* g- ]% }- ]4 J: _4 P1 R
机器返回某点的能力。
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7 C& j3 D0 \- R% `最快移动速度 & ~: ], G- Z3 s m- l1 D8 T
9 X/ [$ h) N( i7 n1 U: ?0 G+ K9 u
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）。 1 I2 o4 E: N2 F/ i
9 ~3 u4 p; z& u! B J' h- s
切割速度
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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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