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水刀词典

借助水刀词典增长您的水刀知识。

HyperPressure™指的是输出75,000 psi或更高压力的水刀泵。超高压一般是40,000到75,000 psi,而HyperPressure(极高压)则是75,000 psi以上。一般而言,标准压力水刀系统采用55,000到60,000 psi的超高压,而更先进的系统采用额定94,000 psi的泵。

为了产生纯水水射流,必须把水压转化成速度。这种转化在水通过微小的宝石喷嘴时发生。蓝宝石、红宝石或钻石喷嘴中的小孔直径为0.003"到0.020"(最常见的是0.014")。喷嘴孔越大,就需要越多的水和越大的功率来维持压力。

喷嘴尺寸并不影响最大水压,最大压力只取决于功率和泵的设计。

喷嘴尖端有非常锋利的边缘,使水射流保持连贯。边缘变钝或变圆时,会产生轮廓模糊的湍流,并可能使射流轨迹歪斜。水刀喷嘴破裂的主要原因有两个。首先,钙质可能在喷嘴中堆积并破裂,使喷嘴瞬间失效。其次,喷嘴边缘可能变圆或由于颗粒冲击而破裂。在水刀中,喷嘴通常不是状态良好就是已经失效,性能逐渐下降的情况比较少见。水质良好时蓝宝石和红宝石喷嘴能坚持40到200小时,具体取决于应用和压力。钻石的价格可能贵8到10倍,但寿命要长8到10倍。

编程软件又叫做CAM(计算机辅助制造)软件。编程软件通常在PC上,但也可以在机器上直接编程。程序员将之前创建的CAD图纸作为.dxf或.dwg文件(或其他格式)导入,或者在CAM软件包中新建图纸。

程序员使用水刀编程软件,根据需要添加开始/停止位置、行进方向、刀具补偿、行进速度等。然后这个文件被发送到控制系统,在切割零件时执行。

水刀行业对压力等级有各种不同的定义。超高压是从40,000 psi (276 Mpa)到75,000 psi (517 Mpa)。对于水刀切割应用,大多数泵都在55-60,000 psi (379-412 MPa)的范围内运行。

纯水水刀是最原始的水切割方法。第一次商业化应用发生在上世纪70年代初,涉及瓦楞纸板的切割。纯水水刀切割技术的最大应用是纸尿裤、纸巾和汽车内饰件。在加工纸巾和纸尿裤时,水刀工艺给材料带去的水分比触摸或呼吸时产生的水分还要少。

纯水水刀还可用于清除涂层,例如船体油漆。如需进一步了解这些应用, 请点击此处。

纯水水刀的特点

  • 极其精细的几何细节
  • 切割时损失的材料极少
  • 切割时不产生热
  • 可切割很厚的材料
  • 可切割很薄的材料
  • 通常切割速度很快
  • 能切割软质轻型材料
  • (例如厚度达24"的玻璃纤维绝缘材料)
  • 切割力极小
  • 夹具简单
  • 可24小时不间断运行

刀缝是指切割宽度,或切割时产生的凹槽或切缝的宽度。用加砂水刀切割时,刀缝宽度受砂刀管直径的直接影响。刀缝大约比砂刀管直径大10%。

因此,对于0.030"砂刀管,刀缝将是0.033"。当然,刀缝会随着砂刀管增大而增加。砂刀管每运行8小时大约增大0.001"。

水刀的切割宽度小是一项重要优点,可以实现精巧的细节。纯水水刀为0.003"到0.015",加砂水刀为0.015到0.070"(一般是0.040")。

动态水刀®可使切割速度提高2到4倍,同时大大改善成品公差。

在水刀切割技术中,射流以高速切割零件时会产生两项误差:水箭滞后和切口斜边。水箭滞后是指射流离开工件的位置落后于进入点。切口斜边呈V字形。通过降低速度(一般到最大切割速度的15到20%),可以减少水箭滞后和切口斜边,但并不能完全消除。

为了实现高速切割,动态水刀会自动向一侧调整切割头角度,使切口斜边全部出现在废料那边,并略为前倾切割头,以补偿水箭滞后。对切口斜边和水箭滞后的补偿均在幕后操作中自动完成。操作员和程序员无需对角度编程,这是控制系统的任务。角度甚至会随着切割速度而自动改变,可以实现精确的隅角和弧线,因为切割头会改变速度来处理隅角。

在运动系统中,反馈系统向CNC控制系统提供位置反馈,可能还有速度反馈。它通知控制器:设备已经完成指令。

驱动器、电机和反馈分辨率越高,水刀切割头的运动精度就越高。反馈系统可以是与电机连接的编码器、在行进方向与设备机架连接的刻度尺,或是其他形式。

CFRP代表“碳纤维增强塑料”。碳纤维复合材料应用于网球拍、高尔夫球杆、人体修复术、现代飞机等领域。在这里我们将以商用飞机为例。波音和空客采用复合材料制造机翼、翼梁、撑杆和机尾分段,认为它是比铝更好的材料。采用传统的铣削或刳刨工艺切割复合材料时,可能会导致分层、微裂纹、晶须和纤维拔出。用水刀切割时不会有此类问题。

如今的轻型先进复合材料在硬度和刚度方面与钢材相当,又可以如橡胶那般柔韧,同时还能承受超音速飞行时的应力。导致这些材料如此强悍的性质也造成其极难切割。复合材料技术不断创造出新的材料组合,挑战传统的机加工方法。

直到不久前,人们还在采用钻石/硬质合金轧机或刳刨机、带锯、圆锯、砂轮等传统切割方法来切割这些非传统材料。由于先进复合材料的组成和纤维方向,传统切割方法会加热复合材料或造成边缘剥离分层,导致材料损坏。另外,这些方法的速度一般较慢,经常产生分层和其他问题,需要耗费成本进行修复。

复合材料有多种形式。高温发动机采用以陶瓷纤维增强的金属(金属基复合材料)。通常工程师们的目标是减轻重量,同时提高强度,改善韧度或者增强耐温性。这些材料会让生产厂束手无策,但福禄水刀却能快速精确地切割它们,同时保持材料完好。

在水刀设备中,高压管道把水从产生压力的水刀泵安全地输送到切割头。管道可以包括具有一定柔性的不锈钢管(外径1/4、3/8或9/16英寸)、三通、弯头和旋转接头。HyperPressure™管道采用与普通超高压管道不同的设计和规格。

用水刀机切割时,如果切割头的运动平稳而准确,则可以获得光滑的边缘。当切割速度超过最大速度的大约50%时,在切割表面底部通常可以看到波浪形痕迹。这种现象叫做条纹。过渡区是从光滑边缘变为条纹的深度。在最大切割速度的70%时,过渡区在切割表面上要高于60%时。

加砂水刀(有时叫做砂刀)的射流能使砂料颗粒加速,通过这些颗粒(而非水)去侵蚀材料。加砂水刀的威力远远大于纯水水刀,能够切割硬质材料,例如金属、玻璃、石材、复合材料,而纯水水刀对这些材料都无能为力。采用标准参数的加砂水刀能切割的材料硬度达到或略高于氧化铝陶瓷(AD 99.9)。

加砂水刀的特点

  • 工艺极为灵活
  • 无热影响区
  • 无机械应力
  • 易于编程
  • 射流细(直径0.020到0.050英寸)
  • 极其精细的几何细节
  • 可切割薄材料
  • 可切割厚度大于12英寸的材料
  • 层叠切割
  • 切割时损失的材料极少
  • 夹具简单
  • 切割力小(切割时低于1 lb.)
  • 同一射流设置适合几乎所有加砂水刀作业
  • 可从单切割头轻松切换成多切割头
  • 可从纯水水刀快速切换成加砂水刀
  • 减少二次加工
  • 基本无毛刺

紧急停机功能可以让操作员在任何时刻停止设备,使其进入安全、无威胁的模式。紧急停机按钮永远都是红色并且非常显眼。在水刀中,紧急停机时会停止切割过程和运动,根据具体设计,还可以关闭泵并解除高压管路中的压力。

在运动系统中,控制系统把零件程序、速度和射流开/关命令转换成电气系统能够理解的语言。通常采用CNC(计算机数控)控制系统、基于PC的控制系统或二者的结合。

例如,工程师或设计师可以在AutoCAD®等CAD(计算机辅助设计)程序中绘制出要用水刀切割的方形。然后,程序员(可能是同一人)把这张方形图纸作为.dxf或.dwg文件导入CAM(计算机辅助制造)软件包中。

此时,程序员根据需要添加水刀开始/停止位置、行进方向、刀具补偿、行进速度等。然后此文件被发送到控制系统,由操作员(也可能是同一人)在机床控制系统中打开文件,把切割头移到开始位置的目标材料上方,点击循环开始,切割零件。

随后,控制系统把切割文件转换成从控制系统驱动器到机床电机的电流,使机器运动。控制系统还会触发数字输出,自动启动/停止水和砂料。

成品精度取决于工艺误差(水刀) + 机器误差(XY速度、平滑度和路径精度) + 工件稳定性(夹具、平面度、同质性、温度稳定性)的组合。

水射流并非刚性,而是可以在材料中弯曲和移动。水射流参数和非刚性特点会影响零件精度,例如水箭滞后、V形切口斜边、砂料流速等。多年来,控制这些参数一直是水刀供应商的工作重点。

动态水刀®能自动补偿水箭滞后和切口斜边,使切割速度提高2到4倍,成品公差达0.001到0.003英寸。

在水刀切割技术中,切割功率密度指的是施加在单位面积上的能量大小。射流压力较大、直径较小意味着射流以更高的速度移动,其功率密度高于直径较大、压力/速度较小的射流。

水刀切割头是使水穿过宝石喷嘴、把水压转化成水速的场所。

在加砂水刀切割技术中,切割头还包括混砂室和砂刀管。有时切割头还包含开/关阀。此阀紧靠喷嘴上方,采用了某种阀芯/阀座配置,可以让操作员或CNC控制器启动和停止水射流。

在运动系统中,驱动电机从CNC驱动放大器获得正/负电流,产生顺时针或逆时针旋转。这种旋转驱使机器运动。

砂刀管用于加砂水刀切割,是切割头中最后一个部件。水通过宝石喷嘴时,水压转化成水速。

超音速水射流进入混砂室,而砂料通过文丘里效应被吸入切割头。然后水和砂通过砂刀管,最终以水、砂和少量空气的混合物形式离开。

砂刀管的内径为0.015"到0.070",长度为1.5到6"。它有一个内部入口锥。最常用的砂刀管内径为0.040",长4英寸。此砂刀管一般采用80目石榴砂。普通切割时,用高品质材料(纳米碳化物复合材料,粘合剂极少,以充分提高耐侵蚀能力)制造的砂刀管的磨损速度大约是每运行6到8小时砂刀管直径增加0.001",并且这种磨损是同心的。

目径值并不代表准确尺寸的颗粒,而是表示颗粒尺寸的分布。在80目的砂料中,会有一些大于和小于正好80目的颗粒。测定目径时通常使砂料穿过一系列滤网落下,各滤网的目径从上到下依次减小。加砂水刀加工中所用的典型目径是220到50目,最常用的是80目。数字越大,颗粒越小。

在水刀切割技术中,随着压力升高,水射流速度增加。

射流离开喷嘴后,唯一重要的因素就是速度。水穿过喷嘴后射流就不再携带压力。

在加砂水刀切割技术中,射流速度越快,砂料的运动就越快,切割速度越高,射流直径越小,并且所需的砂量越少。

由于石榴砂的切割能力、一致性、成本、切割头磨损率、无危害等特点,99%的水刀机都采用石榴砂。目前水刀切割中常用的砂料大小为50目到220目,最常用的是80目。数字越大,砂料颗粒越小。320目就像灰尘那般细小。

水刀切裁系统能快速高效地切割纸制品。采用水刀切裁系统可以增加利润,削减成本。水射流不会产生任何扬尘。由于切割时没有粉尘,您的工作条件、安全性都得到改善,产品质量也更好。在许多纸巾和毛巾应用中,水刀切缝可完全避免回卷,因此可通过在线切裁节省固定设备投资。水刀切裁系统可直接安装在设备上,其边缘满足有关转换操作的所有要求。

水刀切割技术是一种冷切割工艺,其设置和操作极为简单,能够快速生产小批量或大批量零件,满足最苛刻的项目要求。水刀切割是一种超音速侵蚀过程。纯水水刀可加工能用小刀切开的材料,而加砂水刀能切割任何更硬的材料。

高速流体或介质从较大的管道进入较小的管道时会产生真空。在加砂水刀切割中,纯水水射流穿过较宽的混砂室,然后进入较窄的砂刀管,此时会产生文丘里效应。

在文丘里效应的作用下,砂料被吸入混砂室,并像枪膛中的子弹那样被加速,从砂刀管射出,产生加砂水射流。

直线增压泵是水刀切割领域中最早也最常用的技术。增压泵采用“增压原理”给水加压。

“增压原理”利用活塞头/柱塞的面积差来增压,即提升压力。首先对液压油加压,由低压油推动活塞头,活塞头的表面积是高压柱塞的20倍,而柱塞负责推动水。这样压力就增加了20倍。例如,3,000 psi的油压会产生60,000 psi的水压,因为活塞头/柱塞面积比是20:1。

在全世界已安装的水刀系统中,20%以上采用了直驱旋转泵。与基于增压器的泵不同,直驱旋转泵没有液压泵。它有时又叫做三缸泵,由电机带动有三个活塞的曲轴旋转,产生超高压水。

水刀泵中采用止回阀。它们就像一扇单向门,使物体(此处是水)只能按一个方向通过。

例如,低压水通过一般的低压软管流入,进入泵中并等待加压。加压后,水不能够通过低压止回阀流出,否则会立即使低压软管爆裂。相反,另一止回阀会打开,使高压水安全地通过高压不锈钢管道流向切割头。