水刀切割的技术

  在削减成本的努力中，工程师和制造部门始终需要寻找新的优势。水刀技术向您提供了多种独一无二的功能和优点。进一步探索水刀技术，将使您有机会利用这些节省成本的切割设备。 除低成本切割外，水刀还被认为是世界上功能最多样、上涨的速度最快的加工技术（根据 Frost Sullivan 和Market Intelligence Research公司的报告）。水刀在全世界内大范围的使用在高产量应用。它与别的技术（铣床、雷射、EDM、等离子和刨床）相辅相成。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或机械变形。它是一种真正的多功能、高效率冷切割技术。

  水刀已经验证自己可以完成其它技术无法处理的工作。从在石材、玻璃和金属上切割极薄的细节，在钛合金上快速钻孔，切割食品、直至对饮料和溶液进行杀菌消毒，水刀已经证明了它独一无二的价值。 【水刀的历史】Norman Franz 博士一直被公认为水刀之父。他是研究超高压（UHP）水刀切割工具的第一人。超高压的定义是高于 psi。Franz 博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。 年，Franz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。Franz 博士从没制造出一种量产的木材切割器。而今天木材切割却是超高压技术最不重要的应用之一。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量－这种能量的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。凭借这种方法，水刀（含有砂料）能够切割几乎任何材料。 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。 【水刀分类：】水刀分为纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。【纯水水刀】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，与别的技术相比，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。【纯水水刀的特点】非常细的水流（常见直径范围：.至.英寸）非常详细的几何形状非常少的材料切割损失切割时不产生热量切割厚度可以很大也可切得很薄切割速度快能够切割软、轻质材料（例如厚达 的纤维玻璃绝缘材料）极小的切削力夹具简单每天 小时的连续运行【纯水水刀切割刀头】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。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 psi 时，流出喷嘴的水流以 马赫的速度运动。在 psi 下，其速度超过 马赫。对于普通切割，纯水水刀喷嘴的直径范围为 . 到 .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 / 英寸。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到小时的切割寿命。在加砂水刀应用中，蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 /。通常情况下，蓝宝石的价格在 到 美元/块之间。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。钻石的使用寿命长得多 （ 到 小时），但价格却要高到倍。钻石在需要每天 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。 【加砂水刀】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 .）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。【加砂水刀的特点】极为通用的技术无HAZ 无机械应力易于编程水流细（直径 . 到 . 英寸）可切割非常复杂的几何形状薄材料切割 英寸厚度切割堆积切割材料切割损失非常少夹具简单切割力小（切割时低于 磅）对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀减少了辅助操作毛刺很少或无毛刺【加砂水刀切割刀头】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，就像步那样。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： Mesh－产生平滑的表面 Mesh－最常用，一般性用途 Mesh－切割速度比 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些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 英寸, 直径 / 英寸；内径范围从 . 到 . 英寸，最常用的是 . 英寸。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。 刀管与目标材料的间距通常为 . 到 . 英寸。间距较大时（大于 . 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别的技术来降低或消除这种雾化。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。