学文网摘要：本文对水射流切割机原理及设备进行了阐述，并介绍了水切割的优点及其在城轨车辆部件铝合金板材下料中的应用。
关键词：水切割 加砂水切割 增压泵 石榴砂 铝合金
0前言
由于用途广泛且易于操作，水射流切割已成为世界上发展最快的主要机床加工技术之一，其加工的能力是无限的，通过使用超高压水进行切割能带来更高的效率和生产力。它只需要少数的辅助操作，无需加热区域、无热变形或者其它切削方法导致的机械变形，能够加工狭窄的缺口，能够让原材料得到更好的使用。它可以切割任何材料，并保持切口光滑平整。目前我公司已大量使用水切割来进行城轨车辆制造铝合金板材的下料，获得了显著的经济效益。
1水切割原理
水射流切割技术又称超高压水切割。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴通过时，可产生一道每秒达近千米（约音速的三倍）的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品、 纸张、橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。 而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时， 所产生的加砂水射流 可切割任何硬质材料，包括金属、 复合材料、石材和玻璃。
超高压水的形成关键在于高压泵。绝大多数水切割高压泵使用增压器增压。增压器的工作过程一般是从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入储压器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压力的目的。
经过高压泵所产生的高压水经由高压管路流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用红宝石、蓝宝石或金刚石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。***1为水射流工作原理***。
2水切割机设备
水切割加工设备的组成包括：增压泵（超高压泵）、水切割切割头装置、数控切割机台、高压管道、智能型控制器、磨料供给系统、软化水处理装置等。
2.1增压泵
普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。
水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和储压器。用入口水过滤系统过滤普通自来水-通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是 90psi-保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至 60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前，会首先流经储压器。这个大容器缓冲了压力波动，确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有储压器，将能够看到并听到水流脉动，在被切割材料上留下印记。
液压管路包括电机（25 到 200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压帮浦从油箱吸油，并把压力升高至 3000 psi。高压油被输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作（通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。增压泵体现了先进的帮浦技术。正如水管路的说明所描述的那样，增压泵把过滤后的自来水加压到 60000 psi。利用的是“增压原理”。
液压油被加压至 3000 psi（举例）。由液压油推动活塞。柱塞的表面面积比推水一侧的活塞面积小 20 倍。因此，3000 psi 的油压就被增压 20 倍，产生 60000 psi水压。“增压原理”改变压力方程中的面积变量，从而增强或增加压力。
2.2高压管道
高压泵产生高压水后，高压管道把水传送给切割刀头。除了传输高压水外，管道也帮助切割刀头实现自由运动。高压管道最常见的是使用特种不锈钢管。
2.3水切割切割头装置
每台加砂水切割都包括纯水水切割。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿混砂管被加速，就像步***子弹那样。加砂水射流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。
混砂管就像步******管那样加速砂料颗粒。混砂管有许多不同的尺寸和使用寿命。混砂管大约长 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。
混砂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。很多水切割系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。
水切割切割头装置包含一个直径微小的宝石喷嘴，这种喷嘴镶嵌在金属材料中，喷嘴安装在可以进行上下微量调整的架子上，以使高压水箭能精确通过所要加工的方位，而不损坏工件其它任何地方。这也是保证水切割切割精度的一个重要因素。
2.4数控XY切割机台
XY工作台有时称作“扁材设备”，是最常见的一种水切割运动设备。任何可能的扁平***样设计都可在工作台上切割。加砂水切割和纯水水切割工作台的尺寸范围在2 x 4英尺至30 x 100英尺之间。XY工作台的基本部件为：
― 由CNC或PC控制
― 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
― 基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动
― 桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠
― 收集槽，带有材料支架
XY工作台有许多不同的类型，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。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***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。
我公司使用的福禄水切割机为悬臂式切割机，X、Y、Z三轴控制两轴联动。采用Y轴单边驱动，Z轴整合在X轴的双滑轨上。工作台切割范围为4000mm×2000 mm，Z轴伺服高度动作范围为200mm。采用分离式承载水箱、双层防尘护套、电子式切割性能监控装置。机床驱动系统为闭合回路自动控制。机床最大快移速度为9m/min，最大切割速度为7.62 m/min。X/Y轴定位精度：±0.08mm/M，X/Y轴重复定位精度：±0.05mm/M。
2.5智能型控制器
我公司福禄水切割机使用 Flow Master 智能型控制器。即PC based CAD/CAM/控制器，简化了高压水切割从绘***到实现切割的整个处理过程，由FlowPATH和FlowCUT组成。
FlowPATH ― 计算机辅助设计及处理加工程序来产生切割路径，输出ORD文件及储存DXF档。
FlowCUT ― 利用FlowPATH的切割路径ORD文件产生加工程序，并传送至机器驱动水切割来进行切割。
3 水切割技术的应用
我公司使用美国福禄水切割机来进行城轨车辆部件铝合金板材的下料。目前公司用于铝合金板材下料主要有三种方法：激光切割、水切割和等离子切割。激光切割主要用于薄板，一般板厚在4mm以下。等离子切割一般用于切割厚板，一般板厚在20mm以上。而4mm―20mm的铝板下料主要用水切割进行切割。公司目前有福禄水切割机三台，型号为MACH3-4020b SWJ 50i-s，都为悬臂式切割机，见***4。
3.1 水切割的优点
和其他两种切割方式比较，激光切割主要用于薄板，等离子切割则切割表面粗糙（***5和***6为水切割和等离子切割配件切割表面比较）。使用水切割的优点主要有：
（1）切割时不产生热量，板材无热影响区，变形小；
（2）切割面光滑，下料后可不需进行机加工；
（3）可切割非常复杂的几何形状；
（4）切割速度快；
（5）切割精度高；
（6）可切割金属与非金属任何材料；
（7）材料切割损失非常少，切割成本较低；
（8）可切割薄板和厚板，可进行堆积切割（即几张板叠加在一起切割）；
（9）水射流切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸汽。
3.2 水切割的主要操作参数
水切割的主要操作参数有：水压、切割速率、砂料粒度、喷嘴和混砂管内径、混砂管基准距、砂料流率等。
（1）水压
一般调整水压至40000―55000 psi。水压较高产生较快的切割速率，且造成较低的每加工成本。
（2）砂料粒度
水切割的砂料粒度通常为120、80和50。不同的粒度对部件精度的影响大不相同。粒度对表面光洁度和整体切割速度具有重大影响。砂料越细（是指粒度大），切割速率越慢，表面越光滑。铝合金切割最常用粒度为80目的石榴砂。
（3）切割速率
切割速率越慢，表面越光滑。当切割速率增加时，表面质量降低。然而，具有一平衡点，使得进一步降低切割速率并不会改善表面质量。
（4）混砂管基准距
混砂管基准距是指工件表面和混砂管尖端之间的距离。应保持基准距小于或等于混砂管的内径，一般应维持在0.01―0.10in。基准距过大，喷砂流会在切割之前散开，造成较宽、较大角度的切缝，且增加操作成本。基准距过小，混砂管会损害切割表面或破坏切割头组件。砂料和水也可能逆流至切割头和进给管内，尤其是在穿孔时。
（5）喷嘴/混砂管内径
常用的喷嘴/混砂管组合为.010/.030、.013
/.030、.016/.040。一般对于比0.25in更薄的材料，使用.010/.030组合，以降低切割速率并减小切缝。对于较厚的材料（0.25in以上），一般使用泵浦所能支持的最大切割头操作，选用.016/.040组合，能以较低的每成本进行较快的切割。
（6）砂料流率
对于特定压力，每一喷嘴/混砂管组合具有一最佳砂料流率。使用较最佳值大或小的砂料流率会增加每成本并或许将会产生较慢的切割速度。
3.3 水切割常见质量问题：
（1） 斜度
高速切割时切割面会形成“V”形斜度。切割速率增加时，斜度也会增加。可通过减缓切割路径或增加切割能力来降低或消除斜度。此外使用动态水切割系统时几乎不会产生斜度。
（2）操纵器痕迹
由不一致的操纵器动作引起的表面缺陷。如果操纵器振动或变化速率，在过渡区上切割表面会看到痕迹。
（3）条纹
主要发现于切面下区的水痕，在切过厚材料时，喷射流散失切割动力所产生的。诸如不良操纵器移动或砂料结块等不一致现象会大幅增大条纹。
（4）弧形向外掠出
当高速切割厚材料时，水流射出点将较水流射入点落后。转角或小半径时会引起水流较下部位向外偏离，造成较不正确的切割。为避免此现象，操作者必须在所有的小半径处减慢喷嘴移动率。
（5）射出口毛边
切割薄材料时，会出现射出口毛边。可利用较小的喷嘴/混砂管组合并使用较小的砂料，以较高的压力喷出限制射出口毛边。
3.4砂料、水质要求及成本
砂料必须使用经认可的砂料。因为砂料的种类和品质非常重要。未经认可的砂料含有诸如氧化矽、砷、汞、或氯化物会潜在危害健康。未经认可的砂料会大幅减少切割性能，增加操作成本。只有使用经认可的砂料，才能使切割头内耐磨耗组件获得最大使用寿命。
切割水的水质是影响机床部件使用寿命和性能的重要因素之一。切割水中所溶解固态物质（特别是钙、二氧化硅和氯化物）的最高浓度会影响高压部件的使用寿命。因此水切割机有一套软化水处理装置，以处理水质，达到切割软水要求。水质标准可根据水质化验分析确定水处理要求。
加砂水射流切割中的耗材是水、砂料、喷嘴以及混砂管。砂料和混砂管是加砂水切割所独有的材料。其它耗材也可用于纯水水切割。砂料的成本占设备运作成本的三分之二。工件越厚越硬，所需耗砂量越大。另外耗砂量也取决于所选择的砂嘴垫圈、喷嘴和混砂管的尺寸。通常砂耗量为：150―700g/分钟。磨料传输采用压缩空气控制送砂，真空负压方式混砂，能精确控制切割用砂的流量。在切割头上装有中间储砂器及计量装置，能无级调节切割用砂流量。
但想要通过降低砂料流速降低运行成本，是错误的。生产力是每英寸成本，不是每小时成本。每小时花多长时间运行加砂水切割并不重要。重要的是在给定的时间内生产出多少工件。必须快速生产工件以消耗间接费用（劳动力、设施、租赁费用等）。使用水切割机最大的功率和最高砂料流速尽快进行切割。
4 结论
（1）水切割由于其设备简单、成本低廉等优点已得到了越来越广泛的应用。水切割技术的应用将会更为广泛，除了切割各种材料，还用于工业清洗、冲孔、粉碎材料等。最近，福禄还采用超高压水切割成功实现杀菌，而不产生热效应。
（2）对易热变形材料的加工，水切割更具独特的优越性。目前我公司水切割机主要用于铝合金板材的下料。对于碳钢由于考虑到遇水易生锈等原因而采用数控火焰等切割方法。而对于不锈钢薄板由于对下料的精度要求较高而采用激光、步冲等方法。
参考文献：
1 陈祝年. 焊接工程师手册。北京：机械工业出版社，2002.1.
2 陈裕川等. 现代焊接生产实用手册。北京：机械工业出版社，2005.3。
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