一种超高压水射流切割机的探究

卢方青 潘海楠

摘要：水切割作为一种冷态切割工艺，具有高能、冷态、点割的特点，它对被切割材料没有选择性，切割时不会产生分层、无热聚集、无热影响区、无粉尘污染等，不会破坏材料的内部组织，无断点切割，切缝窄，无畸变，能进行二维与三维异形切割。本文就主要对超高压水射流切割机相关问题进行了简要分析。

关键词：高压泵；数控系统；切割工艺

中图分类号：C35文献标识码： A

一、超高压水射流切割技术应用领域

超高压水切割设备与工艺是近10年各国水射流行业的研究热点，从历次国际水射流会议来看，随着水切割设备与工艺的商品化，水射流技术从凤毛麟角发展为主导内容，已渗透到许多工业领域。二十世纪八十年代中期，英国流体力学研究协会（BritishHydrody-namicsResearchAssociation）提出将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中。

1、航空航天领域，如钛合金、碳纤维、特种夹层厚玻璃、有机玻璃、蜂窝板、陶瓷隔热层、特种橡胶、金属基及陶瓷基复合材料、火箭固体燃料的切割、仪表盘加工等。

2、军事领域，用于切割高强度钢板、装甲板、各种特殊装修材料，各种战车的装甲板、履带、炮塔、保险杠、火炮、枪械、防弹玻璃、车体、弹药等。清理战争遗留的地雷和炸弹以及应对恐怖主义、分裂势力制造的爆炸物处理，军用机场跑道附胶层及冰层的剥离、原子核反应堆及废料的切割、军港水下结构物及沉船的切割、军事工事及工程的破岩等。

3、采掘业领域，射流切割岩石时产生的粉尘和摩擦火花少，使其特别适合在密闭环境，如地下开采岩石。粉尘的减少改善了工作环境，摩擦火花的减少使得采煤时引发瓦斯爆炸的可能性大大减小。针对不同硬度煤层和不同类型钻孔扩孔的超高压水射流扩孔设备能够增加钻孔周围煤体的暴露面积，增大钻孔的卸压范围和影响半径，从而提高钻孔的抽排效果。

4、汽车制造业领域，用于切割仪表盘、内饰及外饰件、门板、车窗玻璃，不需要模具，可提高生产线的加工柔性。

5、建材工业和建筑装潢领域，具有其他切割技术缺少的技术优势，可用于切割大理石、花岗岩、玻璃纤维、陶瓷、石棉等材料，也可切割复杂形状的石材拼花，切割尺寸精确，无污染。可用水射流切割技术去除工件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等，也可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。

6、电子工业领域，用于印制电路板的轮廓切割，集成电路芯片制造中的晶圆切割和陶瓷拼花工艺中的切割工序等。

7、食品工业领域，用于切割松脆食品、菜、肉等，可减少细胞组织的损坏，增加存放期。切割食品时，“数控水刀”用数控装置可以控制其切割速度及路线，可以最大限度地保持被切割物的营养成分，不会造成细菌传播而且形状规整。

8、造纸工业领域，可用于牛皮纸、波纹箱板等的分卷切条，无粉尘污染。

9、纺织工业领域，用于切割多层布料，提高切割效率，减少边端损伤。水切割还广泛应用于服装裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能够节省多达18%的原材料。

10、水下切割领域，海底石油及固体矿藏的开采、船舶及舰艇的维修都不可避免的需要水下切割技术。超高压水射流切割可用于水下营救和水下修理、打捞作业、水下演示取样、石油钻井、海上平台拆卸、码头建设与维护、舰船的水下作业和海洋工程等各个场合。随着海洋的开发和利用，超高压磨料水射流水下切割技术必将得到快速发展。

11、有害有毒现场的在线切割，在地震抢险和灾后重建工作中，超高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等。水射流切割技术，特别适合于易燃易爆环境下切割工件。

二、超高压水射流切割机的工作原理

超高压水射流切割技术是以水作为携带能量的载体，通过用增压器将水压升到300～1000MPa并使得水通过直径为0.1～0.6mm的喷嘴产生高速水射流对各类材料进行切断加工的一种方法。当水射流冲击被切割材料压力超过材料的破坏强度时即可切断材料。该加工方法分为两类：一类是纯水射流切割，它的结构较简单，喷嘴磨损慢，但由于切割能力较低，一般适于切割软材料；第二类是磨料射流切割，在水中加入约90%的磨料的混合液作为能量载体，由于磨料的加入，大大提高了切割功效，并极大地拓宽了切割范围，适于切割硬材料，但磨料加快了喷嘴的磨损，且结构较为复杂。

三、超高压水射流切割机的硬件部分

高压水射流切割系统主要由增压系统、冷却系统、供砂系统、控制系统及废水处理装置等部分组成。高压泵或增压器是增压系统的关键部分。往复压缩式增压器在液压系统提供的高压油作用下往复运动，使得水压上升至300～1000MPa。在增压器与高压水路之间装有蓄能器。

冷却系统主要用来冷却压缩式增压器在往复运动时所产生的热量，避免因温度过高而损坏增压器的活塞。供砂系统主要由磨料流量调节系统和磨料切割头构成，其中磨料切割头是超高压射流切割的核心。通过计算机或人工对控制系统进行控制，进而指挥各个进给轴的移动，完成对工件的加工。废水处理系统主要用来收集切割时所产生的废水。

四、超高压水射流切割机的软件部分

控制软件是完成超高速水射流切割机的核心之一，本控制系统采用VisualC++6.0开发平台，在WindowsXP环境下运行，凭借MFC、API及运动控制卡所匹配的动态链接库来开发的控制系统。软件采用了面向对象可视化编程思想、多线程编程等编程技术，采用模块化的设计方法和自顶向下的设计理念，是一款适用于超高速水射流切割机的控制系统。

超高压水射流切割机控制系统的软件结构，控制软件主要包括位置显示、程序编辑、系统配置、参数设置、偏移设置、参考点设置、故障诊断、自动运行、手动操作等9大子界面。

为实现超高压水射流切割机的运动控制，采用了模块化的设计思想。功能模块主要包括图形仿真模块、CNC代码编辑与编译模块、系统配置模块、参数设置模块、故障诊断模块、自动加工模块、手动调整模块。

其中，图形仿真模块主要用来显示程序的运行轨迹，验证加工路径的正确性。CNC代码编辑与编译模块主要用来实现CNC代码的手动输入、修改等，同时将CAD图形转化为G代码等操作；编译模块用来对CNC代码的词法及语义错误进行检验，对各程序段进行数据处理，完成控制系统的插补运算，生成结构体数据，为自动加工模块与图形仿真模块提供数据支持。

参数设置模块主要用来设置系统最大进给速度、最大移动速度、脉冲当量、加速度、进给轴的回参考点的方向。系统配置模块主要用来配置系统的运行环境的相关参数，运动控制卡与控制软件的之间的配合与优化。故障诊断模块主要用来检查系统出现故障时，如I/O电平的高低等，系统提示的相关信息，方便用户排除故障。

自动加工模块主要是结合G代码来对结构体各个结点进行顺序读取，仿真加工时根据结点数据进行图形仿真、CNC程序运行、加工状态数据动态显示，同步加工时还要调用动态链接库文件的运动函数，并对机床运动进行控制。

手动调整模块主要用来完成各进给轴的移动，调用动态链接库运动函数。同时完成开关量控制，如水泵、油泵、气阀、高压阀、砂阀等的开关控制。

结束语

总之，水射流切割技术以其诸多优点得到越来越广泛的应用。水射流切割技术正朝着超高压、大功率、智能化、多用途、高精度的方向发展，随着绿色环保理念的深入人心，它的应用范围将不断扩大。希望本文的分析研究对相关研究人员有一定的借鉴意义。

参考文献

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