一、切割原理


  水射流切割屬于一種新型冷加工工藝,它能在條件惡劣且嚴禁煙火的現場(chǎng)使用,得到了廣泛的重視,現給予介紹。水射流切割是集機械、電子、計算機、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的高新科技成果,是近幾年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種嶄新的材料加工方法。


  水射流切割的原理是利用一定高壓的純水或帶有切割磨料的液漿,經(jīng)切割噴管射出具有高密度沖擊的液柱,直沖被加工物體進(jìn)行切割。按水壓高低的不同,可分為低壓和高壓水射流切割兩種,圖6-17和圖6-18為水射流切割工藝原理示意圖。


圖 17.jpg



二、切割特點(diǎn)


 水射流切割技術(shù)有下列特點(diǎn):


 1. 切割的水射流壓力大 


    水射流壓力為幾十到幾百兆帕,以2~3倍聲速產(chǎn)生巨大的射流能量密度來(lái)切割物體。被切割工件的切口溫升很低,一般溫度不超過(guò)100℃,這是與其他熱切割工藝相比最為突出的優(yōu)點(diǎn)。這樣,它就排除了被切割工件產(chǎn)生變形、切口部分的熱影響區和組織變化的可能性。它在嚴禁煙火的場(chǎng)合,如海洋石油鉆井平臺、煉油廠(chǎng)、大型油罐、油氣輸送管路等處,能安全可靠地使用。


 2. 水射流切割的切口質(zhì)量十分優(yōu)異 


    切口表面平滑,不存在任何毛刺和氧化殘跡,切口的間隙很窄,用純水切割,一般可控制在0.1mm以?xún)?;添加一定切割磨料則在1.2~2.0mm之間。切口不需要進(jìn)行二次加工,簡(jiǎn)化了加工程序。


 3. 切割厚度范圍比較寬 


    水射流的切割厚度范圍比較寬,最大切割厚度可大于100mm。對于厚為2.0mm的特殊鋼板,切割速度可達100cm/min,盡管水射流切割速度略遜于激光切割,但它在切割過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生大量的切割熱,所以在實(shí)際應用上,水射流切割更具有優(yōu)越性。


 4. 切割對象廣泛 


    這種切割方法不僅適用于金屬和非金屬的切割,也適用于復合材料、熱敏感材料的加工。


 5. 優(yōu)良的操作環(huán)境 


    水射流切割過(guò)程中無(wú)輻射線(xiàn)、無(wú)飛濺粒子,避免了灰塵飛揚現象,環(huán)境不受污染。即使是磨料水射流切割,磨料的粉塵和切割屑也能直接被水流沖走,進(jìn)入收集器內,確保了操作者的身體健康,可稱(chēng)得上是一種綠色環(huán)保的加工方法。


  由于水射流切割有上述優(yōu)點(diǎn),在航空航天、原子能、石油、化工、水下工程及建筑等行業(yè)均有廣泛應用的前景。



三、切割工藝


 1. 切割方法


   目前的水射流切割方法有低壓和高壓水射流兩種。


   低壓水射流切割是將高壓水(14~69MPa)和切割磨料首先在一加壓儲罐內進(jìn)行預混合,然后將混合好的磨料液漿經(jīng)過(guò)一軟管直接送到割槍內進(jìn)行切割,如圖6-17所示。被切割工件可以在遠離切割電源500m處或者水下進(jìn)行切割。


   高壓水射流切割是將高壓水(大于240MPa)和干燥磨料分別通過(guò)各自軟管輸送,然后在割槍的混合腔內進(jìn)行混合,并完成物件的切割加工,如圖6-18所示。被切割加工工件一般在切割電源附近進(jìn)行。


   低壓和高壓水射流切割在相同條件下進(jìn)行切割加工時(shí),前者水和切割磨料的消耗僅為后者的1/8~1/3;從割槍的結構上看,低壓水射流切割的割槍相對簡(jiǎn)單些;從能量消耗來(lái)看,低壓水射流切割所耗能量較小。所以目前低壓水射流切割為最有效的切割工藝。


 2. 切割磨料


   水射流切割所用的磨料,主要有金剛砂、橄欖石、石榴石、煉銅爐渣和氧化物。其中煉銅爐渣較為理想,一是它的價(jià)格低,只有精鋼砂的1/8~1/10;更主要的是它的切割速度比金剛砂快30%。這是由于煉銅爐渣的顆粒比較尖銳,在切割過(guò)程中,當它們與切割工件相撞后被破碎,從而形成較多的切割刀。另外,用金剛砂進(jìn)行水射流切割時(shí),切割磨料容易嵌入母材,從而對切割處的某些性能,如焊接接頭力學(xué)性能,會(huì )產(chǎn)生不良影響,而用煉銅爐渣作為切割磨料就能克服這一瑕疵。


   一般要求切割磨料的粒度為0.2~1.5mm,這主要取決于切割噴槍的噴嘴直徑。切割磨料可收回,反復使用2~3次,然后經(jīng)過(guò)篩選,將過(guò)分細碎磨料去掉。


 3. 切割噴嘴所用材質(zhì)


   對于切割噴嘴除了有足夠韌性和硬度外,更主要是有良好的耐磨性,才能有效地減小切割噴嘴的磨損,從而提高其使用壽命。由于噴嘴內徑的磨損,將使切口的縫隙變寬,導致切口斷面的垂直度降低。通常選用鎢、硅或者硬質(zhì)合金作為切割噴管的材料,但使用壽命均不夠理想,目前認為選用藍寶石作為噴管的材料較為適合。


 4. 切割工藝


   水射流切割常用的切割材料及其切割工藝參數見(jiàn)表6-23。



   以低壓水射流切割工藝對不同厚板奧氏體不銹鋼切割進(jìn)行了試驗:切割噴嘴孔徑為1mm,水壓為69MPa,切割速度與切割深度、切割深度與切割磨料用量之間的關(guān)系如圖6-19和圖6-20所示(材料為18-8型不銹鋼,鋼板厚度為3mm)。


圖 19.jpg


   鑒于水射流切割已發(fā)展為一種精密加工工藝,它對設備提出了高精度的要求,水射流切割機將是一臺精密加工機床。這種設備的技術(shù)特性完全相當于精密的激光切割機。它由高壓水射流發(fā)生器(增壓裝置)、水刀切割頭、數控切割平臺、CNC控制器系統以及計算機、控砂輔助裝置等組成。




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