高压水刀切割论文参考文献

南京佳顿自动化设备专业水刀加工 水切割外协加工 数控水刀是将超高压水射流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平面切割机床。它将水流的压力提升到足够高（200MPa以上），使水流具有极大的动能，可以穿透化纤、木材、皮革、橡胶等，在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。 *数控水刀有什么特性和优点？ 与传统的“热”切割工艺相比，超高压水射流切割机床以水流为切割介质，是一种“冷”切割工艺。它具有如下功能与优点： 1.切割时无热变形，避免了材料的物理、化学变化； 2.广泛适应于各种材料的切割加工，有“万能切割机”之誉； 3.切口光滑平整无毛刺，一般无须再加工； 4.由数控系统操纵，切割精度高； 5.切割缝小于1.2mm，便于套料切割，节约材料； 6.加工过程不会产生污染环境的废物。 数控水刀对那些用其它方法难以切割的材料如芳纶(Kevler)、钛合金及各种复合材料是非常理想或唯一的加工手段。 *数控水刀能达到怎样的精度？ 严格来讲，数控水刀虽然比火焰、等离子切割机床可以更精确的切割，但还不是精密加工机床，应该不能标注精度。在切割10mm以下的板料时，把切割速度和补偿控制得恰到好处，误差可以做到+-0.1mm。 *数控水刀能切割的最大厚度是多少？ 由于水射流的靶距是不确定的或者说是变化的，数控水刀的最大切割厚度并不好明确界定。胆大者，敢称400、500mm，保守者称100mm以内，都是合理的。现有的数控水刀一般流量在2～3升，工作压力在200～380MPa，射流经过空气阻力，能量衰减极快，到400、500mm时，基本就随风飘散了，就没有打击力。 就一般应用而言，切割金属板材厚度建议不超过100mm，发泡材料如海绵厚度建议不超过300mm。 *高压泵（高压发生器）的工作原理是什么？ 系统原理图如下：油路部分工作原理 电机驱动油泵，将液压油从油箱中抽出，经单向阀传送到油压管路中。此时油路分成三路，一路接蓄能器和压力表，压力表显示油压，蓄能器可起平稳油压的作用，第二路接换向阀，另一路接溢流阀。当未按下开水射流按钮时，从油泵送出来的液压油经溢流阀、水冷式冷却器和回油过滤器直接流回油箱，则少量的液压油通过换向阀进入增压器油腔，不足以推动油活塞产生换向或换向缓慢；而当按下开水射流按钮后，溢流阀闭合，液压油经换向阀进入增压器油腔，推动油活塞运动，同时油活塞另一边的液压油被推出油缸，经水冷式冷却器、回油过滤器流回油箱。当油活塞被推至油缸末端，碰撞换向顶杆，顶杆触发换向阀产生换向信号，从而使液压油路从油缸的另一端进入，油活塞回程。至油缸未端又触发换向顶杆，油活塞又回程。如此，连续不断地触发换向器进行油路换向，从而形成增压器的往复运动。水路部分工作原理 自来水经过滤器过滤之后，由水泵进行加压，进入增压器两端的高压缸内。当油活塞往复运动时，一端高压缸通过进水单向阀进水，另一端高压缸的水被推出、经过出水单向阀进入高压管路。如此动作，在两端的高压缸中交替进行，形成源源不断的高压水流。由于存在增压器换向周期，输出的水流的压力形成周期性波动。因此高压水流需经高压蓄能器进行稳压，通过高压管输送到喷射头。在喷射头上安装有孔径为0.25~0.33mm的宝石喷嘴。高压水流在宝石喷嘴的约束下形成具有极大动能的高速“水箭”，可以击穿纤维、皮革、橡胶等软质材料。在“水箭”中混合一定比例的磨料，则形成磨料水射流，可以穿透任何坚硬材料。增压器原理 当液压油作用在活塞上时，连接在活塞的高压柱塞杆将高压缸内的水推出。根据能量守恒定律，假设无摩擦损耗，两者的作功相等。此时，油压乘以活塞横截面积等于水压乘以柱塞杆横截面积，即水压与油压的比值等于油活塞横截面积与高压柱塞杆横截面积的比值。油活塞横截面积与高压柱塞杆横截面积之比称为“增压比”，由于其比值固定，所以通过控制油压就可调节水压。 *影响数控水刀切割效率的因素有哪些? 影响数控水刀切割效率的因素是多方面的而且是相互影响的。主要有：刀头结构及质量、水射流的压力高低及压力波动幅度、水喷嘴的完好程度、磨料质地规格选配是否合适及质量好坏、喷砂管完好程度，等等。 常用材料的切割效率，可参考下表：材料 厚度（mm） 切割速度(mm/分钟) 切割压力(MPa)钢板/不锈钢板 2 5 10 20 40 80 100 850～1100 400～550 180～240 60～90 25～40 10～15 3～5 300铝板 6 20 50 700～900 180～250 50～70 300铜板 5 10 600～750 250～350 300钛板 2 5 300～400 120～150 300玻璃 6 20 53 1200～1500 240～350 50～70 300大理石板 10 20 30 400～900 150～400 50～100 300花岗岩板 10 20 30 200～600 100～250 25～60 300瓷砖 10 1200～1500 300注：切割速度愈低，切口质量愈好。*如何选到一台好的水刀? 目前国内水刀还没有一个通行的标准，各生产企业在标明各项指标参数上不能保证其内涵的一致性，使得用户在选购时比对各项指标参数时就会失去意义。 水刀是加工工具，好工具的标准就是：一要效率高，二要耐用即故障率低，三要费用低。 第一步：看切割效率高低。 切割效率包括切口质量和切割速度。水刀切割的一个特点是：切割速度越低，切口质量越高。 拿同一块材料到几个水刀厂家去试切割，然后再比较：相同切口质量下，谁的切割速度快；相同切割速度下，谁的切口质量高。切割的最低要求，是切断材料。切断速度是一个很可靠的比较指标。 第二步：比较耐用性。 水刀的故障主要出在高压系统。各水刀厂家产品性能高低由此泾渭分明。 高压缸、蓄能器、高压柱塞、单向阀体堵头、高压密封、单向阀等部件品质好坏，直接决定了水刀的故障率高低。这些部件的使用寿命越长越好。 第三步：比较维修、维护费用高低。 目前水刀没有一个通行的标准，零部件互换性很低。而且，水刀的高压部件又是有限使用寿命。因此，购买水刀时不仅要看整机价格，更要看配件价格。不仅要看单价，更要结合使用寿命仔细算综合使用成本。 简而言之，用户可以不必理会压力、流量、精度这些指标，只管亲眼所见和亲耳所闻如何在合同里得到保证。 *数控水刀使用成本多少?1.设备折旧 整机平均购买价格以25万元计算。正常使用寿命为5年。每年实际工作日数为300天，每天平均使用（实际工作）时间为5小时，5年累计工作时间为7500小时。重要部件平均更换周期为2000小时，费用约为1.6万元。 设备购置成本及重置成本为(250000+16000x7500/2000=)310000元。 设备折旧每小时约为(310000/7500=)41.5元。2.耗材成本项目名称 使用寿命/消耗量 单价（元） 每小时成本（元）A：易损件高压动密封组 >500hrs 248元/套 0.50单向阀 >500hrs 340元/套 0.68油密封组 >1000hrs 180元/套 0.18静密封组 >500hrs 76元/套 0.15B：耗材喷砂管 >150hrs 750 5.00水喷嘴 >40hrs 20 0.50水 <150kg/hr 3.5(以南京价格为基准) 0.55电 <25kw/hr 0.8(以南京价格为基准) 20.00磨料 30kg/hr 0.75(以南京价格为基准) 22.50合计：约50元/小时*数控水刀有哪些常见故障以及如何排除?1.增压器常见故障及排除方法故障现象 检查、排除顺序及方法高压、低压皆无但换向正常 a.检查自来水供水是否断水或水压过低；b.检查水泵是否正常；c.检查宝石喷嘴是否正常（水束明显发散）；d.检查挡钣后窥孔有无漏油、漏水（有漏水，表明高压腔动密封损坏；有漏油，表明油缸档板上动密封损坏。）；e.检查进水单向阀是否失效（进水管回水明显）；f.检查出水单向阀是否失效（单向阀处手感明显发热）；g.检查高压柱塞杆是否断裂（拆除进、出水管和出水单向阀，往高压缸内插入一根细钢丝，探到柱塞杆，开启电机油泵，观察钢丝是否顶出。不顶出或移动距离小，则表明柱塞杆已断裂）。高压、低压皆无且换向时间过长或不换向 a.如不换向且油压很高，用手推一下换向阀的任一端电磁阀阀杆；b.调整霍尔开关位置（将霍尔开关向油缸方向轻微移动）c.检查换向霍尔开关是否正常；（参照下节相关内容）d.检查换向阀电气部分是否正常；（参照下节相关内容）e.确认是否调整过油泵流量（太小）；f.确认是否调整过溢流阀流量（太大）；g.检查换向阀阀芯是否堵塞或磨损；（参照下节相关内容）h.检查油缸中活塞密封是否损坏。（参照下节相关内容）压力正常或偏高但射流切割无力 a.检查高压管路是否堵塞；b.检查喷砂管是否堵塞；c.检查宝石喷嘴是否堵塞或损坏；d.更换喷砂管，进行对比。高、低压力波动过大 a.检查高压腔一体塞头上出水单向阀连接处有无泄漏（先确认是否接头与单向阀之间的密封面损坏，一般应修理接头的平面；再确认单向阀锥垫与塞头上配合的锥孔之间的密封面损坏，一般应更换锥垫。简便办法：整体更换新的出水单向阀。）；b.检查挡钣后窥孔有无漏水（漏水一侧高压缸动密封须更换）；c.检查挡钣后窥孔有无漏油(漏油一侧油缸挡板上的Y型油密封圈须更换)；d.确定压力下降时换向指示灯亮着的一侧（灯亮时间也相对短些），称为失压端；e.检查失压端的出水单向阀是否失效（手摸单向阀附近会烫手，则需更换单向阀）；f.检查另一侧的进水单向阀是否失效（用力捏紧塞头进水口处的水管，在换向指示灯明、灭时都有水流脉动，则修、换单向阀）。换向时间过短或两个霍尔开关指示灯同时亮 a.调整开关位置（将霍尔开关向高压缸方向轻微移动）；b.检查换向触杆是否卡紧（断开总电源，拆开换向顶杆的外铜套，将换向组件一一拿出，换向触杆在最深处，用磁铁能将其吸出。如不能吸出，表明换向触杆被卡紧。恢复换向组件时，特别注意磁柱的方向不要错，应将能触发霍尔开关的一端对外。）。2.油压系统故障及排除排查顺序为：油泵电机组—换向霍尔开关—换向阀—溢流阀—油缸密封（一）检查油泵电机组启动电机油泵，察看柱塞泵的吸油管是否进油不进油ó1.三相供电相位变了（电机反转）；2.油泵电机组异常解决方法：1.将断路器任意两根进线（或出线）互换位置；2.修理或更换油泵电机。进油ó油泵电机组正常，进行第二步检查。（二）检查换向霍尔开关打开电源，不要启动电机油泵，取出换向霍尔开关，将霍尔开关依次接近磁铁（注意极性，用磁铁的两端分别试），霍尔开关指示灯是否对应地亮/灭。同时，观察与霍尔开关相连的继电器是否有动作。不能对应地亮/灭ó霍尔开关损坏解决方法：更换新的霍尔开关继电器无动作ó继电器损坏解决方法：更换新的继电器能对应地亮/灭、继电器动作ó霍尔开关没有损坏/继电器正常，进行下一步检查（三）检查换向阀打开电源，不要启动电机油泵，将霍尔开关依次接近磁铁，同时用手去感应换向阀的电磁阀阀杆是否移动。可重复多次，以确定其稳定性。阀杆不移动ó换向阀工作异常解决方法：1.清洗阀芯及阀腔；2.更换新阀。阀杆移动ó换向阀正常，进行下一步检查（四）检查溢流阀打开电源，不要启动电机油泵，按下高压启动按钮，用手去感应溢流阀的电磁阀阀杆是否移动。可重复多次，以确定其稳定性。阀杆不移动ó溢流阀工作异常解决方案：1.清洗阀芯及阀腔；2.更换新阀。阀杆移动ó溢流阀正常，进行下一步检查（五）检查油缸密封开启油泵电机（注意：不要开启高压），将两只换向霍尔开关拿在手上，分别接近磁铁，同时注意听油缸内的动静，并注意察看两块挡板后窥孔有无漏油现象。两个方向都没有动作或其中一个方向没有动作ó活塞上密封失效解决方法：拆开油缸，取出活塞，更换新的密封件。同时，更换有漏油现象的一端挡板内的油封。(注意：拆油活塞时，须特别要保护好与之联结的高压柱塞杆，防止表面划伤或折断。) 两个方向都有动作ó活塞密封正常，检查其它原因。3.数控操作系统故障及排除故障现象 原因/检查步骤 解决方法无法进入控制软件 该程序的数据被破坏 重新安装该程序；确认系统无病毒其它程序也无法运行 重新安装WINDOWS系统仿真运行时提示有错误 检查G代码文件的错误 正确分行；改正错误代码DXF图形文件有错 修正交叉点；去掉重合线段X、Y轴某一轴无动作 驱动器故障 1.点动该轴按键，同时观察该轴驱动器指示灯是否工作；2.将该轴接插件与另一正常轴接插件调换后观察该轴是否有动作。电机故障接插件未接好 检查接插件是否牢靠丢步 电机缺相 检查线路驱动器故障 更换驱动器插卡不正确或IO卡故障 重新插卡或换卡电机相关参数被修改 恢复被修改的参数操作指令无反应 急停按钮未复位 复位急停按钮电气线路上松脱、断点、元件损坏 重新接牢；更换已损坏元件病毒影响 杀毒；重新安装程序液压系统、增压器常见故障及排除方法故障现象 检查、排除顺序及方法高压、低压皆无但换向正常 1. 检查自来水供水是否断水或水压过低2. 检查水泵是否正常3. 检查宝石喷嘴是否正常（水束明显发散）4. 检查高压柜内有无漏油、漏水5. 检查出水单向阀是否发热（两边温度明显不同）换向不正常（换向时间过长或不换向） 1. 检查换向传感器是否正常2. 检查换向电磁阀是否正常3. 检查是否调整过油泵流量导致流量太低4. 检查是否调整过溢流阀流量导致流量太大5. 检查换向阀阀芯是否堵塞或磨损6. 检查油缸中活塞密封是否损坏压力正常但切割无力 1. 检查高压管路是否堵塞2. 检查喷砂管是否堵塞3. 检查宝石喷嘴是否堵塞或损坏4. 更换喷砂管，进行对比数控系统常见故障及排除方法故障现象 检查、排除顺序及方法X、Y轴某一轴无动作 1. 检查接插件是否牢靠2. 检查驱动器是否故障（驱动器上显示Err）操作指令无反应 1. 检查急停按钮是否复位2. 检查电缆接线是否松动数控水刀增压器常见的故障及排除方法1.水刀增压器常见故障及排除方法A、高压、低压皆无但换向正常 排除方法 ：a.检查自来水供水是否断水或水压过低； b.检查水泵是否正常； c.检查宝石喷嘴是否正常（水束明显发散）； d.检查挡钣后窥孔有无漏油、漏水（有漏水，表明高压腔动密封损坏；有漏油，表明油缸档板上动密封损坏。）； e.检查进水单向阀是否失效（进水管回水明显）； f.检查出水单向阀是否失效（单向阀处手感明显发热）； g.检查高压柱塞杆是否断裂（拆除进、出水管和出水单向阀，往高压缸内插入一根细钢丝，探到柱塞杆，开启电机油泵，观察钢丝是否顶出。不顶出或移动距离小，则表明柱塞杆已断裂）。B、高压、低压皆无且换向时间过长或不换向 a.如不换向且油压很高，用手推一下换向阀的任一端电磁阀阀杆； b.调整霍尔开关位置（将霍尔开关向油缸方向轻微移动） c.检查换向霍尔开关是否正常；（参照下节相关内容） d.检查换向阀电气部分是否正常；（参照下节相关内容） e.确认是否调整过油泵流量（太小）； f.确认是否调整过溢流阀流量（太大）； g.检查换向阀阀芯是否堵塞或磨损；（参照下节相关内容） h.检查油缸中活塞密封是否损坏。（参照下节相关内容）加砂水刀切割经验技巧而有些则只能通过经验获得。希望您在阅读这些技巧后能更加了解切割流程。有些技巧很显而易见。> 1 若切割厚度低于0.100英寸的资料，使用中（50马力）或大（60至80马力）切割头将不起作用。使用小参数组合（25马力）如必要，请考虑使用多个切割头以提高生产。 2 防止通过高于0.020气隙切割。气隙中，水易涌出且仅切割下层。进行多层切割时，将板压在一起切割。 3 较小的砂料颗粒（120粒度或更小）切割速度较慢，但表面更为平滑（与80或50粒度相比） 4 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刀并不重要。重要的给定的时间内生产出多少工件。有些用户想要通过降低砂料流速降低运行成本，这是错误的即使砂料是加砂水刀运行成本的三分之二，也必需快速生产工件以消耗间接费用（劳动力、设施、租赁费用）使用所有可用的马力和最高砂料流速尽快切割。 5 如果需要定期为复合材料、玻璃和石材穿孔，确保系统能够使用控制器降低或增高水压。同时要检查真空辅助装置或其它技术，以提高为这些脆性资料或层压材料穿孔成功的机率。 6 与一般的多流程控制器相比，经过特殊设计用于流程的控制系统通常更有效、更易于使用。 7 大多数机器不采用资料装卸自动化设备，例如航天飞机。只有当资料处置构成部件生产本钱的一个重要部分时，才会考虑使用自动化设备。90%加砂水刀设备是用手或借助于桥式起重机、旋臂起重机或叉车进行装卸。约有50%水刀设备使用资料装卸自动化设备。水刀通常在极高的速度下切割厚而轻的资料。切割整个薄板所用的时间相当低，部件生产本钱的装卸局部非常高，足以证明增加的资金投入很正确。 8 通常使用自来水注入水刀系统。将自来水通过泵的进水过滤器注入增压器之前，90%水刀和加砂水刀用户只需要将水软化。反渗透（RO和脱离子器可将水净化到离子匮乏地步。这种侵蚀性水通过吸取周围材料（例如泵和高压管线中的金属）离子来消除离子匮乏状态。反渗透（RO和脱离子器会大大延长出水孔的寿命，然而同时会损坏增压器和水管。喷嘴相当廉价。高压汽缸、止回阀和端盖的损坏费用会远远超出出水孔寿命延长的费用。 9 水下切割会降低加砂水刀切割顶部表面结霜或起雾可能性。水下切割还会大大减少射流的噪声和工作场所的混乱。唯一的缺点是切割过程中操作人员不能清楚地看到射流。如果操作人员反对水下切割，考虑使用电子性能监控装置。这些监控装置能够检测到与最佳切割性能的偏差，并能在部件损坏之前关闭系统。 10 如果在不同的工作中计划使用不同的砂料粒度，考虑增加较小（100磅）或较大（500至2000磅）散装输送。如果您没有定期散装输送漏斗来筛选颗粒，生产过程中可能会停机或造成损坏。 11 具有冲溢标记表明切割厚度小于0.3英寸的资料是有效的虽然冲溢标志会让您进行二次操作才能磨掉，但是这种用法能更快执行材料处理-仅仅需要用切割部件不间断地替换切割薄板。资料越硬，冲溢标记会越小。有关详细建议，请咨询您的制造商。

高压水刀目前而言最大压力可以去到60000PSI，如果混合钢砂，可以穿透并切割开30CM厚度的不锈钢钢板，参考资料：水刀切割图5为切割铁砧的GIF动图，可以看出哪怕无坚不摧的铁站也在水刀的切割下一分为二。暂时来说，高压水刀是切割能力最强的设备之一，切割厚度远远超过等离子、激光等，并且不会热变形，不会破坏其中纹理和构造。

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30000 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。1950 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。1979 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。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 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。