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1簡介

除低成本切割外，水刀還被認(rèn)為是世界上功能多樣、增長速度快的加工技術(shù)（根據(jù) Frost & Sullivan 和Market Intelligence Research公司的報(bào)告）。水刀在全球范圍內(nèi)廣泛用于高產(chǎn)量應(yīng)用。它與其它技術(shù)（銑床、雷射、EDM、等離子和刨床）相輔相成。水刀切割不使用有毒氣體或液體，不會(huì)產(chǎn)生有毒的物質(zhì)或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或機(jī)械變形。它是一種真正的多功能 、率冷切割技術(shù)。
水刀已經(jīng)證明自己可以完成其它技術(shù)的工作。從在石材、玻璃和金屬上切割極薄的細(xì)節(jié)，在鈦合金上快速鉆孔，切割食品、直至對飲料和溶液進(jìn)行殺菌消毒，水刀已經(jīng)證明了它的價(jià)值。
人類自古就利用水流的沖擊力，制成水車、水磨等水力機(jī)械。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。前蘇聯(lián)用于采煤工業(yè)，名曰水力采煤。高速噴出的水流受阻于煤層，速度驟然下降，頃刻間會(huì)產(chǎn)生足夠大的沖擊力，使煤層出現(xiàn)脆性斷裂，完成采煤作業(yè)。受此啟發(fā)，前蘇聯(lián)科學(xué)家開發(fā)出高壓水噴流切割技術(shù)，而美國公司取得了此項(xiàng)技術(shù)的權(quán)，使之商品化。
普通水經(jīng)過一個(gè)超高壓加壓器，將水加壓至4,000 bar （60,000psi），然后通過一個(gè)細(xì)小的噴嘴（其直徑為0.004英寸至0.016英寸），可產(chǎn)生一道每秒達(dá)915公尺（約音速的三倍）的水箭，此道水箭可做各種表面處理及切割各種非金屬物質(zhì)如紙類、紙尿褲、玻璃、纖維、海綿等。
而針對要切割金屬及較硬的材質(zhì)如各種石材、玻璃、陶瓷、磁磚等材質(zhì)時(shí)，福祿另開發(fā)出具及更*的設(shè)計(jì)，就是將砂料與水箭混流以增強(qiáng)其切割能力，此種高速度的加砂水刀幾乎可切割任何材質(zhì)。
要做到這點(diǎn)，對水、管道、噴口都有比較高的需求。如管道，水刀是用高壓工具把水加壓后射出來的，必須擁有*的壓力才能把堅(jiān)硬的切割材料切開，所以管道必須能承受*的壓力，這個(gè)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于700兆帕，因?yàn)楸′摪澹ū磺懈畈牧希┍旧砭湍艹惺?00兆帕的壓力。
其次，水刀用的水*沒有雜質(zhì)是不對的。因?yàn)樗畨哼h(yuǎn)遠(yuǎn)大于700兆帕，那么對于管道等密封設(shè)備而言，無論密封性能多么好，純水總會(huì)使它們磨損而滲漏。為了解決這個(gè)問題，水刀用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。對于高壓泵，也要加入一些油液提高其密封性能。
上面說過了，水刀的噴嘴是用硬質(zhì)合金、藍(lán)寶石等材料做成的，噴口直徑僅0.05毫米，而且孔內(nèi)壁光滑平整，能承受1700兆帕的壓力，所以噴出來的高壓水能像刀一樣切割材料。有些水還加入了一些長鏈聚合物，如聚乙烯氧化物，增加水的“黏度”，使噴出的水猶如一條“細(xì)線”。
它的加工精度高，切割寬度只有0.1—0.8毫米，可以加工型面復(fù)雜的零部件。加工后的零部件切口光滑整齊，無須修整。尤其對易熱變形材料的加工，“水刀”更具**性。
“水刀”，正因?yàn)樗皇堑?，它不像刀具那樣存在磨損問題，摻入水噴流中的磨料和廢水可回收使用，設(shè)備又較為簡單，加工成本低廉。加工過程中引起的振動(dòng)和噪聲都很小，切屑量僅是機(jī)械加工的15%—20%，并且碎屑隨水流走，不會(huì)飛揚(yáng)傷及操作者，才開拓了廣闊的用武之地。對復(fù)合材料的切割是加工中的棘手問題。如采用傳統(tǒng)的加工方法，會(huì)出現(xiàn)分層和撕扯現(xiàn)象，而“水刀”正是解決這個(gè)問題的理想工具。用“水刀”來清除部件的陶資涂層，效果優(yōu)于機(jī)械方法和化學(xué)方法?！八丁笨捎糜跊_孔，粉碎材料。船體及螺旋槳表面的附著物，化工管道中的積垢，用“水刀”來清洗也很方便。
“水刀”還可以用于*?！矕|京大學(xué)醫(yī)學(xué)院用壓強(qiáng)0.7兆帕的“水刀”在家兔身上做試驗(yàn)，表明它可用于肝、腎等器官的手術(shù)，不會(huì)損傷周圍組織，也不易引起感染?！?。

2歷史

Norman Franz 博士一直被*為水刀之父。他是研究超高壓（UHP）水刀切割工具的人。超高壓的定義是高于30000 psi。Franz 博士是一名林業(yè)工程師，他想尋找一種把大樹干切割成木材的新方法。1950 年，F(xiàn)ranz 次把很重的重物放到水柱上，迫使水通過一個(gè)很小的噴嘴。他獲得了短暫的高壓射流（多次超過了現(xiàn)在使用的壓力），并能夠切割木頭和其它材料。他后來的研究涉及更為連續(xù)的水流，但他發(fā)現(xiàn)獲得連續(xù)高壓非常困難。同時(shí)，零件的壽命也以分鐘計(jì)算，而不是今天的數(shù)周或數(shù)月。
Franz 博士從沒制造出一種量產(chǎn)的木材切割器。而今天木材切割卻是超高壓技術(shù)不重要的應(yīng)用之一。但 Franz 博士證明了高速會(huì)聚水流具有極大的切割能量－這種能量的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Franz 博士的夢想。
1979 年，Mohamed Hashish 博士在福祿研究室工作，開始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金屬和其它硬質(zhì)材料。Hashish 博士被*為加砂水刀之父，他發(fā)明了在普通水刀中添加砂料的方法。 他使用石榴石（砂紙上常用的一種材料）作為砂料。憑借這種方法，水刀（含有砂料）能夠切割幾乎任何材料。1980 年，加砂水刀次被用于切割金屬、玻璃和混凝土。1983 年，世界上套商業(yè)化的加砂水刀切割系統(tǒng)問世，被用于切割汽車玻璃。該技術(shù)的批用戶是航空航天工業(yè)，他們發(fā)現(xiàn)水刀是切割軍用飛機(jī)所用的不銹鋼、鈦和高強(qiáng)度輕型合成材料以及碳纖維復(fù)合材料的理想工具（現(xiàn)在已用于民用飛機(jī)）。從那以后，加砂水刀被許多其它工業(yè)采納，例如加工廠、石料、瓷磚、玻璃、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、建筑、核工業(yè)、船廠等等。

3技術(shù)

基本技術(shù)既簡單又復(fù)雜。在基本的情況下，水從泵流過，經(jīng)過管道，然后從切割刀頭流出。其說明、操作和維護(hù)都很簡單。但是，這一過程包含非常復(fù)雜的材料技術(shù)和設(shè)計(jì)。為了生成和控制 60000 psi 的水壓，需要書本上沒有的科學(xué)技術(shù)。在這種壓力下，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，微小的泄漏有可能對工件造成的侵蝕性損害。幸運(yùn)的是，水刀制造商采用了復(fù)雜的材料技術(shù)和*工程設(shè)計(jì)。用戶只需了解基本的水刀操作知識(shí)即可。
從本質(zhì)上講，有兩類水刀：（1）純水水刀和（2）加砂水刀。設(shè)備設(shè)計(jì)為只能使用純水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。無論何種形式，必須首先對水加壓。
泵
泵是水刀系統(tǒng)的核心成員。對水進(jìn)行加壓并連續(xù)輸出水流，從而讓切割刀頭把高壓水變?yōu)槌羲偎淞鳌Ｋ稇?yīng)用可以采用兩種泵－增壓泵和直接驅(qū)動(dòng)泵。

超高壓直接驅(qū)動(dòng)泵

直接驅(qū)動(dòng)泵的工作方式與在噴漆前沖洗房屋或甲板時(shí)所用的低壓“壓力清洗器”一樣。它是一種直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)三個(gè)活塞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的三級泵。因?yàn)槠浜唵慰煽?，這些泵得到了水刀工業(yè)的認(rèn)可。到本文發(fā)稿時(shí)為止，直接驅(qū)動(dòng)泵能夠提供的大連續(xù)工作壓力比增壓泵低 10% 到 25%（直接驅(qū)動(dòng)泵為 20K 到 50K 、增壓泵為 40 K 到 60K ）。
[直接驅(qū)動(dòng)泵] 直接驅(qū)動(dòng)泵
直接驅(qū)動(dòng)泵也是一種相對新型的高壓泵
（上世紀(jì)八十年代后期開始上市）
盡管直接驅(qū)動(dòng)泵被用于某些工業(yè)應(yīng)用，目前絕大多數(shù)用于水刀的超高壓泵還是增壓泵。

超高壓增壓泵

普通增壓泵中有兩種流體管路，水管和液壓管。
水管管路包括入口水過濾器、升壓泵、增壓器和減震器。用入口水過濾系統(tǒng)過濾普通自來水－通常包括一個(gè) 1 微米濾筒和一個(gè) 0.45 微米濾筒。然后把過濾后的水輸送給升壓泵，入口水壓在此大約是 90psi－保證增壓器一定不能缺水。之后把過濾后的水輸送給增壓泵，壓力升高至 60000 psi。在水離開泵并通過管道輸送給切割刀頭之前，會(huì)首先流經(jīng)減震器。這個(gè)大容器緩沖了壓力波動(dòng)，確保輸送給切割刀頭的水穩(wěn)定、連貫。如果沒有減震器，將能夠看到并聽到水流脈動(dòng)，在被切割材料上留下印記。
液壓管路包括電機(jī)（25 到 200HP）、液壓泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵。液壓幫浦從油箱吸油，并把壓力升高至 3000 psi。高壓油被輸送給歧管，由歧管閥門產(chǎn)生增壓器的沖程動(dòng)作（通過把液壓油輸送給柱塞/活塞組件的一側(cè)或另一側(cè)）。增壓泵是一種往復(fù)式幫浦，即柱塞/活塞組件來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)蛪核錆M一側(cè)時(shí)，在增壓泵的另外一側(cè)輸出高壓水。液壓油在返回油箱的過程中得到冷卻。
典型的增壓泵裝置。本裝置設(shè)計(jì)為獨(dú)立式，而非整合到運(yùn)動(dòng)設(shè)備中。
增壓泵體現(xiàn)了*的幫浦技術(shù)。正如水管路的說明所描述的那樣，增壓泵把過濾后的自來水加壓到 60000 psi。利用的是“增壓原理”。
液壓油被加壓至 3000 psi（舉例）。由液壓油推動(dòng)活塞。柱塞的表面面積比推水一側(cè)的活塞面積小 20 倍。因此，3000 psi 的油壓就被增壓 20 倍，產(chǎn)生 60000 psi水壓?！霸鰤涸怼备淖儔毫Ψ匠讨械拿娣e變量，從而增強(qiáng)或增加壓力。
壓力 = 力/面積
如果力 =20、面積=20， 那么壓力 =1。如果保持力不變而大幅減少面積，則壓力將升高。例如，把面積從 20 降到 1，壓力將從 1 增至 20。在下列示意圖中，小箭頭表示 3000 psi 的油壓，它推動(dòng)的活塞面積是柱塞表面面積的 20倍。因而增壓比是 20：1。
[增壓器原理] 增壓器原理
在下列說明中用圓圈圈出了活塞和柱塞?；钊麕в行〖^，表示向左移動(dòng)。兩個(gè)水柱塞從活塞的兩側(cè)延伸出去。高壓水從左側(cè)流出，而低壓水從右側(cè)注入。在行程的終點(diǎn)，活塞/柱塞組件的次序被顛倒。
復(fù)雜的止回閥保證低壓和高壓水只向一個(gè)方向流動(dòng)。容納柱塞和活塞系統(tǒng)的高壓油缸和端蓋經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，足以承受巨大的力和持久的疲勞。

4特點(diǎn)

1、 數(shù)控成型各種復(fù)雜圖案；
2、 屬冷切割、不產(chǎn)生熱變形或熱效應(yīng)；
3、 環(huán)保無污染、不產(chǎn)生有毒氣體及粉塵；
4、 可加工各種高硬度的材料，如：玻璃、陶瓷、不銹鋼等，或比較柔軟的材料，
如：皮革、橡膠、紙尿布等；
5、 是一些復(fù)合材料，易碎瓷材料復(fù)雜加工的手段；
6、 切口光滑、無熔渣，勿需二次加工；
7、 可一次完成鉆孔、切割、成型工作；
8、 生產(chǎn)成本低；
9、 自動(dòng)化程度高；
10、24 小時(shí)連續(xù)工作

5應(yīng)用

為了更好地減低成本，工程師們和制造商們不斷地探索，現(xiàn)在水刀能做到很有效地降低成本以創(chuàng)更大利潤。因此有必要學(xué)多一些水刀的應(yīng)用技術(shù)以采用低的切割成本去創(chuàng)造更大利潤。
在切割成本而言，水刀加工業(yè)被認(rèn)為是的和快速成長的行業(yè)，除了上述之外，水切割機(jī)是目前在世界上高產(chǎn)能的一種機(jī)器，它優(yōu)于其他的加工技術(shù)，如火焰切割，等離子加工，激光加工，電火花加工，車銑刨加工等。同時(shí)，水切割不會(huì)產(chǎn)生有害的氣體或液體，不會(huì)在工件表面產(chǎn)生熱量，它是真正的多功能的，率的，冷切割加工。
水刀切割展示出它能做一些其他簡單的工藝不能完成的加工，它可以在鈦上打孔，可在石頭或玻璃上切割各種花樣，這些都表現(xiàn)出了水刀自身的*性。它在切割材料時(shí)沒有產(chǎn)生熱，在這種冷態(tài)加工過程中，它產(chǎn)生的超音速的水箭射在切割材料表面時(shí)能達(dá)到理想的效果，水與沙的混合，更加增強(qiáng)了其切割能力。
高壓水是怎樣產(chǎn)生的
這基本原理是既簡單又復(fù)雜。水射流是從加壓泵開始，通過高壓管，然后從切割噴頭射出來。非常簡單的解釋。然而，它是經(jīng)過了十分復(fù)雜的設(shè)計(jì)，才能產(chǎn)生60000PSI的壓力。在設(shè)計(jì)過程中，有處小小的滲漏都會(huì)對部件持久地侵蝕導(dǎo)致?lián)p壞。所以生產(chǎn)商和工程師們會(huì)小心地處理高壓材料的加工工藝，利用特殊的科技組合這種機(jī)器。使用者只需要知道基本的操作知識(shí)。
切割機(jī)在1982年應(yīng)用在工業(yè)上，早的在1970年就已出現(xiàn)，在工業(yè)上主要是應(yīng)用在汽車，航空，玻璃行業(yè)，從這些切割中不斷的提高度。磨料切割機(jī)的壓力可達(dá)到55,000PSI,這種高壓水通過一個(gè)細(xì)小的噴嘴以762m/s 的速度射出，這種速度是音速的2.5倍。
把石榴沙混入這種高速度的水射流中，通過在混合管中混合，然后以305M/秒的速度直接從沙管中射出到被加工的材料，這種切割過程其實(shí)是一種磨碾切割的過程，這種力量和動(dòng)作都是由水產(chǎn)生的。
1、 可切割范圍廣
可以切割絕大部分材料，如：金屬，大理石，玻璃 等等。
2、 切割質(zhì)量好
平滑的切口，不會(huì)產(chǎn)生粗糙的，有毛刺的邊緣。
3、 無熱加工
因?yàn)樗遣捎盟湍チ锨懈?，在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生熱（或產(chǎn)生極少熱量），這種效果對被熱影響的材料是非常理想的。如：鈦。
4、 環(huán)保性
這種機(jī)器采用水和沙切割，這種沙在加工過程中不會(huì)產(chǎn)生毒氣，可直接排出，較環(huán)保。
5、 無需更換刀具
你不需要更換切割機(jī)裝置，一個(gè)噴嘴就可以加工不同類型的材料和形狀，節(jié)約成本和時(shí)間。
6、 減少毛刺
采用磨料砂的水刀切割，切口只有較少的毛刺
7、 編程迅速
程序主要是由CAD制圖軟件生成，你可以在layout中隨意設(shè)計(jì)線圖，或輸入從其他軟件中生成的DXF文件，另外，機(jī)器支持第三方軟件，如nesting嵌套排版軟件（用于把圖形在工件中添滿，能大限度地減少工件損耗） .
8、 快速的編程
可以把其他軟件生成的程序調(diào)入機(jī)器，它能夠從CAD建立起刀具路徑，并能把刀頭的定位和切割速度在超過2,000點(diǎn)/英寸（800點(diǎn)/cm）計(jì)算出來，你需要做的只是*你要切割的材料和厚度，其他的工作交給機(jī)器去完成.
9、 與其他設(shè)備組合，可以進(jìn)行分別操作.
水切割機(jī)可和其他的加工設(shè)備組配（如鉆削頭），充分利用其性能，優(yōu)化材料利用程度.
10、 減少調(diào)整次數(shù)
對工件只需要很小的側(cè)壓就能固定好，減少復(fù)雜的裝夾帶來的麻煩.

6技術(shù)優(yōu)勢

無切割方向之限制 → 可完成各種不同的切割形狀。
所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小 → 可降低設(shè)定時(shí)間及使用夾治具的成本。
用同一種機(jī)器即可完成鉆孔及切割功能 → 可降低制程時(shí)間及切割成本。
不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或細(xì)微的裂縫 → 不需二次加工，可節(jié)省時(shí)間及制造成本。
不會(huì)產(chǎn)生具毒性的氣體 → 可為操作人員提供更好的工作環(huán)境。
不會(huì)產(chǎn)生毛邊 → 可縮短工件制造所需時(shí)間及制造成本。
切口細(xì) → 可減少大量廢棄材料的產(chǎn)生，節(jié)省直接制造成本。
一次即可完成工件之切割且擁有良好的切邊品質(zhì) → 可降低制程時(shí)間及成本。
依設(shè)計(jì)及工件材質(zhì)的不同來作彈性的調(diào)整 → 可縮短從接單至成品產(chǎn)出的時(shí)間，提升您的產(chǎn)能，為您的企業(yè)帶來更多的商機(jī)

7性能對比

超高壓水刀能切割何種材料？
超高壓水刀可切割各種厚、堅(jiān)硬之材料：如不銹鋼、鋁、銅、鋼鐵、大理石、合金金屬、玻璃、塑料、陶瓷、磁磚及各種可看得到之材料。??
水刀切割所能達(dá)到的精度為何？???
其切割工件之精度介于0.1mm～0.25mm之間。工件之精度決定于機(jī)器之精度、切割工件之大小及厚度。
水刀的切割縫隙有多寬？
需視切割工作材質(zhì)大小厚薄與所使用的噴嘴而定。一般而言，加砂切割之切口約為1.0mm至1.2mm。隨著砂刀管的直徑擴(kuò)口，其切口也就愈大。
利用水刀切割會(huì)產(chǎn)生什么樣的斜邊？
所運(yùn)轉(zhuǎn)之切割速度決定其斜邊品質(zhì)。大部份所看到好的切割品質(zhì)之單側(cè)斜邊為0.1mm左右。
何種材料應(yīng)該使用水刀切割？
一般而言，以復(fù)雜圖案、厚、難切、易碎與怕熱之材料，適合使用水刀切割為加工設(shè)備。
水刀與雷射之比較？
雷射切割是一種提高產(chǎn)能的制造法，當(dāng)然也是有它的用途。而水刀在某些方面確實(shí)是優(yōu)于雷射：
a.沒有切割厚度的限制
b.像黃銅、鋁等反射性材質(zhì)亦可切割
c.無需投入熱能，所以不會(huì)燃燒或產(chǎn)生熱效應(yīng)
d.當(dāng)您變更切材時(shí)，您所需變更的是切割速度；而不須變更氣體、聚焦或其它對象
e.可容易安裝更多的切割頭來增加產(chǎn)能
f.雷射設(shè)備的保養(yǎng)更專業(yè)化且困難度較高
g.您只需以購買雷射設(shè)備1/2至1/3之價(jià)格就可擁有一套完整的水刀設(shè)備。
水刀與線切割之比較？
線切割十分但是切割速度非常的慢，它需要導(dǎo)電體材且會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。
水刀與銑削之比較？
您若是要切割工件的外圍及打孔，與其用盲孔、鉆孔及螺紋方式，還不如選擇速度更快、更容易安排及更便宜的砂刀。其主要原因是我們只須水切割一次加工即可完成工件之切割，而不必將所有的金屬磨成碎片。當(dāng)需要切割高精度的工件時(shí)，砂刀是可用來生產(chǎn)接近成品的工具機(jī)，一次加工即可且不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。除此之外，砂刀所產(chǎn)生的廢料通常也是比較有價(jià)值的，因?yàn)樗钦问蕉撬樾?，可再次利用?br>水刀與電弧及火焰切割之比較？
顯而易見的，Plasma屬于熱加工過程，會(huì)使成品產(chǎn)生熱效應(yīng)。而使用砂刀其表面的處理通常會(huì)比較好，在工件的背面不會(huì)有浮渣，可減少二次加工。砂刀切割沒有厚度的限制，且切割圖形之排版間距可縮小以節(jié)省材料成本。
一套完整的水刀切割設(shè)備應(yīng)包含？
超高壓泵、水刀切割頭裝置、數(shù)控切割臺(tái)、電腦控制柜。
五軸水切割技術(shù)
由于能量梯度的作用，激光、氣體等離子、射流等切割手段在切面越深時(shí)（距噴嘴越遠(yuǎn)），切割能力越差，所以所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被稱之為切割斜度，這是所有切割手段的一個(gè)固有缺陷。雖然通過提高切割能量或降低切割速度可以部分減小切割斜度，但依然存在不能*垂直切割的問題。于是，可傾斜切割頭的設(shè)想于1997 年被提了出來，目前國際上已有商用產(chǎn)品，這是解決切割斜度，提高精度直接有效的方法。其原理是通過在原有三軸平臺(tái)的基礎(chǔ)上再增加2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，刀頭可向任何方向擺動(dòng)，并利用預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置的斜度模型，通過對切割軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算，再根據(jù)被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割的過程中不斷地?cái)[動(dòng)切割頭，使得切割出來的工件達(dá)到的無斜度狀態(tài)。