王文平 张海亮
中车永济电机有限公司??? 山西 永济 044502
摘要：本文在阐述水刀切割设备的发展下，分析了水刀切割设备的优缺点，并主要探讨了金属切削方法的工作原理。
关键词：水刀切割；金属切割领域；应用引言
高压水射流切割，俗称水刀切割，就是利用超高压技术把普通的自来水加压到250～900MPa压力，然后再通过内孔直径约0.15～0.35mm的宝石喷嘴以800～1000m/s的高速喷出形成高速射流，也就是俗称的水箭，形成水刀喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。
1水刀切割设备的发展
近年来，水刀切割设备得到快速发展，并且广泛应用于于各个领域，主要得益于数控技术、计算机辅助设计的长足进步。由于水刀切割设备的数控平台采用了滚珠丝杆和滚动直线导轨等精密传动技术，能够将加工精度控制在±0.02mm以内，同时，在加砂水射流喷嘴和切割头的聚焦性能，以及长寿命的喷嘴材料方面均取得技术突破，再配合以大功率超高压系统连续平稳运行，全自动供砂和控砂及高压水启、停控制技术的成熟，使得水刀切割设备能够实现24h连续切割和自动加工，满足了金属切割领域的需求。
目前最常见的水刀设备属于三轴数控系统，据公开发表的资料显示，该类型设备最大的切割能力为：低合金钢、不锈钢最大切割厚度200mm，铝合金最大厚度200mm，钛合金最大切割厚度250mm；平均切割速度10～15mm/min。根据水射流切割技术的特点，由于能量梯度的作用，随着切缝深度的增加（距喷嘴越远），切割能力越差，而且随着切割厚度的增加，所形成的切割面往往不再垂直于工件表面，称之为切割斜度，这也是所有切割手段都有的一个固有缺陷。虽然可以通过提高切割能量或降低切割速度的方法减少切割斜度，但依然不能实现完全垂直的目标。于是可倾斜切割头的设想于1997年被提出来，目前国际上已有商业化的产品，这是彻底解决切割斜度，提高切割精度的最直接、有效的方法。其原理是通过在原有三轴平台（X、Y、Z轴）的基础上再增加两个旋转轴，实现刀头可向任何方向摆动，并利用系统中预先设置的斜度模型，通过对切割轨迹的实时计算，再根据被切工件的材料与厚度进行修正，在切割的过程中再通过不断摆动切割头，使得切割出来的工件达到完美的无斜度状态。目前我国的五轴切割水刀切割技术已经到达世界先进水平，能够实现有、无斜度、圆锥面、圆弧面、旋转曲面、打坡口、倒角等任意曲面的切割加工功能，已经广泛应用于各个行业，能够满足高精度切割加工的需求。
2水刀切割设备的分类
水刀切割设备从本质上可分为两类：纯水水刀和加砂水刀。纯水水刀是利用超音速水流侵蚀材料。加砂水刀是在水射流中加入砂料颗粒，然后由这些颗粒（而非水）侵蚀材料，正因为加入了砂料颗粒，加砂水刀的切割能力比纯水水刀要强很多。纯水水刀多用来切割软质材料，而加砂水刀多用来切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷等。使用标准参数的加砂水刀能够切割硬度等于（甚至稍稍超过）氧化铝陶瓷（常常称作矾土，AD99.9）的材料。
3水刀切割的优点
目前，金属材料的切割方式主要有刀具切割、激光切割、等离子切割、火焰切割、电火花切割、线切割、水刀切割等方式。在众多切割方式中，水刀切割是唯一的一种冷态切割方式，在金属切割行业中占有举足轻重的地位。与传统的“热”切割工艺相比，水刀切割具有如下功能与优点：①属于冷态切割。切割过程中无化学变化，对切割材质的理化性能无不良影响，而且具有无热变形、切缝窄、精度高、切面光洁无污染等优点。适用范围广。可加工传统加工方式及方法无法或难于加工的材料，如玻璃、陶瓷、复合材料、反光材料、化纤、热敏感材料等。
②切割设备重量轻，体积小，易于实现自动化、集成化和柔性化，能够与NC、CNC机器人技术结合，用CAD/CAM实现零件编程与控制，切割轨迹易于重新编程或修改，图样便于长期储存。③生产效率较高。一套泵组可连接多个切割喷嘴，所有喷嘴可同时作业，直接加工到工件要求，无需中间工序，所需加工辅助时间少。④水刀切割设备利用强大的计算机辅助设计和控制功能，能够在切割“转角和尖角”时自动减速，减小切割中甩尾的影响，得到的切割表面光洁圆滑；并且水刀切割设备具有磨削的特质，使得水刀切割设备在切割质量和效率上都有了极大提高，可直接用于金属零件的成形加工。
4主要金属切削方法的工作原理
4.1水刀切割
在水刀切割设备的使用过程中，最主要的消耗品就是在切割过程中加入水中的砂料颗粒，目前广泛使用的是石榴石（80目），此外，喷嘴的使用寿命也很有限。目前超高压水刀切割设备每小时的运行成本70～120元，根据功率大小而有所差异，平均成本为90元/h（此成本仅为能耗成本，未考虑易损件的更换）。
4.2钼丝电火花切割原理
电火花线切割加工，有时又称线切割机床，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属，实现切割成形。被加工件安装在工作台上，工作台通常由X轴和Y轴电动机驱动。工具电极（电极丝）为直径0.02～0.3mm的金属丝，由走丝系统带动电极丝沿其轴向移动。走丝方式有两种：①高速走丝，速度为9～10m/s，采用钼丝作电极丝，可循环反复使用；②低速走丝，速度小于10m/min，电极丝采用铜丝，只使用一次。脉冲电源加在工件与电极丝之间，一般工件接正极，电极丝接负极。工件与电极丝之间用喷嘴喷入工作液（乳化液、去离子水等）。控制系统根据预先输入的工作程序控制工作台作相应的移动，工件与电极丝靠近。当两者接近到适当距离时（一般为0.01～0.04mm）便产生火花放电，蚀除金属。金属被蚀除后工件与电极丝之间的距离加大，控制系统根据这一距离的大小和预先输入的程序，不断地发出进给信号，使加工过程持续进行。
电火花线切割加工除具有电火花加工的基本特点外，还有一些其他特点：①不需要形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面；②能切割0.05mm左右的窄缝；③加工中不会产生加工废屑，提高了能量和材料的利用率；④在电极丝不循环使用的低速走丝电火花线切割加工中，由于电极丝不断更新，有利于提高加工精度和提高表面粗糙度；⑤电火花线切割能达到的切割效率一般为20～60mm2/min，最高可达300mm2/min；加工精度一般为±0.01～±0.02mm，最高可达±0.004mm；表面粗糙度一般为Ra2.5～1.25μm，最高可达Ra0.63μm；切割厚度一般为40～60mm，最厚可达600mm。电火花线切割加工主要用于模具制作，在样板、凸轮、成形刀具、精密细小零件和特殊材料的加工中也得到日益广泛的应用。
结束语
通过对水刀切割设备的分析介绍，并结合水刀切割、钼丝电火花切割应用的对比，得出以下结论：对于热敏感材质（如：不锈钢），水刀的冷切割特性能够最大限度保证工件的物理、化学性能，建议采用水刀进行切割。对于超过100mm的大厚度低合金工件，如果仅仅是切割取料，不建议采用水刀切割，主要原因是水刀切割速度慢，切割效率较其他方法低，运营成本较高，且喷嘴、砂料的消耗速度较快；此外，如果对工件切割后的尺寸精度要求高的话，在水刀切割完后的大厚度工件仍需二次加工。
参考文献
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