(精品)水切割技术.pptx

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1、 亚特菲橡胶科技有限公司 陈永乐 切割是一种物理动作。狭义的切割是指用刀等利器将物体（如食物、木料等硬度较低的物体）切开；广义的切割是指利用工具，如机床、火焰等将物体，使物体在压力或高温的作用下断开。1.手动剪切手动剪切利用常规的手动剪切机，如果剪刃锋利，可以剪切09mm以下的不锈钢。但是由于每剪剪切长度较短，所以在剪切过程中，钢板易卷曲，而且切边的质量较差。除非对切边外观的要求不高或不整齐的切边对下一道工序没有妨碍（如不易使焊缝对齐等），不推荐使用手动剪机进行剪切。目前的切割技术主要有以下几种：2.步进式冲裁步进式冲裁该工艺使用圆形和三角形冲子冲出一列搭接的孔。采用这种工艺显然无法使切口十分

2、平滑，但是，通过采用良好的工具设计和使切口重叠，可使切边满足大多数用途的要求。手提式步进冲裁机通常用于切割碳钢薄板，如果用来切割奥氏体不锈钢，需要增加60%的力。而且，也要降低机器切割的最大厚度。加工厂的机器至少可以对8mm的不锈钢进行冲孔。现代化机器还可以利用剪冲结合的方法生产所需的坯料。3铡刀剪铡刀剪大多数加工厂采用这种手操作剪机。这种剪切机的刃长可以达到3m，但如果剪切机的端部是开口的，可以用连续剪切得到长于剪刃的切口。不过要注意不要切出台阶来。由于剪切不锈钢所需功率较大，所以，剪切机在剪切软钢时所能剪切的厚度在剪切铁素体钢时要降低两个线规号，剪切奥氏体不锈钢时要降低4个线规号。因此一个

3、最大能剪切2mm软钢的剪机在剪切铁素体钢时要降低到16mm以下和奥氏体钢12mm以下，并且剪刃间隙也相应需要降低，剪切奥氏体不锈钢典型的剪刃间隙值是5%。绝大多数加工厂都知道在剪切过程中牢固夹持钢板和保持刀刃良好状态的重要性，然而，刚接触不锈钢的人可能不知道为防止对不锈钢表面造成污染，需在铡刀式剪机工作台上或其它与碳钢有接触的地方放置保护垫。如果该铡刀式剪机也剪切碳钢，那么，在剪切不锈钢前最好检查一下刀片，除去可能粘附并污染不锈钢的碳钢微粒。4圆盘剪圆盘剪圆盘剪的基本工作原理与铡刀式剪机相同，但通过使用圆盘刀片可以进行连续剪切。钢铁厂利用在两根轴上装若干刀片来对宽钢卷进行纵切。不过，用一对刀片

4、也可以用来剪切单一直条。有些剪机在剪切过程中还可以使刀片向一边移动来切割楔形坯料，另一些则可以使刀具转动来切割圆形坯料。5锯锯虽然可以用弓形锯和带锯来切割窄薄板，但这两种锯通常是用来切割中厚板、型钢和管材的。奥氏体不锈钢是会冷作硬化的，严禁摩擦，这点很重要，必须注意。因此，在锯的回程中要把锯抬起来。高速工具钢锯条在锯厚材料时每英寸为8到10个齿，在锯薄板和管材时每英寸为24到32个齿，机动切割奥氏体不锈钢时，每分钟锯50/80下，切割铁素体不锈钢时每分钟锯100/200下。在常规的带锯机上切割时使用锋利的锯齿低速度和均匀的小给进量保持锯条的切割。6砂轮切割砂轮切割此法采用高速旋转的砂轮片切割钢

5、材。砂轮片是用纤维、树脂或橡胶将磨料粘合制成的。在熟练的手工操作中，砂轮可进行快速、准确地切割，而且切割得整齐、无毛刺。利用砂轮仅能进行直线切割，但这对绝大多数用途来说已经足够了。砂轮通常用来切割管材。加工厂也用砂轮磨不通长的槽。现场修理通常采用手操作砂轮机。但是，使用手操作砂轮机工作时产生大量的粉尘和钢屑，所以需要除尘或保护装置。生产厂内所用的砂轮机一般安有冷却系统，这样，既可以减少粉尘，又可以防止对材料造成热损伤。7激光切割激光切割该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为5002500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率

6、还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割810mm厚的不锈钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸误差较大。激光切割设备的价格相当贵，约150万美元以上。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的。由于没有刀具加工成本，所以

7、激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。目前，激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置，采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计（CAD）工作站来接受切割数据。8等离子弧切割等离子弧切割此法是将混合气体通过高频电弧。气体可以是空气，也可以是氢气、氩气和氮气的混合气体。高频电弧使一些气体分解或离子化，成为基本的原子粒子，从而产生等离子。然后，电弧跳跃到不锈钢工件上，高压气体把等离子从割炬烧嘴吹出，出口速度为每秒8001000米（约3马赫）。这样，结合等离子中的各种气体恢复到正常状态时所释放的高能量产生2700的高温。该温度几乎是不锈钢熔点的两倍。从而使不锈

8、钢快速熔化，熔化的金属由喷出的高压气流吹走。因此，需要用排烟和除渣设备。此法可以用来切割3080.0mm厚的不锈钢。切割面被氧化，并且由于等离子的特性所致，切口呈八字形。9高压水射流切割高压水射流切割这项新技术采用的是水的0.80150mm射流，喷射速度为600800米/秒（速度大于2马赫）。水压为30004000巴（bar），用水量每分钟仅4升。为了用磨料如氧化铝或碳化硅等切割不锈钢，在喷射水流抵达钢材前，向水流内射入磨料颗粒。现代化的设备可切割200mm厚的不锈钢。切边准确、切面干净光滑。切割作用所产生的热由水带走，金属温度仅为5060。这样再加上由喷射水流在金属上所产生的力，就可以防止变

9、型，提高切割精度。10.气割气割（即氧一乙炔切割）是利用氧一乙炔预热火焰使金属在纯氧气流中能够剧烈燃烧，生成熔渣和放出大量热量的原理而进行的。11.液化石油气切割液化石油气切割液化石油气切割的原理与气割相同。不同的是液化石油气的燃烧特性与乙炔气不同，所使用的割炬也有所不同：它扩大了低压氧喷嘴孔径及燃料混合气喷口截面，还扩大了对吸管圆柱部分孔径。12.利用水电解氢氧发生器利用水电解氢氧发生器用直流电将水电解成氢气和氧气，其气体比例恰好完全燃烧，温度可达2800-3000，可以用于火焰加热。13.氧熔剂切氧熔剂切割割氧熔剂切割是在切割氧流中加入纯铁粉或其它熔剂，利用它们的燃烧热和废渣作用实现气割的

10、方法为氧熔剂切割。14.电弧切割电弧切割按生成电弧的不同可分为：（1)等离子弧切割 等离子弧切割是利用高温高速的强劲的等离子射流，将被切割金属部熔化并随即吹除、形成狭窄的切口而完成切割的方法。15.碳弧气割碳弧气割碳弧气割是使用碳棒与工件之间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，实现切割的方法。水射流加工（即水切割技术）它是一项特种加工方法，首先由苏联发现，后由美国麦克卡特尼公司第一个取得了专利权。它是采用高压高速水 冲击工件，对工件进行切割、穿孔、破碎或表面材料去除，属 于高能束加工范畴，是一种可与激光、等离子体和电子束加 工方法相媲美的新型切割加工工具。水射流技术 自2 0 世 纪8

11、 0 年代应用于切削加工以来，得到了迅猛的发展。水射流 切割无机械接触，适应性好、切割表面精度高、切缝窄、材 料损耗少、清洁无污染、切割介质成本低，而且对被加工材 料无热损伤等优点。在许多材料的切割加工和表面处理 中水 射流具有其独特 的优越性，现 已被广泛应用于玻璃、陶瓷、石材、淬火钢、高温合金及层状复合材料以及汽车内饰件的 加工等领域 由于高压 水射 流末端切割装置体积小、切割反作用力 小且移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。因此，现在普遍 采用多 自由度机器人进行复杂零件的切割。基基 本工作本工作 原理原理 高压水射流切割的原理是将水增至超高压(4 00 MP a)，再经节流小孔(

12、0.1 5 0.4 mm)，使水压势能转变为射流动能(流速高达9 00ms)，用这种高速密集的水射流进行切 割。磨料射流切割则是再往水射流中混入磨料粒子，经混合管(0.91.5mm)形成磨料 射流，用磨料射流进行切割。在磨料射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨粒质 量大、硬度高，所以磨料射流较之水射流，其射流动能更大，切割效能更强。水切割设备包括以下几个系统：(1)供水系统 供水系统将水质软化，使p H值达到 6 8，并精滤到0.5um以下，在水压0 4 0 9 MPa 下供入增压系统，籍 以避免宝石水喷嘴的磨损和堵塞，降低水质对高压水路的腐蚀影响，提 高高压往复密封的工作寿命。实验表

13、明，蓝宝石水喷嘴的工作寿命取决于水质。直接使用自来永寿命为8 4 小时,用软 化水的寿命为7 8 小时,用反渗水寿命为1 8 0小时，用混合层软水寿命高于2 0 0 小时。(2)增压系统 增压系统是设备的关键部分，其核心是增鹾器。通常增鹾器采用液压双作用往复式，其增压比等于高压油作用着的活塞大端面积与高压水作用着的活塞小端面积之比。增压比为一 常数，一般选为10:120:1，因而增压器输出水压可以通过改变输入端液压系统的油压来 调 节。水在4 2 0 MP a 时将被压缩12%，为使水压稳定在 5%之内，需在增压器与喷嘴 之 间设 置蓄压器，使其在增压活塞运动的前1/8 行程内向高压水路输水。

14、增压缸和蓄压缸都是超高压压力容器。尤其是增压缸始终处于交变载荷作用之下，因此 要有足够的疲劳强度和工作寿命。美国流体公司的增压缸额定寿命为1 0 0 0 小时。增压器内的 超高压往复密封亦是关键技术，美国流体 公 司 的 增 压 器 密 封 寿 命 在2 8 0 3 0 0 MP a 时为 4 0 0 5 0 0 小时，在4 0 0 MP a 时为1 8 0 小时。(3)高 压水路系统 高压水路连接增压系统和切割头装置，为了输送高压水和适应切割头在运动控制系统上 快速 自由地移动，高压水路中要采用超高压不锈钢管和旋转接头，钢管要有挠性，各类接头 要可靠 小巧 灵活，旋转接头要有多种旋 向型式和

15、一定的工作寿命。(4)磨料供给系统 包括料仓、磨料、磨料流量阉和输送管。料仓形状和料仓内的嗣筛要保证 磨 科 供 缭通畅，不致堵塞。流量阀应能控制磨料流量的通断和大小，还应能排除输送管中的水份。(5)水切割头装置 高压水射流切割头包括高压水开关阀和宝石喷嘴。磨料射流切割头则还包括水射流与磨料 的 混合室和混合管。混合管是易损配套件。用硬质台金制造的混台管，精切割寿命约 2小时，粗切 割寿命约10小时，特殊工程陶瓷混合管，寿命高选6 0 1 0 0 小时。(6)接收装置 置于切割头和工件的下方，用来收集切割剩余射流，具有消能、降噪、防溅和安全等功 能。有箱式、管式和罐式三种形式。箱式接收装置底部

16、要覆盖1 3 0 1 5 0 mm的砂 砾，管式和罐式接收装置要加入不锈钢 球，以此消除科余射流的动能。箱式和管式接收装置通常嗣定使用，罐式接收装置可随切割头同步任意方向运动，适朔于多轴运动控制系统。使用表明，射流暴露会产生高达1 2 0 d B(A)的噪声，设置接收装置后，噪声被控制在8 0 9 0 d B(A)以内。(7)运动控制系统 有多种机构型式和控制方式，以适应各种工况的使用要求。机构有柱式、门式、多轴或 多关节工业机器人等型式。控制则有手动、机动、NC和CNC等方式。水切割头重量 轻、切割反力小，易于实现运动控制的 自动化。水切割机的关键技术问题 水切割机中有一些关键部件，决定其加

17、工性能。如何提高 和改进这些关键部件的功能和性能，也成为水切割机发展的 关键性问题。(1)水切割机的压力增压系统。该系统由增压器与蓄压器组成。其关键装置是将水压增至工作压力的增压 器。增压器的工作原理为液压驱动大活塞推动增压小活塞，增压比即为大小活塞面积之比A大 P 油入=A 小 P 水出，典型的增压比从 1 0：1 2 6：1。增压比为定值，通过调节液压系统作用在大活塞上的输入油压，就可以调节增压器小活塞端的输出水压。(2)水切割机的喷嘴与磨料添加剂。对于磨料水切割，其 主要切割成分为磨料添加剂，对材料切削的有效部位为磨料 的表面棱角。为了保证系统的使用效率，同时提高系统的切削 性能，水切

18、割机执行元件 的喷 嘴构件要进行合理选择，根据具 体切割对象以及磨料添加剂，合理地挑选喷嘴材料，主要是保 证喷嘴耐磨性能。(3)喷嘴运动轨迹与姿态的动态规划。为了使水切割机能 够有效地完成复杂轨迹的加工，同时保证对不同材料、不同厚 度的切削面精度要求，通常借助于数控系统，对喷嘴运动的轨 迹和姿态进行动态规划。水切割机特性的影响因素分析 水切割技术出现比较晚的原因，在于其涉及难度比较大的超高压设备的理论、设计及制造工艺，还需应用到流体动力学、控制理论、检测仪器、液压气动等一系列现代理论和技术。要研究清楚水切割机的多因素综合作用所引起的切割特性差异，是较为困难的。本文是在假没机床特性一定的情况下，

19、仅研究压力、切割速度、喷嘴直径、靶距等单因素对水刀切割特性的影响行为。1 压力对切深的影响 水压决定水射流 的速度 和冲蚀 能量，其 大小和水射 流的 切割能力成正比。水压高时，其加工槽侧面积大，效率高，去除 量少；反之，则效率低，质量较好；加工槽过宽，会造成材料的 浪费。2 横移速度对表面质量和切深的影响 喷嘴横移速度，对切深和表面加工质量均有较大影响。移动速度越高，单位时间内加工面积越大，单位面积上磨料通过量少，材料去除量少，加工精度较低；反之，单位时间内加工面积越小，单位面积上磨料通过量多，材料去除量多，加工精度较低。3 喷嘴直径对水切割机效率的影响 由于喷嘴是水切割系统中最易磨损的元件

20、，其性能的好 坏往往对整个系统的使用功效有较大的影响。因此，要求其制 造材料应具有较好的耐磨性。水喷嘴通常为人造(或天然)红宝 石和蓝宝石，直径通常为 0 0 5 0 3 mm，磨料喷嘴的材料常 用碳化钨、超硬陶瓷、复合碳等，孔径通常为 0 6 1 6 mm，与粒度为 6 01 2 0目的磨料匹配选用。进料管长度与磨料喷 嘴直径的比值为长径比，长径比越大，磨料混合效果越好。4 靶距 一般水射流结构在射流长度上，可分为四个阶段：紧密 段，核心段，破裂段，水滴段。紧密段紧靠喷嘴出口，射流处于 紧密状态，透明清晰，因与空气磨擦，射流表面出现波纹，当喷 嘴出口压力增大，射流速度也增大。在脉动速度及旋涡

21、的综合 作用下，紧密段表面波纹因波幅加大而破裂，紧密段逐渐消 散。因为在水切割过程中，紧密段能量较为集中，其滞动压力 和速度为恒定值，并且等于喷嘴出口压力。因此在切割的过程 中，其最优切割靶距在紧密段范围内。另外，由于加砂射流在 切割零件的过程中能量迅速下降，为了减少射流在切割零件时的进出口的能量差，一般也都采用低靶距。水切 割工 艺的优点(1)能够切割任何材料。水切割技术既能切割各种非金属材料，又能切割 各种 硬、脆，韧性材料，如钛镍合金、陶瓷，玻璃、复合材料等。(2)切割质量高经济性好。水切割技术切面平整光滑，没有热影 响区和分层现象，因此，一般不需后序精加工，降低了加工成本。由于切割缝很

22、窄(0 6 2 6 mm)，还提高了材 料利用率。(3)生产效率高。通常，一套水切割系统可配置多个喷嚏进行切割，工件直接切割到尺寸，消除了中间工序和辅助时间，提高了生产效率。(4)水切割技术可控性好。切割可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行。可 以 加 工常规工艺难以加工 的部位。易于结台C NC技术实现复杂形状零件的多品种小批量生产。(5)水切割技术效果独特。切割时无尘无味、无毒，无火花、振动小、噪 声 低，尤其适台恶劣的工作环境和有防爆要求的危险环境。水割工 艺应 用概 况 水切割工艺已在世界上几十个国家的许多工业部门中得到广泛应用，取得 了 良 好的经济技术效果。宇航工业部门用水切割

23、碳纤维、芳纶奸雉、玻璃纤维等复台材料和其它非金属材 料，或切割蜂窝结构、夹层结构、直升机旋翼浆叶，或在复台材料上割孔等 水切割钛金属 飞机零件比常规方法提高工效8 0 倍，切割陶瓷材料 飞机零件，与激光切割相比，零件无热应 力和热影响区，大大提高了疲劳寿命。汽车工业部门用水切割来完成车身外部板件的切割和修边，切割车身内部装璜板、门 框，油箱、地毯、仪表板和防火墙等。所用韧剖机一半以上是CNCI机器人的型式，这极 大地适应了现代汽车生产换型快、省模具、多品种、小批量的要求。据悉，日本丰田汽车公 司和美国福特汽车公司均有近百水切割机用于生产。机械工业部，水切割各娄金属和非金属制件，不仅切口光滑，精

24、度 较 高、无 热效应和较高的生产率，而且节省了大型复杂的模具，缩短了生产同期，降低了 旺 成本。用切割代替冲裁，还利于减振和降噤。军事工业部门用水切割防弹钢板、钛合金板、镰铬食金和高强度钢材辞。比 常 规 方 法节省材料和刀具，并大大提高了生产效率。电子工业部门用CNC三轴 门式水 切割机切割印刷 电路板，不产生热损、冲击和弯曲，不会损坏基板上装好的元件，能切割填满元件的基板。建材工业部门用水 切割塑料壁板、橡胶模、玻璃纤维和砂纸等。切割石棉可降尘 至 老 工艺的 1 3 0，且由原来切单层变为一次切 5层。用水 对花岗石板、大理石板、玻璃进行 异形切割，对石材进行雕刻，都能获得独特效果。船

25、舶工业部门用水切割各种异形零件，生产率提高90%以上，个别高硬材料 的 制件用常规方法需多次加工高达16 小时，而水切割仅1O 分钟即可一次切成 造纸工业主要用于切割纸板、纸箱、波纹纸板和纸衬垫板等。在一次性纸尿布工业部 门 应用最多，以往采用专机切割2 0 0 2 5 0 片 分，改用水切割后提高到6 0 0 片 分 服装制鞋工业用于切割鞋底、皮革、裁剪有花样外形要求的衣料、鞋料。用激光裁剪由 于局部高温，材料会热损、粘联，而水切割裁剪无此弊病。据称，一台水切割机一 天 可 下 料 1 5 0 0 0 双鞋底。基于水切割的诸多优点，它已经成为现代化建设需要 的破碎、切割、清洗方面的新型工具，并将有更好的应用前景！