水射流切割可能是一种更简单的加工方法,但它包含强大的冲头,需要操作员了解多个零件的磨损和精度。

最简单的水射流切割是将高压水射流切割成材料的过程。该技术通常与铣削、激光、EDM 和等离子等其他加工技术相辅相成。在水射流过程中不会形成有害物质或蒸汽,热影响区或机械应力也不会形成。水刀可以在石头、玻璃和金属上切割出极薄的细节;快速在钛上钻孔;切食物;甚至可以杀死饮料和蘸酱中的病原体。

mms-machining101-waterjet-1-wardjet.jpeg

泵和其他机械

所有水射流机器都有一个泵,可以将水加压输送到切割头,在那里它转换成超音速流。存在两种主要类型的泵:基于直接驱动的泵和基于增压器的泵。

直接驱动泵的作用类似于高压清洗机,三缸泵直接从电动机驱动三个柱塞。最大连续工作压力比同类增压泵低 10% 至 25%,但这仍然使它们介于 20,000 和 50,000 psi 之间。

基于增压器的泵构成了超高压泵的大部分(即超过 30,000 psi 的泵)。这些泵包含两个流体回路,一个用于水路,另一个用于液压系统。进水过滤器首先通过 1 微米的滤芯过滤器吸入普通自来水,然后是 0.45 微米的过滤器。这些水进入增压泵,在进入增压泵之前,压力保持在 90 psi 左右。在这里,压力增加到 60,000 psi。在水最终离开泵单元并通过管道到达切割头之前,水会通过减震器。该装置可抑制压力波动以提高一致性并消除在工件上留下痕迹的脉冲。

在液压回路中,电动机从油箱中抽出油并对其加压。加压油流向歧管,歧管的阀门通过在饼干和柱塞组件两侧交替注入液压油来产生增压器的冲程动作。由于柱塞的面比饼干小,油压会“增强”水的压力。

增压器是一个往复泵,这意味着饼干和柱塞组件将高压水从增压器的一侧输送出来,而低压水则填充在另一侧。再循环还允许液压油在返回油箱时冷却。止回阀确保低压和高压水只能单向流动。封装柱塞和饼干组件的高压缸和端盖必须满足特殊要求,以承受过程中的力和恒定压力循环。整个系统设计为逐渐失效,泄漏流向操作员可以监控的特殊“泄水孔”,以便更好地安排定期维护。

特殊的高压管道将水输送到切割头。该管道还可以为切割头提供移动自由度,具体取决于管道的尺寸。不锈钢是这些管道的首选材料,有三种常见尺寸。直径为 1/4 英寸的钢管具有足够的柔韧性,可以垂直移动设备,但不推荐用于长距离输送高压水。由于这种管子很容易弯曲,甚至成线圈,10 到 20 英尺的长度可以实现 X、Y 和 Z 运动。更大的 3/8 英寸管道 3/8 英寸通常将水从泵输送到运动设备的底座。虽然它可以弯曲,但通常不适用于管道运动设备。最大的管道,尺寸为 9/16 英寸,最适合长距离输送高压水,更大的直径有助于减少压力损失。这种尺寸的管道与大型泵非常匹配,因为更大体积的高压水也有更大的潜在压力损失风险。然而,这种尺寸的管子不能弯曲,并且需要角部的配件。

纯水射流机

纯水刀机是最早的水刀切割机,其历史可以追溯到 1970 年代初期。它们在材料上产生的水分比接触或呼吸材料要少,因此适用于生产汽车内饰和一次性尿布等产品。流非常细——直径为 0.004 英寸至 0.010 英寸——并提供极其详细的几何形状,材料损失极少。切削力极低,固定通常很简单。这些机器最适合 24 小时运行。

在考虑用于纯水刀切割机的切割头时,重要的是要记住,水流速度是撕裂材料的微观碎片或颗粒,而不是压力。为了达到如此高的速度,加压水会通过固定在喷嘴末端的宝石(通常是蓝宝石、红宝石或钻石)上的一个小孔。典型的切割使用 0.004 英寸到 0.010 英寸的孔口直径,而喷水混凝土等特殊应用可以使用高达 0.10 英寸的尺寸。在 40,000 psi 时,来自该孔的气流以大约 2 马赫的速度行进,而速度在 60,000 psi 时超过 3 马赫。

不同的珠宝在水刀切割方面有不同的专长。蓝宝石是最常见的通用材料。它们持续大约 50 到 100 个切割小时,尽管磨料水刀应用使这些时间减半。红宝石不适合纯水刀切割,但它们产生的水流非常适合磨料切割。在磨料切割过程中,红宝石的切割时间约为 50 至 100 小时。钻石比蓝宝石和红宝石贵得多,但可以切割 800 到 2,000 小时。这使得钻石特别适合 24 小时运作。在某些情况下,金刚石孔也可以进行超声波清洗和重复使用。

磨料水刀机

在磨料水射流机器中,材料去除的机制不是水流本身。相反,流加速磨料颗粒以侵蚀材料。这些机器比纯水刀切割机强大数千倍,可以切割金属、石头、复合材料和陶瓷等硬质材料。

磨料流比纯水射流更大,直径在 0.020 英寸到 0.050 英寸之间。它们可以切割厚达 10 英寸的堆叠和材料,同时仍然不会产生热影响区或机械应力。尽管它们的强度有所提高,但磨料流的切削力仍然不到一磅。几乎所有磨料射流作业都使用一种射流装置,并且可以轻松地从单头使用切换到多头使用,甚至可以将磨料水射流转换为纯水射流。

磨料是坚硬的、经过特殊筛选和定尺寸的沙子——通常是石榴石。不同的网格尺寸可用于不同的工作。使用 120 目磨料可以获得光滑的表面,而 80 目磨料证明更适用于通用应用。50 目磨料切割速度更快,但会留下稍微粗糙的表面。

虽然水刀比许多其他机器操作更简单,但混合管需要操作员注意。这种管子在其加速潜力方面就像一个步枪枪管,并且有不同的尺寸和不同的更换寿命。持久耐用的混合管是磨料水射流切割的革命性创新,但管仍然很脆——如果切割头与夹具、重物或目标材料接触,管可能会断裂。破损的管子无法修复,因此保持低成本需要尽量减少更换。现代机器通常具有自动碰撞检测功能,以防止与混合管发生碰撞。

混合管和目标材料之间的间距通常为 0.010 英寸到 0.200 英寸,但操作员必须记住,大于 0.080 英寸的间距会导致零件切割边缘顶部出现结霜。水下切割和其他技术可以减少或消除这种结霜。

最初,混合管是用碳化钨制造的,切割寿命只有四到六个小时。今天的低成本复合管可实现 35 至 60 小时的切割寿命,建议用于粗切割或培训新操作员。复合硬质合金管将使用寿命延长至 80 到 90 小时之间。优质复合硬质合金管具有 100 至 150 小时的切削寿命,适用于精密和日常工作,并表现出最可预测的同心磨损。

mms-machining101-waterjet-2-hypertherm.png

运动设备

除了提供运动之外,水射流机床还必须包括一种夹持工件的方法和一个用于从加工操作中捕获和收集水和碎屑的系统。

固定式和一维机器是最简单的水刀。固定式水刀通常在航空航天中用于修整复合材料。操作员像带锯一样将材料送入溪流,而捕手则收集溪流和碎片。大多数固定式水刀是纯水刀,但不是全部。分切机是固定式机器的一种变体,其中纸张等产品通过机器进给,水刀将产品切成特定的宽度。横切机是沿一个轴移动的机器。他们经常与分切机一起工作,在自动售货机布朗尼蛋糕等产品上制作网格状图案。分切机将产品切割成特定宽度,而横切机则横切在其下方送入的产品。

操作员不应手动使用这种类型的磨料水刀。很难以特定和一致的速度移动被切割的物体,并且非常危险。许多制造商甚至不会为这些设置报价机器。

XY 工作台,也称为平板机,是最常见的二维水刀切割机。纯水刀切割垫圈、塑料、橡胶和泡沫,而磨料模型切割金属、复合材料、玻璃、石头和陶瓷。工作台可能小至 2 × 4 英尺或大至 30 × 100 英尺。通常,这些机床的控制由 CNC 或 PC 处理。伺服电机,通常带有闭环反馈,可确保位置和速度的完整性。基础单元包括直线导轨、轴承座和滚珠丝杠驱动,而桥单元也包含这些技术,捕集槽包括材料支撑。

XY 工作台通常有两种样式:中轨龙门工作台包括两个底座导轨和一个桥,而悬臂工作台使用一个底座和一个刚性桥。两种机器类型都包括某种形式的头部高度可调节性。这种 Z 轴可调节性可以采用手动曲柄、电动螺杆或完全可编程伺服螺杆的形式。

XY 工作台上的捕集罐通常是充满水的罐,其中包含用于支撑工件的格栅或板条。切割过程会慢慢消耗这些支撑。捕集罐可以是自清洁的,将废物存放在容器中,也可以是手动的,操作员定期将罐铲空。

具有很少平面的物品比例的增加使得五轴(或更多)能力对于现代水刀切割至关重要。值得庆幸的是,切削过程中的轻型刀头和低反冲力为设计工程师提供了高负荷铣削所没有的自由度。五轴水刀切割最初使用模板系统,但用户很快转向可编程五轴以摆脱模板的费用。

然而,即使使用专用软件,3D 切割也比 2D 切割更复杂。波音 777 的复合材料尾部组件就是一个极端的例子。首先,操作员上传程序和编程灵活的“pogostick”工作台。桥式起重机运送零件材料,而弹簧杆拧松到适当的高度并固定零件。一个特殊的非切割 Z 轴使用接触式探头在空间中精确定位零件,采样点以获得正确的零件高度和方向。之后,程序重新定位到零件的实际位置;测头缩回,为切割头 Z 轴腾出空间;程序运行,控制所有五个轴以保持切割头垂直于被切割的表面,同时以操作所需的精确速度行进。

mms-machining101-waterjet-3-omax.jpg

切割大于 0.05 英寸的复合材料或任何金属都需要磨料,这意味着需要在切割后阻止射流切割弹簧棒和工具床。对于五轴水刀切割来说,特殊的点捕捉是最好的方法。测试表明,这项技术可以在 6 英寸以下停止 50 马力的喷气式飞机。C 形框架将捕手连接到 Z 轴腕部,以便在头部修剪零件的整个圆周时进行适当的接球。捕点器还停止磨料,以每小时约 0.5 至 1 磅的速度消耗钢球。在这个系统中,射流通过动能的分散而停止:射流进入捕集器后,遇到包含的钢球,钢球旋转消耗射流的能量。即使在水平和(在某些情况下)倒置的情况下,捕点器也可以发挥作用。

并非所有五轴零件都同样复杂。随着零件尺寸的增加,程序调整以及零件位置和切割精度的验证变得更加复杂。许多商店每天都使用 3D 机器进行简单的 2D 切割和复杂的 3D 切割。

零件精度的特点

操作人员应该知道零件精度和机器运动精度之间存在很大差异。即使机器具有近乎完美的精度、动态运动、速度控制和出色的可重复性,也可能无法制造出“完美”的零件。成品零件精度是工艺误差、机器误差(XY 性能)和工件稳定性(夹具、平面度和温度稳定性)的组合。

当切割材料的厚度低于 1 英寸时,水刀的精度通常在 ±0.003 到 0.015 英寸(0.07 到 0.4 毫米)之间。厚度超过 1 英寸的材料对应的精度在 ±0.005 到 0.100 英寸(0.12 到 2.5 毫米)之间。高性能 XY 工作台专为 0.005 英寸或更高的线性定位精度而设计。

影响精度的潜在误差包括刀具补偿误差、编程误差和机器运动。刀具补偿是输入到控制系统中的值,以考虑从射流切割的宽度 - 即切割路径必须扩大的量,以便最终零件得到适当的尺寸。为避免高精度工作中的潜在错误,操作员应进行试切并了解必须调整刀具补偿以匹配混合管磨损的频率。

编程错误最常出现是因为某些 XY 控件未在零件程序上显示尺寸,从而使零件程序和 CAD 图纸之间缺乏尺寸匹配难以检测。可能引入误差的机器运动的重要方面是机械单元的间隙和可重复性。伺服调整也很重要,因为调整不佳的伺服会导致间隙、可重复性、垂直度和颤振误差。长度和宽度小于 12 英寸的小零件对 XY 工作台的要求不如较大零件,因此机器运动错误的可能性较小。

权力的影响

磨料占水刀系统运营成本的三分之二。其他包括动力、水、空气、密封件、止回阀、孔口、混合管、进水过滤器以及液压泵和高压缸的备件。

全功率运行最初可能看起来更昂贵,但生产率的提高超过了成本。随着磨料流速的增加,切割速度提高,每英寸成本下降,直至达到最佳点。为了最大程度地提高生产率,操作员应以最快的切割速度和最大的马力运行切割头,以实现最佳使用。如果一个 100 马力的系统只能运行一个 50 马力的磁头,那么在系统上运行两个磁头就可以实现这个效率。

磨料水射流切割快速指南

优化磨料水射流切割需要注意手头的特定情况,但可以提供出色的生产率提升。

使用小刀头(例如 25-hp 刀头)切割 0.100 英寸以下的材料。

切割大于 0.020 英寸的气隙是不明智的,因为射流会在间隙中打开并粗略地切割较低的水平。将材料片材紧密堆叠在一起可以防止这种情况发生。

以每英寸成本(即系统制造的零件数量)而不是每小时成本来衡量生产率。事实上,快速生产对于摊销间接成本是必要的。

经常刺穿复合材料、玻璃和石头的水刀应该有能够降低和提高水压的控制器。真空辅助和其他技术提高了在不损坏目标材料的情况下成功刺穿脆性或层压材料的可能性。

只有当物料搬运占零件生产成本的很大一部分时,物料搬运自动化才有意义。磨料水刀机通常使用手动卸载,而板材切割主要使用自动化。

普通自来水为大多数水刀系统供水,90% 的水刀操作员在将水送入入口过滤器之前除了软化水外不进行任何准备工作。使用反渗透和去离子器净化水可能很诱人,但去除离子会使水更容易从泵和高压管道中的金属中吸收离子。它可以延长节流孔的寿命,但高压气缸、止回阀和端盖的更换成本要高得多。

水下切割可减少磨料水射流切割顶部边缘的表面结霜(也称为“起雾”),同时还大大降低了射流噪音和工作场所的混乱。然而,这确实会降低喷气机的能见度,因此建议使用电子性能监控来检测与峰值条件的偏差并在任何部件损坏之前停止系统。

对于针对不同作业使用不同磨料网格尺寸的系统,请针对常见尺寸使用额外的存储和计量。小型(100 磅)或大型(500 至 2,000 磅)散装输送和相关计量阀允许在网孔尺寸之间快速切换,减少停机时间和麻烦,同时提高生产力。

分离片可有效切割厚度低于 0.3 英寸的材料。尽管这些标签通常可以保证用于磨掉丝锥的二次操作,但它们可以实现更快速的材料处理。较硬的材料将具有较小的标签。

Tags: none

我有个想法