超高壓水刀應用

基本技術既簡單又復雜。在最基本的情況下，水從泵流過，經(jīng)過管道，然后從切割刀頭流出。其說明、操作和維護都很簡單。但是，這一過程包含非常復雜的材料技術和設計。為了生成和控制 60000 psi 的水壓，需要書本上沒有的科學技術。在這種壓力下，如果設計不當，微小的泄漏有可能對工件造成永久的侵蝕性損害。幸運的是，水刀制造商采用了復雜的材料技術和先進工程設計。用戶只需了解基本的水刀操作知識即可。

從本質上講，有兩類水刀：（1）純水水刀和（2）加砂水刀。設備設計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每梢圆捎脙煞N泵－增壓泵和直接驅動泵。

超高壓直接驅動泵

直接驅動泵的工作方式與在噴漆前沖洗房屋或甲板時所用的低壓“壓力清洗器”一樣。它是一種直接由電機驅動三個活塞產生運動的三級泵。因為其簡單可靠，這些泵得到了水刀工業(yè)的認可。到本文發(fā)稿時為止，直接驅動泵能夠提供的最大連續(xù)工作壓力比增壓泵低 10% 到 25%（直接驅動泵為 20K 到 50K 、增壓泵為 40 K 到 60K ）。

直接驅動泵也是一種相對新型的高壓泵

(上世紀八十年代后期開始上市）

盡管直接驅動泵被用于某些工業(yè)應用，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 1 微米濾筒和一個 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，會首先流經(jīng)減震器。這個大容器緩沖了壓力波動，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，在被切割材料上留下印記。

液壓管路包括電機（25 到 200HP）、液壓泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由電機驅動液壓泵。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，由歧管閥門產生增壓器的沖程動作（通過把液壓油輸送給柱塞/活塞組件的一側或另一側）。增壓泵是一種往復式幫浦，即柱塞/活塞組件來回往復運動，當?shù)蛪核錆M一側時，在增壓泵的另外一側輸出高壓水。液壓油在返回油箱的過程中得到冷卻。

典型的增壓泵裝置。本裝置設計為獨立式，而非整合到運動設備中。

增壓泵體現(xiàn)了先進的幫浦技術。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）。由液壓油推動活塞。柱塞的表面面積比推水一側的活塞面積小 20 倍。因此，3000 psi 的油壓就被增壓 20 倍，產生 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，它推動的活塞面積是柱塞表面面積的 20倍。因而增壓比是 20：1。

在下列說明中用圓圈圈出了活塞和柱塞。活塞帶有小箭頭，表示向左移動。兩個水柱塞從活塞的兩側延伸出去。高壓水從左側流出，而低壓水從右側注入。在行程的終點，活塞/柱塞組件的次序被顛倒。復雜的止回閥保證低壓和高壓水只向一個方向流動。容納柱塞和活塞系統(tǒng)的高壓油缸和端蓋經(jīng)過特殊設計，足以承受巨大的力和持久的疲勞。

Norman Franz 博士一直被公認為水刀之父。他是研究超高壓（UHP）水刀切割工具的第一人。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 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通過一個很小的噴嘴。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，零件的壽命也以分鐘計算，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的木材切割器。而今天木材切割卻是超高壓技術最不重要的應用之一。但 Franz 博士證明了高速會聚水流具有極大的切割能量－這種能量的應用遠遠超出了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材料。Hashish 博士被公認為加砂水刀之父，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，加砂水刀第一次被用于切割金屬、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商業(yè)化的加砂水刀切割系統(tǒng)問世，被用于切割汽車玻璃。該技術的第一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所用的不銹鋼、鈦和高強度輕型合成材料以及碳纖維復合材料的理想工具（現(xiàn)在已用于民用飛機）。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)動機、建筑、核工業(yè)、船廠等等。

除低成本切割外，水刀還被認為是世界上功能最多樣、增長速度最快的加工技術（根據(jù) Frost & Sullivan 和Market Intelligence Research公司的報告）。水刀在全球范圍內廣泛用于高產量應用。它與其它技術（銑床、激光切割、EDM、等離子和刨床等）相輔相成。水刀切割不使用有毒氣體或液體，不會產生有毒的物質或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或機械變形。它是一種真正的多功能 、高效率冷切割技術。

水刀已經(jīng)證明自己可以完成其它技術無法處理的工作。從在石材、玻璃和金屬上切割極薄的細節(jié)，在鈦合金上快速鉆孔，切割食品、直至對飲料和溶液進行殺菌消毒，水刀已經(jīng)證明了它獨一無二的價值。

人類自古就利用水流的沖擊力，制成水車、水磨等水力機械。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，頃刻間會產生足夠大的沖擊力，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)科學家開發(fā)出高壓水噴流切割技術，而美國公司取得了此項技術的專利權，使之商品化。

普通水經(jīng)過一個超高壓加壓器，將水加壓至4,000 bar (60,000psi)，然后通過一個細小的噴嘴(其直徑為0.004英寸至0.016英寸)，可產生一道每秒達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如各種石材、玻璃、陶瓷、磁磚等材質時，福祿另開發(fā)出具專利及更完善的設計，就是將砂料與水箭混流以增強其切割能力，此種高速度的加砂水刀幾乎可切割任何材質。

要做到這點，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，必須擁有極高的壓力才能把堅硬的切割材料切開，所以管道必須能承受極高的壓力，這個壓力遠遠大于700兆帕，因為薄鋼板（被切割材料）本身就能承受700兆帕的壓力。

其次，水刀用的水完全沒有雜質是不對的。因為水壓遠遠大于700兆帕，那么對于管道等密封設備而言，無論密封性能多么好，純水總會使它們磨損而滲漏。為了解決這個問題，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合金、藍寶石等材料做成的，噴口直徑僅0.05毫米，而且孔內壁光滑平整，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”更具獨特優(yōu)越性。

“水刀”，正因為它不是刀，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，設備又較為簡單，加工成本低廉。加工過程中引起的振動和噪聲都很小，切屑量僅是機械加工的15%—20%，并且碎屑隨水流走，不會飛揚傷及操作者，才開拓了廣闊的用武之地。對復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，會出現(xiàn)分層和撕扯現(xiàn)象，而“水刀”正是解決這個問題的理想工具。用“水刀”來清除部件的陶資涂層，效果優(yōu)于機械方法和化學方法。“水刀”可用于沖孔，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”還可以用于外科手術。〔東京大學醫(yī)學院用壓強0.7兆帕的“水刀”在家兔身上做試驗，表明它可用于肝、腎等器官的手術，不會損傷周圍組織，也不易引起感染。〕。

1、 數(shù)控成型各種復雜圖案；

2、 屬冷切割、不產生熱變形或熱效應；

3、 環(huán)保無污染、不產生有毒氣體及粉塵；

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、 是一些復合材料，易碎瓷材料復雜加工的唯一手段；

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、 生產成本低；

9、 自動化程度高；

10、24 小時連續(xù)工作

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。因此有必要學多一些水刀的應用技術以采用最低的切割成本去創(chuàng)造更大利潤。

在切割成本而言，水刀加工業(yè)被認為是最萬能的和最快速成長的行業(yè)，除了上述之外，水切割機是目前在世界上最高產能的一種機器，它優(yōu)于其他的加工技術，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，水切割不會產生有害的氣體或液體，不會在工件表面產生熱量，它是真正的多功能的，高效率的，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)出了水刀自身的獨特性。它在切割材料時沒有產生熱，在這種冷態(tài)加工過程中，它產生的超音速的水箭射在切割材料表面時能達到理想的效果，水與沙的混合，更加增強了其切割能力。

高壓水是怎樣產生的

這基本原理是既簡單又復雜。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)過了十分復雜的設計，才能產生60000PSI的壓力。在設計過程中，有處小小的滲漏都會對部件持久地侵蝕導致?lián)p壞。所以生產商和工程師們會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器。使用者只需要知道基本的操作知識。

切割機在1982年應用在工業(yè)上，最早的在1970年就已出現(xiàn)，在工業(yè)上主要是應用在汽車，航空，玻璃行業(yè)，從這些切割中不斷的提高精確度。磨料切割機的壓力可達到55,000PSI,這種高壓水通過一個細小的噴嘴以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，這種切割過程其實是一種磨碾切割的過程，這種力量和動作都是由水產生的。

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、 切割質量好

平滑的切口，不會產生粗糙的，有毛刺的邊緣。

3、 無熱加工

因為它是采用水和磨料切割，在加工過程中不會產生熱（或產生極少熱量），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

這種機器采用水和沙切割，這種沙在加工過程中不會產生毒氣，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裝置，一個噴嘴就可以加工不同類型的材料和形狀，節(jié)約成本和時間。

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中隨意設計線圖，或輸入從其他軟件中生成的DXF文件，另外，機器支持第三方軟件，如nesting嵌套排版軟件（用于把圖形在工件中添滿，能最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入機器，它能夠從CAD建立起刀具路徑，并能把刀頭的精確定位和切割速度在超過2,000點/英寸（800點/cm）計算出來，你需要做的只是指定你要切割的材料和厚度，其他的工作交給機器去完成.

9、 與其他設備組合，可以進行分別操作.

水切割機可和其他的加工設備組配（如鉆削頭），充分利用其性能，優(yōu)化材料利用程度.

10、 減少調整次數(shù)

對工件只需要很小的側壓就能固定好，減少復雜的裝夾帶來的麻煩.

超高壓水刀能切割何種材料？

超高壓水刀可切割各種厚、堅硬之材料：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。"para" label-module="para">

水刀切割所能達到的精度為何？"para" label-module="para">

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口，其切口也就愈大。

利用水刀切割會產生什么樣的斜邊？

所運轉之切割速度決定其斜邊品質。大部份所看到好的切割品質之單側斜邊為0.1mm左右。

何種材料應該使用水刀切割？

一般而言，以復雜圖案、厚、難切、易碎與怕熱之材料，最適合使用水刀切割為加工設備。

水刀與雷射之比較？

雷射切割是一種提高產能的制造法，當然也是有它的用途。而水刀在某些方面確實是優(yōu)于雷射：

a.沒有切割厚度的限制

b.像黃銅、鋁等反射性材質亦可切割

c.無需投入熱能，所以不會燃燒或產生熱效應

d.當您變更切材時，您唯一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能

f.雷射設備的保養(yǎng)更專業(yè)化且困難度較高

g.您只需以購買雷射設備1/2至1/3之價格就可擁有一套完整的水刀設備。

水刀與線切割之比較？

線切割十分精確但是切割速度非常的慢，它需要導電體材且會產生熱效應。

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。當需要切割高精度的工件時，砂刀是可用來生產接近成品的工具機，一次加工即可且不會產生熱效應。除此之外，砂刀所產生的廢料通常也是比較有價值的，因為它是整片形式而非碎屑，可再次利用。

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，會使成品產生熱效應。而使用砂刀其表面的處理通常會比較好，在工件的背面不會有浮渣，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備應包含？

超高壓泵、水刀切割頭裝置、數(shù)控切割臺、電腦控制柜。

五軸水切割技術

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（距噴嘴越遠），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，但依然存在不能完全垂直切割的問題。于是，可傾斜切割頭的設想于1997 年被提了出來，目前國際上已有商用產品，這是解決切割斜度，提高精度最直接有效的方法。其原理是通過在原有三軸平臺的基礎上再增加2 個旋轉軸，刀頭可向任何方向擺動，并利用預先在系統(tǒng)中設置的斜度模型，通過對切割軌跡的實時計算，再根據(jù)被切工件的材料與厚度進行修正，在切割的過程中不斷地擺動切割頭，使得切割出來的工件達到完美的無斜度狀態(tài)。

無切割方向之限制 → 可完成各種不同的切割形狀。

所產生橫向及縱向的作用力極小 → 可降低設定時間及使用夾治具的成本。

用同一種機器即可完成鉆孔及切割功能 → 可降低制程時間及切割成本。

不會產生熱效應或變形或細微的裂縫 → 不需二次加工，可節(jié)省時間及制造成本。

不會產生具毒性的氣體 → 可為操作人員提供更好的工作環(huán)境。

不會產生毛邊 → 可縮短工件制造所需時間及制造成本。

切口細 → 可減少大量廢棄材料的產生，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 → 可降低制程時間及成本。

依設計及工件材質的不同來作彈性的調整 → 可縮短從接單至成品產出的時間，提升您的產能，為您的企業(yè)帶來更多的商機

南京神童特種玻璃技術有限公司擁有研磨、拋光、清洗、鍍膜、熱彎、真空夾膠、高速雕刻、激光切割、激光打孔、超高壓水刀、多刀切割機、全自動磨床、鋼化爐、全自動絲印機、防爆抗沖擊試驗機、應力儀、高壓水壓試驗機等高精度加工和檢測設備，能根據(jù)各類用戶的需求開發(fā)、加工各類玻璃視鏡、視窗產品。

主要提供不同材料的特性，不同工藝要求的數(shù)控加工方式，公司還投產的有6015的二氧化碳激光切割機、6020的光纖激光切割機、6020德國進口超高壓水刀切割機、30150的德國原裝進口類激光精細等離子切割機，一直引領成都及四川數(shù)控切割行業(yè)。