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水刀切割的技术
2010-04-07 17:27:52
水刀已经证明自己可以完成其它技术无法处理的工作。从在石材、玻璃和金属上切割极薄的细节,在钛合金上快速钻孔,切割食品、直至对饮料和溶液进行杀菌消毒,水刀已经证明了它独一无二的价值。 【水刀的历史】   Norman Franz 博士一直被公认为水刀之父。他是研究超高压(UHP)水刀切割工具的第一人。超高压的定义是高于 30000 psi。Franz 博士是一名林业工程师,他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。1950 年,Franz 第一次把很重的重物放到水柱上,迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流(多次超过了现在使用的压力),并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流,但他发现获得连续高压非常困难。同时,零件的寿命也以分钟计算,而不是今天的数周或数月。   Franz 博士从没制造出一种量产的木材切割器。而今天木材切割却是超高压技术最不重要的应用之一。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量-这种能量的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。   1979 年,Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作,开始研究增加水刀切割能量的方法,以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀之父,他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。他使用石榴石(砂纸上常用的一种材料)作为砂料。凭借这种方法,水刀(含有砂料)能够切割几乎任何材料。1980 年,加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 年,世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世,被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业,他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具(现在已用于民用飞机)。从那以后,加砂水刀被许多其它工业采纳,例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。 【水刀分类:】   水刀分为纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。   【纯水水刀】   纯水水刀是最早的水切割方法。第一次商业应用始于二十世纪七十年代中期,用于切割瓦楞纸板。纯水水刀最大的应用是切割抛弃式尿布、棉纸和汽车内饰件。对于棉纸和抛弃式尿布,与其它技术相比,水刀技术在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉纸工厂中,意外停机时间对其他切割技术而言非常普遍,代价超过每小时20000美元。而水刀则为这种应用提供全年不断的连续运行-维护操作可被纳入生产过程中。   【纯水水刀的特点】   非常细的水流(常见直径范围:0.004至0.010英寸)   非常详细的几何形状   非常少的材料切割损失   切割时不产生热量   切割厚度可以很大   也可切得很薄   切割速度快   能够切割软、轻质材料(例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料)   极小的切削力   夹具简单   每天 24 小时的连续运行   【纯水水刀切割刀头】   如前文所述,基本水刀流程包括水从帮浦流出、通过管道并从切割刀头输出。   在水刀切割中,材料去除过程可称为超音速侵蚀技术。除下材料微粒的不是压力,而是水流的速度。压力和速度是两种截然不同的能量形式。但帮浦的水压是如何转换成另外一种能量形式(即水速)的呢?答案是一块小巧的宝石。在管子的末端装有一块宝石。宝石中有一个很小的孔。高压水穿过这个细小的开口流出,从而把压力转化为速度。在大约 40000 psi 时,流出喷嘴的水流以 2 马赫的速度运动。在 60000 psi 下,其速度超过 3 马赫。   对于普通切割,纯水水刀喷嘴的直径范围为 0.004 到 0.010英寸。用牵引车来回移动喷嘴以冲刷混凝土时,常用的是单个大号喷嘴,最大直径 1/10 英寸。   三种常用的喷嘴材料(蓝宝石、红宝石、钻石)各有其独特属性。蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料。它是人造单晶宝石。它的水流品质相当好;在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。在加砂水刀应用中,蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 1/2。通常情况下,蓝宝石的价格在 15 到 30 美元/块之间。   红宝石也可用于加砂水刀应用。其水流特性非常适合加砂水刀,但并不太适合纯水水刀切割。其成本与蓝宝石大致相同。   钻石的使用寿命长得多 (800 到 2000 小时),但价格却要高10到20倍。钻石在需要每天 24 小时连续运行的情况下非常有用。与其它类型的喷嘴不同,有时可以对钻石进行超声波清洗,并重复使用。 【加砂水刀】   加砂水刀与纯水水刀只有几点不同。在纯水水刀中,由超音速水流侵蚀材料。在加砂水刀中,由水射流加速砂料颗粒,然后由这些颗粒(而非水)侵蚀材料。加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地。纯水水刀可切割软质材料,而加砂水刀则切割硬质材料,如钢材、石材、复合材料和陶瓷。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,AD 99.9)的材料。我们将在下面介绍加砂水刀的特点,以及加砂水刀切割刀头的工作方式。   <
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