水刀切割—橡胶加工的新技术研究

水刀加工技术简介

水力加工，Zui早出现在采矿工业中，有用水枪采矿的例子;二战期间，飞机在飞行中“雨蚀”的现象，使雷达舱遭到破坏的现象，启发了人们的思维。直到20世纪50年代，高压水射流切割的可能性才源自于苏联，但真正获得第一项切割技术的专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学院教授诺曼.弗兰兹博士取得。如今这种以水射流作为切削加工动力的机械，遍及各个行业，这就是水刀加工技术。它正在以特别的切削加工形式，逐渐进入各种制造业行列，特别是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难等技术应用上显示出优势。橡胶制品的加工同样可以使用这种软硬“通吃”的特殊工具。

水刀的工作原理

超高压水刀的基本工作原理既简单又极为复杂。超高压水形成的关键在于高压泵。从油泵出来的低压油，推动增压器的大活塞，使其往复运动。大活塞的运动方向由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先经过净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后，压力升高。由于高压水是经过增压器不断往复压缩后产生的，而增压器的活塞又需要换向，因而从喷嘴所发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需使产生的高压水进入一个蓄能器，然后再流向喷嘴，从而达到稳定压力的目的。水刀就是由普通水经过一个超高压加压器，将水加压至4,000 bar (60,000psi)，然后通过一个极细小的喷嘴(其直径为0.1mm至0.4mm左右)，产生一道速度每秒近千米(约音速的三倍)的水箭。这道水箭就像一把切削加工的利剑，对所需要加工的工件进行切削加工。水刀加工设备的组成包括：超高压泵、水刀切割头装置、水刀X-Y可移动平面切割台、CNC控制器及CAD/CAM软件包等。其中的关键设备是：超高压泵使水压提高到能切割各种材料，越是高压越能穿透多种不同的材料;水刀切割头装置包含一个直径微小的宝石喷嘴，通常采用的是红或蓝宝石，这种宝石喷嘴镶嵌在金属材料中，喷嘴安装在可以进行上下微量调整的架子上，以使高压水箭能精确通过所要加工的方位，而不损坏工件其它任何地方。这也是保证水刀切割精度的一个重要因素。

水刀的应用

水刀加工基本可对各种材料进行处理及切割，非金属物质如木材、橡胶、纸类、塑料、纤维、海绵等。对切割金属或较硬的材质，如石材、玻璃、陶瓷、砖等材质时，可以将80目左右，较细颗粒的石英砂料与水箭混流在一起，以增强其切割能力。此种高速加砂的水刀几乎可以切割任何材质。例如在家具制造过程中，可以用于对原木的分割和实木成型材料的分切，使得在用料方面取料更为精确，为节约用材提供很好的途径。

 

图1 汽车内饰件切割设备

水刀加工在下料开片的切割加工中，与其具有同样功能的设备--电锯、电弧切割和激光切割相比较，有着许多优越性。它无尘、无烟、没有火光，在作业时，切割面上的温度能保持不变(电弧、激光切割和钢锯则办不到这一点)，不会产生强光而灼伤人眼，更不用担心因高温而引发火灾。然而它具有强大的“威力”，可以随心所欲地切割各种工件和不同口径的管材。

目前，水刀已经与自动的机械手臂相结合，完成三度空间之切割。这种水刀自动化系统已应用于汽车内饰件加工、船体龙骨架的切割，甚至对空中客车A380飞机外壳、行李仓盖等大型航空件、高强度碳素纤维的复杂零件表面进行的切割、修边、开孔等难以加工的任务，而且它可以在几乎完全自然工作条件下进行加工，对已完成的上道工序，基本不会产生任何影响。没有任何粉尘的危害，也不会出现刀刃磨损的缺点。

水刀还可以做水下作业，对沉船的切割、修理可以达到绝无仅有的效果，预计在未来对潜水艇的自救也有可能实现。

水刀对橡胶产品的加工，可以在较小的压力下，在所有的加工中，避免由于工件与刀具摩擦产生的热量。另外，由于水的介入使得橡胶加工的环境变得更加美好。

水刀对复合材料的加工处理也得到非常好的应用，不管是普通的复合材料，还是软硬结合的复合材料，如塑料与金属、橡胶与金属等的加工也可以从容应付。在加工处理坚韧、高强度的碳素纤维材料时也难不倒它，甚至可用于处理在战争时代留下的废弃炸弹。由于水的加入，它不但不会影响炸药的爆炸，而且对贵重金属的回收开辟了新的天地。这比其它加工处理方法更加安全可靠。

水刀切割加工速度极高，尺寸精度也可以在其机器本身所配备工作台的精度下，完成所达到的要求，加工的质量较高，不需要二次加工。水刀的零配件使用寿命较长，机械可使用时间长，相对成本较低。水刀切割时不会产生灰尘及有毒气体，可提供一个较为清洁及安全的工作环境。更重要的是，水刀以水作为切割的刀具，不用像其它的切削刀具需要刃磨，它是一把永不磨损型的刀具。如今，水刀加工技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。目前已有10,000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%。水刀以其独特的优势，在未来的各种加工制造中，一定会有更广泛的应用前景。