洋人街鬼屋图片:特种加工——水刀原理简介

作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数：9228 更新时间：2008/6/5 19:30:53    热     ★★★
 人类自古就利用水流的冲击力，制成水车、水磨等水力机械。如果水流从高压水枪中喷出，其冲击力就更大。前苏联用于采煤工业，名曰水力采煤。高速喷出的水流受阻于煤层，速度骤然下降，顷刻间会产生足够大的冲击力，使煤层出现脆性断裂，完成采煤作业。受此启发，前苏联科学家开发出高压水喷流切割技术，而美国公司取得了此项技术的专利权，使之商品化。
普通水经过一个超高压加压器，将水加压至4,000 bar (60,000psi)，然后通过一个细小的喷嘴(其直径为0.004英寸至0.016英寸)，可产生一道每秒达915公尺(约音速的三倍)的水箭，此道水箭可做各种表面处理及切割各种非金属物质如纸类、纸尿裤、玻璃、纤维、海绵等。
而针对要切割金属及较硬的材质如各种石材、玻璃、陶瓷、磁砖等材质时，福禄另开发出具专利及更完善的设计，就是将砂料与水箭混流以增强其切割能力，此种高速度的加砂水刀几乎可切割任何材质。
要做到这点，对水、管道、喷口都有比较高的需求。如管道，水刀是用高压工具把水加压后射出来的，必须拥有极高的压力才能把坚硬的切割材料切开，所以管道必须能承受极高的压力，这个压力远远大于700兆帕，因为薄钢板（被切割材料）本身就能承受700兆帕的压力。
其次，水刀用的水完全没有杂质是不对的。因为水压远远大于700兆帕，那么对于管道等密封设备而言，无论密封性能多么好，纯水总会使它们磨损而渗漏。为了解决这个问题，水刀用水就要加入5%的可溶性乳化油，提高密封效果。对于高压泵，也要加入一些油液提高其密封性能。
上面说过了，水刀的喷嘴是用硬质合金、蓝宝石等材料做成的，喷口直径仅0.05毫米，而且孔内壁光滑平整，能承受1700兆帕的压力，所以喷出来的高压水能像刀一样切割材料。有些水还加入了一些长链聚合物，如聚乙烯氧化物，增加水的“黏度”，使喷出的水犹如一条“细线”。
它的加工精度高，切割宽度只有0.1—0.8毫米，可以加工型面复杂的零部件。加工后的零部件切口光滑整齐，无须修整。尤其对易热变形材料的加工，“水刀”更具独特优越性。
它不像刀具那样存在磨损问题，掺入水喷流中的磨料和废水可回收使用，设备又较为简单，加工成本低廉。加工过程中引起的振动和噪声都很小，切屑量仅是机械加工的15%—20%，并且碎屑随水流走，不会飞扬伤及操作者。
“水刀”，正因为它不是刀，才开拓了广阔的用武之地。对复合材料的切割是加工中的棘手问题。如采用传统的加工方法，会出现分层和撕扯现象，而“水刀”正是解决这个问题的理想工具。用“水刀”来清除部件的陶资涂层，效果优于机械方法和化学方法。“水刀”可用于冲孔，粉碎材料。船体及螺旋桨表面的附着物，化工管道中的积垢，用“水刀”来清洗也很方便。
“水刀”还可以用于外科手术。〔东京大学医学院用压强0.7兆帕的“水刀”在家兔身上做试验，表明它可用于肝、肾等脏器的手术，不会损伤周围组织，也不易引起感染。〕
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。
高压水的产生 - 产生高压水 -产生高压水增压泵高压管道
基本技术既简单又复杂。在最基本的情况下，水从泵流过，经过管道，然后从切割刀头流出。其说明、操作和维护都很简单。但是，这一过程包含非常复杂的材料技术和设计。为了生成和控制 60000 psi 的水压，需要书本上没有的科学技术。在这种压力下，如果设计不当，微小的泄漏有可能对工件造成永久的侵蚀性损害。幸运的是，水刀制造商采用了复杂的材料技术和先进工程设计。用户只需了解基本的水刀操作知识即可。
从本质上讲，有两类水刀：（1）纯水水刀和（2） 加砂水刀。设备设计为只能使用纯水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。无论何种形式，必须首先对水加压。
泵
泵是水刀系统的核心成员。对水进行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水刀应用可以采用两种泵－增压泵和直接驱动泵。
直接驱动泵
直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。它是一种直接由电机驱动三个活塞产生运动的三级泵。因为其简单可靠，这些泵得到了水刀工业的认可。直接驱动泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低 10％ 到 25％（直接驱动泵为 20K 到 50K 、增压泵为 40 K 到 60K ）。
直接驱动泵也是一种相对新型的高压泵
(上世纪八十年代后期开始上市）
 
尽管直接驱动泵被用于某些工业应用，目前绝大多数用于水刀的超高压泵还是增压泵。
普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。
水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和减震器。用入口水过滤系统过滤普通自来水－通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是 90psi－保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至 60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前，会首先流经减震器。这个大容器缓冲了压力波动，确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有减震器，将能够看到并听到水流脉动，在被切割材料上留下印记。
液压管路包括电机（25 到 200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压泵从油箱吸油，并把压力升高至 3000 psi。高压油被输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作（通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。

典型的增压泵装置。本装置设计为独立式，而非整合到运动设备中。