水刀切割—橡膠加工的新技術研究

水刀加工技術簡介

水力加工，Zui早出現在采礦工業中，有用水槍采礦的例子;二戰期間，飛機在飛行中“雨蝕”的現象，使雷達艙遭到破壞的現象，啟發了人們的思維。直到20世紀50年代，高壓水射流切割的可能性才源自于蘇聯，但真正獲得第一項切割技術的專利卻在美國產生，即1968年由美國密蘇里大學林學院教授諾曼.弗蘭茲博士取得。如今這種以水射流作為切削加工動力的機械，遍及各個行業，這就是水刀加工技術。它正在以特別的切削加工形式，逐漸進入各種制造業行列，特別是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難等技術應用上顯示出優勢。橡膠制品的加工同樣可以使用這種軟硬“通吃”的特殊工具。

水刀的工作原理

超高壓水刀的基本工作原理既簡單又極為復雜。超高壓水形成的關鍵在于高壓泵。從油泵出來的低壓油，推動增壓器的大活塞，使其往復運動。大活塞的運動方向由換向閥自動控制。另一方面，供水系統先經過凈化處理，然后由水泵打出低壓水，進入增壓器的低壓水被小活塞增壓后，壓力升高。由于高壓水是經過增壓器不斷往復壓縮后產生的，而增壓器的活塞又需要換向，因而從噴嘴所發出的水射流壓力是脈動的。為獲得穩定的高壓水射流，需使產生的高壓水進入一個蓄能器，然后再流向噴嘴，從而達到穩定壓力的目的。水刀就是由普通水經過一個超高壓加壓器，將水加壓至4,000 bar (60,000psi)，然后通過一個極細小的噴嘴(其直徑為0.1mm至0.4mm左右)，產生一道速度每秒近千米(約音速的三倍)的水箭。這道水箭就像一把切削加工的利劍，對所需要加工的工件進行切削加工。水刀加工設備的組成包括：超高壓泵、水刀切割頭裝置、水刀X-Y可移動平面切割臺、CNC控制器及CAD/CAM軟件包等。其中的關鍵設備是：超高壓泵使水壓提高到能切割各種材料，越是高壓越能穿透多種不同的材料;水刀切割頭裝置包含一個直徑微小的寶石噴嘴，通常采用的是紅或藍寶石，這種寶石噴嘴鑲嵌在金屬材料中，噴嘴安裝在可以進行上下微量調整的架子上，以使高壓水箭能精確通過所要加工的方位，而不損壞工件其它任何地方。這也是保證水刀切割精度的一個重要因素。

水刀的應用

水刀加工基本可對各種材料進行處理及切割，非金屬物質如木材、橡膠、紙類、塑料、纖維、海綿等。對切割金屬或較硬的材質，如石材、玻璃、陶瓷、磚等材質時，可以將80目左右，較細顆粒的石英砂料與水箭混流在一起，以增強其切割能力。此種高速加砂的水刀幾乎可以切割任何材質。例如在家具制造過程中，可以用于對原木的分割和實木成型材料的分切，使得在用料方面取料更為精確，為節約用材提供很好的途徑。

?

圖1 汽車內飾件切割設備

水刀加工在下料開片的切割加工中，與其具有同樣功能的設備--電鋸、電弧切割和激光切割相比較，有著許多優越性。它無塵、無煙、沒有火光，在作業時，切割面上的溫度能保持不變(電弧、激光切割和鋼鋸則辦不到這一點)，不會產生強光而灼傷人眼，更不用擔心因高溫而引發火災。然而它具有強大的“威力”，可以隨心所欲地切割各種工件和不同口徑的管材。

目前，水刀已經與自動的機械手臂相結合，完成三度空間之切割。這種水刀自動化系統已應用于汽車內飾件加工、船體龍骨架的切割，甚至對空中客車A380飛機外殼、行李倉蓋等大型航空件、高強度碳素纖維的復雜零件表面進行的切割、修邊、開孔等難以加工的任務，而且它可以在幾乎完全自然工作條件下進行加工，對已完成的上道工序，基本不會產生任何影響。沒有任何粉塵的危害，也不會出現刀刃磨損的缺點。

水刀還可以做水下作業，對沉船的切割、修理可以達到絕無僅有的效果，預計在未來對潛水艇的自救也有可能實現。

水刀對橡膠產品的加工，可以在較小的壓力下，在所有的加工中，避免由于工件與刀具摩擦產生的熱量。另外，由于水的介入使得橡膠加工的環境變得更加美好。

水刀對復合材料的加工處理也得到非常好的應用，不管是普通的復合材料，還是軟硬結合的復合材料，如塑料與金屬、橡膠與金屬等的加工也可以從容應付。在加工處理堅韌、高強度的碳素纖維材料時也難不倒它，甚至可用于處理在戰爭時代留下的廢棄炸彈。由于水的加入，它不但不會影響炸藥的爆炸，而且對貴重金屬的回收開辟了新的天地。這比其它加工處理方法更加安全可靠。

水刀切割加工速度極高，尺寸精度也可以在其機器本身所配備工作臺的精度下，完成所達到的要求，加工的質量較高，不需要二次加工。水刀的零配件使用壽命較長，機械可使用時間長，相對成本較低。水刀切割時不會產生灰塵及有毒氣體，可提供一個較為清潔及安全的工作環境。更重要的是，水刀以水作為切割的刀具，不用像其它的切削刀具需要刃磨，它是一把永不磨損型的刀具。如今，水刀加工技術和設備有了長足進步，其應用遍及工業生產和人們生活各個方面。目前已有10,000多套水射流切割設備在數十個國家幾十個行業應用，已可切割500余種材料，其設備年增長率超過20%。水刀以其獨特的優勢，在未來的各種加工制造中，一定會有更廣泛的應用前景。