水刀的发展及研究

—33—毕业设计(论文)开题报告题目：水刀的设计学生姓名：刘鹏学号：201201060130专业：机械设计制造及其自动化指导教师：董庆华2016年3月11日—34—开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。毕业设计开题报告—35—水刀设计开题报告刘鹏指导教师：董庆华摘要：随着现代科学技术的不断发展，水刀的应用范围越来越广，通过对水刀的发展、原理和应用了解，激发创新能力，从而能够完成相关设计。关键词：“水刀”切割、发展概况、特点、应用1引言水刀，顾名思义就是以水为刀。这个听起来似乎有些不可思议，水是至柔之物，怎么可用来做刀？其实早在2000多年前老子就从“滴水穿石”的现象中悟出“天下莫柔弱于水，而攻坚强者莫之能胜”的道理。千年后的今天，水配合上当代先进技术，通过超高压就能够对任何材料进行切割，它就是超高压数控水切割机，简称——水刀。它是一种冷切割，因此材料不会发热变形，不会变性。正因为这些优点其广泛应用于航空，建材，化工，石油，矿产，机械加工，冶金，建筑和医疗等诸多领域。2水刀技术的发展概况2.1国外发展概况NormanFranz博士被公认为水刀之父。他是研究超高压(UHP)水刀切割工具的第一人。他是一名林业工程师，为寻找一种切割木材的新方法，于1950年，Franz通过把重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。使它获得短暂的高压射流，可以轻松切割木材。后来他将研究重心放到连续高压水流，但他很快发觉获得连续高压水流特别难。零件损耗特别严重，只能维持短短几分钟。尽管如此，但其推开了水刀技术的大门，证明了高速汇聚水流有难以想象的能量。而这种能量是Franz博士都无法想象的。1979年，美国MohamedHashish博士在福禄研究室工作，将研究的工作重心放在增加水刀切割能量的方法上，从而实现切割金属等硬质材料的愿望。Hashish博士通过在水中添加砂料的方法，使水刀切割能力成倍提高，他把砂纸上常用的石榴石作为砂料，掺入高压水射流中。这种看似简单的改进却让水刀能够无坚不摧，几乎可以切割任何材料。在1980年，Hashish博士用他发明的加砂的水刀第一次切割金属、玻璃和混凝土，效果很好。直到1982年,papachristou毕业设计开题报告—36—和barter教授用水刀进行肝叶切除术,首次将喷射水流技术引入医学领域[1]。1983年，世界第一套商业化的加砂水刀横空出世，并被应用于汽车玻璃的切割。航空航天很荣幸的成为这项新技术的第一批用户，因为在航空航天的应用材料中有许多不锈钢，钛镁合金等高硬度且又易变形氧化的材料，而加砂水刀以其特有的冷加工性质超越其它加工方式，成为航空航天等高新技术领域的新宠儿。从此，加砂水刀得到广泛应用。沈忠厚先生把水刀的发展总结为四个阶段：[2]1）探索试验期（60年前后）：主要停留在低压水射流采矿。2）设备研制期（60—70年代）：主要研究高压泵、增压器和高压管件，水射流技术得到很大推广。3）工业应用期（70—80年代）：水射流采煤机等问世，并推广应用。4）迅速发展期（80—90年代）：水射流技术进一步发展，磨料射流和自激震动射流迅猛发展，进入商品化的产品越来越多。进入90年代中期，国外高压水射流压力可达690MP[3]；进入21世纪，800MP水刀试制成功。并随着科学技术的不断推进水刀与自动的机械手臂结合，使水刀能够进行三维空间切割。并且已有10000多套水刀切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难的技术上更显优势。[4]2.2国内发展概况水刀技术在国外的迅速发展引起国内多个工业部门的重视。于上世纪90年代，中国的几家研究院成功研制出水刀样机并鉴定。当时中国需使用水刀的航空航天部门全依赖美国。1995年底，南京打的水射流公司研制了第一台水刀样机，样机在高压密封、高压零部件疲劳上存在缺陷，后经科研人员的不断改进，于1998年，达到初步要求，并进行了小批量生产，它标志着我国成为世界上第五个有能力生产水刀的国家[5]。后经将近20年的研发，水刀技术在我国有喜人的进展，大量先进的切割机进入产品化，产品所有零部件均达到了国产化，在许多部门得到广泛应用，经济效益特别好。同时国内许多大学高校、科研院所及一些企业（如：中山大学机械部、南京理工大学、水刀有限公司等），紧跟世界先进水刀的发展步伐，使中国水刀技术的前途越来越广阔，中国的智慧越来越被世界所承认。但是我们必须清醒认识到我国水刀技术与世界最先进的水刀技术仍然有很大差距，新一代的年轻人仍需不断努力！3水刀的特点毕业设计开题报告—37—3.1水刀优点[6]1）可以切割的材料多。几乎任何材料，切割对象可以称得上是“无所不包”，不管是柔软的胶体还是高硬度、高弹性以及复合材料[6]，特殊材料，混合材料都可通吃。据不完全统计目前已有500余种材料[4]用到了水刀切割。2）加工质量高。水刀切割可使机械堑力和热效应得到有效避免，使后续处理变得容易。这是其它热切割所不能完成的，同时水刀是机械加工中唯一的冷切割。3）切缝可以小到0.3mm，而微型水刀切缝可小到25~75μm[7]；水刀切割能够自动减速再加上水刀切割还有磨削的特质，因此切割面粗糙度可以小到Ra3.2。因此水刀切割可以直接用于零件的成型。4）能方便的与微型计算机控制的工作台或机器人结合，通过编程能够实现数控加工甚至三维加工。新一代水刀结合了CAD/CAM软件技术，其自动化水平国际领先。5）切割厚度厚。水刀切割金属材料的厚度一般可达80mm以上[8]。而一般激光加工无法切割16mm[9]的厚度，水刀的优势之大显而易见。6）能够切割任意形状。可以切割车刀无法加工的尖角等任意形状。7）切割时安全清洁。即使是一些对身体有害的物质也不会对操作者的健康产生危害。8）有很好的选择加工性能。例如：剥去导线的绝缘皮，而不伤害导线芯；在医用上不会损坏血管。9）经济性好。水消耗量少，且砂石易于获取，价格低廉。例如：在航空航天的钛金属切割中用水刀切割可以节约50%的加工费，而且产品的质量性能还提高了。水刀加工优点很多，局限性依旧存在。有待新一代的年轻人去改进。3.2水刀局限性[8]1）进给的速度较火焰刀切割、等离子切割要慢。2）前期投资很大。水刀的价格比较贵，若要进口一台价钱可达到10~60万不等，国产的也需要30~40万元人名币。3）喷嘴易于磨损。4）水刀在没有接水器的情况下，噪声大，据测可达110dB，操作者工作还需要戴耳罩。5）多数水刀精度上不及电火花加工的好。4水刀的结构及工作原理如图1：一台完整的水刀切割机由供水器、泵、蓄能器、控制器、增压器、毕业设计开题报告—38—液压装置、阀、喷嘴、水箱及工作平台等组成。它通过水泵把水或添加有添加物的液体从供水器送至增压器，再通过蓄能器让不平稳的高压液体流动平稳，最后通过很小的喷嘴将液体喷向工件需加工的表面，喷嘴在工作台上前后、左右和上下移动，从而实现切割完成各种形状的目的。[10]5课题主要研究目标、研究内容、预期目标5.1研究目标通过查阅有关水刀的文献,了解水刀的结构、原理以及当前水刀在切割中所存在的不足之处，并在本研究课题中尽量予以解决，使水刀更好地服务于人类。5.2研究内容本课题的研究内容主要是以下几个方面：5.2.1水刀平台传动及驱动方式1)喷嘴沿X、Y轴方向运动传动方式：由于我们考虑到加工精度，我们打算X、Y两坐标轴均采用优质滚动导轨,滚珠丝杠，这样可以实现无间隙运动，滚珠丝杠选用标准件，以降低成本。2)Y轴驱动方式：我们有两种驱动方式可供选择，单臂驱动和双臂驱动。单臂驱动结构简单,成本低；双臂驱动精度高，能有效降低运动惯性给丝杠的破坏。我们考虑到设备较大，如果采用单臂驱动，悬臂太长，运动冲击大，可能不易于保证加工精度及水刀设备的使用寿命，所以我们初步选择双臂驱动。用同一电机带动两链条（传递距离远，不便选用齿轮传动；皮带传动易打滑，寿命短，精度太低，不能满足设计要求；只有链条通过加张紧轮能够有高精度，同步性强，经图1水刀切割示意图毕业设计开题报告—39—济可靠的强大优势）将转动传递给Y轴方向两根丝杠，使两根丝杠同步运动，确保加工精度。3）X轴驱动方式：因为喷嘴在X轴方向的运动不存在悬臂梁，因此，直接用电机带动丝杠运动就可完成喷嘴在X轴的高精度运动。5.2.2水刀平台结构1)设计并画出水刀工作平台原理图；2)根据原理图大致画出主要零件的装配草图；3）由装配草图整理成完整装配图；4）拆画主要零件的零件图。5.2.3水刀平台的总体性能1）将零件图生成三维装配图并进行必要的干涉检查，力学分析等；2）制作三维动画，模拟水刀运动。5.3预期目标1）设计的该水刀结构紧凑，外形美观大方，同时又具有良好刚性，运动部件轻巧，运动平稳。2）通过计算机控制，精度高，可加工任何复杂曲线平面。3）能够实现没有间隙的运动。4）升降行程高。5）寿命有保证。6拟采用的研究方法、技术路线及其可行性分析6.1研究方法6.1.1文献研究法通过图书馆的相关水刀书籍以及各种学术网站的相关论文获取知识，大胆创新完成设计。6.1.2观察法通过对水刀的近距离观察，了解水刀的构造原理，更好的改进。6.1.3模拟实验法通过计算机三维软件模拟，实验，并不断改进，来提升水刀的质量状况。6.2技术路线确定研究主题文献阅读整理设计总体方案画出原理图画出装配草图毕业设计开题报告—40—6.3可行性分析6.3.1研究原因当前国内外对水刀的研究虽然发展神速，但仍有许多问题目前仍不能得到解决，例如：精度上存在欠缺，且前期投资之大等问题。6.3.2优势1）阅读过大量关于“水刀”方面的研究文献，很受启发；2）自己对“水刀”很感兴趣，愿意花时间研究它；3）指导老师对水刀有多年的研究经验。所以，此项目可行。7预期的研究进展起迄日期工作内容2月29日—3月10日了解研究内容，搜集有关资料，为课题研究做准备工作；3月11日—5月12日撰写研究论文、翻译有关外文资料、设计水刀的总体结构和机械部件图纸。5月13日—6月3日整理、修改毕业论文和设计图纸，准备论文答辩。8结语随着科学技术的不断发展，水刀切割将会越来越快捷，越来越精密，越来越廉价，水刀在未来会有更广泛的应用，为更多的领域创造财富。因此，新一代的年轻人仍需投入精力研究水刀切割。画出装配图可行性分析设计零件表1预期研究进展图2技术路线毕业设计开题报告—41—参考文献[1]肖红梅.新型外科工具—水刀[J].医疗装备,2005,(8):15.[2]沈忠厚.水射流理论及技术[M].北京：石油大学出版社，1998.43-51[3]董庆华.数控高压水射流切割机的研究与设计[A]：[硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2007:1-5.[4]费修莹,胡善明,费隽明.真正的冷加工——水刀切割[J].金属加工(冷加工),2008,(3):45-46.[5]闻苏平.我国成为世界第五“水刀”生产国[J].流体机械，1998（3）：30[6]裘镜蓉.复合材料的高压水射流加工[J].宇航材料工艺,1992,(6):22-26.[7]荣宇.微水刀激光划片机的切割原理[J].科技展望,2015,(7):163.[8]陈波.水刀在金属加工领域的应用[J].切割论坛—焊接,2016,(9):29-33.[9]陈业勤.水刀在金属加工领域的应用分析[J