特种加工(水切割)

特种加工摘要由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，新产品更新换代日益加快，提出的要求也越来越高，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。为解决这一系列问题，特种加工于20世纪40年代开始逐步发展起来。而能适应这些加工要求的先进切割技术——水射流切割，在1950年初步形成概念，到80年代发展已较为完善。关键词：特种加工；精密机械零件；水射流切割定义特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。发展特种加工是20世纪40年代发展起来的，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来，由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。独到之处与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料；(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件；(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小；(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。加工形式目前，特种加工技术的加工形式大致有如下类别：电火花、电子束、离子束、等离子、化学、电化学、超声波、激光、快速成形、挤压珩磨、水射流切割、磁性磨料研磨加工和磁性磨料电解研磨加工、铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术等。下面着重介绍水射流切割技术。水射流切割一、工作原理超高压水射流切割机是将普通的水通过一个超高压加压器，将水加压至3000bar，然后通过通道直径为0.3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、纤维等，若加入砂料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料。二、特点：1．无切割方向的限制，可完成各种异形加工；2．水刀在工件上所产生的侧向力极小，可降低设定时间及节省使用夹具成本；3．水刀加工不会产生热变形，不需二次加工，可节省时间及制造成本；4．水刀加工切割速度快，效率高，加工成本低。三、优点：1．可以轻松地切割不锈钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其他方法难以切割的材料如芳纶、钛合金等各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。2．切割时不会产生裂痕，它可以切割间隙很窄的材料。一般而言，纯水切割其切口约为0.1mm至1.1mm，加砂切割其切口约在0.8mm至1.8mm之间.。随着砂喷嘴内孔直径扩大其切口也就愈大。3．可作全方位的切割，包括各种形状、角度或斜度；4．不需要进行磨边等二次加工，在切割过程中还可以减少飞尘，改善工作环境。四、水切割的形式和水切割机床的构成：水切割的形式从水质上分，有纯水切割和加磨料切割；从加压方式上分，有液压加压和机械加压；从机床结构上分，有龙门式结构和悬臂式结构。一套完整的水切割设备由超高压系统、水刀切割头装置、水刀切割平台、CNC控制器及CAD/CAM切割软件等组成五、水切割与其他形式切割的比较：水切割与激光切割的比较：激光切割设备的投资较大，目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，切割速度较快，精度较高，但激光切割时在切缝处会引起弧痕并引起热效应；另外对有些材料激光切割不理想，如铝、铜等有色金属、合金，尤其是对较厚金属板材的切割，切割表面不理想，甚至无法切割。目前人们对大功率激光发生器的研究，就是力图解决厚钢板的切割，但设备投资、维护保养和运行消耗等成本也很可观。水切割投资小,运行成本低,切割材料范围广,效率高，操作维修方便。水切割与线切割的比较：对金属的加工，线切割有更高的精度，但速度很慢，有时需要用其它方法另外穿孔、穿丝才能进行切割，而且切割尺寸受到很大局限，水切割可以对任何材料打孔、切割，切割速度快,加工尺寸灵活。水切割与等离子切割的比较：等离子切割有明显的热效应，精度低，切割表面不容易再进行二次加工。水切割属于冷态切割,无热变形,切割面质量好,无须二次加工，如需要也很容易进行二次加工六、水切割技术不足之处由于水射流的靶距是不确定的或者说是变化的，数控水刀的最大切割厚度并不好明确界定。胆大者，敢称400、500mm，保守者称100mm以内，都是合理的。现有的数控水刀一般流量在2～3升，工作压力在200～380MPa，射流经过空气阻力，能量衰减极快，到400、500mm时，基本就随风飘散了，就没有打击力。就一般应用而言，切割金属板材厚度建议不超过100mm，发泡材料如海绵厚度建议不超过300mm。而且严格来讲，数控水刀虽然比火焰、等离子切割可以更精确的切割，但还不是精密加工机床，目前还不能标注精度。在切割10mm以下的板料时，把切割速度和补偿控制得恰到好处，误差可以做到±0.1mm。七、水切割的应用领域(1)汽车工业。加工各种非金属材料,如仪表板、毯、石棉刹车衬垫、门框、车顶玻璃、汽车内装饰板、橡胶、塑料燃气箱等。(2)航空工业。可切割特种材料,如钛合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等。如用水射流切割飞机叶片,叶片的切割边缘无热影响区和加工硬化现象,省去了后序加工。(3)铸造工业。铸造工厂可用水射流切割技术去除工件外部的氧化铝、铸件上的型砂及陶瓷涂层等。同时,可切割常规方法难以切割的灰铸铁件。(4)电子及电脑工业。可以进行印刷电路板及薄膜形状的成形切割。(5)煤炭工业。对于煤矿井下危险环境中铺设轨道、检修设备等需要进行切割的作业。这些作业在高瓦斯等危险环境中采用传统的热切割方法不能直接进行,因为在切割时都伴有热,而利用磨料水射流切割技术,切割作业是在常温下进行,切割时无尘、无味、无气体产生,加工安全,振动小,噪音低,适合于防火、防爆、防反应、防瓦斯等危险场合,不污染环境。参考文献：《特种加工技术》机械工业出版社作者：王瑞金主编出版日期：2011年2月；《特种加工》机械工业出版社作者：王瑞金主编出版日期：2008年6月；《精密与特种加工技术》机械工业出版社作者：袁根福等出版日期：2007年8月；