基于軸聯動背景的水切割技術研究

楊瑜挺

摘 要：水切割技術在工業中應用的歷史并不長，但其發展卻非常迅速。在短短的幾十年中，水切割已經用于非常多的材料加工中，成為切割加工中越來越流行的工藝。水切割雖然具有切割效率高、運行成本較低等優點，但在技術方面仍存在很多問題。基于此，文章通過研究國內使用水切割技術的領域，探討水切割技術的研究背景，進而就水切割的發展現狀及未來發展趨勢進行分析。

關鍵詞：水切割;軸聯動加工;切割特性;發展趨勢

中圖分類號：TU63 文獻標識碼：A

1 軸聯動下水切割技術研究背景及意義

1.1 軸聯動下水切割技術背景

當今，高水壓切割技術在不斷地更新和完善，并開始廣泛應用于各個領域。雖然我國的水切割技術設備在改革開放后取得了長遠進步，但與德國、美國等發達工業國家相比，仍然存在較為明顯的差距，主要體現在以下方面。

在軸聯動下水切割技術領域，自主研發能力薄弱，自主生產力水平較低;國內軸聯動水切割市場占額小，推廣力度不夠大;五軸聯動下的水切割設備數控化程度整體較低;軸聯動下水切割技術行業技術的規范性程度缺失，整體缺乏梯度性服務。高壓數控水切割機床進行的水切割，是利用純水或是加了顆粒材料的水去進行噴射，以產生動能對工件進行加工。高壓水切割根據其組成，分為純水切割和磨料水切割兩大類。

純水切割具有節能、衛生等特性，可用于切割乳膠等軟加工材料[1-2];磨料水切割給水切割加入一些磨料，形成高壓磨料水刀，以水為介質，使切割具有一定的沖擊性，可以加大對工件的切割力度，因此其應用更加廣泛，其可以對熱敏感度高的鈦合金、碳纖維等材料進行加工;水刀切割相比其他的切割方式，如線切割、切割鋸切割、等離子切割等切割方式，有一些獨特的優點：水切割是當今世界唯一一種冷態高能束加工方式。所以，其切割出來的東西沒有任何的熱損傷、熱影響，這是其最大的優勢所在。水切割在加工過程中，并沒有使材料的化學性質發生改變，因此，絲毫不會影響到材料的物理性質，相當地穩定。水切割在切割過程中，能保持切割工件表面的清潔及完整性，而且其切割過程不發熱、不冒煙，不產生煙霧和粉塵等[3]。

相對于由三個軸組成的三軸水切割系統，由于在水噴射出去時具有梯度的消耗性以及水的發散和匯集作用，導致其具有切割空間的局限性。當需要切割的面越深時，即切割面距離噴嘴越遠時，水刀對工件的切割能力就會下降一定的程度，導致割出來的切割面并不垂直于工件的表面，產生一個傾斜程度。可以通過一些量的改變，如降低水切割時的速度或者提高水的能量，來降低水刀在進行切割時的偏斜程度。為了解決切割不垂直度的問題，五軸聯動的水切割技術應運而生，除了X、Y、Z軸，還有一個旋轉軸和一個擺動軸。通過刀具中心點控制的應用來實現水刀向任意方向的移動，這運用了RTCP技術（即“Rotational Tool Center Point”），即“旋轉刀具中心”[4]。

從而使水切割產品能夠無斜度切面或形成指定角度的切面。旋轉軸可以指定為任意A軸、B軸或者C軸。其次，旋轉軸顧名思義，是可以進行任意旋轉的一個軸。擺動軸即是定義完一個旋轉軸后，以剩下兩個軸中的一個作為擺動軸。擺動軸顧名思義，就是像鐘擺一樣，只能在固定的角度內進行擺動，而不能像旋轉軸那樣進行任意旋轉的一個軸。五軸聯動加工具有高效能、高精準度的特點，五面體的加工只需一次的裝夾即可完成。如果運用高檔數控機床技術與之配合，還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。

1.2 軸聯動下水切割技術研究的意義

水射流切割技術在生活中應用廣泛，其運用過程往往結合一些常用的算法，如遺傳算法、神經網絡算法、模糊算法等。目前，國內的軸聯動技術相比國外，還是有非常大的差距。國外已經擁有五軸或六軸聯動水切割技術，在高精度儀器的控制下，誤差最多只有發絲般粗細，可見其精度之高。相比國外而言，國內的多軸聯動水切割機床，由于起步晚、發展慢、工藝技術落后等原因，現今還是以三軸水切割數控機床為主流機床，對五軸聯動水切割數控機床技術的開發及運用所見甚少。水切割技術作為一種高新技術，是切割領域一次新的革命[5]，有著等離子切割等切割方式無法比擬的優勢：

切割材料范圍很廣;可以切割大多數材料，如易熱變形的鈦合金、碳纖維材料等。切口光滑平緩，不會產生毛刺感，以及梯度性加工誤差等。

冷態加工：因為其采用水或磨料混合在一起切割，加工中不發熱也不冒煙，能保持材料的性質不發生化學變化。與傳統切割相比，具有更驚人的切割效果。

節能環保：用水作為工具，不僅成本低，而且還能節約資源。

無需更換刀具：不需要更換切割機裝置，一個噴嘴就可以加工不同類型的材料和形狀，節約成本和時間。

切割迅速，精確度高：水刀切割能力強，所以在移動時可以很迅速。除此以外，水刀的切口細，可以加工很精密的零件，精確度高。

若國內成功研制出五軸聯動水切割數控機床，將有利于國產數控產業鏈系統的形成與發展。而且低成本、低耗能的方式，還能為環保事業做出一份貢獻。五軸聯動水切割技術減少了產品從設計到投產，直至生產出來的時間，提高了生產效率，能夠有效控制廢品率，提高勞動者的勞動創造能力，降低操作者的勞動強度[6]。并且，國際上把五軸聯動技術作為衡量一個國家生產設備自動化技術水平的一個標志性里程碑。

2 軸聯動下水切割技術發展現狀及發展趨勢

2.1 軸聯動水刀切割技術國內外發展現狀

五軸聯動數控技術集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術為一體，可以應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工。多軸聯動水切割的高壓水流具有極強的切割能力，其速度能達到聲速的數倍。而且通過在其中添加砂子等磨料，可以使其切割能力倍增。水刀切割可以對任何材料進行任意曲線的一次性切割加工，而且在切割時不產生熱量和有害物質，材料無熱效應（冷態切割），切割后不需要或易于二次加工。

由于能量梯度的作用，激光、氣體等離子、射流切割手段在切面越深時（距噴嘴越遠），切割能力越差，因此所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被稱為切割斜度，這是所有切割手段的一個固有缺陷。雖然通過提高切割能量或降低切割速度，可以部分減小切割斜度，但依然存在不能完全垂直切割的問題。

1997年，可傾斜切割頭想法誕生了。這應該是目前以來解決切割斜度，提高精準度最直接有效的方法。其原理是，通過在原先三軸平臺的基礎上再增加1個旋轉軸和1個擺動軸，就可以使刀頭可向任何方向擺動。并利用之前設計好的模型，通過對切割軌跡進行實時計算，再根據被切工件的材料與厚度進行修正，在切割過程中不斷地擺動切割頭，使得切割出來的工件達到完美的無斜度狀態。這種技術被稱作動態水刀切割技術。

1936年，水切割技術誕生，美國和前蘇聯工程師將水進行增壓，形成高壓水射流，利用高壓能采煤、采礦;1950年，被稱為水刀之父的Norman Franz博士成為研究超高壓水刀切割工具的第一人，其將重物放到水柱上，利用很小的噴嘴使水流通過，因此獲得了很短暫的高壓水射流。低壓水通過高壓水泵的作用變為高壓水，通過高壓管從切割噴頭射出來。因為需要高壓射出，所以水刀的口徑很小，水刀噴嘴一般是用高級硬質合金、寶石、金剛石等制成。水流噴出的速度是聲速的幾倍，這種高壓水流具有極強的切割能力。動態水刀能以更快的速度切割出更高品質的切割面。動態水刀切割過程的核心是復雜的數學公式，如射流的偏斜、水箭中射入及射出位置的相對關系等變數。切割路徑由數學模式計算得出，切口斜邊可被消除。即使在高速下也可以產生完美的轉角和弧線。1979年，Mohamed Hashish博士在普通水刀中添加礫砂料進行試驗，發現可以大大加強水切割的切割能力，幾乎可以切割任何的材料。到了1983年，產生了世界上第一套運用于商業化的加砂水刀切割系統，現在被用于玻璃的切割。

2.2 軸聯動下水切割技術的發展趨勢

近些年，國內水切割技術在吸收世界先進水切割技術經驗的同時，努力學習和發展新技術，并將其應用于新的領域。五軸數控加工水切割技術由于涉及水刀在加工空間的位置控制，其數控編程、數控系統和機床結構遠比三軸機床復雜得多。所以五軸聯動水切割技術說起來容易，但在現實中要很好地操作運用，卻相當困難。關于多軸聯動水切割的發展方向，有以下幾點：

需要提升國內基礎性功能原件的開發能力，以滿足多方面化發展的需求。

由于某些水切割將磨料與水混合來加工零件，致使其維修成本較高，需要運用創新思維來降低加工的成本，提升加工的質量與效率。

擴大加工的工藝范圍，更為廣泛地運用多軸聯動水切割技術。

隨著國家投入和民營資本的執著發展，多軸聯動技術可能會創造出多頭同時切割等創新技術。

參考文獻

[1] 陳光明.數控超高壓水射流切割技術的特點及其應用[J].機床與液壓，2007，35（8）：64-68.

[2] 楊林，唐川林，張鳳華.高壓水射流技術的發展及應用[J].洗凈技術，2004，2（1）：9-14.

[3] 陳波.超高壓水切割機的現狀與發展[J].航空制造技術，2009，06：66-68.

[4] 梁全，王永章.五軸數控系統RTCP和RPCP技術應用[J].組合機床與自動化加工技術，2008，02：62-65.

[5] 楊清文，廖振方，劉本立.磨料水射流切割技術及其應用前景展望[J].機械制造，1997（1）：41-43.

[6] 羅玲慧.數控線切割CAD/CAM集成系統的開發與研究[D].南寧：廣西大學，2003.