超高壓水射流切割技術(shù)在城軌車輛制造中的應(yīng)用

劉九高

摘要:文章介紹了超高壓水射流技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用,闡述了在城軌車輛鋁部件制造中超高壓水射流切割設(shè)備的選型,分析了水切割設(shè)備的使用成本,經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明,超高壓水射流切割技術(shù)應(yīng)用于城軌車輛鋁合金部件生產(chǎn)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞:超高壓水射流切割;城軌車輛制造;成本分析;推廣應(yīng)用。

中圖分類號:TG48文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)10-0074-02

1引 言

在國內(nèi)城軌車輛需求日益增長的背景下,對國內(nèi)從事城軌車輛制造的企業(yè)提出了更高的質(zhì)量、進(jìn)度要求和降低加工成本的要求,由于超高壓水射流切割技術(shù)具有很強(qiáng)加工工藝實(shí)用性,并且能夠降低加工成本和縮短生產(chǎn)周期,超高壓水射流切割技術(shù)在城軌車輛鋁合金部件生產(chǎn)中的應(yīng)用應(yīng)該大力推廣。

2超高壓水射流技術(shù)和應(yīng)用簡介

超高壓水射流切割技術(shù)(下稱水切割),是一項(xiàng)近年來才興起的一種冷態(tài)切割新工藝。利用超高壓技術(shù)可以把普通的自來水加壓到250～400 MPa壓力,然后再通過孔徑約0.15～0.35 mm的寶石噴嘴噴射形成速度約為800～1000 m/s的高速射流,并在水箭中加入適量的磨料可用來切割所有的軟硬材料。由于切割實(shí)用性強(qiáng),水射流切割技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用越來越普遍。

在機(jī)械制造中,可用來切割金屬和非金屬板材;在建筑業(yè)中,可用來切割大理石、花崗巖、陶瓷、玻璃、水泥構(gòu)件等;在汽車制造業(yè)中,利用水射流切割可加工各種非金屬材料,如車用玻璃、汽車內(nèi)裝飾板、儀表板、地毯、石棉剎車襯墊以及其它組件的成形切割;在航空制造業(yè)中,利用水射流切割可切割特種材料,如鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、增強(qiáng)塑料等。

水射流和磨料射流切割技術(shù)還可在其它工業(yè)加工中應(yīng)用,如在造紙業(yè)中用來加工成品瓦楞紙、紙卷等。在木材業(yè)中用來加工木板、膠合板等,在鑄造業(yè)中可用來去除鑄件表面的型砂,并可切割鑄件的澆冒口等。

另外,超高壓水射流技術(shù)也應(yīng)用于食品加工和清洗作業(yè)中。

水切割技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)城軌車輛制造中是本世紀(jì)初開始的,特別是針對鋁合金材料的地鐵車輛配件加工,這些年來得到了較快的應(yīng)用。

水切割是目前適用性最強(qiáng)的切割工藝方法。水切割技術(shù)與其它切割技術(shù)相比具有很多的優(yōu)勢。

①可切割任意輪廓,具有很強(qiáng)的適用性?？梢詫θ魏尾牧线M(jìn)行任意曲線的一次性切割加工;切割后一般不需要二次加工,特別是對于非直線輪廓的產(chǎn)品可以節(jié)省數(shù)控加工的費(fèi)用;尤其在材料厚、硬度高等情況下,沖剪工藝將很難或無法實(shí)現(xiàn),而用水切割方法則較為理想,而且不需要模具,制造周期大為縮短,對于產(chǎn)品試制非常實(shí)用。

②切割精度高。使用超高壓水切割可提供良好的切邊品質(zhì),所加工物料無裂縫、無毛邊、無浮渣,且切口小,切口平整,不產(chǎn)生熱效應(yīng)、加工硬化和應(yīng)力,切邊可以達(dá)到很高的精度。水切割不會產(chǎn)生熱變形,切割儲量的工件不會產(chǎn)生熱變形,這點(diǎn)對要求較高的屏柜生產(chǎn)很有用途。另外對有些材料激光切割不理想,如鋁、銅等有色金屬,由于有色金屬的熱反射影響,切割表面不理想,甚至切割困難,而水切割設(shè)備完全可以勝任。

③水切割投資相對較小,運(yùn)行成本低,效率高,操作維修方便。在使用的成本方面,水切割比激光及火焰切割也有較大的優(yōu)勢,激光切割和火焰切割屬于熱切割,輔助氣體在激光切割或激光穿孔都起著至關(guān)重要的作用,所以切割中需要使用大量氣體,激光發(fā)生器耗材也比較昂貴,水切割使用水和石榴砂混合切割,使用成本相對較低。

④水切割能很好地解決一些熔點(diǎn)高、合金、復(fù)合材料等特殊材料的切割加工。

⑤工作環(huán)境好、操作安全可靠。水刀切割是安全的,水刀噴嘴離被切割材料的距離大約2～3 mm,提高了操作人員的安全性;改善工作環(huán)境,操作環(huán)境整潔,切割時(shí)不會產(chǎn)生火花和有毒氣體。

⑥便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,操作簡便。高壓水射流的工作機(jī)構(gòu)具有噴頭體積很小、移動(dòng)方便,可以與機(jī)器人結(jié)合,便于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能、自動(dòng)化和數(shù)控化,操作方便,所有操作均可使用軟件控制,易懂易學(xué),減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3超高壓水射流切割設(shè)備的選型

近年來,我國各大中城市對城軌車輛的需求日益增加,城軌車輛制造業(yè)方興未艾。由于鋁合金材料具有重量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、耐蝕性好、易加工、可加工強(qiáng)化等特點(diǎn),廣泛用于城軌車輛制造中。而鋁合金材料是高反射率材料,也是好的傳熱導(dǎo)體,激光切割很困難,能耗大,采購其它熱切割方法又容易使鋁合金配件產(chǎn)生熱變形,并且對異形件切割后大多需要進(jìn)行機(jī)械加工,增加了加工成本和延長制造周期。因此,水切割用于城軌車鋁合金配件的切割加工是比較理想的選擇。

公司2003年啟動(dòng)城軌車輛項(xiàng)目時(shí)就引進(jìn)了高壓水射流切割技術(shù),通過幾年時(shí)間的城軌車輛鋁合金配件的加工應(yīng)用,目前已經(jīng)穩(wěn)定地用于城軌車輛鋁合金配件的批量生產(chǎn)中,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

選擇水刀首先是了解供貨商提供的水刀的壓力檔次,特別是持續(xù)工作壓力,因?yàn)檫@是考評該水刀制造水平的硬指標(biāo);其次評估供貨商的售后服務(wù)能力及零配件供應(yīng)渠道是否暢通;最后是考評所提供的臺面功能是否適合實(shí)際生產(chǎn)需要,以及控制操作是否方便且具有獨(dú)到之處。

若客戶加工的工件多為重復(fù)產(chǎn)品(同規(guī)格、同尺寸),建議采用雙刀作業(yè);如客戶加工的工件為訂單式(每個(gè)工件的規(guī)格、尺寸都不同),建議投資單刀系統(tǒng)。當(dāng)然,雙刀系統(tǒng)同樣可以在需要時(shí)只進(jìn)行單刀作業(yè)。

至于采用多大馬力的主機(jī),應(yīng)該視乎客戶所切割的材質(zhì)及厚度而定,一般來說馬力越大,越適合硬度高和厚的材料加工。相對同等材料,當(dāng)然大馬力的主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更快的切割速度,從而使加工效率提升,單位工件的加工成本降低。所有這些,都應(yīng)該綜合考慮投資和加工量來衡量,務(wù)求選擇最合適的投資方案。

通過綜合考慮,我公司選用FLOW公司的原裝50ch單頭水刀,幾年來的生產(chǎn)中注意保養(yǎng)和維護(hù),到目前為止性能穩(wěn)定。

4超高壓水射流切割設(shè)備的工作成本分析

為了測算水刀加工的成本,我們在后續(xù)的生產(chǎn)中進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

以下的成本分析,采用了FLOW公司的FlowMaster智能型操作控制系統(tǒng), 分析了使用FLOW公司提供的超高壓水切割機(jī),切割鋁合金的切割時(shí)間和切割成本狀況。

①對比加工工件如下圖所示:

②選擇該圖形進(jìn)行不同型號設(shè)備、不同材質(zhì)、不同厚度的切割測試,比較同廠牌不同主機(jī)型號、不同廠牌型號設(shè)備的切割成本、切割速度等參數(shù)。該圖形實(shí)際尺寸約為長寬130 mm×40 mm,總路徑長度為817.773 mm,實(shí)際切割路徑為482.263 mm(虛線為空行程路徑)。

③切割對象:10 mm、25 mm、35 mm、45 mm鋁合金,切割速度選擇切斷速度的40%為實(shí)際切割速度,確保切邊品質(zhì)平滑、無須再機(jī)加工的要求。

④用FlowMaster軟件設(shè)定超高壓主機(jī)參數(shù),包括噴嘴、刀管直徑、壓力、加砂量等。

⑤采用以上參數(shù)切割(圖1)的工件,FlowMaster做出如下成本分析(注意:速度采用40%的切割速度)。

第一,成本和加工時(shí)間(顯示屏右邊參數(shù))放大圖見圖2。

第二,以上4種厚度的5052鋁合金采用FlowMaseter軟件的模擬50馬力主機(jī)執(zhí)行切割結(jié)果如表1:

第三,產(chǎn)品水切割成型與傳統(tǒng)機(jī)加工費(fèi)用的比較(單位:元)。

5結(jié) 論

可見,水刀用于城軌車輛鋁合金板材零件加工,無熱變形,可以保證產(chǎn)品尺寸精度;切割一次成型,縮短了加工周期,提高了生產(chǎn)效率;由于加工工藝過程縮短,在一定的加工條件下,可以降低加工成本。然而,由于水刀水箭滯后及切口斜邊現(xiàn)象所造成的公差誤差,對于超過一定厚度或者精度要求很高的零件,使用水刀加工并不能達(dá)到最佳的效果。但目前城軌車輛鋁部件一般使用厚度小于40 mm的鋁板,而且多為結(jié)構(gòu)件,完全可以滿足精度要求。因此目前在城軌車輛鋁部件加工中推廣使用水刀技術(shù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 陳光明.超高壓水射流切割技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2008,(10).

[2] 董慶華.超高壓水射流切割技術(shù)及其應(yīng)用[J].焊接設(shè)備與材料焊,2001,12(6).