基于軸聯(lián)動背景的水切割技術(shù)研究

楊瑜挺

摘 要：水切割技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的歷史并不長，但其發(fā)展卻非常迅速。在短短的幾十年中，水切割已經(jīng)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(yōu)點，但在技術(shù)方面仍存在很多問題?；诖耍恼峦ㄟ^研究國內(nèi)使用水切割技術(shù)的領(lǐng)域，探討水切割技術(shù)的研究背景，進而就水切割的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢進行分析。

關(guān)鍵詞：水切割;軸聯(lián)動加工;切割特性;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TU63 文獻標識碼：A

1 軸聯(lián)動下水切割技術(shù)研究背景及意義

1.1 軸聯(lián)動下水切割技術(shù)背景

當今，高水壓切割技術(shù)在不斷地更新和完善，并開始廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。雖然我國的水切割技術(shù)設(shè)備在改革開放后取得了長遠進步，但與德國、美國等發(fā)達工業(yè)國家相比，仍然存在較為明顯的差距，主要體現(xiàn)在以下方面。

在軸聯(lián)動下水切割技術(shù)領(lǐng)域，自主研發(fā)能力薄弱，自主生產(chǎn)力水平較低;國內(nèi)軸聯(lián)動水切割市場占額小，推廣力度不夠大;五軸聯(lián)動下的水切割設(shè)備數(shù)控化程度整體較低;軸聯(lián)動下水切割技術(shù)行業(yè)技術(shù)的規(guī)范性程度缺失，整體缺乏梯度性服務(wù)。高壓數(shù)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(chǎn)生動能對工件進行加工。高壓水切割根據(jù)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(jié)能、衛(wèi)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(zhì)，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(yīng)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(yōu)點：水切割是當今世界唯一一種冷態(tài)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(yōu)勢所在。水切割在加工過程中，并沒有使材料的化學性質(zhì)發(fā)生改變，因此，絲毫不會影響到材料的物理性質(zhì)，相當?shù)胤€(wěn)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(fā)熱、不冒煙，不產(chǎn)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(tǒng)，由于在水噴射出去時具有梯度的消耗性以及水的發(fā)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(chǎn)生一個傾斜程度?？梢酝ㄟ^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(lián)動的水切割技術(shù)應(yīng)運而生，除了X、Y、Z軸，還有一個旋轉(zhuǎn)軸和一個擺動軸。通過刀具中心點控制的應(yīng)用來實現(xiàn)水刀向任意方向的移動，這運用了RTCP技術(shù)（即“Rotational Tool Center Point”），即“旋轉(zhuǎn)刀具中心”[4]。

從而使水切割產(chǎn)品能夠無斜度切面或形成指定角度的切面。旋轉(zhuǎn)軸可以指定為任意A軸、B軸或者C軸。其次，旋轉(zhuǎn)軸顧名思義，是可以進行任意旋轉(zhuǎn)的一個軸。擺動軸即是定義完一個旋轉(zhuǎn)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(nèi)進行擺動，而不能像旋轉(zhuǎn)軸那樣進行任意旋轉(zhuǎn)的一個軸。五軸聯(lián)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(shù)控機床技術(shù)與之配合，還可以對復(fù)雜的空間曲面進行高精度加工。

1.2 軸聯(lián)動下水切割技術(shù)研究的意義

水射流切割技術(shù)在生活中應(yīng)用廣泛，其運用過程往往結(jié)合一些常用的算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法等。目前，國內(nèi)的軸聯(lián)動技術(shù)相比國外，還是有非常大的差距。國外已經(jīng)擁有五軸或六軸聯(lián)動水切割技術(shù)，在高精度儀器的控制下，誤差最多只有發(fā)絲般粗細，可見其精度之高。相比國外而言，國內(nèi)的多軸聯(lián)動水切割機床，由于起步晚、發(fā)展慢、工藝技術(shù)落后等原因，現(xiàn)今還是以三軸水切割數(shù)控機床為主流機床，對五軸聯(lián)動水切割數(shù)控機床技術(shù)的開發(fā)及運用所見甚少。水切割技術(shù)作為一種高新技術(shù)，是切割領(lǐng)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(yōu)勢：

切割材料范圍很廣;可以切割大多數(shù)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(chǎn)生毛刺感，以及梯度性加工誤差等。

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

節(jié)能環(huán)保：用水作為工具，不僅成本低，而且還能節(jié)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(jié)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(nèi)成功研制出五軸聯(lián)動水切割數(shù)控機床，將有利于國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)的形成與發(fā)展。而且低成本、低耗能的方式，還能為環(huán)保事業(yè)做出一份貢獻。五軸聯(lián)動水切割技術(shù)減少了產(chǎn)品從設(shè)計到投產(chǎn)，直至生產(chǎn)出來的時間，提高了生產(chǎn)效率，能夠有效控制廢品率，提高勞動者的勞動創(chuàng)造能力，降低操作者的勞動強度[6]。并且，國際上把五軸聯(lián)動技術(shù)作為衡量一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化技術(shù)水平的一個標志性里程碑。

2 軸聯(lián)動下水切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 軸聯(lián)動水刀切割技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)集計算機控制、高性能伺服驅(qū)動和精密加工技術(shù)為一體，可以應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工。多軸聯(lián)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(shù)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(chǎn)生熱量和有害物質(zhì)，材料無熱效應(yīng)（冷態(tài)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(yīng)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(chǔ)上再增加1個旋轉(zhuǎn)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(shè)計好的模型，通過對切割軌跡進行實時計算，再根據(jù)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(tài)。這種技術(shù)被稱作動態(tài)水刀切割技術(shù)。

1936年，水切割技術(shù)誕生，美國和前蘇聯(lián)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?yōu)楦邏核?，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(zhì)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(tài)水刀能以更快的速度切割出更高品質(zhì)的切割面。動態(tài)水刀切割過程的核心是復(fù)雜的數(shù)學公式，如射流的偏斜、水箭中射入及射出位置的相對關(guān)系等變數(shù)。切割路徑由數(shù)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(chǎn)生完美的轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生了世界上第一套運用于商業(yè)化的加砂水刀切割系統(tǒng)，現(xiàn)在被用于玻璃的切割。

2.2 軸聯(lián)動下水切割技術(shù)的發(fā)展趨勢

近些年，國內(nèi)水切割技術(shù)在吸收世界先進水切割技術(shù)經(jīng)驗的同時，努力學習和發(fā)展新技術(shù)，并將其應(yīng)用于新的領(lǐng)域。五軸數(shù)控加工水切割技術(shù)由于涉及水刀在加工空間的位置控制，其數(shù)控編程、數(shù)控系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)遠比三軸機床復(fù)雜得多。所以五軸聯(lián)動水切割技術(shù)說起來容易，但在現(xiàn)實中要很好地操作運用，卻相當困難。關(guān)于多軸聯(lián)動水切割的發(fā)展方向，有以下幾點：

需要提升國內(nèi)基礎(chǔ)性功能原件的開發(fā)能力，以滿足多方面化發(fā)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(chuàng)新思維來降低加工的成本，提升加工的質(zhì)量與效率。

擴大加工的工藝范圍，更為廣泛地運用多軸聯(lián)動水切割技術(shù)。

隨著國家投入和民營資本的執(zhí)著發(fā)展，多軸聯(lián)動技術(shù)可能會創(chuàng)造出多頭同時切割等創(chuàng)新技術(shù)。

參考文獻

[1] 陳光明.數(shù)控超高壓水射流切割技術(shù)的特點及其應(yīng)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(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].洗凈技術(shù)，2004，2（1）：9-14.

[3] 陳波.超高壓水切割機的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2009，06：66-68.

[4] 梁全，王永章.五軸數(shù)控系統(tǒng)RTCP和RPCP技術(shù)應(yīng)用[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2008，02：62-65.

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

[6] 羅玲慧.數(shù)控線切割CAD/CAM集成系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].南寧：廣西大學，2003.