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高压水射流切割工艺
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:2/17/2006 阅读:18008

 

 

 

高压水射流切割工艺

 

 

1 高压水射流切割的工艺特点

1)一般工艺特点

① 由于高压水射流切割属于冷切割,在切割过程中产生的热量很少,并且热量很快被水流带走,所以不会造成工件切口附近的材料氧化、金相组织发生变化,也不会使工件发生变形,同时也避免了某些材料有害物质的挥发。

② 高压水射流切割属于点切割,切割时作用在工件上的力很小,不会使工件产生附加应力或应力变形,这对于切割某些表面完整性要求高的零部件及其补充加工有着特殊的意义。

③ 高压水射流切割没有粉尘危害,因为切割碎屑很快会随水流进入收集器而被排走,这对于石棉制品、玻璃钢制品、酚醛夹层材料以及陶瓷制品等材料的切割是非常有利的。

④ 由于高压水射流切割所使用的喷嘴孔径很小,使得切口的间隙很窄,这可以大大节约材料,特别是对于某些贵重金属的切割,提高了材料的利用率,降低了生产成本。

⑤ 高压水射流切割设备大都采用计算机或机器人控制的数控切割装置,可以实现多轴联动,所以采用高压水射流不但可以切割各种板状材料,也可以切割三维曲形的零部件。

2)切割工艺操作要点

1) 切割前的准备

高压水射流切割基本上都采用数控或机器人切割装置。在切割曲率半径小的曲线段及小曲率圆弧时,若以过高的速度进行高速加工,因局限于数控切割装置处理能力上的原因,有时不能得到正确的零件形状。因此切割前要事先弄清情况及要求,比如有时用新型数控切割装置替换旧的,或者在选定切割参数时,通过降低高压水射流压力以便以较低的切割速度进行切割。

另外,对机器人进行“示教”时,要关闭高压水泵,使割枪在不喷水状态下空运转,并确认所设定的轨迹是否符合所要求的工件切割形状。

2) 起割方法

高压水射流切割与氧气切割及等离子弧切割一样,起割方式分为从板端或者板内预开孔部起割及直接从板内打孔后起割两种。这两种起割方式的操作要领不同。

① 从板端或板内预开孔部起割方式  一般对于厚板的切割都采用这种方式。起割时,喷嘴置于离起割点510mm处,待高压水射流喷出后,再让割枪以给定的速度移向起割点开始正式切割。但当板材较厚时,为使起割点处的工件能顺利割穿,割枪的移动速度宜略放慢些。

② 板内打孔后起割方式  薄板零件的成形切割经常采用这种方式。在板内打孔时,高压水射流会向上反冲使喷嘴端部磨损及水雾飞溅。若板较薄,孔很快会被打穿,就可避免上述问题;而板较厚时,上述反冲就变得严重,加之打孔所需时间也相当长,故不宜采用该种切割方式。当厚板必须从板内开始切割的场合,应预先开孔(如钻孔等),然后再按①所述的方式起割。

3) 割枪运行方法

在高压水射流切割的起点及终点部位,切口宽度一般都略大,这就影响到零件的切割质量。为避免这种情况,通常不从切割线上来打孔起割,也不从切割线上来结束切割,而宜采用图1所示的割枪运行方法,即从离切割线起点一定距离的①点起割,并移至④点结束切割。

在零件的转角处,切割速度通常要适当放慢,这就不可避免地会使切割面的倾斜角也发生变化。为避免产生这种情况,宜采用图3(a)所示的越线切割(即割枪沿切割线延长线多行进一段再拐角)办法。采用这种方法,转角处就不会残留未切去的部分或出现圆角,进而获得满意的切割质量。但如图2(a)中所示,因留有三角形小块,不利于后续的切割操作,除非对切割零件的外形和质量有特殊的要求。一般情况下,还是采用图3(b)所示的方法为宜。

 

在切割圆形件的情况下,一般可采用前述图1所示的切割方法。但这种方法由于起割和结束切割的运行路线有重复,故会使切割面的质量有所下降。所以对于要求获得高质量零件的场合,最好采用图3所示的割枪运行路线缓慢改变的方法,这样获得的切割面光顺自然。

4) 终点切割操作

在切割厚板及进行高速切割时,切割面上会产生后拖量,即割枪运行到终点时往往下半部尚未完全割穿。因此,当切割至接近切割线终点时,宜将切割速度适当降低,使之能完全割穿。

5) 操作注意事项

① 高压水射流反冲和水雾的防止及有关措施  为防止切割开始时因割枪设置不当或打孔时出现高压水射流反冲及水射流飞散而伤到操作人员,切割部位四周应适当遮蔽,使高压水射流与操作人员隔开。

另外,为防止切割过程中高压水射流发生反冲,切割工作台的结构要适当设计,同时也可在割头处加装喷嘴装置。

对高压水射流形成的水雾,如厂房未设置总的通风排气装置,则至少应在切割区配备局部性通气排风装置。

② 更换喷嘴及搬送被切割材料上、下工作台时注意事项  高压水射流对操作会造成很大的伤害,因此,更换喷嘴时必须把高压水的残存压力释放后才可进行。

另外,采用人工搬送被切割材料到切割工作台或割后搬卸零件时,为避免高压水突然喷出击伤工人,也必须将高压水的残存压力事先释放。

③ 操作完毕后的检查要点  在一次切割操作完毕,并且高压水射流切割机停机后,操作人员应对以下事项进行检查和确认,以使下一次切割工作能顺利进行。

a.  高压水管路中是否存有残余压力。

b.  喷嘴前端是有水漏出(包括高压水启动阀的工作是否正常)。

c.  采用加磨料型高压水射流切割时,要事先把磨料管从割枪体上卸下,并检查输送管中是否残留有磨料。

d.  检查磨料喷嘴孔的圆度,确认喷嘴的磨损程度。

2. 高压水射流切割的工艺参数及影响因素

1)高压水压力

采用纯水型高压水射流切割法对玻璃纤维增强塑料(GFPP)进行切割时,在切割速度(100mm/min)及喷嘴高度(2mm)一定的情况下,切割深度与高压水射流喷出时的压力的关系如图4所示。切割深度与高压水压力呈直线关系,通常可整理成以偏离原点为起点的直线。试验证明,采用加磨料型切割时切割深度与高压水压力也呈直线关系。

高压水射流切割时,由于受到工件材质及割枪参数的影响,高压水喷出的压力存在一个临界值,当水压力低于该临界值时,就不能实现对工件的切割。比如在采用纯水型切割法切割各种岩石时,其切割临界水压力与被切割材料的抗拉强度的关系如图5所示。随着被切割材料抗拉强度的增大,切割临界水压力逐渐升高。

试验证明,采用纯水型切割法来切割塑料或者采用加磨料型切割法来切割金属材料时,临界水压力与被切割材料抗拉强度也有类似的关系。上述特性是从板材端部起割时得到的结果,在实际操作时往往需从板材料中间打孔起割。

6所示为采用加磨料型水射流打孔所需的时间与高压水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力的关系。打孔所需时间与高压水压力并非呈直线关系。由于板材比较厚,打孔需要相当长的时间,但随着高压水压力的增大,打孔所需的时间就相对缩短。

2)切割速度

切割速度不但影响切割能力,也影

响到切割质量。图7所示为采用加磨料型水射流切割法来切割低碳钢、不锈钢及铝合金时的切割深度与切割速度的关系;图8所示为在不同不压情况下采用加磨料型水射流来切割不锈钢时的切割深度与切割速度的关系。

 

从上述两图可以看出,切割速度与切割深度大致上呈反比关系,即切割速度增大时,切割深度就减小。另外,切割厚度相同的低碳钢和不锈钢时,其切割速度基本上是相同的;而切割相同厚度的铝合金和钢材时,前者的切割速度为后者的2倍。

当板厚一定时,切割速度存在一个极限值,当切割速度大于该极限值时,就不能实现切割。图9所示为采用纯水型高压水射流切割法来切割玻璃纤维增强塑料时的极限切割速度与板厚之间的关系。该图括号内所标数字为切割面积速度,其定义为:切割深度×最大切割速度或切割板厚×极限切割速度。可以看出,切割面积速度的最大值不产生在高速切割薄板时,也不产生在切割厚板时,而是产生在切割介于两者之间的板材时。切割面积速度最大,亦即切割能力最大,故往往把接近切割面积速度最大值的工艺参数作为最佳切割参数。

采用加磨料型水射流切割铝合金时的切割速度与切口形状的关系如图10所示。当切割速度较慢时,形成上窄下宽的切口;而当切割速度过快时,则形成上宽下窄的切口,并且切割面的倾斜角较大,同时出现热切割中常见的后拖线,粗糙度也变差;当切割速度适中时,可获得上口与下口同样宽度的切口(即垂直切割面)。试验表明,最合适的切割速度,即可获得最佳切割面的切割速度约为极限切割速度的2/3。因此,在实际应用中,根据切割效率与切割质量的不同侧重点,可选用不同的切割速度。

3)喷嘴孔径

喷嘴孔径的尺寸大小直接影响到喷出的水流量,进而影响到切割能力。喷嘴孔径增大,从喷嘴中喷出的高压水流量也增大,切割能力相应提高。采用纯水型高压水射流切割时,喷嘴孔径与切割深度的关系大致为正比关系;采用加磨料型水射流切割时,喷嘴孔径与切割深度的关系如图11所示。随着喷嘴孔径的增大,切割深度也增大,即切割能力提高。虽然试验数据的边线略呈曲线形状,但大致上接近直线关系,如图中点划线所示。

4)喷嘴高度及割枪倾斜度

喷嘴高度对切割能力和质量有很大的影响。图12所示为加磨料型水射流切割时的喷嘴高度与切割深度的关系。喷嘴高度从约2mm开始逐渐增大时,切割深度逐渐下降。采用纯水型水射流切割时,喷嘴高度与切割深度也有类似的关系。此外,喷嘴高度过大时,切口上缘会出现塌肩现象;但喷嘴高度小于2mm时,切割深度反而减小,故实际切割时喷嘴高度一般取2mm

采用高压水射流切割时,割枪大都与工件表面垂直。在对工件进行剥离、冲洗及切削加工等场合则宜使割枪倾斜一定角度,以便提高切割能力。割枪向后倾斜约10°角时的切割深度为最大。

5)重复切割时的切割深度

在对切割质量(如分割厚混凝土层及岩石)要求不太严格的情况下,高压水射流可以沿着同一割线反复地进行切割直至把材料割断。通常使用割枪旋转的回转式切割机,喷嘴孔相对割枪的轴线有一定的倾斜角。

13所示为采用纯水型高压水射流来切割混凝土时,在喷嘴与工件表面间距离保持一定的情况下,沿同一切割线反复加工次数与切割深度的关系。随着切割次数的增加,实际的喷嘴高度不断增大,总的切割深度不断增大,而每次切割的切割深度逐渐减小,并且总的切割深度的增加量也相应地逐渐减小。

6)磨料的种类、粒度及供给量

加磨料型高压水射流切割中磨料对切割能力有重要的影响。当磨料硬度高于某一临界值时,切割深度出现一个突变性的提高;而一些砂粒状磨料,如橄榄石、石英砂、硅酸铝及金刚砂等,其硬度均高于常用的大多数磨料,但切割深度并未随硬度的升高而增大。

切割能力的大小取决于磨料的颗粒结构和韧性。尖角状的磨粒比圆角状的磨粒具有良好的切削刃;韧性好的磨粒在被粉碎之前比脆性磨粒能保持较长的切削刃,故切割能力较强。比如铜炉渣,其颗粒硬度虽然低于金刚砂,但具有尖锐的棱角,其切割速度反而比金刚砂快30%。所以在磨粒硬度高于被切割材料硬度的前提下,宜选用尖角状、韧性好的、硬度较低的磨料,而不选用硬而脆的磨料。

上述特性对于磨料对喷嘴的磨损作用也同样适用,硬度很高的磨料会使喷嘴很快磨损,而硬度较低、韧性较好的磨粒能延长喷嘴的使用寿命。几种磨料的硬度值见表3。另外,选用磨料时还应考虑其价格,比如金刚砂比石英砂及铜炉渣要贵得多。

3  几种磨料的硬度值

     

硬度值(莫氏硬度/维氏值)

  石英砂(SiO2

7/1000

  橄榄石(Mg2SiO4,Fe2SiO4

6.5/800

  镍炉渣(Fe2O3,SiO2等)

7/1000

  铜炉渣(Fe2O3,SiO2等)

77.5/10001200

  阿鲁杜合金砂(Fe2O3,SiO2Al2O3

77.5/10001200

  硅酸锆(ZrSiO4

7.5/1200

金刚砂(Al2O3

9/2100

 

目前常用的磨料有石榴石、碎燧石、石英砂、铸铁砂、铜炉渣、天然砂及金刚砂等。使用金刚砂作磨料进行切割时,磨粒易嵌入切割表面,会对随后的焊接接头性能造成不良影响。另外,在采用挟带磨料式高压水射流切割时,通常采用干燥态的石榴石、碎燧石、石英砂或铸铁砂等作为磨料;采用浆液态时的磨料大都选用氧化铝粉末,适合切割薄板及延展性好、易产生毛剌的材料。

采用加磨料型高压水射流来切割时,磨料的粒度对切割速度有重要影响。图14所示为用石榴石和氧化铝作磨料时磨料的粒度与切割深度的关系。当石榴石的粒度小于200μm时,切割深度随着粒度的增大反而减小。

这是由于:

① 由于切割过程中磨料的供给量是固定的,粒度增大,会使与材料相冲击的磨料数量减少;

② 磨料的粒度大,磨粒的质量也大,故不能被高压水射流充分加速。

所以,从切割能力的角度而言,每一种磨料存在一个恰当的粒度大小而使得切割能力最大。比如采用石榴石作磨料时,磨粒的平均粒度为200μm最合适。但切割根据割枪中混合室的形状不同,适宜的磨料粒度大小也略有不同。另外,当要求获得较光滑的切割面时,通常采用粒度较小的磨料,不过切割能力会有所降低,常用的磨粒度为50500μm

15所示为磨料的供给量与切割深度的关系。磨料的供给量增加,切割能力也相应提高,且大致呈正比关系。磨料的供给量不一定越大越好。磨料的供给量过大,切割能力并不再提高,对于某些磨料来说,供给量增大反而会使切割能力下降(如图24中虚线所示)。故存在一个临界磨料的供给量,使得切割能量最强,这与割枪混合室的设计也有一定的关系。

7)被切割材料的材质

纯水型高压水射流切割仅适合于切割材质较软的材料,并且起始切割临界压力与被切割材料的抗拉强度有关。另外,水射流的切割能力还与材料的硬度有关,在其他条件不变的情况下,随着被切割材料硬度的增大,高压水射流的切割能力逐渐下降。比如采用纯水型高压水射流来切割材质较软的氨基甲酸乙酯及硬质橡胶等材料时,切割面积速度较大;而切割硬度相对较大的开普勒塑料、纤维增强塑料及ABS塑料时,切割能力就大大降低。

此外,采用加磨料型高压水射流切割时,切割面积速度的大小还同被切割材料的断裂能有关。对于脆性材料来说,仅与陶瓷类材料的断裂能有一定的关系;而对于延展性材料来说,几乎与它们的断裂能都有关系。

3. 高压水射流切割的工艺参数示例

高压水射流切割的参数很多,这些参数对切割的影响程度不同。就加磨料型切割而言,决定其切割速度的主要工艺参数如图16所示,其中影响最大的主要是喷嘴孔径、由切割水压力所决定的功率及磨料供给量。因此,高压水压力、喷嘴孔径、磨料以及工件的材质和厚度不同,所能达到的最大切割厚度也不同,获得的切口质量也不同。另外,适当增加磨料的供给量,虽然切割速度有所提高,但磨料的价格较高,使得加工成本提高,故在选用切割参数时还应当考虑到切割的经济性因素。

1)纯水型切割工艺参数示例

采用纯水型高压水射流来切割某些非金属材料的代表性工艺参数见表4

4  纯水型高压水射流切割非金属材料的代表性工艺参数

 

材料厚度/mm

水压力/MPa

喷嘴孔径/mm

切割速度/mm.min-1

 

瓦楞纸(1层)

8

240

0.18

190

  也可用激光来切割,但对于较大厚度的材料,切割面易发生炭化

瓦楞纸(2层)

15

240

0.25

150

叠层纸

6.3

309

0.25

16

12

309

0.25

3.5

压制纸板

1.6

274

0.18

45

玻璃纸

0.3

343

0.10

120

纸质尿布

5.0

343

0.12

300

石膏板

15

294

0.15

20

  也可用激光来切割

20

294

0.20

25

石棉

10

294

0.20

8

玻璃棉

30

343

0.17

150

80

343

0.15

40

橡胶

3

377

0.12

60

  也可用激光来切割,但厚度限于10mm以下,且切割面易发生炭化

  激光切割存在排臭音量问题

15

377

0.17

12

硅橡胶

12

377

0.12

3

帘布橡胶

0.3

377

0.12

150

硬质橡胶

19

309

0.25

6

30

377

0.20

1.5

布料(50层)

20

309

0.18

3

  也可用激光来切割,但易发生炭化

布料

30

343

0.25

2.5

纤维织物

20

377

0.20

6.0

毛毡

30

294

0.15

150

50

240

0.13

95

地毯

3

343

0.20

40

  切割面上不发生松散现象

皮革

1

343

0.15

30

6.3

172

0.18

30

纤维增强塑料

2.5

377

0.15

3

  也可用激光来切割,但略有炭化

10

377

0.15

1

聚氯乙烯

1

377

0.10

2

  采用激光来切割时发生有毒气体

ABS塑料

3

343

0.20

1.2

氨基甲酸乙酯

25

309

0.10

20

10

294

0.10

30

片料吹膜化合

物(SMC

3

377

0.15

0.8

G-10塑料

2

377

0.15

2.0

丙烯

1

392

0.20

1.5

生陶瓷

5

377

0.10

60

  切割面上不发生松散现象

未烧制瓷砖

13

343

0.20

20

高压压制板

3

377

0.12

15

炭精板

0.5

377

0.12

30

 

2)加磨料型切割工艺参数示例

各种金属与非金属材料的加磨料型高压水射流切割的工艺参数示例分别见表5、表6

5  金属材料的加磨料型高压水射流切割的工艺参数

 

材料厚度/mm

水压力/MPa

喷嘴孔径/mm

切割速度/mm.min-1

C-Mn

12

75

3

50

25

75

25

30

75

20

50

69

15

不锈钢

3

75

3

200

8

70

60

10

69

35

50

70

15

25

245

0.33/1.2

30

50

10

50

196

0.4/1.5

15

13

309

0.25/0.76

150

25

170

3

90

3

500

3

69

350

85

196

0.4/1.3

20

3

206

0.3/1.2

750

80

0.46/1.6

20

150

0.46/1.6

10

1.6

309

0.25/0.76

1270

12

500

100

500

铝合金

6

69

3

250

10

69

125

12

74

130

25

90

70

+钨铬钴合金(2mm

17

69

3

50

+钨铬钴合金(6mm

31

69

3

60

+钨铬钴合金(8mm

18

69

3

15

低碳钢

3

75

3

210

10

69

32

25

245

0.46/1.6

20

50

10

12

309

0.25/0.76

100

50

70

175

10

Mn30%-Al18%钢

10

75

3

40

3

75

3

150

12

69

3

36

25

25

4

206

0.33/1.2

600

10

0.46/1.6

140

25

0.46/1.6

40

球磨铸铁

15

309

0.25/0.76

150

因科镍合金

2

245

0.46/1.6

900

15

80

     喷嘴孔径的值为纯水型喷嘴直径/加磨料型喷嘴直径。

 

6  非金属材料的加磨料型高压水射流切割的工艺参数

 

材料厚度/mm

水压力/MPa

喷嘴孔径/mm

切割速度/mm.min-1

石棉

20

74

3

380

20

245

0.33/1.2

800

30

300

40

200

玻璃

2

245

0.46/1.6

3800

6

206

0.33/1.2

3500

20

206

0.46/1.6

600

12

309

0.25/0.76

1270

19

640

25

130

玻璃纤维

8

206

0.46/1.6

2500

16

206

0.33/1.2

600

8

309

0.25/0.76

2000

12

800

钢筋混凝土

70

69

3

20

120

72

25

开普勒塑料

4

72

3

130

碳纤维合成材料

2

69

3

1000

8

69

350

ABS塑料

10

245

0.33/1.2

900

18

600

G-10塑料

13

245

0.33/1.2

450

25

100

聚四氟乙烯

45

245

0.33/1.2

150

聚丙烯

10

245

0.33/1.2

910

120

30

炭精石墨

70

206

0.33/1.2

600

10

245

900

14

245

800

25

245

300

片料吹膜化合物

2

206

0.33/1.2

4000

5

245

2200

丙烯

7

206

0.33/1.2

1800

20

206

0.33/1.2

600

陶瓷

4

70

3

200

8

70

300

3.6

196

0.4/1.1

500

13

0.4/1.3

200

丙烯

7

206

0.33/1.2

1800

20

600

大理石

25

70

3

50

花岗岩

20

196

0.4/1.5

50

玻璃纤维增强塑料

19

196

0.4/1.1

200

氧化铝纤维增强塑料

6

196

0.4/1.6

600

酚醛树脂

20

206

0.33/1.2

450

开普勒纤维

8

309

0.25/0.76

500

12

380

      喷嘴孔径的值为纯水型喷嘴直径/加磨料型喷嘴直径。

 
 
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