机加工的新式武器-智能水刀

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1、机加工的“新式武器”–智能水刀上海狮迈科技有限公司技术总监曾继跃博士机加工是一个古老的行业，提到机加工，人们想到的通常是车铣刨磨这些传统的加工工艺，行内人可能还会想到电火花线切割、激光等非传统的加工工艺，想到用水刀来进行机加工的人则是少之又少。不过对于水刀作为机加工的“新式武器”这个说法，有人可能不以为然，因为早在九十年代水刀就已经被引进中国，并且在中国得到了很大的发展。而我的这个说法有两个理由，首先，相比于车铣刨磨这些传统的加工工艺和电火花线切割、激光等非传统的加工工艺，水刀是最新出现的、也是成长最快的机加工工艺，其次，相比于九十年代的水刀，现在的高端

2、水刀有了质的飞跃，不是简单的水刀，而是智能水刀。图1弯曲的水刀1.水刀的切割原理及技术特点水刀，顾名思义，是以水作刀。普通的水经过高压泵加压到300-600MPa，再从一个不到半毫米直径的宝石喷嘴里喷射出来，形成速度大概为两倍子弹速度的高速水射流，用这样的高速水射流可以切割一些软质材料，如纸张、布料、皮革、橡胶、食品等等，称之为纯水水刀。而如果要切割金属、陶瓷、玻璃、石材等硬质材料的，则需在水射流中掺入石榴石或其他磨料，形成磨料水刀。本文下面所提到的水刀均指磨料水刀。用磨料水刀切割时，水是能量载体，磨料才是切割的主角，一颗颗磨粒像一个个小子弹射向所切材料

3、，形成高速磨蚀的效果。因为所有物体都可以被磨蚀，所以磨料水刀可以切割任何材料。而水的作用除了传送能量之外，还可以把磨粒撞击工件所产生的热量迅速带走，所以水刀不会给工件带来热变形、热应力、金相组织变化、微裂纹等热加工通常难以避免的热效应，它是唯一一种冷态高能束加工方法。简单来说，磨料水刀的工作原理就是高速磨蚀加快速冷却。(a)(b)图2弯曲的水刀切割小圆弧(a)和转角(b)时的“裙摆”状误差2.水刀是软刀子图1所示是用高速摄影机拍到的水刀切割玻璃的镜头。照片清楚地显示出，切割过程中的水射流变成近似于抛物线的形状。这是因为所切材料对水射流产生的反作用力让其随

4、着切割深度的增加而变弯曲。其实这是包括水刀、激光、等离子弧等所有高能束加工方法的共性，作者称之为“软刀子”的特性。用这样一把弯曲的“软刀子”来切割工件有显著的特征，切割面下半部有显著的抛物线条纹，在切割小圆弧（图2a）和转角（图2b）时工件的下半部出现“裙摆”状的形状误差。不仅如此，切缝截面还会出现如图3所示的锥度。所有这些“软刀子”的特征跟切割速度有很大的关系，但也会受到材料可加工性、厚度、射流的速度、磨料的硬度及含量等等其他因素的影响。切割速度图3水刀切缝锥度随切割速度而变化用这样的“软刀子”能够加工精密的机械零件吗？答案是肯定的，但是用“软刀子”加

5、工机械零件需要很多的控制和补偿。收敛均衡发散1.以射流射出点为控制目标的数控方法在传统的数控理论和相应的控制方法当中，切削刀刃被认为是刚性的，刀刃在工件的上下表面的运动轨迹是一致的，比如铣削和电火花线切割。但是，在高能束切割（如水刀、激光、等离子弧）过程中，流束在被切割材料的作用下会自然向后弯曲造成流束的射入点和射出点不在同一条垂线上，射出点一般滞后于射入点。在这种情况下采用传统的数控方法只能控制高能束切削刀刃在工件上表面的运动轨迹，而对流束在工件下表面产生的轨迹误差则无能为力。以射出点为控制目标的数控方法，是通过建立流束在各种工艺条件下的流型数学模型，

6、预判流束射出点在加工工件下表面运动的切割路径轨迹，然后采用优化的路径形成策略，通过精确地控制切割速度来取得预期的加工表面质量，通过控制流束在路径方向的纵向摆角有效地消除由射出点和射入点之间的滞后量引起的形状误差，通过控制流束的侧向偏摆来消除切缝锥度误差。2.智能水刀的组成智能水刀是具备智能控制系统的精密数控水切割机，它包含软件部分和硬件部分。图4所示是上海狮迈科技有限公司生产的智能水刀的控制软件界面，这是建立在AutoCAD®平台上的集CAD、CAM和CNC功能于一体的智能数控软件，尽管水刀切割涉及数十个工艺参数，但用户只需要把工件图形的电子文档导入Au

7、toCAD（或者直接在AutoCAD上画图），选择工件的加工质量等级，输入工件材料名称和厚度，智能软件即可开始对工件的切割路径进行自动规划和优化，然后通过智能控制芯片控制一个五轴联动的运动系统。图5五轴联动运动系统及其中的万向摆动头图4上海狮迈科技有限公司的智能水刀的控制软件界面图5所示的五轴联动运动系统能够精确地执行智能软件所作的路径规划，图中还显示了一个利用万向联轴节原理设计而成的万向摆动头，这是五轴联动运动系统当中实现射流摆角运动的部分，它有很高的摆角分辨率，可以沿着切割路径连续地做出小至0.01度的摆角调整，而且不会偏离切割路径，也不会造成管线缠

8、绕的问题（免除了无效的倒车运动）。智能软件和精密五轴联动运动系统相结合，可以保证