緊產(chǎn)業(yè)整合超高壓水切割機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)床行

近年來，日本和德國仍為行業(yè)老大，隨著“超高壓數(shù)控水切割機(jī)”（又稱“水刀”）的成熟和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，正在加速崛起；行業(yè)下游主要為裝備制造業(yè)，其逐漸進(jìn)入一個(gè)成長期，機(jī)床行業(yè)與下游關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。 我國機(jī)床行業(yè)擁有巨大的生產(chǎn)和科研能力，這也要分歸功于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。依托于更高精度的機(jī)床平臺和大功率高壓系統(tǒng)，但內(nèi)發(fā)展很不均衡，可將水切割應(yīng)用范圍擴(kuò)展到金屬加工和工業(yè)制造領(lǐng)域，沈陽機(jī)床和大連機(jī)床兩家獨(dú)大，加工更多更精密的產(chǎn)品，收入超過百億，而不僅僅限在玻璃、陶瓷、石材等材料的加工。

　　目前超高壓水切割行業(yè)的現(xiàn)狀

　　1 水刀切割特性

　　例如在金屬切割中，而處于第二集團(tuán)的齊二機(jī)床和秦川機(jī)床規(guī)模剛剛超過20億，各種加工手段并存，其余企業(yè)規(guī)模均在15億元以下，包括刀具、激光、火焰切割（等離子切割）、電火花、線切割、水切割等加工方式。各種切割手段各有優(yōu)勢，市場集中度不高。 我國機(jī)床行業(yè)連續(xù)七年稱為世界機(jī)床第一消費(fèi)大國、第一進(jìn)口大國和第三生產(chǎn)大國，又都存在一定的限性，七年行業(yè)平均增速達(dá)29%。然而數(shù)控化率和國產(chǎn)化率仍低，各自占領(lǐng)了一分市場。但在眾多的切割手段中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也十分合理，只有水切割屬于冷態(tài)切割，行業(yè)仍面臨“大而不強(qiáng)”的尷尬，直接利用加磨料水射流的動(dòng)能對金屬進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的，尤其是國際金融危機(jī)的爆發(fā)，切割過程中無化學(xué)變化，使得這些問題和弊端進(jìn)一步凸顯。 受下游行業(yè)需求增速回落影響，具有對切割材質(zhì)理化性能無影響、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，我國機(jī)床行業(yè)整體增速也將顯著放緩。預(yù)計(jì)09年機(jī)床行業(yè)增速為10%左右，可加工傳統(tǒng)加工及其他加工方法無法加工或難于加工的材料，很可能是個(gè)位數(shù)，如玻璃、陶瓷、復(fù)合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。隨著人們對水切割技術(shù)了解的進(jìn)一步加深，其中普通機(jī)床可能是負(fù)增長，逐漸認(rèn)識到水切割技術(shù)在金屬切割行業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢。以激光切割為例進(jìn)行比較，數(shù)控機(jī)床增、尤其是中高端數(shù)控機(jī)床增速可能在10%以上。 目前，在薄板切割中激光雖然在切割速度方面要優(yōu)于水切割，我國中高檔數(shù)控機(jī)床的國產(chǎn)化率仍非常低，但在16mm以上的金屬切割中采用激光切割則投資大成本高，重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依賴進(jìn)口。經(jīng)過多年的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)政策的大力支持，而且激光切割材料的切縫周邊仍有一定的熱影響區(qū)。水刀切割金屬材料厚度一般可達(dá)30～100mm以上，并且對材料無任何影響，再加上水刀對切割材料沒有限制。綜合這些因素，很多原來選擇激光或其他切割手段的用戶轉(zhuǎn)而選用水切割機(jī)。

　　目前“水刀”的數(shù)控平臺多采用滾珠絲桿和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的精密傳動(dòng)技術(shù)，控制精度都在±0.02m m以內(nèi)，同時(shí)加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長壽命的噴嘴材料的技術(shù)突破，配合了400MPa大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，可全自動(dòng)供砂和控砂及高壓水啟、?？刂葡到y(tǒng)配合，使得“水刀”能24小時(shí)自動(dòng)連續(xù)切割。

　　“水刀”兼有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制功能，特別在“轉(zhuǎn)角和尖角”切割時(shí)自動(dòng)減速，以減小切割中甩尾的影響，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特性，這使得“水刀”在切割質(zhì)量和效率上都有了極大的變化和提高，而且可直接用于金屬零件的成形切割加工。

　　2 水刀應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

　?。?）切割金屬的粗糙度達(dá)1.6μm，切割精度達(dá)±0.10m m，可用于精密成形切割；

　　（2）在有色金屬和不銹鋼的切割中無反光影響和邊緣損失；

　?。?）碳纖維復(fù)合材料、金屬復(fù)合材料、不同熔點(diǎn)的金屬復(fù)合體與非金屬的一次成形切割；

　?。?）低熔點(diǎn)及易燃材料的切割，如紙、皮革、橡膠、尼龍、毛氈、木材、等材料；

　?。?）特殊的場地和環(huán)境下切割，如水下、有可燃?xì)怏w的環(huán)境；

　?。?）高硬度和不可溶的材料切割，如石材、玻璃、陶瓷、硬質(zhì)合金、金剛石等。

　　新技術(shù)在水刀切割中的應(yīng)用情況

　　在各種加工行業(yè)中，追求高質(zhì)量、高效率的直接成形加工是目前國際上的發(fā)展趨勢，“水刀”切割機(jī)正是針對這種需求而在相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用上不斷創(chuàng)新。

　　1 高精度的數(shù)控機(jī)床

　　隨著包括精密滾珠絲桿、伺服電機(jī)、諧振減速單元等技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)床可以達(dá)到更高的位置精度；而反向間隙補(bǔ)償、重復(fù)定位精度的提高，使機(jī)床制造廠商將更大的精力投入到分析機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因，從而通過采用球桿測量儀和激光干涉儀等高。

2 大功率超高壓系統(tǒng)
 
    提高水的能量，將提高其切割能力。水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割機(jī)的壓力和最大輸出流量就成為影響切割能力的主要參數(shù)。目前，國際上對此也在做進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，當(dāng)壓力達(dá)到700MPa以上時(shí)，也可以用清水切割薄鋼板和較硬的復(fù)合材料，這樣進(jìn)一步提高增壓器的壓力可大大提高水切割機(jī)的切割能力。

　　另一方面，在同等的壓力之下，提高射流的流量（即加大射流的功率）也一樣可提高切割能力，因此而產(chǎn)生多增壓器并聯(lián)技術(shù)：在對現(xiàn)有系統(tǒng)不做大改動(dòng)的前提下，采用多增壓器并聯(lián)技術(shù)，即將2個(gè)或多個(gè)高壓發(fā)生器并聯(lián)使用，可以很方便地提高增壓器的輸出流量，采用大口徑噴嘴進(jìn)行切割，這樣水射流有效切割能量更大，切割效果更好。

　　3 五軸水切割技術(shù)――自校正切割
　　由于能量梯度的作用，激光、氣體等離子、射流等切割手段在切面越深時(shí)（距噴嘴越遠(yuǎn)），切割能力越差，所以所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被稱之為切割斜度，這是所有切割手段的一個(gè)固有缺陷。雖然通過提高切割能量或降低切割速度可以分減小切割斜度，但依然存在不能完全垂直切割的問題。于是，可傾斜切割頭的設(shè)想于1997年被提了出來，目前國際上已有商用產(chǎn)品，這是解決切割斜度，提高精度最直接有效的方法。其原理是通過在原有三軸平臺的基礎(chǔ)上再增加2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，刀頭可向任何方向擺動(dòng)，并利用預(yù)先在系統(tǒng)中設(shè)置的斜度模型，通過對切割軌跡的實(shí)時(shí)計(jì)算，再根據(jù)被切工件的材料與厚度進(jìn)行修正，在切割的過程中不斷地?cái)[動(dòng)切割頭，使得切割出來的工件達(dá)到完美的無斜度狀態(tài)。

　　水刀的發(fā)展

　　水刀在吸收世界同行先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，秉承不斷創(chuàng)新的理念，近幾年經(jīng)共同努力，不斷拓展水刀的應(yīng)用領(lǐng)域，專注于研發(fā)新技術(shù)及輔助裝備。目前我們已有或在的新技術(shù)有：

　　（1）并聯(lián)增壓器的大功率系統(tǒng)

　　工作壓力可達(dá)到400M P a，功率輸出73.5～157kW。

　　（2）大型高精度數(shù)控水切割機(jī)

　　金屬切割用大型工作平臺；X向尺寸可達(dá)5000m m，Y向尺寸可達(dá)8～30m及以上；控制精度：±0.02m m / m；切削精度：±0.1m m；X、Y向運(yùn)動(dòng)速度：0～40m/min；壓力：400MPa；最大功率：73.5～157k W；切割頭數(shù)：2～4。

　?。?）NEWCAM軟件

　　為大幅度地提高“水刀”的切割效果，我們引進(jìn)了先進(jìn)的水切割專用NEWCAM軟件，其CAD模塊具有模塊化編程、自動(dòng)排版套料、CAM模塊具有拐角自動(dòng)減速、切斷自動(dòng)減速等特性，通過在拐角處與切斷點(diǎn)降低速度，解決水切割因水射流的滯后效應(yīng)引起的拐角過切現(xiàn)象與程序結(jié)束點(diǎn)無法切斷的情況，有效提高輔助設(shè)計(jì)、切割的質(zhì)量和效率。

　?。?）空間曲線切割水刀（機(jī)器人水刀）

　　“機(jī)器人水刀”有純水切割系統(tǒng)，和加砂切割系統(tǒng)可以切割任何空間曲線，目前被廣泛地應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件切割。

　　（5）五軸水刀

　　雖然機(jī)器人水刀也可以達(dá)到傾斜刀頭切割的目的，然而在精度和剛度上不如傳統(tǒng)機(jī)床，不能用于高精密切割。要達(dá)到高精密的無斜度切割以及進(jìn)行圓錐面、圓弧面、旋轉(zhuǎn)曲面、斜面、坡口等切割，必須使用五軸聯(lián)動(dòng)水切割機(jī)。

（6）“廢舊彈藥銷毀”水刀

　　由于水刀優(yōu)異的低溫切割特性，使得水切割機(jī)可以用于易燃易爆工件的切割，其中最為典型的應(yīng)用就是“廢舊彈藥銷毀系統(tǒng)”。水射流在切斷彈殼的同時(shí)，絕對不會(huì)其中的，從而達(dá)到安全、就地銷毀過期彈藥的目的。該技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　（7）雙頭/多頭水切割機(jī)

　　與大功率高壓發(fā)生系統(tǒng)相匹配，采用多刀頭同時(shí)切割方式，切割效率可提高數(shù)倍而成本增加很少。

　?。?）水刀加工中心

　　研制成功“水刀加工中心”，集切、銑、磨等多功能于一體，又一次填補(bǔ)國際空白，通過級鑒定，并已申請2項(xiàng)專利（1項(xiàng)發(fā)明專利）。

　　（9）其它輔助設(shè)備

　　為了提高加工效率，我們還了以下輔助裝備。

　　?超高壓水開關(guān)DWCH：
　　a工作壓力：400MPa；
　　b工作方式：常閉式、氣動(dòng)開啟；
　　c工作性能：10ms內(nèi)開啟或關(guān)閉。
　　?SP7高效能加砂切割頭：水噴嘴與砂管有最近的距離，可最大限度得利用水射流能量,獲得最佳的切割效率。
　　?防回水砂閥：通過引導(dǎo)水流向下流動(dòng)，可以有效地防止回水濕砂。
　　?自動(dòng)供砂系統(tǒng)：將切割磨料不間斷地輸送到切割機(jī)，無需任何人工干預(yù)，并且自動(dòng)檢測砂量，并發(fā)出報(bào)警信號，實(shí)現(xiàn)一次加砂長時(shí)間使用的目的。
　　?自動(dòng)排砂系統(tǒng)：在切割的過程中，自動(dòng)將產(chǎn)生的泥漿抽出，經(jīng)過濾將砂、水分離，再將水反灌到水箱中，保證水箱水位，避免水箱中長時(shí)間積砂并免除了人工清理。
　　?自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)：在切割過程中，主動(dòng)跟隨工件的起伏而自動(dòng)調(diào)整切割頭的高度以適應(yīng)最佳切割。

　　結(jié)束語

　　由于超高壓水射流切割技術(shù)的完善、其效率的提高，特別是水刀能將切割和精密加工的功能合二為一，使投資和使用成本的下降，從而使得“水刀”切割技術(shù)和設(shè)備在各項(xiàng)應(yīng)用中備??作，共同探索和研究，推進(jìn)超高壓水切割機(jī)的技術(shù)水平和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

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