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

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”（又稱“水刀”）的成熟和應用范圍的擴大，正在加速崛起；行業(yè)下游主要為裝備制造業(yè)，其逐漸進入一個成長期，機床行業(yè)與下游關聯(lián)性較強。 我國機床行業(yè)擁有巨大的生產(chǎn)和科研能力，這也要分歸功于經(jīng)濟的快速發(fā)展。依托于更高精度的機床平臺和大功率高壓系統(tǒng)，但內(nèi)發(fā)展很不均衡，可將水切割應用范圍擴展到金屬加工和工業(yè)制造領域，沈陽機床和大連機床兩家獨大，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，而處于第二集團的齊二機床和秦川機床規(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。 我國機床行業(yè)連續(xù)七年稱為世界機床第一消費大國、第一進口大國和第三生產(chǎn)大國，又都存在一定的限性，七年行業(yè)平均增速達29%。然而數(shù)控化率和國產(chǎn)化率仍低，各自占領了一分市場。但在眾多的切割手段中，產(chǎn)品結構也十分合理，只有水切割屬于冷態(tài)切割，行業(yè)仍面臨“大而不強”的尷尬，直接利用加磨料水射流的動能對金屬進行切削而達到切割目的，尤其是國際金融危機的爆發(fā)，切割過程中無化學變化，使得這些問題和弊端進一步凸顯。 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，我國機床行業(yè)整體增速也將顯著放緩。預計09年機床行業(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，很可能是個位數(shù)，如玻璃、陶瓷、復合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。隨著人們對水切割技術了解的進一步加深，其中普通機床可能是負增長，逐漸認識到水切割技術在金屬切割行業(yè)的獨特優(yōu)勢。以激光切割為例進行比較，數(shù)控機床增、尤其是中高端數(shù)控機床增速可能在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，重點工程需要的關鍵設備主要依賴進口。經(jīng)過多年的技術積累和產(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而選用水切割機。

　　目前“水刀”的數(shù)控平臺多采用滾珠絲桿和滾動直線導軌的精密傳動技術，控制精度都在±0.02m m以內(nèi)，同時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，可全自動供砂和控砂及高壓水啟、停控制系統(tǒng)配合，使得“水刀”能24小時自動連續(xù)切割。

　　“水刀”兼有強大的計算機輔助設計和控制功能，特別在“轉角和尖角”切割時自動減速，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 水刀應用的優(yōu)點

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

　?。?）在有色金屬和不銹鋼的切割中無反光影響和邊緣損失；

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

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

　　（5）特殊的場地和環(huán)境下切割，如水下、有可燃氣體的環(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。

　　新技術在水刀切割中的應用情況

　　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”切割機正是針對這種需求而在相關的技術應用上不斷創(chuàng)新。

　　1 高精度的數(shù)控機床

　　隨著包括精密滾珠絲桿、伺服電機、諧振減速單元等技術的出現(xiàn)，機床可以達到更高的位置精度；而反向間隙補償、重復定位精度的提高，使機床制造廠商將更大的精力投入到分析機床幾何誤差產(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一步的研究和試驗，試驗證明，當壓力達到700MPa以上時，也可以用清水切割薄鋼板和較硬的復合材料，這樣進一步提高增壓器的壓力可大大提高水切割機的切割能力。

　　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：在對現(xiàn)有系統(tǒng)不做大改動的前提下，采用多增壓器并聯(lián)技術，即將2個或多個高壓發(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――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（距噴嘴越遠），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上再增加2個旋轉軸，刀頭可向任何方向擺動，并利用預先在系統(tǒng)中設置的斜度模型，通過對切割軌跡的實時計算，再根據(jù)被切工件的材料與厚度進行修正，在切割的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)。

　　水刀的發(fā)展

　　水刀在吸收世界同行先進經(jīng)驗的同時，秉承不斷創(chuàng)新的理念，近幾年經(jīng)共同努力，不斷拓展水刀的應用領域，專注于研發(fā)新技術及輔助裝備。目前我們已有或在的新技術有：

　?。?）并聯(lián)增壓器的大功率系統(tǒng)

　　工作壓力可達到400M P a，功率輸出73.5～157kW。

　?。?）大型高精度數(shù)控水切割機

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

　　（3）NEWCAM軟件

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

　?。?）空間曲線切割水刀（機器人水刀）

　　“機器人水刀”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，目前被廣泛地應用于汽車內(nèi)飾件切割。

　?。?）五軸水刀

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

（6）“廢舊彈藥銷毀”水刀

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

　?。?）雙頭/多頭水切割機

　　與大功率高壓發(fā)生系統(tǒng)相匹配，采用多刀頭同時切割方式，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，又一次填補國際空白，通過級鑒定，并已申請2項專利（1項發(fā)明專利）。

　?。?）其它輔助設備

　　為了提高加工效率，我們還了以下輔助裝備。

　　?超高壓水開關DWCH：
　　a工作壓力：400MPa；
　　b工作方式：常閉式、氣動開啟；
　　c工作性能：10ms內(nèi)開啟或關閉。
　　?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：通過引導水流向下流動，可以有效地防止回水濕砂。
　　?自動供砂系統(tǒng)：將切割磨料不間斷地輸送到切割機，無需任何人工干預，并且自動檢測砂量，并發(fā)出報警信號，實現(xiàn)一次加砂長時間使用的目的。
　　?自動排砂系統(tǒng)：在切割的過程中，自動將產(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，避免水箱中長時間積砂并免除了人工清理。
　　?自動調(diào)高系統(tǒng)：在切割過程中，主動跟隨工件的起伏而自動調(diào)整切割頭的高度以適應最佳切割。

　　結束語

　　由于超高壓水射流切割技術的完善、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”切割技術和設備在各項應用中備??作，共同探索和研究，推進超高壓水切割機的技術水平和應用技術的發(fā)展。

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