水刀切割的技術(shù)
2010-04-07 17:27:52
水刀已經(jīng)證明自己可以完成其它技術(shù)無法處理的工作。從在石材、玻璃和金屬上切割極薄的細(xì)節(jié)，在鈦合金上快速鉆孔，切割食品、直至對飲料和溶液進(jìn)行殺菌消毒，水刀已經(jīng)證明了它獨一無二的價值。
【水刀的歷史】
Norman Franz 博士一直被公認(rèn)為水刀之父。他是研究超高壓（UHP）水刀切割工具的第一人。超高壓的定義是高于 30000 psi。Franz 博士是一名林業(yè)工程師，他想尋找一種把大樹干切割成木材的新方法。1950 年，F(xiàn)ranz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通過一個很小的噴嘴。他獲得了短暫的高壓射流（多次超過了現(xiàn)在使用的壓力），并能夠切割木頭和其它材料。他后來的研究涉及更為連續(xù)的水流，但他發(fā)現(xiàn)獲得連續(xù)高壓非常困難。同時，零件的壽命也以分鐘計算，而不是今天的數(shù)周或數(shù)月。
Franz 博士從沒制造出一種量產(chǎn)的木材切割器。而今天木材切割卻是超高壓技術(shù)最不重要的應(yīng)用之一。但 Franz 博士證明了高速會聚水流具有極大的切割能量－這種能量的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 Franz 博士的夢想。
1979 年，Mohamed Hashish 博士在福祿研究室工作，開始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金屬和其它硬質(zhì)材料。Hashish 博士被公認(rèn)為加砂水刀之父，他發(fā)明了在普通水刀中添加砂料的方法。他使用石榴石（砂紙上常用的一種材料）作為砂料。憑借這種方法，水刀（含有砂料）能夠切割幾乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金屬、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商業(yè)化的加砂水刀切割系統(tǒng)問世，被用于切割汽車玻璃。該技術(shù)的第一批用戶是航空航天工業(yè)，他們發(fā)現(xiàn)水刀是切割軍用飛機(jī)所用的不銹鋼、鈦和高強(qiáng)度輕型合成材料以及碳纖維復(fù)合材料的理想工具（現(xiàn)在已用于民用飛機(jī)）。從那以后，加砂水刀被許多其它工業(yè)采納，例如加工廠、石料、瓷磚、玻璃、噴氣發(fā)動機(jī)、建筑、核工業(yè)、船廠等等。
【水刀分類：】
水刀分為純水水刀和加砂水刀。二者均有經(jīng)驗證的獨特性能。
【純水水刀】
純水水刀是最早的水切割方法。第一次商業(yè)應(yīng)用始于二十世紀(jì)七十年代中期，用于切割瓦楞紙板。純水水刀最大的應(yīng)用是切割拋棄式尿布、棉紙和汽車內(nèi)飾件。對于棉紙和拋棄式尿布，與其它技術(shù)相比，水刀技術(shù)在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉紙工廠中，意外停機(jī)時間對其他切割技術(shù)而言非常普遍，代價超過每小時20000美元。而水刀則為這種應(yīng)用提供全年不斷的連續(xù)運行－維護(hù)操作可被納入生產(chǎn)過程中。
【純水水刀的特點】
非常細(xì)的水流（常見直徑范圍：0.004至0.010英寸）
非常詳細(xì)的幾何形狀
非常少的材料切割損失
切割時不產(chǎn)生熱量
切割厚度可以很大
也可切得很薄
切割速度快
能夠切割軟、輕質(zhì)材料（例如厚達(dá) 24"的纖維玻璃絕緣材料）
極小的切削力
夾具簡單
每天 24 小時的連續(xù)運行
【純水水刀切割刀頭】
如前文所述，基本水刀流程包括水從幫浦流出、通過管道并從切割刀頭輸出。
在水刀切割中，材料去除過程可稱為超音速侵蝕技術(shù)。除下材料微粒的不是壓力，而是水流的速度。壓力和速度是兩種截然不同的能量形式。但幫浦的水壓是如何轉(zhuǎn)換成另外一種能量形式（即水速）的呢？答案是一塊小巧的寶石。在管子的末端裝有一塊寶石。寶石中有一個很小的孔。高壓水穿過這個細(xì)小的開口流出，從而把壓力轉(zhuǎn)化為速度。在大約 40000 psi 時，流出噴嘴的水流以 2 馬赫的速度運動。在 60000 psi 下，其速度超過 3 馬赫。
對于普通切割，純水水刀噴嘴的直徑范圍為 0.004 到 0.010英寸。用牽引車來回移動噴嘴以沖刷混凝土?xí)r，常用的是單個大號噴嘴，最大直徑 1/10 英寸。
三種常用的噴嘴材料（藍(lán)寶石、紅寶石、鉆石）各有其獨特屬性。藍(lán)寶石是現(xiàn)在最常用的噴嘴材料。它是人造單晶寶石。它的水流品質(zhì)相當(dāng)好；在好的水質(zhì)條件下大約有50到100小時的切割壽命。在加砂水刀應(yīng)用中，藍(lán)寶石的壽命是純水水刀應(yīng)用的 1/2。通常情況下，藍(lán)寶石的價格在 15 到 30 美元/塊之間。
紅寶石也可用于加砂水刀應(yīng)用。其水流特性非常適合加砂水刀，但并不太適合純水水刀切割。其成本與藍(lán)寶石大致相同。
鉆石的使用壽命長得多 （800 到 2000 小時），但價格卻要高10到20倍。鉆石在需要每天 24 小時連續(xù)運行的情況下非常有用。與其它類型的噴嘴不同，有時可以對鉆石進(jìn)行超聲波清洗，并重復(fù)使用。
【加砂水刀】
加砂水刀與純水水刀只有幾點不同。在純水水刀中，由超音速水流侵蝕材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料顆粒，然后由這些顆粒（而非水）侵蝕材料。加砂水刀的能力比純水水刀強(qiáng)大成百上千倍。純水水刀和加砂水刀都有其用武之地。純水水刀可切割軟質(zhì)材料，而加砂水刀則切割硬質(zhì)材料，如鋼材、石材、復(fù)合材料和陶瓷。使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的加砂水刀能夠切割硬度等于（甚至稍稍超過）氧化鋁陶瓷（常常稱作礬土，AD 99.9）的材料。我們將在下面介紹加砂水刀的特點，以及加砂水刀切割刀頭的工作方式。
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