水刀切割和工作原理

一、深入了解为水刀切割获得高压水的物理原理

切割材料所需的能量是通过将水加压到超高压并通过将高速水聚焦在一个小的宝石孔中而形成强烈的切割流而获得的。水刀切割过程涉及两个主要步骤。

1、增压泵通常在50,000 psi以上的压力水平下对普通自来水加压。产生切割所需的能量。

2、然后，水通过一个小的宝石孔聚集，形成强烈的切割流。取决于水压的施加方式，水流以高达声速3倍的速度运动。

该方法适用于仅喷水和磨料射流。对于磨料切割应用，将石榴石送入磨料混砂室（该磨料混砂室是切割刀头主体的一部分），以产生连贯且极富能量的磨料射流。为了达到这些压力，通过增压泵和过滤器将水引入设备。该过滤过程非常重要，因为在达到超高压之前必须先将水清洗干净，以保护高压零件并提供稳定的切割流。有时需要水处理系统以去除水中的有害矿物质。过滤后，水进入高压缸，在高压缸中被加压至所需水位。

然后根据应用将水带到磨料喷嘴或纯水切割喷嘴中。切割喷嘴可以固定或集成在运动设备中，从而可以切割复杂的形状和设计。运动设备的范围从简单的横切机到2D系统，3D机器以及多轴机器人。CAD / CAM软件与CNC控制器相结合，可将工程图或命令转换为数字化编程路径，以供切割刀头跟随。切割较硬的材料需要在切割流中添加细网眼磨料。可以使用的各种磨料包括粒度为50至120目的橄榄石，石榴石和刚玉。磨料首先存储在加压料斗中，然后进入计量组件，该组件控制送入喷嘴的颗粒量。然后将磨料在磨料切割头内的特殊混合室中引入到切割流中。磨料切割通过加速腐蚀过程，可以更快地切割较硬的材料。切割后，来自切割流的剩余能量会在集水箱中消散，该水箱存储着切缝材料和废磨料。

二、压力增加与切割速度之间的关系

随着压力的增加，功率需求成比例地增加，因此，在给定的可用功率下，必须使用较小的孔口来按比例减小流量。

例如，压力增加50％将需要功率增加50％，除非流量有相应的减少（使用较小的孔）。对于给定的功率量，较高的压力会提高切割速度，因为较高的压力和较小的体积会导致离开切割头的水流速度加快，这是将功率更有效地传递给动能（切割过程）。之所以产生这种效率，是因为增加速度是增加存储在撞击工件的磨料颗粒中的动能的更有效方式。与增加具有线性作用的质量相比，通过增加速度对动能具有平方作用。磨料切割通过加速工件上的磨料颗粒而极大地提高了水刀的切割能力，在冲击过程中，每个颗粒都会去除工件材料上的小颗粒。如果所有的磨料颗粒都在相同的条件下但以较高的速度撞击工件，则上述方程式将成立。但是，影响实际发生情况的主要因素是，在将磨料初次引入流中时，当被高速水流撞击时，磨料颗粒会被粉碎成非常细的粉末，并且在整个聚焦管中会破坏更多的粉末。磨料颗粒的崩解强度取决于水压。最终结果是，当压力增加时，对于相同的功率，切削速度只会有非常小的净增长。

三、更高的压力成本

在决定增加压力之前，另一个重要的考虑因素是资本成本，维护成本，耗材成本和机器停机时间的大幅增加。压力（也称为力或负载）与与疲劳相关的磨损具有非线性关系，对于许多机械机械部件，它具有立方关系（x³）。例如，用于计算轴承磨损的ISO公式为

•   L =（C / P）3

•   L =寿命

•   C =额定负载

•   P =实际负载

这意味着压力增加50％将使许多机械组件的设计寿命减少约70％，或者使压力减少33％（例如从90,000psi降至60,000psi），则不利地，许多组件的寿命将增加330％。结果，为了使泵和切割头在90,000psi的极高压力下能够持续合理的时间，制造商被迫使用非常昂贵的特殊材料，因为金属疲劳成为主要的失效机理。因此，承受超过66,000psi高压的部件和消耗品（例如动态和静态密封件，止回阀，管路以及高压和低压缸）的成本通常比标准喷水切割器部件高50-300％。此类组件定价的另一个因素是竞争，因为目前只有少数制造商有能力生产在高压下具有抗磨损和抗故障能力的那些组件。结果，降低价格的竞争还不存在。此外，即使采用了90,000psi的更奇特和昂贵的组件，它们的寿命仍远低于以60,000psi运行的传统喷水切割器零件的寿命。这意味着除了更高的零件价格和更频繁的零件更换之外，这还增加了停机时间和更高的维护人工成本。

四、选择最佳的切割头设置

为了获得最佳的切割条件，更高的速度和更高的效率，必须将机器的切割头设置为尽可能最佳。决定最佳的切割头设置时，有许多因素需要考虑，例如：

• 磨料，公用事业，消耗品和维护的成本，
  

• 以及机器有多少工作，需要多少监督。

首先，考虑常用选项。为了进行比较，将使用50马力的增压泵作为泵，使用80目石榴石作为研磨剂。将研究不同技术的泵的效果及其对成本的影响。要使用的变量是：

1、孔口尺寸

孔口的最大尺寸取决于可用的压力和马力（HP）。随着压力增加，孔口尺寸需要减小，反之亦然，随着孔口尺寸增加，压力需要减小。通常，对于50 hp的增压器，在60,000psi时的最大孔口尺寸为0.013英寸，在90,000 psi时的最大孔口尺寸为0.010英寸。

2、砂管尺寸

传统上，砂管的尺寸是孔口尺寸的三倍。该比率已被证明是最有效的比率，为去除材料提供了最佳的砂管寿命。这是1980年代确立的行业标准，当时砂管非常昂贵，通常是当前价格的四到五倍。如今，这个比例受到质疑，许多经验丰富的水刀用户以及一些制造商现在都建议将比例设为2.5。原因很简单：将更多的精力集中在较小的区域上，功率密度越高，从而导致更快的切割速度和更少的石榴石使用。一种简单的观察方法是，除去相同数量的材料，只是减小了切口的宽度（切缝），而增加了长度。缺点是缩短了砂管的寿命，如果使用劣质和不一致的石榴石，堵塞现象会更加普遍。斯彼得公司SPEED JET为水射流行业带来全球著名硬质合金厂家森拉天时CERATIZIT公司的水刀砂管，森拉天时的专业设计技术和八十五年的硬质合金材料生产经验，大大地帮助了产品的研发，向着高性价比的方向发展。斯彼得公司是森拉天时公司水刀砂管产品在亚太区的指定代理商。作为行业的配件服务商，斯彼得与森拉天时全力配合一起为您提供规格广泛、快捷、周到的产品服务，全面满足行业多样化的水刀设备配置需求。

3、压力

如前所述，对于给定的HP，压力在降低速度方面仅起很小的作用。话虽这么说，仍然重要的是要有足够高的压力来使用泵的全部HP，同时保持节流孔与聚焦管的比率为2.5：1（或3：1），并且有足够高的速度来承载足够的压力磨料做切割。55,000psi使用50 hp泵中的大多数，并产生足够的速度以刺穿0.75lb / min的石榴石。当使用更高效的泵时，特别是具有可变功率控制的直接驱动电动伺服泵，可以使用较小的孔口来产生速度而不会浪费任何功率。

4、石榴石流量

如上所述，石榴石通常代表喷水切割机的最大运行成本。石榴石使用时要记住的另一个因素是，您需要摆脱石榴石的浪费。

5、切割头

一些制造商主张使用多个切割头来有效利用动力，但实际上，对于大多数喷水刀应用来说，其收益非常有限。。但是问题是，您需要两倍的石榴石，并且切割头的维护也要加倍。当一个头被阻塞或需要任何维护时；修理磁头时，整个机器都停机了。此外，使用两个切割头意味着减少了切割面积，从而导致每个单个零件的尺寸受到限制，而双头只能用于切割多个相同的零件。

五、直接驱动技术

效率比较计算总切割成本时，必须考虑用于产生水刀压力的技术（传统的增压泵或直接驱动曲轴泵）。

传统上，直驱曲轴泵因其效率而在市场上销售，但是，它们仅在切割头打开且正在使用泵的全部容量时才有效。当在装载，卸载和重新装载物料时关闭机头时，或者在机器准备进行下一个切割时，几乎所有的能量都被引导到溢流阀上，从字面上将能量，水和金钱输送到下水道。尽管增压泵可能是笨拙的，可以支撑多个喷嘴并提供更高的压力，但由于简单地运行液压系统所需的功率，它们本质上效率较低。当液压油通过液压系统中的溢流阀时，无论切割还是怠速，它们都将消耗大量功率。水刀市场上出现的最新技术是电动伺服泵（ESP）或电动增压器。这些泵仅使用切割过程所需的功率。这意味着无论切割头是打开还是关闭还是压力或流量减小，都不会产生额外的功率损耗。与任何型材切割机一样，要在切割之间以及装纸和卸纸的过程中使用一定百分比的时间来定位打印头。典型的占空比范围从厚板切割的90％到塑料，泡沫塑料和汽车装饰部件的20％。大多数常见的水刀应用（例如金属切割，制造，石材和玻璃）的占空比约为60％。