【正文】 數(shù)控高壓水射流切割機(jī)設(shè)計畢業(yè)論文第1章 緒論 水射 流的發(fā)展歷史及應(yīng)用19世紀(jì)中葉，在北美洲，人類第一次使用水射流開采非固結(jié)礦床。20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)和中國利用水射流進(jìn)行采煤(即水力采煤)。 隨著水力采煤技術(shù)的推廣，人們認(rèn)識到，提高水的壓力、適當(dāng)減小噴嘴直徑，可以顯著提高水射流的擊穿效果。于是人們開始研究較高壓力的壓力源(高壓泵和增壓器)及高壓脈沖射流。20世紀(jì)60年代以前，人們主要研究低壓水射流采礦，水射流技術(shù)還處于探索試驗階段；至20世紀(jì)70年代初，主要研究制高壓泵、增壓器、高壓管件，推廣水射流清洗技術(shù)，處在設(shè)備研制階段；至20世紀(jì)80年代，水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從采礦發(fā)展到其他領(lǐng)域，大量的水射流采煤機(jī)、切割機(jī)、清洗機(jī)相繼問世，并進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用；之后，水射流進(jìn)入了快速發(fā)展階段，水射流技術(shù)研究進(jìn)一步深化，磨料射流、空化射流、自激振動射流等新型射流技術(shù)發(fā)展很快。20世紀(jì)60年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問世，大大推動了水射流技術(shù)的研究工作。當(dāng)時，部分學(xué)者認(rèn)為水射流的壓力越高越好。日本研究出1700兆帕的增壓器，蘇聯(lián)和美國研制出5600兆帕的脈沖射流發(fā)生器。到20世紀(jì)70年代末。水射流技術(shù)出現(xiàn)了一個新的動向，即從單一提高水射流壓力，轉(zhuǎn)向研究如何提高水射流的威力。開始出現(xiàn)了高頻沖擊射流、共振射流和磨料射流，這些射流的水壓并不算太高，但它們的威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續(xù)水射流。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，磨料射流、空化射流、氣水射流和自振射流的發(fā)展，把水射流技術(shù)推向一個新的發(fā)展階段。同時，各國學(xué)者也開始對各種射流的基礎(chǔ)理論和切割機(jī)理等進(jìn)行研究。水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍也由采礦工業(yè)擴(kuò)大到航空、建筑、市政建設(shè)、化工、機(jī)械、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。水射流作為一種良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人們認(rèn)可。一大批水射流切割機(jī)、采煤機(jī)、打樁機(jī)和不同用途、不同形式的清洗機(jī)被陸續(xù)投放市場。1972年，英國流體力學(xué)研究協(xié)會(BHRA)組織了第一次國際水射流切割技術(shù)會；1981年，美國水射流技術(shù)協(xié)會成立，此次技術(shù)會議也是國際性的；1983年日本水射流協(xié)會成立。定期召開水射流技術(shù)研討會和展覽會，邀請國外水射流專家參會；1987年，國際水射流協(xié)會成立，定期出版《國際水射流》雜志，多次召開環(huán)太平洋國際水射流會議，大大推動了世界各國水射流技術(shù)的發(fā)展。我國的水射流技術(shù)研究從20世紀(jì)70年代開始，最初主要是在煤炭部門研究和應(yīng)用，以后逐漸發(fā)展到石油、冶金、航空等領(lǐng)域。經(jīng)過多年的研究實踐，取得很大進(jìn)展，開發(fā)出了一批新技術(shù)和新產(chǎn)品，有的在國際上還處于先進(jìn)水平。我國從1979年開始，每兩年召開一次全國水射流技術(shù)研討會，并出版了《高壓水射流》雜志。 水射流加工技術(shù)的應(yīng)用水射流技術(shù)因其本身的特點及優(yōu)勢在工業(yè)切割、清洗領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛。 切割方面：純水應(yīng)用于造紙業(yè)、橡膠業(yè)等，而加砂水刀則可應(yīng)用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航天航空業(yè)，汽車制造業(yè)、金屬加工業(yè)。尤其值得一提的是汽車制造業(yè)，隨著近幾中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商產(chǎn)量地極劇擴(kuò)大，車型地不斷更新，生產(chǎn)周期地縮短，對配套的汽車內(nèi)飾件(如汽車地毯、儀表板、頂蓬等)廠家來 說，早期手工加工汽車內(nèi)飾件的切邊及打孔的方法，由于效率低下、產(chǎn)品精度差、勞動強度大，顯然已不能滿足當(dāng)前汽車業(yè)發(fā)展的需求。此時，與機(jī)器人相結(jié)合的水 射流設(shè)備脫穎而出。高壓水管以螺旋形繞在機(jī)器人手臂上，利用機(jī)器的手臂和手腕可使水切割頭的噴嘴快速沿直線或弧線運行，達(dá)到3維加工內(nèi)飾件的目的。此種加 工方式的優(yōu)點在于高效率、高質(zhì)量、精度高、柔性好。目前國內(nèi)包括上海大眾、上海通用、一汽大眾、天津豐田、廣州本田、神龍富康、南京南亞等眾多車型的內(nèi)飾 件配套廠商已使用高壓水射流設(shè)備進(jìn)行內(nèi)飾件的加工。 工業(yè)清洗方面，可應(yīng)用于汽車業(yè)之噴漆房清洗、石化業(yè)之熱交換器內(nèi)外管清洗、飛機(jī)跑道之橡膠清洗、工業(yè)上之除銹及防蝕工程表面處理、航天工業(yè)引擎零件之清洗、核能發(fā)電廠之清除輻射污染等行業(yè)。 除了以上所介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以外，近幾年，國外已有公司通過超高壓技術(shù)，將其應(yīng)用于食品殺菌達(dá)到食品保鮮的目的，并已成功打入食品保鮮行業(yè)(如美國著名的HEMELL公司已使用超高壓設(shè)備進(jìn)行食品保鮮)，取得了良好的口碑。. 水射流切割的工藝特點水射流切割是水射流或磨料水混合物在壓力達(dá)400MPa下，以速度達(dá)100m/~。在磨料水切割時，射流從噴嘴通過小直徑（約1mm）硬質(zhì)合金噴管噴出，并借助于在噴管入口噴射，從專用料斗中吸入磨料粉。水射流的動能將傳給磨料顆粒，從而從被切割毛坯上去除微屑。這時，實際上在毛坯上完全沒有熱和力的作用，故切口表面不變形，且無毛刺及材料的組織畸變。 當(dāng)切割功率達(dá)30kW以上時，工作頭可用手或機(jī)器人的夾持裝置自由握住。機(jī)器人的微處理器數(shù)控裝置可在空間任意角度下實現(xiàn)切割。 水射流裝置可切割板料、精確直角、打小孔、開窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非導(dǎo)熱材料）。 切口可從制件表面的任意點開始。切口寬度較?。▇，在磨料水切割時為1mm~），從而可保證節(jié)約材料，降低能耗。工藝過程具有柔性的生態(tài)潔凈的特點，通?？捎糜谕瓿梢罂焖僦卣{(diào)設(shè)備的單件訂貨。各種方法切割板料的評定結(jié)果列于表1（根據(jù)Flow公司的數(shù)據(jù)）。主要工藝參數(shù)是生產(chǎn)率或切割速度V。對大多數(shù)水射流裝置：V=，切割精度177。表2列舉出了Flow公司關(guān)于磨料水切割各種材料的速度與毛坯厚度有關(guān)的數(shù)據(jù)。表3中列出了IngersollRand公司（德國）關(guān)于水射流切割速度的數(shù)據(jù)表1 各種切割方法的比例表2 不同毛坯厚度的切割速度 注：工作壓力350MPa；磨料供給量680g/min；磨料為80號粒度花崗巖。表3 IngersollRand公司采用的切割速度由于采用現(xiàn)代計算機(jī)裝備水射流切割裝置，可利用大量數(shù)據(jù)庫優(yōu)化切割過程（其中包括實時優(yōu)化），和解決裁料的優(yōu)化任務(wù)，故本方法的工藝性可顯著擴(kuò)大。 布局方案 水射流設(shè)備的布局目前有各種方案，其中包括機(jī)器人配套的形式、帶回轉(zhuǎn)工作臺的形式等，但應(yīng)用最廣的是移動龍門架或固定龍門架的布局。 在一系列移動龍門架的裝置內(nèi)[例如Bystronic、Waterjet公司（意大利）]預(yù)先考慮有輔助角坐標(biāo)。當(dāng)工作頭沿Z軸移動具有足夠快速動作的恰服裝置時可加工管坯，其中包括非圓型面。 消除射流的余能是在工作臺下面的敞開槽內(nèi)進(jìn)行的，從而使生態(tài)環(huán)境變壞。槽內(nèi)泥渣必須借助刮板傳送帶、螺旋輸送機(jī)、水力渦旋機(jī)等進(jìn)行定期清理。 毛坯定位用的工作臺可用耐蝕板、金屬絲網(wǎng)、磨尖的銷釘做成格子形狀來制成；工作臺表面可用散粒材料等形成。類似工作臺十分昂貴，且因射流作用而磨損，故壽命較低。 在Watejet公司裝置上采用的工作臺，其優(yōu)點是由正方形（120mm1200mm）網(wǎng)絡(luò)形成的堅固的框架，深淀箱由耐蝕鋼做成，傳動裝置配置在框架的外廓尺寸內(nèi)，設(shè)有控制零點的終點開關(guān)，維護(hù)區(qū)安排在框架的長度一側(cè)，裝載區(qū)可完全敞開，網(wǎng)絡(luò)元悠揚可更換，框架具有很高的承載能力。 帶移動龍門架的設(shè)備最好用于加工在切割過程中不好移動的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll200型裝置，其工作臺尺寸為2m4m。 固定龍門架的布局示例是IngersollRand公司的裝置，其工作臺尺寸為2m3m。 當(dāng)收集器內(nèi)的射流余能被消除后，形成的泥渣將沿專用軟管排入沉淀槽。因在工作頭出口孔附近區(qū)遮蓋有專用罩，且罩與吸塵器相連，而收集器安排在距離毛坯幾毫米處，故切割過程可達(dá)到最大的生態(tài)潔凈。不設(shè)置廢水槽，可顯著減輕裝置的重量。 上述布局在結(jié)構(gòu)上較移動龍門架的布局復(fù)雜，且在收集器內(nèi)有快速磨損的零件。此外，為了避免射流在毛坯出口上過于彎曲和對收集器的偏離，切割速度存在某些限制。 工作臺的典型尺寸（以Flow公司的裝置為例）：2m；2m3m；2m4m；2m6m；3m2m；3m4m和3m6m（第一位數(shù)為沿X軸的尺寸）。為使工作頭沿所有軸移動，大多采用帶滾珠絲杠傳動的機(jī)電伺服傳動裝置。沿Z軸的移動一般不超過180mm~200mm。 在建立裝置時特別注意選擇材料和傳動裝置的保護(hù)使水和塵埃不落入。在Waterjet公司的裝置上，具有耐蝕鋼小車和有預(yù)緊力的滾珠支承的鋁滑塊，滑塊沿經(jīng)拋光的耐蝕鋼導(dǎo)軌移動。傳動是由無刷交流電動機(jī)借助外擺線齒輪和拉伸強度足夠的齒形帶實現(xiàn)。沿Y坐標(biāo)的傳動關(guān)系借助鋁軸實現(xiàn)。傳動裝置預(yù)先考慮有用橡膠帶和波紋遮簾雙保護(hù)。77第2章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的基本功能和基本參數(shù)第2章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的 基本功能和基本參數(shù)超高壓水刀的基本技術(shù)既簡單又極為復(fù)雜。當(dāng)水被加壓至很高的壓力并且從特制的噴嘴小開孔()通過時, 可產(chǎn)生一道每秒達(dá)近千公尺(約音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各種軟質(zhì)材料包括食品, 紙張, 紙尿片, 橡膠及泡棉，此種切割被稱為純水切割。 而當(dāng)少量的砂如石榴砂被加入水射流中與其混合時, 所產(chǎn)生之加砂水射流, 實際上可切割任何硬質(zhì)材料包括金屬, 復(fù)合材料, 石材及玻璃. 超高壓水刀也可使用于各種不同的工業(yè)表面處理應(yīng)用如船身清洗及汽車噴漆設(shè)備清洗. 超高壓水的形成關(guān)鍵在于高壓泵。從油泵來的低壓油推動增壓器的大活塞，使其往復(fù)運動，大活塞的活動方向則由換向閥自動控制。另一方面，供水系統(tǒng)先對水進(jìn)行 凈化處理，然后由水泵打出低壓水，進(jìn)入增壓器的低壓水被小活塞增壓后壓力升高。由于高壓水是經(jīng)增壓器的不斷往復(fù)壓縮后產(chǎn)生，而增壓器的活塞需要換向，勢必 使從噴嘴發(fā)出的水射流壓力是脈動的。為獲得穩(wěn)定的高壓水射流，需將產(chǎn)生的高壓水進(jìn)入蓄能器然后再流到噴嘴，從而達(dá)到穩(wěn)定壓的目的。水壓越高，水射流速度越 快，對高壓部份的制造要求也越嚴(yán)格，在各水射流廠家中，美國FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高壓增壓器，可大幅度降低磨損和延長1倍以上超高壓部件 和水封的壽命。經(jīng)過高壓所產(chǎn)生之高壓水經(jīng)由高壓過流入切割刀頭而直達(dá)被加工材料，因此另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是節(jié)流噴嘴。噴嘴一般采用人造(或天然)紅寶石或藍(lán)寶石，水流通過噴嘴后以1000m/s的速度噴出。由于純水切割普遍適用于切割較軟的材料，針對切割硬質(zhì)材料，如玻璃、石材、金屬等，80年代初，發(fā)展出了一種加砂水刀。所謂加砂水刀即在高壓水中加入石榴 砂或金剛砂等磨料，此時，大部份的切割工作由磨料的沖蝕和磨削作用來完成，以達(dá)到增強切割能力、加工硬質(zhì)材料的目的。 較之激光、等離子、線切割等傳統(tǒng)的切割方式，水射流切割技術(shù)確實有其獨特、顯著的優(yōu)勢：（1）切割品質(zhì)優(yōu)異 水射流是一種冷加工方式，‘水刀’不磨損且半徑很小，能加工具有銳邊輪廓的小圓弧。加工本身無熱量產(chǎn)生且加工力小，加工表面不會出現(xiàn)熱影響區(qū)，自然切口處 材料的組織結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化，也幾乎不存在熱和機(jī)械的應(yīng)力與應(yīng)變，切割縫隙(，砂水混流切割之切口約為 。隨著砂刀管的直徑擴(kuò)口，其切口也就愈大)及切割斜邊都很小( )，無需二次加工，無裂縫、無毛邊、無浮渣，因此其切割品質(zhì)優(yōu)良。 （2）幾乎沒有材料和厚度的限制 無論是金屬類如普通鋼板、不銹鋼、銅、鈦、鋁合金等，或是非金屬類如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、紙張及復(fù)合材料，皆可適用。（3）節(jié)省成本 水切割所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小，不會產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或細(xì)微的裂縫，不需二次加工，既可鉆孔亦可切割，降低了切割時間及制造成本。（4）清潔環(huán)保無污染 在切割過程中不產(chǎn)生弧光、灰塵及有毒氣體，操作環(huán)境整潔，符合嚴(yán)格的環(huán)保要求 機(jī)床的基本參數(shù)機(jī)床的運動形式根據(jù)其切割的功能實現(xiàn)來選擇，要實現(xiàn)平面的切割必須有兩個方向的自由度，即X方向和Y方向的運動，才能實現(xiàn)其切割功能。它的Y向運動有橫向的導(dǎo)軌和滾珠絲杠來實現(xiàn)，以東部分與滾珠絲杠的螺母座以及滾動導(dǎo)軌的滑塊通過螺栓進(jìn)行連接。它把滾珠絲杠轉(zhuǎn)動通過絲杠的螺母變?yōu)橹本€運動，在電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動的同時它作直線運動。同理，縱向移動部件也是通過螺釘與縱向絲杠和導(dǎo)軌的滑塊相連接，來實現(xiàn)其縱向的直線運動。切割噴頭的調(diào)整就是通過縱向移動部件來調(diào)整的，通過它來調(diào)切割噴頭的高度位置，并且還可以適應(yīng)不同高度零件的平面切割。具體結(jié)構(gòu)見部件圖和總體的裝配圖。機(jī)床的主要的技術(shù)參數(shù)如下：工作臺面的尺寸（長X寬） 2500mm1500mm工作臺的行程長度 （即X方向的行程） 2650mm機(jī)床的整體尺寸 長 3100mm 寬 1850mm 高 1900mmY向滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速范圍 0—2000r/ minZ向滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速范圍 0—2000r/ min快速移動的速度 10m/ min進(jìn)給速度的范圍 0—10m/ min Y向的行程 1550mmZ向的行程 300mm Y向伺服電機(jī)的功率 Z向伺服電機(jī)的功率 切割的最大厚度 20mm 由于機(jī)床的切割厚度不是太大，并且我所設(shè)計的機(jī)床只是進(jìn)行平面切割的需要，主要用于鋼板的切割，并且切割最大厚度為20mm。這次設(shè)計只是一次理論與實踐的結(jié)合，不需要設(shè)計太大的機(jī)床，考慮實用性和通用性的要求，因此，按上面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。