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超高壓水射流切割機的基本類型有前混和后混之分。 前者工作壓力低、能量利用率高 ,但 由于某些技術(shù)問題的限制 ,在產(chǎn)品中較少采用。 后混式由其壓力產(chǎn)生的不同 ,又可以選擇增壓 式和直接加壓式。前者通過活塞面積比的變化 ,使普通 30M Pa以內(nèi)的油壓泵站的壓力 ,轉(zhuǎn)換為 大于 ( 200～ 400) M Pa水壓。另一種形式是通過三或五柱塞的往復泵使水的壓力直接加壓到預 定的范圍。由于筆者對增壓器有著長期使用及設計的實踐經(jīng)驗 ,以及對其高壓密封和缸體的強 度 ,壽命問題及相關(guān)技術(shù)的儲備 ,因此 ,選用增壓器型的超高壓系統(tǒng)。 增壓型的水切割機主要的特點是其低壓缸動力來源于低壓泵站 ,它可選標準產(chǎn)品供應和 配套。 使研制集中在超高壓增壓系統(tǒng)之中。 超高壓水射流切割機中有關(guān)數(shù)控機床方面的問題 這里不作更多討論。 增壓器型超高壓水切割機的高壓發(fā)生器 ,主要由以下幾個部分組成: 增壓器、單向閥門、換 向器、高壓儲能器、高壓接頭和管路、高壓測量系統(tǒng)和安全系統(tǒng)、以及水的預處理設備等。 切割 部分包括純水或磨料切割頭、高壓快速閥門、磨料供給和控制系統(tǒng)等。

2. 1 超高壓發(fā)生系統(tǒng) 超高壓發(fā)生系統(tǒng)是超高壓水射流切割機的核心。除結(jié)構(gòu)設計和運行可靠性之外 ,解決問題 的關(guān)鍵集中在高壓部件的疲勞壽命以及動態(tài)密封件的使用壽命上。 現(xiàn)結(jié)合各主要部件的結(jié)構(gòu) 選擇 ,討論如何解決研制中出現(xiàn)的一些問題。

2 .1. 1 增壓器 增壓器是高壓發(fā)生器中的核心 ,它主要由同軸大活塞和左右兩個柱塞 (高壓活塞 )及高、低 壓缸體、連結(jié)件和密封件所組成。 其中的低壓部分可采用現(xiàn)有的液壓技術(shù)解決。 因此 ,其關(guān)鍵 技術(shù)在于高壓缸體和密封方面的問題。 高壓缸體具有足夠的強度之外 ,還要求具有的使用壽命 ,如活塞運行頻率為 40次 / 分 ,要求高壓缸體工作壽命達到一年時 ,其疲勞壽命必需在數(shù)百萬次以上。可以認為 ,在缸體尺 寸限制的條件下 ,工作壓力達到 300M Pa,選用高強度合金鋼 ,這些指標是難以達到的。開始的 壽命達三四百小時 ,由于對此問題重視不夠 ,當材料某些指標有些波動時 ,缸體的壽命有時甚至僅有數(shù)十小時。通過在結(jié)構(gòu)上及預處理技術(shù)改進后 ,使缸體壽命穩(wěn)定在 800小時以上。由于 對應力的進一步分析和技術(shù)改進 ,其壽命又有成倍的提高。 高壓動態(tài)密封是增壓器的另一個關(guān)鍵技術(shù)。通常采用高、低壓自動密封組合件完成的。其 中低壓預密封是保持可靠工作的首要條件。 出于對可靠性的考慮 ,在開始選某些進口密封件。 但是還出現(xiàn)密封失效的例子 ,影響生產(chǎn)的連續(xù)性。 對破壞的低壓密封件分析表明 ,它是因為高 溫熔化而失效。 從水的壓力 /溫度狀態(tài)圖可知 ,在 200M Pa以上時 ,水的沸點遠超過 100℃ ,因 此 ,塑料密封件的熔化并不足為奇。 采用新的材料重新設計此部分的低壓密封 ,上述失效現(xiàn)象 得以 ,高壓動密封達到正常持續(xù)工作的要求。

2.1. 2 換向系統(tǒng) 保證雙相增壓器的活塞能夠有序的往復運動 ,必須保證在活塞向一個方向運動接近終點 之前 ,發(fā)出換向信號 ,使活塞向相反的方向運動。 由于運動的活塞處于油壓和超高水壓密 封的環(huán)境之下 ,通用的接觸式或非接觸式開關(guān)難以直接采用。目前國外增壓器中所采用的換向 器結(jié)構(gòu)有機械式、電觸點式以及采用各種傳感器的非接觸式。實際上 ,機械式結(jié)構(gòu)比較復雜 ,又 沒有電氣元件能直接推動換向先導閥而帶動液動閥換向 ,使活塞完成循環(huán)動作。 實踐表明 ,換 向器對推動位移和精度都非常敏感 ,因此 ,在加工、裝配及調(diào)整時 ,有嚴格的要求。 電接觸式易 受某些環(huán)境的影響 ,選擇時應采取適當措施。 對于非接觸式的換向器 ,要求專門設計其相應的 機構(gòu)以產(chǎn)生換向信號。 在研制中 ,特別注意排除在換向時非換向工作腔中 ,油壓脈沖產(chǎn)生誤觸 發(fā)信號的干擾。近期研究的新結(jié)構(gòu)的非接觸式換向器 ,克服上述液壓脈沖的影響 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,換 向位置調(diào)整方便并具有的可靠性。 它可以滿足在各種環(huán)境下 ,長時間穩(wěn)定工作的要求。

2. 1. 3 高壓儲能器 由于增壓器的高壓是活塞往復、間歇運動產(chǎn)生的 ,運動頻率為每秒 30至 60次。 其產(chǎn)生壓 力的波動不可避免 ,為使對切割過程不致產(chǎn)生不利影響。在高壓管路中增加有一定容積的儲能 器 ,平緩上述波動是非常必要的。儲能器實為一高壓容器。其容量的增大對其高質(zhì)量切割有好 的影響。 但是容量過大也有不利的因素。 其一 ,是壓力的增長有一定的滯后作用 ,其二是它將 帶來體積和重量的增加。通過計算和相關(guān)的實驗表明 ,在此產(chǎn)品中選用 ( 0. 5～ 1. 0)升容積的儲 能器是合適的。由于選材及預處理手段 ,其強度和疲勞壽命有很大的提高。該儲能器已運行了 3年多時間 ,仍能連續(xù)安全工作。 2. 1. 4 單向閥門 為保證低壓水進入高壓缸 ,加壓后僅注入高壓管路的單向運動。 在增壓器式高壓發(fā)生器 中 ,采用四支單向高壓閥門是必要的。為保證這些閥門可靠工作 ,對它們的密封性能、開閉的靈 活性、工作壽命以及可維修性等方面都有嚴格的要求。 高壓單向閥門常采用球形或是錐形閥 芯。通過總結(jié) ,筆者對超高壓閥門的研制、對比實驗 ,在這里選用了平面密封閥芯。在結(jié)構(gòu)設計 合理、工藝滿足要求的情況下 ,此類密封閥門密封可靠性強、工作壽命長 ,又具有很好的可修復 性。 為實施維修以及工藝加工方便 ,筆者將單向閥門安裝設為外置式 ,不同于國外一些產(chǎn)品將 其置于高壓缸體的端部塞頭內(nèi)。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊 ,但由于偏心孔、側(cè)孔、環(huán)行密封等 要求帶來結(jié)構(gòu)的復雜性 ,給加工及維修工作帶來不便。 實踐表明 ,外置式的平面單向閥門能夠 保證長期穩(wěn)定地工作。

2. 1. 5 高壓管路 國內(nèi)并沒有可選用的不銹鋼高壓管路產(chǎn)品。 一般不銹鋼強度不足。 在同鋼管廠共同協(xié)作 下 ,研制成直徑為 10mm和 6mm的厚壁高強度無縫不銹鋼管。實驗表明 ,它可以承受 450M Pa 以上的工作壓力 ,接近國外同類產(chǎn)品水平。選用 6mm(或 7mm)鋼管的主要目的是配合平面數(shù) 控機床的設計。由于 6mm鋼管有足夠撓性 ,它可以方便地實現(xiàn)切割頭的運動。相對比 ,其占地 面積遠小于床身或水槽移動方案。 2. 1. 6 高壓測量系統(tǒng)和安全裝置 高壓測量、超壓報警和卸壓是水切割機的重要組成部分。 這里采用自行研制的增強型 500M Pa壓力傳感器以及配套的數(shù)字式壓力顯示和控制器。對比波登管式壓力表 ,此系統(tǒng)主要 優(yōu)點是壓力顯示穩(wěn)定、精確 ,同時可以方便地控制超壓報警和控制卸壓。 為了防止超高壓水切 割機的意外超壓的危害 ,采用了自行研制的超壓爆破管 ,它可以在預設的精確壓力下發(fā)生作 用。即保證在壓力超過預定值后迅速卸載 ,以保證設備和人員的安全。此兩項技術(shù)均屬筆者的 產(chǎn)品。 2. 1. 7 水回路及水處理 為了保證高壓水路暢通及提高設備的效率 ,對輸入切割機的水必需進行過濾預處理。有條 件應進行去離子處理 ,以便更好防止在水噴咀有水垢產(chǎn)生。 實踐表明 ,進入增壓器的水預先通 過 1μm左右的過濾器是合適的。為防止增壓器系統(tǒng)內(nèi)部新產(chǎn)生的顆粒碎屑可能對噴咀的損壞 和堵塞 ,在噴咀進水前 ,設置高壓過濾器是非常必要的。為簡化結(jié)構(gòu) ,筆者在高壓儲能器的出口 處增加過濾網(wǎng) ,有著良好的效果。 適當提高進入高壓缸體水的壓力 ,對保證增壓器正常工作和 提高效率非常有利。 國外設備一般要求在 0. 4M Pa以上 ,應用中選用 1. 5M Pa以上的前置泵 , 可以有更好的效果。 2. 2 高壓水切割部分 切割部分作為高壓水射流切割機的工作端。 以磨料水射流切割為例 ,它主要由磨料切割 頭、快速閥門、供沙系統(tǒng)和磨料所組成。 磨料切割頭是由高壓水噴咀、磨料混合腔和磨料噴咀 (砂噴咀 )所組成。其中水噴咀的直徑一般為 ( 0. 07～ 0. 3) mm左右。對于磨料水射流切割而言 , 其直徑一般為 0. 25mm左右。磨料水噴嘴是切割部分的核心。目前 ,國外高壓水切割裝置已經(jīng) 發(fā)展到第三代。 第三代為非調(diào)整式的 ,其主要特點是由各零件的精密工藝 ,保證水噴咀射流同 磨料噴咀中孔同心 ,以確保切割效率。它通常由 ( 5～ 7)個零件組成。安裝后即可使用。通過實 踐表明 ,在目前采用國產(chǎn)噴咀條件下 ,采用第二代可調(diào)式磨料水噴咀是比較方便的。 通過各種 多方案的對比和改進 ,新設計的磨料水切割頭的質(zhì)量僅 500g左右 ,調(diào)整水射流的時間一般不 超過 5分鐘。 使用極為方便。 高壓快速閥門對于打孔和封閉曲線切割 ,是不可少的高壓部件。 通過方案的設計和改進 , 使其外形直徑由原有的 130mm減小到 80mm。 目前 ,適宜水射流切割機的磨料有多種 ,通常采用天然石榴石 ,其粒度在 ( 40～ 80)目之間。 此種礦砂在我國有大量的儲備 ,價格便宜又無污染。 它對于推廣磨料水切割技術(shù)有重要意義。 不同的切割對象選不同的磨料 ,其中 ,應注意硬質(zhì)磨料對噴嘴壽命的影響。

3 國產(chǎn)增壓器型水切割機的主要特點 

研制成功的增壓器式超高壓水切割機產(chǎn)品的性能達到了美國 FLOW和 JET EGE兩家公 司的 6XS— 40型和 42— 30型產(chǎn)品的基本性能。其工作壓力為 300M Pa,流量為 2. 7 l /m , 電機功率為 22kw ,而其主要零部件的工作壽命接近國外產(chǎn)品的水平。 產(chǎn)品的全部零件可以做 到國產(chǎn)化 ,對比國外產(chǎn)品它還具有以下特點: 1) 具有超高壽命的高壓缸體: 由于采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計 ,綜合的預應力處理措施以及高 強、高韌性的鋼材選擇。合理的設計 ,使缸體的工作應力在疲勞的安全限之內(nèi)。實踐表明 ,新開 發(fā)的缸體工作壽命己超過 1500小時。 這為進一步提高工作壓力奠定了基礎。 2) 結(jié)構(gòu)緊湊的高壓儲能器: 由于高強度材料、預處理技術(shù)、軸向應力的引入以及結(jié)構(gòu)的 合理設計 ,產(chǎn)品的質(zhì)量僅十余千克 ,不到進口該部件重量的八分之一。 3) 高壓傳感器 數(shù)字顯示 /控制器: 它在測量精度、遠距離監(jiān)測以及壓力控制方面遠優(yōu)于 機械式壓力表。 而目前國外此類切割機中可能由于價格原因 ,僅少數(shù)產(chǎn)品采用此類系統(tǒng)。 4) 消除反向壓力脈沖影響的非接觸換向器: 新的方案中 ,在不加大彈簧尺寸 ,不采用時 間繼電器的條件下 ,巧妙地解決消除反向壓力脈沖影響問題。 結(jié)構(gòu)及線路簡單 ,工作可靠。 5) 產(chǎn)品的材料選擇、零部件的加工及配套設備的選用 ,適合于國內(nèi)的實際條件: 因此 ,它 易于國內(nèi)批量生產(chǎn)和推廣應用。

 4 推廣高壓水切割技術(shù)的展望 

由于“國內(nèi)"水射流公司等水切割機產(chǎn)品的出現(xiàn) ,改變了國外此類產(chǎn)品占領我國市場的局 面。 當前 ,不單是僅討論高壓水切割機的優(yōu)點、前景等問題 ,而更要在產(chǎn)品性能提高、推廣應用 以及社會化的保障體系等方面做更多的工作。 為此 ,應該進行多方面的努力: 1) 大力開展各類水切割機的理論和產(chǎn)品的研究工作 ,不但有增壓器式 ,還應對往復柱塞 泵式以及前混式水射流切割機進行研究。 有針對性的解決其產(chǎn)品化的關(guān)鍵技術(shù)。 發(fā)揮各型水 射流技術(shù)的優(yōu)勢。 2) 加強產(chǎn)學研的結(jié)合 ,發(fā)揮各自優(yōu)勢 ,使水切割機產(chǎn)品達到國外新型水切割機的水平 , 并有所突破。研究部門在理論、實驗和設計及開發(fā)力量上有明顯的優(yōu)勢。但是 ,在生產(chǎn)、市場和 樣機產(chǎn)品化方面產(chǎn)業(yè)部門更具有實力。 3) 完善超高壓水切割機系統(tǒng)配套的研制和開發(fā) ,形成社會化體系。 此外 ,在 數(shù)控機床、高壓零部件、密封件和易損件的社會化生產(chǎn)也是極為重要。 它將帶動一系列新興的 產(chǎn)業(yè) ,對促進水射流事業(yè)的發(fā)展和繁榮經(jīng)濟有積極作用。 4) 廣泛宣傳和擴展高壓水切割機的應用領域。限于目前的價位較高 ,其應用于裝飾 行業(yè)和航空航天等部門。隨著產(chǎn)品成本的降低 ,在各工業(yè)部門的推廣應用以及各類切割服務部 門的成立 ,必將加速推進我國超高壓水切割事業(yè)前進的步伐。