基于轴联动背景的水切割技术研究

杨瑜挺

摘 要：水切割技术在工业中应用的历史并不长，但其发展却非常迅速。在短短的几十年中，水切割已经用于非常多的材料加工中，成为切割加工中越来越流行的工艺。水切割虽然具有切割效率高、运行成本较低等优点，但在技术方面仍存在很多问题。基于此，文章通过研究国内使用水切割技术的领域，探讨水切割技术的研究背景，进而就水切割的发展现状及未来发展趋势进行分析。

关键词：水切割;轴联动加工;切割特性;发展趋势

中图分类号：TU63 文献标识码：A

1 轴联動下水切割技术研究背景及意义

1.1 轴联动下水切割技术背景

当今，高水压切割技术在不断地更新和完善，并开始广泛应用于各个领域。虽然我国的水切割技术设备在改革开放后取得了长远进步，但与德国、美国等发达工业国家相比，仍然存在较为明显的差距，主要体现在以下方面。

在轴联动下水切割技术领域，自主研发能力薄弱，自主生产力水平较低;国内轴联动水切割市场占额小，推广力度不够大;五轴联动下的水切割设备数控化程度整体较低;轴联动下水切割技术行业技术的规范性程度缺失，整体缺乏梯度性服务。高压数控水切割机床进行的水切割，是利用纯水或是加了颗粒材料的水去进行喷射，以产生动能对工件进行加工。高压水切割根据其组成，分为纯水切割和磨料水切割两大类。

纯水切割具有节能、卫生等特性，可用于切割乳胶等软加工材料[1-2];磨料水切割给水切割加入一些磨料，形成高压磨料水刀，以水为介质，使切割具有一定的冲击性，可以加大对工件的切割力度，因此其应用更加广泛，其可以对热敏感度高的钛合金、碳纤维等材料进行加工;水刀切割相比其他的切割方式，如线切割、切割锯切割、等离子切割等切割方式，有一些独特的优点：水切割是当今世界唯一一种冷态高能束加工方式。所以，其切割出来的东西没有任何的热损伤、热影响，这是其最大的优势所在。水切割在加工过程中，并没有使材料的化学性质发生改变，因此，丝毫不会影响到材料的物理性质，相当地稳定。水切割在切割过程中，能保持切割工件表面的清洁及完整性，而且其切割过程不发热、不冒烟，不产生烟雾和粉尘等[3]。

相对于由三个轴组成的三轴水切割系统，由于在水喷射出去时具有梯度的消耗性以及水的发散和汇集作用，导致其具有切割空间的局限性。当需要切割的面越深时，即切割面距离喷嘴越远时，水刀对工件的切割能力就会下降一定的程度，导致割出来的切割面并不垂直于工件的表面，产生一个倾斜程度。可以通过一些量的改变，如降低水切割时的速度或者提高水的能量，来降低水刀在进行切割时的偏斜程度。为了解决切割不垂直度的问题，五轴联动的水切割技术应运而生，除了X、Y、Z轴，还有一个旋转轴和一个摆动轴。通过刀具中心点控制的应用来实现水刀向任意方向的移动，这运用了RTCP技术（即“Rotational Tool Center Point”），即“旋转刀具中心”[4]。

从而使水切割产品能够无斜度切面或形成指定角度的切面。旋转轴可以指定为任意A轴、B轴或者C轴。其次，旋转轴顾名思义，是可以进行任意旋转的一个轴。摆动轴即是定义完一个旋转轴后，以剩下两个轴中的一个作为摆动轴。摆动轴顾名思义，就是像钟摆一样，只能在固定的角度内进行摆动，而不能像旋转轴那样进行任意旋转的一个轴。五轴联动加工具有高效能、高精准度的特点，五面体的加工只需一次的装夹即可完成。如果运用高档数控机床技术与之配合，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。

1.2 轴联动下水切割技术研究的意义

水射流切割技术在生活中应用广泛，其运用过程往往结合一些常用的算法，如遗传算法、神经网络算法、模糊算法等。目前，国内的轴联动技术相比国外，还是有非常大的差距。国外已经拥有五轴或六轴联动水切割技术，在高精度仪器的控制下，误差最多只有发丝般粗细，可见其精度之高。相比国外而言，国内的多轴联动水切割机床，由于起步晚、发展慢、工艺技术落后等原因，现今还是以三轴水切割数控机床为主流机床，对五轴联动水切割数控机床技术的开发及运用所见甚少。水切割技术作为一种高新技术，是切割领域一次新的革命[5]，有着等离子切割等切割方式无法比拟的优势：

切割材料范围很广;可以切割大多数材料，如易热变形的钛合金、碳纤维材料等。切口光滑平缓，不会产生毛刺感，以及梯度性加工误差等。

冷态加工：因为其采用水或磨料混合在一起切割，加工中不发热也不冒烟，能保持材料的性质不发生化学变化。与传统切割相比，具有更惊人的切割效果。

节能环保：用水作为工具，不仅成本低，而且还能节约资源。

无需更换刀具：不需要更换切割机装置，一个喷嘴就可以加工不同类型的材料和形状，节约成本和时间。

切割迅速，精确度高：水刀切割能力强，所以在移动时可以很迅速。除此以外，水刀的切口细，可以加工很精密的零件，精确度高。

若国内成功研制出五轴联动水切割数控机床，将有利于国产数控产业链系统的形成与发展。而且低成本、低耗能的方式，还能为环保事业做出一份贡献。五轴联动水切割技术减少了产品从设计到投产，直至生产出来的时间，提高了生产效率，能够有效控制废品率，提高劳动者的劳动创造能力，降低操作者的劳动强度[6]。并且，国际上把五轴联动技术作为衡量一个国家生产设备自动化技术水平的一个标志性里程碑。

2 轴联动下水切割技术发展现状及发展趋势

2.1 轴联动水刀切割技术国内外发展现状

五轴联动数控技术集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术为一体，可以应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。多轴联动水切割的高压水流具有极强的切割能力，其速度能达到声速的数倍。而且通过在其中添加砂子等磨料，可以使其切割能力倍增。水刀切割可以对任何材料进行任意曲线的一次性切割加工，而且在切割时不产生热量和有害物质，材料无热效应（冷态切割），切割后不需要或易于二次加工。

由于能量梯度的作用，激光、气体等离子、射流切割手段在切面越深时（距喷嘴越远），切割能力越差，因此所形成的切割面往往不垂直于工件表面，被称为切割斜度，这是所有切割手段的一个固有缺陷。虽然通过提高切割能量或降低切割速度，可以部分减小切割斜度，但依然存在不能完全垂直切割的问题。

1997年，可倾斜切割头想法诞生了。这应该是目前以来解决切割斜度，提高精准度最直接有效的方法。其原理是，通过在原先三轴平台的基础上再增加1个旋转轴和1个摆动轴，就可以使刀头可向任何方向摆动。并利用之前设计好的模型，通过对切割轨迹进行实时计算，再根据被切工件的材料与厚度进行修正，在切割过程中不断地摆动切割头，使得切割出来的工件达到完美的无斜度状态。这种技术被称作动态水刀切割技术。

1936年，水切割技术诞生，美国和前苏联工程师将水进行增压，形成高压水射流，利用高压能采煤、采矿;1950年，被称为水刀之父的Norman Franz博士成为研究超高压水刀切割工具的第一人，其将重物放到水柱上，利用很小的喷嘴使水流通过，因此获得了很短暂的高压水射流。低压水通过高压水泵的作用变为高压水，通过高压管从切割喷头射出来。因为需要高压射出，所以水刀的口径很小，水刀喷嘴一般是用高级硬质合金、宝石、金刚石等制成。水流喷出的速度是声速的几倍，这种高压水流具有极强的切割能力。动态水刀能以更快的速度切割出更高品质的切割面。动态水刀切割过程的核心是复杂的数学公式，如射流的偏斜、水箭中射入及射出位置的相对关系等变数。切割路径由数学模式计算得出，切口斜边可被消除。即使在高速下也可以产生完美的转角和弧线。1979年，Mohamed Hashish博士在普通水刀中添加礫砂料进行试验，发现可以大大加强水切割的切割能力，几乎可以切割任何的材料。到了1983年，产生了世界上第一套运用于商业化的加砂水刀切割系统，现在被用于玻璃的切割。

2.2 轴联动下水切割技术的发展趋势

近些年，国内水切割技术在吸收世界先进水切割技术经验的同时，努力学习和发展新技术，并将其应用于新的领域。五轴数控加工水切割技术由于涉及水刀在加工空间的位置控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。所以五轴联动水切割技术说起来容易，但在现实中要很好地操作运用，却相当困难。关于多轴联动水切割的发展方向，有以下几点：

需要提升国内基础性功能原件的开发能力，以满足多方面化发展的需求。

由于某些水切割将磨料与水混合来加工零件，致使其维修成本较高，需要运用创新思维来降低加工的成本，提升加工的质量与效率。

扩大加工的工艺范围，更为广泛地运用多轴联动水切割技术。

随着国家投入和民营资本的执着发展，多轴联动技术可能会创造出多头同时切割等创新技术。

参考文献

[1] 陈光明.数控超高压水射流切割技术的特点及其应用[J].机床与液压，2007，35（8）：64-68.

[2] 杨林，唐川林，张凤华.高压水射流技术的发展及应用[J].洗净技术，2004，2（1）：9-14.

[3] 陈波.超高压水切割机的现状与发展[J].航空制造技术，2009，06：66-68.

[4] 梁全，王永章.五轴数控系统RTCP和RPCP技术应用[J].组合机床与自动化加工技术，2008，02：62-65.

[5] 杨清文，廖振方，刘本立.磨料水射流切割技术及其应用前景展望[J].机械制造，1997（1）：41-43.

[6] 罗玲慧.数控线切割CAD/CAM集成系统的开发与研究[D].南宁：广西大学，2003.