水刀切割的技术
在削减成本的努力中，工程师和制造部门始终需要寻找新的优势。水刀技术向您提供了多种独一无二的功能和优点。深入了解水刀技术，将使您有机会利用这些节省成本的切割设备。
除低成本切割外，水刀还被认为是世界上功能最多样、增长速度最快的加工技术。水刀在全球范围内广泛用于高产量应用。它与其它技术（铣床、雷射、EDM、等离子和刨床）相辅相成。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或机械变形。它是一种真正的多功能、高效率冷切割技术。
水刀已经证明自己可以完成其它技术无法处理的工作。从在石材、玻璃和金属上切割极薄的细节，在钛合金上快速钻孔，切割食品、直至对饮料和溶液进行杀菌消毒，水刀已经证明了它独一无二的价值。
水刀的历史
Norman Franz 博士一直被公认为水刀之父。他是研究超高压（UHP）水刀切割工具的第一人。超高压的定义是高于 30000 psi。Franz 博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。1950 年，Franz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。Franz 博士从没制造出一种量产的木材切割器。而今天木材切割却是超高压技术最不重要的应用之一。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量－这种能量的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。
1979 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。凭借这种方法，水刀（含有砂料）能够切割几乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。
水刀分类：水刀分为纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。
纯水水刀
纯水水刀是最早的水切割方法。第一次商业应用始于二十世纪七十年代中期，用于切割瓦楞纸板。纯水水刀最大的应用是切割抛弃式尿布、棉纸和汽车内饰件。对于棉纸和抛弃式尿布，与其它技术相比，水刀技术在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉纸工厂中，意外停机时间对其他切割技术而言非常普遍，代价超过每小时20000美元。而水刀则为这种应用提供全年不断的连续运行－维护操作可被纳入生产过程中。
纯水水刀的特点
非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸）非常详细的几何形状，非常少的材料，切割损失切割时不产生热量，切割厚度可以很大 也可切得很薄，切割速度快，能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料），极小的切削力，夹具简单，每天 24 小时的连续运行。
纯水水刀切割刀头
如前文所述，基本水刀流程包括水从帮浦流出、通过管道并从切割刀头输出。
在水刀切割中，材料去除过程可称为超音速侵蚀技术。除下材料微粒的不是压力，而是水流的速度。压力和速度是两种截然不同的能量形式。但帮浦的水压是如何转换成另外一种能量形式（即水速）的呢？答案是一块小巧的宝石。在管子的末端装有一块宝石。宝石中有一个很小的孔。高压水穿过这个细小的开口流出，从而把压力转化为速度。在大约 40000 psi 时，流出喷嘴的水流以 2 马赫的速度运动。在 60000 psi 下，其速度超过 3 马赫。
对于普通切割，纯水水刀喷嘴的直径范围为 0.004 到 0.010英寸。用牵引车来回移动喷嘴以冲刷混凝土时，常用的是单个大号喷嘴，最大直径 1/10 英寸。三种常用的喷嘴材料（蓝宝石、红宝石、钻石）各有其独特属性。蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料。它是人造单晶宝石。它的水流品质相当好；在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。在加砂水刀应用中，蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 1/2。通常情况下，蓝宝石的价格在 15 到 30 美元/块之间。
红宝石也可用于加砂水刀应用。其水流特性非常适合加砂水刀，但并不太适合纯水水刀切割。其成本与蓝宝石大致相同。钻石的使用寿命长得多 （800 到 2000 小时），但价格却要高10到20倍。钻石在需要每天 24 小时连续运行的情况下非常有用。与其它类型的喷嘴不同，有时可以对钻石进行超声波清洗，并重复使用。
加砂水刀
加砂水刀与纯水水刀只有几点不同。在纯水水刀中，由超音速水流侵蚀材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料颗粒，然后由这些颗粒（而非水）侵蚀材料。加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地。纯水水刀可切割软质材料，而加砂水刀则切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷。使用标准参数的加砂水刀能够切割硬度等于（甚至稍稍超过）氧化铝陶瓷（常常称作矾土，AD 99.9）的材料。我们将在下面介绍加砂水刀的特点，以及加砂水刀切割刀头的工作方式。
加砂水刀的特点
极为通用的技术 无HAZ 无机械应力 易于编程 水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸） 可切割非常复杂的几何形状 薄材料切割 10 英寸厚度切割 堆积切割 材料切割损失非常少 夹具简单 切割力小（切割时低于 1 磅） 对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次 可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头 可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀 减少了辅助操作 毛刺很少或无毛刺
加砂水刀切割刀头
每台加砂水刀都包括纯水水刀。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿刀管被加速，就像步枪子弹那样。加砂水刀切割所用的砂料是经专门筛选、大小一致的硬砂。最常用的砂料是石榴石。石榴石质硬、强度高并且便宜。像五金店中的粉红色砂纸一样，不同的大小用于不同的工作：20 Mesh－产生平滑的表面 80 Mesh－最常用，一般性用途 50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些 刀管就像步枪枪管那样加速砂料颗粒。类似喷嘴，刀管有许多不同的尺寸和使用寿命。刀管大约长 3 英寸, 直径 1/4 英寸；内径范围从 0.020 到 0.060 英寸，最常用的是 0.040 英寸。 尽管加砂水刀设备常常被视为操作简单的可靠设备，刀管需要得到操作员的关注。水刀技术的主要进展就是发明了寿命很长的刀管。不幸的是，长寿命刀管比以前的碳化钨管脆弱得多。如果切割刀头碰到了夹具、重物或目标材料，刀管有可能破裂。破裂的管子无法修复。目前，最先进的系统配有防碰撞探测装置，以保护刀管。 刀管与目标材料的间距通常为 0.010 到 0.200 英寸。间距较大时（大于 0.080 英寸）会导致零件切割边缘出现雾化。很多水刀系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。 加砂水刀切割中的耗材是水、砂料、喷嘴（通常是红宝石）以及刀管。砂料和刀管是加砂水刀所独有的材料。其它耗材也可用于纯水水刀。
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