超高压水射流技术引领航空制造发展

【编者按】将普通的水通过加压蓄能的方法而获得200~400MPa及以上的高压再通过孔径为0.1~0.5mm的人造蓝宝石喷嘴喷射而产生 800~1000m/s的高速射流,运用这束高速水箭或再加入少量细砂对工件进行压射和运动而形成切割,其产生的温度最高在60℃以内,故可称之为"冷态切割技术"。

一、概述

将普通的水通过加压蓄能的方法而获得200~400MPa及以上的高压再通过孔径为0.1~0.5mm的人造蓝宝石喷嘴喷射而产生 800~1000m/s的高速射流，运用这束高速水箭或再加入少量细砂对工件进行压射和运动而形成切割，其产生的温度最高在60℃以内，故可称之为“冷态切割技术”。这项技术适用性广泛，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，例如铜、铝、塑料、木材、橡胶等七八十种材料和制品，可以代替硬质合金切槽刀具。并且可以按照任意角度切割，具有无热变形、切缝窄、精度高、切面光洁及绿色环保等优点。

在碳纤维、钛合金、铝合金、蜂窝结构及复合材料的成形加工中，水切割技术已经成为国际公认的最理想的加工方式。

二、水射流技术的发展动向

当今世界上，追求高质量、高精度、高效率的直接成形加工是各种切割及加工行业的发展动向，“水刀”切割机正是针对这种需求在技术应用领域中不断创新。

(1)高精度的“水刀”数控机床随着精密机床的精密零部件及技术等的出现，机床可以达到更高的位置精度、运动速度和方向间隙补偿，提高重复定位精度。分析机床几何误差产生的原因，再通过采用球杆测量仪和激光干涉仪等高精度测量器具检测机床几何精度，并建立误差映射表来给予精度修正，以此制造高精度机床。

(2)五轴控制技术实现斜度或垂直切割于1997年提出来的倾斜切割头的设想，目前国际上已有商用产品供应。这是解决切割斜度，提高加工精度最直接有效的方法。它的特点是在原有三轴平台X、Y、Z的基础上再增加两个旋转轴，使刀头向任何方向摆动，并利用在系统中预先设置的斜度模型，通过对切割轨迹的实时分析及计算，再考虑对被切工件的材料与厚度进行修正，在切割过程中不断摆动切割头，使得切割出来的工件达到完美的斜度或垂直(或角度)切割。

(3)六轴机器人“水刀”——空间曲线水切割系统“机器人水刀”运用灵活、方便、切割精度高。它分纯水切割系统和加砂切割系统两大类，可以切割任意空间曲线。目前，技术已趋成熟，并已广泛应用于汽车内饰件及空间曲线构件的切割。

(4)大功率超高压系统水射流能量越大，切割效果越好，所以水切割机的压力和输出流量成为影响切割能力的主要参数。据国外研究证明：当压力达到700MPa以上时，也可以用纯水切割薄钢板和较硬的复合材料(压力过低会降低切割边质量，尤其对复合材料，容易引起材料离层或起鳞)。但提高系统压力会带来许多难题，相比之下，增加系统的流量会容易一些。另外，在同等压力之下，加大射流的功率同样可提高切割能力，为此产生了多增压器并联技术，可以较方便地提高增压器的输出流量，采用大口径喷嘴进行切割，水射流有效切割能量更大，效果更好。

发展和采用上述新技术和新设备可以完成零件检测、导向、修边和钻孔等多种切割加工需求，可以省去采购多项设备，节省产品在多种设备上的流转流程，实现一次定位加工，提高了产品的加工精度和生产成本。

三、水射流技术在航空工业中的应用

随着航空工业以节能环保为起点的迅速发展，广泛采用新材料、新工艺、新结构，由此带来寻求制造的新方法。航空制造业是“水刀”的一个重点应用领域。

(1)飞机的外壳飞机外壳多采用钢、不锈钢、钛合金、铝合金及碳纤维材料制成，针对这种材质可以采用大型切割机，400MPa大功率高压系统、五轴控制切割头进行切割加工。

(2)机身、机翼、起落架等骨架结构件这些部件不但有高的强度要求，而且在满足强度要求的条件下，又需减轻自身重量，减少能耗，为此常用材料有合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金及碳纤维等。对从波音777和空中客车A380的尾部到波音7E7和F117的机翼;从喷气发动机的涡轮叶片到阿帕奇直升机，针对这些结构件可采用多功能水刀切割机，400MPa大功率高压系统，5轴切割头进行切割加工。

(3)通风系统通风系统的管道及联接法兰考虑常采用钛、铝合金及碳纤维制成，针对这种材质可采用400MPa中小功率高压系统，中小型切割机及通用切割头进行切割加工。

(4)内饰、座椅等这些部件多采用铝合金、工程塑料座支架承重。采用泡沫塑料为衬垫，用化纤织品、皮革、人造革为包皮，可采用机器人水刀(六轴控制)、400MPa中小功率高压系统，纯水切割头进行切割加工。

(5)飞机门窗以及内隔屏等它们都采用玻璃和夹胶玻璃制成。可采用中小型切割机、300~400MPa小功率高压系统，通用水切割头或水切割加工中心进行切割加工。

四、结语

国外已成功地用加砂水刀对复合材料进行钻孔和切割时无需进行表面剥离，并能够容易地和新式或者现有机器人和门架集成一起，可以为短期运行快速重新编程，快速更换或者取消机头、模板、导向器和手工修边。这样可使切割复合材料的速度更快，工具寿命更长，不产生灰尘，能更干净、更安全地提高生产效率。

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