數(shù)控水刀裝置系統(tǒng)，可以廣泛地應(yīng)用于各種金屬和非金屬材料的切割加工，而且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械切割設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的特種曲線加工，特別是其人機(jī)交互性能良好、工作壓力和切割比能耗較低 整套系統(tǒng)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在石材切割加工方面具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。
1 引 言
高壓水射流切割裝置簡稱水刀，在我國華東、華南等地區(qū)利用水刀對石材進(jìn)行切割比較多目前國內(nèi)生產(chǎn)的水刀設(shè)備，都采用的是后混合式磨料水射流形式，所需工作壓力一般都在300MPa以上噴嘴磨損也較快，整套設(shè)備成本較高；而且，人機(jī)交互性能差，設(shè)備操作復(fù)雜，圖形處理比較困難，對操作人員素質(zhì)要求較高，從而限制了高壓水射流切割技術(shù)在我國的廣泛推廣應(yīng)用。
結(jié)合國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 經(jīng)過對固體磨料在振蕩流中的混合機(jī)理及脈沖磨料水射流的研究，發(fā)現(xiàn)磨料在脈沖狀態(tài)下的能量交換和加速效果明顯優(yōu)于一般磨料水射流，從而提高了切割能力和效率。本文將介紹作者研究的高壓水射流切割裝置系統(tǒng)多功能數(shù)控自激振蕩脈沖磨料水射流切割裝置系統(tǒng)(簡稱數(shù)控水刀)。
2 軟 硬件系統(tǒng)裝置
2.1硬件系統(tǒng)裝置
數(shù)控水刀系統(tǒng)裝置如圖1 所示，由脈沖噴嘴12、切割臺14、數(shù)控柜13、步進(jìn)電機(jī)10，11 和高壓磨料罐 9 、三缸柱塞泵3、溢流閥4、等主要部件以及壓力表5、混合室15、閥件6，7，8以及高壓軟管和管接頭等附屬配件組成。
其中，脈沖磨料噴嘴如圖 2 所示主要由上、下游噴嘴1,4和碰撞壁2、振蕩腔3組成。
數(shù)控柜由計(jì)算機(jī)一臺、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡、I/O卡、固態(tài)繼電器板、繼電器和控制面板等組成。
其工作原理如圖 1 所示，從高壓泵出來的高壓水流，一股通往磨料罐的上部；一股經(jīng)節(jié)流閥后流入磨料罐底部，使磨料流態(tài)化；以便注入到高壓水流管路中去；一股通往混合室。磨料在靜水壓力和自重的聯(lián)合作用下通過供料閥進(jìn)入混合室，經(jīng)節(jié)流閥流入混合室的高壓水流，在混合室與磨料充分混合后，經(jīng)管路至噴嘴內(nèi)的振蕩腔，在振蕩腔內(nèi)產(chǎn)生脈沖振蕩，由下游噴嘴噴出，形成脈沖磨料水射流。
通過在適當(dāng)振蕩頻率下進(jìn)行振蕩激勵(lì)，可有效地促進(jìn)射流剪切層渦環(huán)發(fā)育長大和渦漩配對，有利于促使磨料粒子向射流中心聚集，使得磨料粒子在射流束中心呈團(tuán)狀分布，既提高了沖蝕切割效果，降低了泵壓，又減少了磨料對噴嘴的磨損，延長了噴嘴的壽命。
X 軸和 Y 軸步進(jìn)電機(jī)、高壓水泵和閥等的操作由數(shù)控柜控制。噴嘴固定噴嘴架子上，X 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) X 軸絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿帶動(dòng)噴嘴架子在 X軸導(dǎo)軌上滑動(dòng)，而 X 軸導(dǎo)軌又固定在 Y 軸滑座上，通過 Y 軸滑座在 Y 軸導(dǎo)軌上滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)噴嘴架子的 Y向移動(dòng)。這樣，噴嘴就可以實(shí)現(xiàn)在二維平面內(nèi)沿任意指定的軌跡移動(dòng)，完成預(yù)先設(shè)計(jì)圖形的切割。
2.2 數(shù)控軟件系統(tǒng)
整套數(shù)控水刀軟件包括全繪編程、參數(shù)設(shè)置、矢量位圖、文件處理和幫助信息等幾大模塊。如圖3 所示、在全繪編程界面中，可以如AutoCAD軟件一樣方便地繪制所需的加工圖形，直接存儲(chǔ)為數(shù)控文件；并且不需要描點(diǎn) 掃描圖形也可以直接轉(zhuǎn)換成數(shù)控文件；也可以人工直接繪制形成數(shù)控文件。保存圖形后直接進(jìn)行控制切割走刀。
在切割之前，首先要設(shè)置好相關(guān)切割參數(shù)，如噴嘴直徑、工作壓力、磨料供給量(即磨料濃度)等，如圖 4 所示。
除了在該軟件界面中繪制加工的圖形外，還可以直接調(diào)用其他形式的圖形文件，如 CAD 圖形文件、掃描圖形文件、bmp 格式的圖形文件等。
該軟件還繼承了其他編輯軟件的優(yōu)點(diǎn)，具有方便的文件處理功能，可做常用文件處理，如編輯、復(fù)制、刪除、合并和打印等。除此之外該軟件還具備較完備的幫助信息，集成在系統(tǒng)信息模塊中。
3 試驗(yàn)研究
試驗(yàn)條件：系統(tǒng)壓力 p = 15 MPa，射流橫移速度v = 1.2 mm/s，上游噴嘴直徑d1=mm，d2/d1=1.4 磨料為 80#石英砂，磨料濃度為 22.5% ，靶距為 10 mm ，試件為厚 30 mm 的花崗石板，抗壓強(qiáng)度170MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖 5-8 所示。
從圖 5，6 中可知 脈沖磨料水射流的最大切割深度是前混合式磨料水射流 的 1.72 倍(L/d1=3 時(shí)) 當(dāng) 1.5 L/ d1 7 時(shí)，形成強(qiáng)烈的自激振蕩，磨料向射流中心聚集從而獲得良好的脈動(dòng)加速，能量傳輸效率得到較大提高，從而使得脈沖磨料水射流切割深度增大，比能耗降低。
從圖 7，8 中可看出，噴嘴的切割效果存在最優(yōu)靶距(S/d1 = 10)，在最優(yōu)靶距時(shí)脈沖磨料水射流
的切割深度是前混合式磨料水射流的 1.72 倍。同時(shí)在脈動(dòng)狀態(tài)下，也增大了射流的有效工作靶距范圍圖 9分別是試件為厚度 4 mm的有機(jī)玻璃和玻璃樣品、9 mm 的地板磚和 16 mm 的花崗石的切割樣品[8-11]。
采用自激振蕩脈沖磨料水射流形式 提高了沖蝕切割效果 本試驗(yàn)條件下 其最大切割深度是前混合式磨料水射流的 1.72 倍 大大降低了泵壓其所需的工作壓力比后混合式磨料水射流低了一個(gè)數(shù)量級，即還不到十分之一的泵壓就能達(dá)到同樣的切割效果；強(qiáng)烈的自激振蕩，可有效地促進(jìn)射流剪切層渦環(huán)發(fā)育長大和渦漩配對，有利于促使磨料粒子向射流中心聚集，減少了磨料對噴嘴的磨損，延長了噴嘴的壽命。
4 結(jié) 語
該數(shù)控水刀裝置系統(tǒng)，具有人機(jī)交互方便、工作壓力和切割比能耗較低、整套系統(tǒng)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械切割設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的二維平面內(nèi)的任意曲線加工，特別是在石材切割加工方面具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。
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