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1 引言

高壓水射流切割裝置簡(jiǎn)稱水刀，在我國(guó)華東、華南等地區(qū)利用水刀對(duì)石材進(jìn)行切割比較多目前國(guó)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(duì)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(guó)的廣泛推廣應(yīng)用。

結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)對(duì)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(jiǎn)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(tái)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(tái)、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(lái)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(guò)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(guò)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(zhǎng)大和渦漩配對(duì)，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(duì)噴嘴的磨損，延長(zhǎng)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(guò) Y 軸滑座在 Y 軸導(dǎo)軌上滑動(dòng)來(lái)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(jí)，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(zhǎng)大和渦漩配對(duì)，有利于促使磨料粒子向射流中心聚集，減少了磨料對(duì)噴嘴的磨損，延長(zhǎng)了噴嘴的壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

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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