高压水射流切割技术及在航空制造和维修中的应用

2016 NO.22

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

工 业 技 术

DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.22.056

高压水射流切割技术及在航空制造

和维修中的应用

金泉鹏

(中国人民93115 辽宁沈阳 110000)

摘 要:该文介绍了高压水射流切割技术的基本概念、工作原理、技术特点、同其他典型切割方法的技术比较以及这项技术的最新发展动向,并根据其技术特点和技术优势介绍了高压水射流切割技术在航空制造和维修领域的应用情况。关键词:高压水射流 切割技术 航空制造维修中图分类号:TG356

文献标识码:A

文章编号:1672-3791(2016)08(a)-0056-02

1 什么是高压水射流切割技术

高压水射流切割技术简称水切割(以下同),又称为水刀,即以水为刀。作为一种冷切割工艺,这项技术于20世纪70年代在美国发展起来,用以切割各类金属或非金属、塑性或脆性材料。随着现代装备制造业及数控技术的日新月异,水切割技术近年来也得到了飞速发展,并以其独有的优势在众多领域得到广泛的应用。1.1 工作原理

2.1 与激光切割比较

激光切割是一种非常先进的切割技术,其切割速度快、精度高,但局限性在于多用于薄钢板、部分非金属材料的切割,而且切割时在切缝处会引起热效应,对铝、铜等有色金属、合金切割效果不理想,对厚度较大的金属板材,切割速度慢,甚至无法切割。水切割几乎适用各种材料,切割厚度大,无热效应,基本没有激光切割的局限。但水切割的切割速度没有激光切割快。2.2 与等离子切割比较

等离子切割是利用高温等离子电弧进行切割,热效应明显,精度不高,切割过程产生大量有毒烟气,环保性差。属于冷态切割的水切割,不产生热变形,切割精度好,安全环保。2.3 与线切割比较

线切割属电加工范畴,对金属加工有很高的精度。缺点是只能切割导电的金属材料,且速度慢、效率低,有时需要提前在工件上打出工艺孔,用来穿丝,切割用的电极丝易断,而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料,切割速度快、效率高,加工尺寸可选余地大。

2.4 与其他传统切割方法比较

火焰切割常用于金属板材的切割,与水切割相比其热效应明显、切割表面质量和精度较差,一般需要二次加工;冲剪加工,效率高、速度快,一般适用于大批量的小件加工,缺点是需要特定的模具和刀具,而且很难或无法对厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形状、厚度、硬度等的影响,通用性更好。

.com.cn. All Rights Reserved.水切割是把普通的水经过发生器(增压系统)将压力提升到几

十至几百MPa,然后再通过内孔极小的束流喷嘴(直径约0.15～0.35mm)喷射形成每秒近千米的高速水射流,利用这种高速水射流的动能对工件的冲击破坏作用,达到切割成型的目的。1.2 技术特点

水切割技术主要有以下几个特点:(1)是真正的冷态切割。因为采用水和磨料切割,加工过程中基本不产生热效应,工件无受热变形,不会改变物理和化学性质,受热影响大的材料比如钛尤其适用。(2)可切割范围广。不论是金属还是非金属材料几乎都可以切割,如不锈钢、铜、铝、各种合金、陶瓷、玻璃、复合材料等,而且不受厚度。(3)切割精度高。切割面整齐平滑,不会在切割过程中使被切割物体有任何损伤,可以完成许多切割工具无法实现的切割作业;割缝极小,可以降低材料浪费率。(4)适应性好。生产效率高,切割可从工件上任意点开始,向任意方向进行,结合数控技术CNC可实现复杂形状工件的批量生产。而且一个喷嘴可以加工不同类型的材料和形状,无需更换刀具,节省了时间和成本,提高了生产效率。(5)安全性和环保性高。切割过程中不产生有毒烟雾,而且无火花、无热效应、振动小,是安全环保的切割工艺,特别适合有特殊要求的危险作业环境。

3 高压水射流切割技术的发展动向

3.1 “水切割”数控机床的出现,使加工的定位精度、切割速度和补偿间隙,都得到了极大的提高

(下转80页)

2 同其他切割方法的技术比较

同其他切割方法比较,水切割有着自身独特的优势。

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企 业 管 理

系,各矿井防范事故的能力得到进一步加强,为企业实现科学发展提供了可靠保障。

杜绝了偏远、难点地区的漏检现象,将以往检查的主观随意性变为强制规范性,谁发现隐患谁负责处理隐患,提高了点检人员责任感,对预防重大事故起到了重要作用。煤矿安全管理重点部位两级防控、两级点检制度运行近4年来,公司本部6对矿井共有近260个采掘工作面进行生产,原煤产量完成8000万t,进尺86万m,矿井安全质量标准化保持一级水平,精品工程覆盖率达%以上,杜绝了重大及以上事故的发生,2008年更是原煤生产零工亡,实现安全年,保障了职工的生命安全和身体健康,促进了企业科学发展。

6.2 建成了有效防范生产事故的安全管理体系

公司本部所属矿井通过实行重点部位两级防控、两级点检制度进一步完善了安全管理制度,形成了公司特色的安全管理体(上接56页)

通过采用高精度测量器具检测机床的几何精度,并给予精度修正,可以制造出高精度的水切割设备。

3.2 斜度切割由于五轴控制技术的出现而得以实现

原理是在原有X、Y、Z三轴平台的基础上,增加两个旋转轴,使喷嘴可向任意方向摆动,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

参考文献

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[2]王建国:煤矿生产系统危险源结构及煤矿事故预防[J].矿业安

全与环保,2008，35(1):85-88.

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的关键[J].矿业安全与环保,2011，38（1）：84-86.

[4]王培,李新春.危险源理论及煤矿事故危险源风险分析研究综

述[J].煤炭经济研究,2008（11）:76-79.

料制成,针对这些材质部件的制造,可以应用大型水切割机,采用大功率高压系统、五轴控制切割头进行切割加工。

(2)飞机内饰、座椅等部件多采用铝合金、工程塑料制作承重部分,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)、中小功率高压系统,纯水切割头进行切割加工。

(3)飞机门窗以及内隔屏等都采用玻璃和夹胶玻璃制成。可采用中小型切割机,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。

(4)在飞机结构战伤抢修领域,应用水切割技术可以快速切除损伤、变形的结构,并且获得光滑、美观、无损伤的边缘,为实施修复创造施工条件,节省宝贵时间。用在战伤抢修中可采用便携式水切割机和小型化的、可用于损伤部位的运动控制和执行系统。

(5)在飞机修理中,利用高压水切割的喷流清洗,是一种非常理想的表面涂层消除方法。对于飞机机体和结构部件 ,其表面喷涂了各种合金、陶瓷涂层,在对其表面重新加工前,必须清除原有涂层,相比传统磨削、浸酸等方法,用高压水射流清除,可控制清除深度、不损伤表面,而且大量节省修理时间。

.com.cn. All Rights Reserved.工件达到完美的斜度(或角度)。

3.3 六轴水切割即空间曲线水切割系统,俗称“机器人水刀”,具备更高的灵活性,而且切割精度更高,可以切割任意空间曲线

目前,这项技术已趋成熟,在空间曲线构件的加工上得到了广泛应用。

3.4 影响水切割切割能力的主要参数是压力和输出流量,水射流能量越大,切割效果越好

提高系统压力可以使切割能力得到增强,但同时会带来许多技术难题,相比之下,增加系统的流量会容易一些。另外,在压力不变的情况下,采用多增压器并联技术提高射流的功率,同样可使切割能力得到提高,增大喷嘴口径进行切割,水射流有效切割能量更大,效果更好。

5 结语

近年来,高压水射流切割技术不断成熟和发展,相关设备的国家标准已于2011年正式执行。随着技术创新的持续升级、应用领

4 高压水射流切割技术在航空制造和维修中的应用

随着航空工业的迅猛发展,各种新材料、新工艺、新结构得到广泛采用,因此迫切需要寻求制造和维修的新方法。对于飞机上各种合金材料和复合材料切割精度和切割时应有的热度等都有很高的要求。而水切割技术,以其切割精度高、适用材料广、切割厚度大以及特有的冷态切割不会产生热变形等优势,可以在航空制造和维修中得到广泛的应用。

(1)飞机的机身多采用钢、不锈钢、钛合金、铝合金及碳纤维材

域的进一步深入拓展、专业认知度的不断提高,高压水射流切割技术凭借其独有的优势,必将在各个行业,尤其在航空制造和维修领域发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]孙家骏.水射流切割技术[M].中国矿大出版社,2007.[2]黄业平.水切割技术回顾与展望[C]//中国机械工程学会机械

传动专业学会机构学专业委员会.2009.

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