鉴于水刀切割，特别是磨料水射流切割日益广泛应用，以及目前国内外在对水切割应用的认识上还有一定的差距，有必要向广大读者和国内同行介绍一些水切割技术的应用实例，以便开拓眼界、加速水切割应用在我国的普及和推广。

    1.工业切割的最初应用

    1971年9月15日，美国Mc Cartney Manufacturing Company（现属Ingersoll Rand公司）在Alton建立了第一套工业应用装置。设备由两个150mm行程的增压器、一个聚合物混合器、一个接收器和一个控制屏组成。供给喷嘴的水压为280MPa，流量为5.8L/min。切割头安装在一个垂直的支架上，以便相对于靶件表面上下移动。为了增强切割能力，装置中还包括一个聚合物混合系统。靶件为一个1. 25cm厚的卡纸管，在射流前面绕垂直轴线旋转。在最初的应用中，该装置主要用于家具业的外形切割上，在这方面的成功，显示了水切割应用于其他复杂切割环境和不同材料切割的潜力。

    水切割的第一种产品是厚纸管，在应用中所显示的优势又将其带人了其他工业领域。如切割瓦楞纸板，常规系统中使用机械刀具，切割速度受到了限制；此外，由于作用在工件上的力会在工件上留下压痕，当横切通过这些凹槽时就会产生妨碍，而在顺着凹槽切割时也会出现问题。当采用水射流切割时，以非常高的速度通过工件，消除了边缘的压痕，而且剩下的部分也不存在明显的水渗透。后来，Flow Industries也进入了纸板切割和其他应用市场，从而加速了水切割的应用和向其他切割领域的扩展，形成了水射流切割产业。

    2．二维平面切割

    平面切割主要是在金属或非金属平板上按一定的轮廓进行切割。下面给出几个应用实例。

   (1)印刷线路板的切割。印刷线路板的切割要求围绕预定的路线进行，而印刷线路板通常由若干层不同的材料组成，若工况参数选择不当，就会切割到不需切割的层面或引起印制板的分层而使工件报废。用水射流切割印刷线路板的优点是显著降低或消除了刀具磨损而引起的分层，或由于操作者的疲劳和冲击、弯曲、灰尘及其他原因引起的问题。在一台生产装置中采用X-Y切割工作台，用水射流进行切割，切割速度为3m．min-，射流压力为290MPa，喷嘴直径为o．23mm。在使用反渗透方法对水质进行处理的情况下，蓝宝石喷嘴的平均寿命为330h。

    (2)下料。在许多工业场合，需要从原材料平板上将零件或零件毛坯切割下来，这种情况下使用水射流系统有许多好处。由于其切缝非常细小，而且作用在工件上的力也非常小，易于在切割程序的控制下按一定的下料方式切割各种零件。由于切缝细小和将零件在原料板材上紧密排列，从而使得切割零件的数目达到最大，原材料的浪费最少。这方面的一个例子就是Trane公司在制造制冷和空调装置的过程中使用水射流加工密封材料氯丁橡胶。这种材料的原料尺寸为915mm×1220mm，厚度为9.6mm和19. 05mm。该公司应用了一套CalmaCAD/CAM系统在原材料母板上“套裁”加工零件，加工过程以三个步骤进行：绘制零件曲线、编制切割机械手的运动指令、显示“套裁”的结果和喷嘴怎样按这个切割轨迹运动。零件的要素保存在程序中，用来使排料最佳化。在实际运行中，程序可针对靶件的材料厚度和尺寸选择最有效的切割速度，也可对切割的长度和曲率进行分辨和调节，以保证切割时射流垂直贯通材料，免得在切割边缘产生斜坡现象。

    在生产中，除了切割氯丁橡胶外，装置还用来切割玻璃纤维和泡沫聚苯乙烯零件，大大提高了生产效率。如原手工制作一个泡沫聚苯乙烯零件需花费4. 16min，而采用水射流设备可在每4.16 min内切割14个零件。

    水切割用于下料的另一个例子比较了磨料水射流切割与冲压(diecutting)加工的优劣。对厚度为20—25mm的金属板材冲压零件，一般要求各零件相距大约125mm，因此在一块750mm×l58mm的原料上只能冲切6个零件。由于磨料水射流切割的狭窄切缝和较低反作用力，允许在原料上将相同的零件排列得更紧密一些，所以每块原料可切割13个零件。带来的优点有：减少了因冲模磨损而导致的模具更换时间和费用，减轻了工人的劳动强度；另外，平均每个零件减少了1. 6-3. 6kg的材料消耗，当原材料价格较高时，是一个不容忽视的问题。

    类似的水切割还广泛应用于服装裁剪、制鞋下料等，水射流切割和有效的排料在制鞋下料中能够节省多达18%的原材料。

    (3)玻璃切割。玻璃切割为水射流系统提供了许多新的用途，并使得雕塑和艺术品的创作进入了一个新天地。虽然多年来已经应用气体喷砂来进行某些细节的蚀刻和玻璃的毛化处理，但由于气体工作压力一般在0. 5MPa左右，因此作业速度显得太慢，对某些工业应用意义不大。而应用磨料水射流加工时，其射流具有切断所遇到的所有材料的能力，所以特别适合于切割复合材料，其中之一就是层叠玻璃。传统加工方法对两层玻璃中间夹一层塑料的安全玻璃的加工是首先用一个金刚石砂轮在表面上刻出切割槽，然后用冲击来切断，中间夹层材料的消耗量达30%，而用磨料水射流切过三层的不同材料却没有偏差，这个问题立刻得到解决。这样的复合材料在沿轮廓线切割后不影响材料的性能，特别在切割较厚的材料时优势更为突出。

    但是，在玻璃切割中需要注意玻璃的脆性，工件必须仔细支承，以避免由于支承面的不平整而在玻璃中产生弯曲应力，在切割点的周围其作用类似于一个应力集中点。当开始切割前在玻璃上穿孔时，由于“驻止射流”，有可能导致裂纹的产生和扩展。因此建议在可能穿透的条件下，所用的射流压力应为70～80MPa，直到穿孔完成前射流压力都不应升到实际的切割压力。这样，由压力引起的裂纹不会引起整块板的报废，而是在局部地方产生表面碎片，通过合理地安排切割路径则可避免其对加工成品性能和外观的影响。另外，当射流完全发散时会在切缝边缘形成不希望有的毛口，在切割工件时飞溅的磨粒可能划伤工件和对操作人员造成一定威胁，这些都必须加以注意和防范。

    对于某些为特殊用途而经过热处理产生预应力的玻璃材料需特别对待，由于预应力的影响，任何裂纹其末端都会产生足够大的应力集中，通常情况下这类材料会因裂纹而粉碎，所以基于此项原因现在还不推荐用射流切割类似材料。

    3．三维立体切割

    水切割的优势不仅表现在平面切割中，而且更突出地表现在三维立体工件的加工中。在控制技术和机器人技术的配合下，水切割喷嘴具有在立体空间进行复杂运动的能力，只需对机器人控制程序做相应的修改，就可以适应于不同零件的加工需要。三维磨料射流切割最初应用于航空工业。由于航空构件大并且广泛采用合成材料与特种合金材料，使得常规工艺难以满足加工要求，因此首先引入了超高压磨料射流切割系统。现在三维磨料射流切割系统已成为航空工业的标准切割工具。反映了波音777飞机生产中所应用的磨料射流三维切割装置的一些参数。

    航空工业所采用的三维磨料射流加工系统大多为大框架、价格昂贵的五轴机器人加工系统。随着磨料射流切割技术的成熟和可靠性、维护性的提高，其他工业对三维磨料射流切割的需求也日益增多，这就促使水射流切割设备生产厂家不断开发出低成本、高度自动化和高精度的三维磨料射流切割设备，以满足其他工业部门的需要。目前，欧洲及美、加、日等国家的三维磨料射流切割应用已相当广泛，遍布于航空、军工、汽车、机械等制造工业部门，以下就是几个实例。

    (1)汽车油箱罩的切割。在Adrian，Manufacturing Plant的Chevrolet发动机分厂，设置了10台机器人水切割装置，在两条生产线上加工和整修卡车的塑料油箱罩。加工过程为4. 95mm厚的聚乙烯罩成形后自动传送到打孔和修整工位。原来，这种零件需经过一条机械工具组成的生产线进行钻孔、修整边角，且由于油箱罩需分别安装于卡车的左边和右边，所以还需分成两类不同的部件。这样，需要对模具进行经常性的维护和更换磨损部件，需较大的生产空间。更换为水切割系统后，显著降低了对工作空间的要求。零件在成形冷却后固定在一个传送装置上，通过水射流工作台，在第一个工位，两个机器人A和B配备水射流喷嘴在罩体上切割内孔和沟槽；然后工件被传送至第二个工位进行边角修接并被分成两个独立的零件，这些都是由第二对机器人C和D完成的，它们每个绕工件切割大约3.5m长的路径，喷嘴以约12. 5mm的靶距、250mm．S的进给速度围绕工件运动；最后，第五个机器人E在工作台的尾部收集加工完的零件，并将其放入设置在生产线旁的转运箱内，切割过程产生的碎屑落人下面的传送器上送人废料箱内。

    一对油箱的总加工时间（包括所需的热成形时间）是64s，加工过程中的重复性优于±o．5mm。由于五台机器人一起工作，进行不同的零件加工过程，因此必须使它们排列得足够紧密，以使它们的运行区域相重叠。由于这个原因，必须在控制程序中写入安全保护语句，以保证机器人相互之间不会碰撞。

    在这种工况下，水射流工作压力为380MPa，喷嘴直径为0.2mm，流量IL/min，相对于位于工作台下方的喷嘴，配备了一个接收器，用以捕获水流和切屑。

    (2)蒸汽涡轮机零件的磨料射流加工。由于对高精度的要求，通常采用电火花加工蒸汽涡轮机导流叶栅，但这种方法存在的问题是加工速度缓慢和由于使用油液而存在火灾隐患。采用磨料射流加工则可避免这些问题，并可在水平位置上进行工件的三维曲面切割。专门开发用于此种加工的磨料射流设备。两个数控切割头相对而立以增加效率，工作中每个切割头可单独受控按五个轴(X、y、Z、A、B)运动。在两个切割头之间水平设置一个分度台提供额外的“C轴”转动，以调整工件的安装位置。加上“C轴”，则系统控制轴的总数达到了11个。由于严格的切割公差要求(大约为0. 1-0. 4mm)，在y轴和Z轴向需特别加强机器结构的刚性。A轴和B轴允许切割头旋转和摆动，以切割形状复杂的轮廓。

    加工实践表明，磨料射流切割此种复杂形状的三维曲面工件既达到了较高的加工速度，又保证了较高的加工精度。通过数控装置同步控制的两台五轴切割头，可根据工件的不同轮廓和加工要求采用不同的水刀切割速度。由于生效率的提高，大大节省了工时和人工费用，因此是取代电火花加工此类工件的理想工艺。