浅谈水切割机床的特点及其压力异常的处理方式

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-10-11 08:39 热度：

摘 要：摘 要 在化工设备生产制造中，水切割设备是以高压水为介质的一种常用下料设备，其在切割过程中不会使材料产生热变形，切口相对光滑平整并且无毛刺，符合可持续发展的加工技术

　　摘 要 在化工设备生产制造中，水切割设备是以高压水为介质的一种常用下料设备，其在切割过程中不会使材料产生热变形，切口相对光滑平整并且无毛刺，符合可持续发展的加工技术理念。对水切割设备的优点、工作原理进行了阐述，并重点对实际工作过程中遇到的故障进行了相关分析。

　　关键词 水切割机床 压力异常 故障分析

　　0 引言

　　水切割设备是以水为切割介质，以数控工作平台作为导向，将常压水增压后对各种材质进行切割的一种下料切割设备。设备工作时，将水压提高到指定压力(约为 200 MPa)并具有极高的动能，可以穿透常见的化纤、皮革、木材、橡胶等非金属材料 ;如果在高压水流中混入一定比例的石材磨料，则可以穿透其他较为坚硬的材料，比如陶瓷、玻璃、石材以及常见的金属等。将套料软件与数控技术结合，在指定的加工平台通过 CAD 制图软件绘图，凭借 Jet CAM 软件对图形进行分析，生成一定的 B 代码，可以在平台允许范围内对材料的任意位置进行切割，按 Jet CAM 软件设定的轨迹和适宜的速度进行移动，实现任意二维平面图形的切割加工。

　　1 水切割

　　1.1 水切割的特性和优点

　　传统的下料切割设备通常采用火焰切割、等离子切割等其他混合气体的切割，切割过程中会产生大量的热，使材料产生一定程度的热变形。与传统切割设备相比，水切割设备采用典型的冷切割工艺，其具有以下优点 ：

　　(1)切割时不会使材料产生热变形，避免材料在高温下发生物理、化学变化 ;

　　(2)不受材料种类的限制，能够对各种材料进行切割加工 ;

　　(3)切口光滑、并且无任何毛刺，一般不需要进行二次机械加工 ;

　　(4)可与数控系统结合，切割工序易操作、易控制，能够切割多种复杂图形，切割精度高 ;

　　(5)切割缝小于 1.5 mm，节省材料 ;

　　(6)切割过程中不会产生污染环境的废弃物，属于绿色切割工艺。对于传统方法难以切割的材料如易燃、易爆、易碎的非金属或金属的复合材料来说，水切割设备是更为理想的一种切割设备。

　　1.2 水切割的精度

　　通常来讲，数控水切割与数控火焰、数控等离子切割机床有同样的切割精度，作为一种下料切割机床，其并不是精密加工机械设备，所以不能标注精度。根据实际经验，通常切割厚度为 10 mm 以下的金属板料时，在切割速度和补偿控制得较好的情况下，切割误差可以小于 1 mm。

　　1.3 水切割的最大厚度

　　在水切割设备正常工作时，水射流的靶距是确定的，水切割的最大切割厚度通常由增压器来决定，增压比越大，切割厚度就越大。工业上常用的切割厚度一般小于 200 mm。大部分企业所用机床的切割厚度为 100 mm 左右，现有的数控水切割设备流量一般为 2 ～ 3 L/min，高压水的工作压力一般为 200 ～ 420 MPa，高压水射流经过空气时受到阻力作用，能量衰减相对较快，水射流射程达到 300 mm 时，其动能基本减弱为零，不再具备穿透力。

　　2 高压泵(高压发生器)的工作原理高压泵的基本工作原理如图 1 所示。

　　2.1 油路工作原理

　　水切割机床工作时，首先由电动机驱动变量油泵，将液压油从油箱中抽出。此时液压油被分成两路，一路接换向阀和压力表，换向阀可使增压器进行工作，提供一定压力的高压水，压力表则能够显示其工作油压;另一路液压油接溢流阀。当未按下水射流切割指令按钮时，从变量油泵送出来的液压油经换向阀、H型中位机与水冷却器，最后流回油箱。而当按下水射流指令操作按钮后，换向阀开始工作，液压油经换向阀进入增压器低压油腔的一端，推动油活塞向一方运动，与此同时油活塞另一边的液压油被推出低压油缸，流经冷却器和回油过滤器，最后流回油箱。当油活塞被推至油缸一边的末端并碰撞油缸内的换向顶杆，顶杆触发换向阀产生换向信号，使液压油从油缸的另一端进入;油活塞向另一边回程，至油缸末端时触发另一端的换向顶杆，油活塞再次回程。活塞连续不断地触发换向阀进行油路换向，最终形成增压器的往复运动，从而形成水切割设备所需的高压水。高压水流经蓄能器，当蓄能器的高压水压力高于设备切割设定压力时，溢流阀开始工作，部分油液进入泄压阀，泄压阀被打开，高压水经泄压阀泄压，以保证水切割设备的正常使用。

　　2.2 高压水工作原理

　　工业用水经过滤器过滤之后，由一定压力的水泵加压，具有一定压力的低压水进入增压器两端的高压缸内。随着油活塞的往复运动，高压缸的一端通过进水单向阀进水，而高压缸另一端的高压水被推出，经出水单向阀进入高压水管，最后进入高压蓄能器。

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　　不断往复动作，在两端的高压缸中交替进行，最后形成持续不断的高压水流。由于增压器存在换向周期，所以输出水流的压力会形成周期性的波动。因此在切割头前加入高压蓄能器，水流需经高压蓄能器进行稳压，最后通过高压管输送到切割喷嘴。在切割喷嘴上安装有孔径为 0.25~0.33 mm 的宝石喷嘴，高压水在宝石喷嘴的约束下形成了具有极大动能的高速“水射流”。为了提高切割效率和切割质量，通常在“水射流”中混合一定比例的石材磨料(比如石榴砂等)，最终形成高压磨料水射流，可以穿透常见的金属及合金材料。

　　2.3 高压水增压原理

　　根据能量守恒定律，在没有外界损耗的情况下，油压与水压所做的功相等。所以，油压乘以油缸的活塞横截面积理论上应等于水压乘以柱塞杆横截面积。所以，增压比为油活塞横截面积与高压柱塞杆横截面积之比，当增压器结构一定时，该比值即为固定值，而高压水的压力可以通过控制油压来改变。

　　3 压力异常情况

　　3.1 压力异常情况有分类机床压力异常的情况如下 ：

　　(1)高压系统启动时压力无法建立 ;

　　(2)系统启动时立即升为高压 ;

　　(3)系统升高压时压力无法开高 ;

　　(4)高压时刀头开水水压下降严重(34 473.8 kPa，即为 5 000 Psi);

　　(5)在切割过程中油压或水压压力突然下降后再恢复压力 ;

　　(6)在高压时刀头不开水，水压会下降后再恢复压力 ;

　　(7)高压时达不到预定压力。

　　3.2 压力异常情况处理方式

　　3.2.1 系统启动时水压或油压无法建立

　　(1)检查加压器，若其冲得很慢，则原因为 ：

　　a)高压管路或泻压阀漏水严重，或刀头出水量太大 ;

　　b)低压预设高速阀设定螺丝松动或偏移，使设定压力太小 ;

　　c)油压调压回路内漏 ;

　　d)油压系统压力补偿机构太脏或损坏 ;

　　e)油结冻或黏稠性太高或太脏 ;

　　f) 加压器传动机构弯曲或断裂或太脏 ;

　　g)加压器上之两个油压阀太脏，动作不顺畅或磨损 ;

　　h)加压器之油压缸内漏严重。

　　(2)加压器停在一边不动，且水压极低，油压正常时可能的原因为 ：

　　a)加压器传动机构弯曲或断裂或太脏 ;

　　b)加压器上之两个油压阀太脏，动作不顺畅或磨损。

　　(3)加压器流体速度很快时可能的原因为 ：

　　a)来源水压压力不足或流量不足，检查过滤水进入管路及滤芯 ;

　　b)加压器或过滤器内积空气 ;

　　c)泻压阀内漏或泻压油压电磁阀损坏 ;

　　d)高压管路漏水或刀头出水量太大 ;

　　e)逆止阀内漏严重，或开合太慢 ;

　　f) 高压密封圈损坏。

　　3.2.2 系统启动时压力立即升到高压

　　(1)压力控制讯号异常，检查电路图内之 Dual Pressure Control 讯号。

　　(2)若泵无 Dual Pressure 功能，则可能是因为压力设定过大或是压力调整阀内堵塞。

　　(3)压力控制油压电磁阀 Dual Pressure 损坏。

　　(4)压力调整阀堵塞。

　　3.2.3 低压与高压切换时压力无法上升

　　(1)若升压时加压器流体速度很慢，可参考 3.2.1 节第(1)项部分。

　　(2)若加压器流体速度很快，请参考 3.2.1 节第(3)项部分，唯一不同的是泻压油电磁阀与此无关。

　　(3)若升高压时仍在低压且毫无反应，则需检查压力控制 Dual Pressure 油压电磁阀是否不能切换或讯号仍保持在 ON 状态。

　　3.2.4 高压时刀头开水后水压下降严重(34 473.8 kPa，即为5 000 Psi)

　　(1)若加压器冲速度变快，则其原因为 ：

　　a)来源水压力或进水量不足，检查过滤心及水管 ;

　　b)刀头喷嘴损坏规格太大 ;

　　c)泻压阀内漏 ;

　　d)逆止阀内漏或开 / 合太慢 ;

　　e)高压密封圈漏水 ;

　　f)高压管路漏水。

　　当压力升高压，刀头不开水时，加压器仍左右冲水，则可判定其由 c)，d)，e)，f)项造成。

　　(2)加压器冲速度变化不大时的原因为 ：

　　a)可参考 3.2.1 节第(1)项 d)~h)5 个部分 ;

　　b)油泵内部磨损，效率下降。

　　3.2.5 在切割过程中油压或水压压力突然下降后再恢复压力

　　(1)压力(油 / 水)下降时短暂时间内若加压器液体流速很快的原因为 ：

　　a)逆止阀内漏水或有异物堵塞 ;

　　b)进水压力或水量轻微或短暂不足 ;

　　c)泻压阀短暂失效，检查泻压油电磁阀及其控制讯号。

　　(2)若加压器在压力下降时未变快甚至变慢，则其原因为 ：

　　a)油压压力不稳，检查油是否太脏或存在异物;

　　b)检查压力控制油电磁阀及其控制讯号是否误动作 ;

　　c)油泵异常。

　　3.2.6 在高压时刀头不开水，水压下降后再恢复可参考 3.2.5 节切割过程中压力短暂下降的原因。

　　3.2.7 高压升不到预定压力

　　(1)油黏稠性太高或太脏或结冻 ;

　　(2)加压器分流块上之油压极限控制阀设定太小或内漏 ;

　　(3)油压泵压力补偿机构太脏或损坏 ;

　　(4)油压力调整阀内漏 ;

　　(5)油泵磨损，效率下降。

　　4 结论

　　研究高压水射流切割的特性、优点、加工精度、工作原理、常见故障以及处理方式，可以提高水射流加工速度，改善加工精度，提升水射流设备可开动率，降低备件使用率，可为企业节能增效及推广应用奠定基础。——论文作者：张聪华* 黄生庆 朱朝利

文章名称：浅谈水切割机床的特点及其压力异常的处理方式

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