超高压水切割技术特点及在轨道交通下料中的应用

发布时间：2021-10-12

　　【摘要】超高压水切割作为一种新的切割工艺具有热切割不具有的优点，广泛运用于轨道交通铝合金下料，本文主要对高水压切割技术特点和工作原理进行了介绍，并结合轨道交通中铝合金下料，阐述了高水压切割技术。

　　关键字：高水压切割;铝合金;冷切割

　　在车辆制造过程中，下料是必不可少的环节，目前下料方式有剪切下料和切割下料。剪切下料主要使用于矩形等规则零件，形状稍复杂的零件用剪切下料的方法就难以满足，切割下料的方法能满足各种形状的零件下料。目前常用切割下料用火焰切割、精细等离子切割、线切割和激光切割。此切割方法属于热切割，它广泛运用于高熔点的金属配件的下料切割，而随着具有良好的加工性能，高耐腐性、高安全性、轻量化结构等众多优点的铝合金在铁道车辆中得到了广泛应用，热切割存在加工热影响区、热变形方面等的缺点，已经不能满足于轨道交通下料的要求，超高压水切割具有：①切割时不产生热量，板材无热影响区，变形小。②切割面光滑，下料后可不需进行机。③可切割非常复杂的几何形状。④切割精度高。⑤可切割金属与非金属任何材料等特点，广泛运用于轨道交通铝合金下料。本文主要对高水压切割技术特点和工作原理进行了介绍，并结合轨道交通中铝合金下料，阐述了高水压切割技术。

　　1.超高压水切割技术

　　超高压水切割又称水刀，它是将超高压水射流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平面切割机床，切割原理如图1所示。超高压水切割机(见图2)通过将水流的压力提升到足够高(200MPa以上)，使水流具有极大的动能，可以穿透化纤、木材、皮革、橡胶等，在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。

　　2.超高压水切割特点以及和其它热切割方面比较

　　与传统的“热”切割工艺相比，超高压水切割以水为切割介质，是一种“冷”切割工艺、它具有如下功能与优点：

　　(1)切割是无热变形，避免了材料的物理、化学变化。

　　(2)工件材料的广泛适应性。因为超高压水射流切割没有材料和切割尺度的约束，被誉为“全能切割机”。可用于各种软质与硬质材料、导电与非导电材料、金属与非金属材料、塑性与脆性材料、复合材料等切割加工。

　　(3)缺口光滑平整无毛刺，一般无需再加工。切割断面如图3所示。

　　(4)由数控系统操纵，切割精度高。

　　(5)切割缝小于1.2mm，便于套料切割，节约材料。

　　3.超高水压切割在轨道交通中的运用

　　轨道交通车辆的车体结构种类繁多，按所用材料可分为铝合金车体、不锈钢车体和碳钢车体等。在车体制造过程中，板材切割下料作为首道工序，其下料质量对后续车体焊接质量、焊接效率，乃至整车的生产效率都有着重要的影响。因此，根据公司目前产品特点，车体制造中铝合金、不锈钢和碳钢板材根据材质不同和精度要求不同选择的切割方式不同。

　　(1)不同的切割设备切割板厚的质量和性能分析在不同设备上切割普遍使用的材质为6005铝合金板。切割相同的工件的质量和性能如表1所示和表2所示

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　　从以上数据可以得出以下结论：①水切割机切割工件的质量最好。②等离子切割的工件必须进行加工才能达到标准要求。③激光只能切割t8mm以下铝合金。④对于眼孔多而且位置尺寸精度高的零件应用水切割进行切割下料。

　　(2)对轨道交通铝合金零件分析和制定合适的切割工艺铝合金车体的零件按零件所在的部位可以分为端侧、侧墙用零件、底架用零件。对于铝合金结构件，由于铝合金金焊接质量很难控制，铝合金件大多数采用铆接，这些零件为满足结构和组对需要展开料的形状比较复杂且零件的眼孔特别多，尺寸规格大，且成形的精度要求较高，如图4和图5所示的KM98煤炭漏斗车端板。激光切割机的能力限制根本无法完成以上工件的切割下料。如果用等离子下料，尺寸较小的眼孔无法完成，切割断面质量达不到要求，应该增加机械加工工序，而轮廓形状和眼孔形状复杂的大厚板件决定了要经过多道加工工序才能完成。而铝合金本身的容易粘刀性决定了加工的困难度和质量不稳定性。所以对这些零件有必要用水切割设备进行切割下料，一次性完成轮廓状和眼孔的加工。

　　4.超高压水切割的现状和研究方向

　　超高压水切割技术作为一种冷态切割技术，其各项切割指标都很优秀，唯一不足的就是切割效率不高，在实际使用过程中发现，在切割金属材料时，需在高压水中添加如细砂等磨料，不仅要求细砂粒度小，而且必须干燥，否则很容易堵塞.另外超高压水切割对于易消耗件要求高，必须定期更换，否则会影响切割质量;水切割机关键设备增压泵必须投入成本日常维护，否则将直接影响切割质量，这些都无形中增加了超高压水切割的切割成本。针对水切割技术在实际应用中存在的这些问题，近些年国内外已经有学者开始做了大量的研究，例如大功率超高压系统的研究，通过提高水切割机的压力和最大输出流量以提高切割能力;采用多增压器并联技术从而采用大口径喷嘴进行切割，可以在提高切割能力的同时降低喷嘴堵塞机率;多轴水切割技术自校正切割的研发，优化切割轨迹，切割过程中不断地摆动切割头，从而使切割出来的工件达到完美的无斜度状态。

　　5.结语

　　超高压水切割技术在飞机、船舶、轨道交通、汽车等制造业的各个领域中的应用还需我们不断地去探索、追求和创新，随着该技术的连步完善及其应用产品的日趋成熟，这种加工精度高、切面光洁、节能、节材、高教、绿色环保的新兴“冷切割技术”将为传统制造企业中大型、复杂结构的新型材料、复合材料的加工带来一场全新的工艺革命。——论文作者：张文