超高压水射流切割机的基本类型有前混和后混之分。 前者工作压力低、能量利用率高 ,但 由于某些技术问题的限制 ,在产品中较少采用。 后混式由其压力产生的不同 ,又可以选择增压 式和直接加压式。前者通过活塞面积比的变化 ,使普通 30M Pa以内的油压泵站的压力 ,转换为 大于 ( 200～ 400) M Pa水压。另一种形式是通过三或五柱塞的往复泵使水的压力直接加压到预 定的范围。由于笔者对增压器有着长期使用及设计的实践经验 ,以及对其高压密封和缸体的强 度 ,寿命问题及相关技术的储备 ,因此 ,选用增压器型的超高压系统。 增压型的水切割机主要的特点是其低压缸动力来源于低压泵站 ,它可选标准产品供应和 配套。 使研制集中在超高压增压系统之中。 超高压水射流切割机中有关数控机床方面的问题 这里不作更多讨论。 增压器型超高压水切割机的高压发生器 ,主要由以下几个部分组成: 增压器、单向阀门、换 向器、高压储能器、高压接头和管路、高压测量系统和安全系统、以及水的预处理设备等。 切割 部分包括纯水或磨料切割头、高压快速阀门、磨料供给和控制系统等。

2. 1 超高压发生系统 超高压发生系统是超高压水射流切割机的核心。除结构设计和运行可靠性之外 ,解决问题 的关键集中在高压部件的疲劳寿命以及动态密封件的使用寿命上。 现结合各主要部件的结构 选择 ,讨论如何解决研制中出现的一些问题。

2 .1. 1 增压器 增压器是高压发生器中的核心 ,它主要由同轴大活塞和左右两个柱塞 (高压活塞 )及高、低 压缸体、连结件和密封件所组成。 其中的低压部分可采用现有的液压技术解决。 因此 ,其关键 技术在于高压缸体和密封方面的问题。 高压缸体具有足够的强度之外 ,还要求具有极高的使用寿命 ,如活塞运行频率为 40次 / 分 ,要求高压缸体工作寿命达到一年时 ,其疲劳寿命必需在数百万次以上。可以认为 ,在缸体尺 寸限制的条件下 ,工作压力达到 300M Pa,选用高强度合金钢 ,这些指标是难以达到的。开始的 寿命达三四百小时 ,由于对此问题重视不够 ,当材料某些指标有些波动时 ,缸体的寿命有时甚至仅有数十小时。通过在结构上及预处理技术改进后 ,使缸体寿命稳定在 800小时以上。由于 对应力的进一步分析和技术改进 ,其寿命又有成倍的提高。 高压动态密封是增压器的另一个关键技术。通常采用高、低压自动密封组合件完成的。其 中低压预密封是保持可靠工作的首要条件。 出于对可靠性的考虑 ,在开始选某些进口密封件。 但是还出现密封失效的例子 ,影响生产的连续性。 对破坏的低压密封件分析表明 ,它是因为高 温熔化而失效。 从水的压力 /温度状态图可知 ,在 200M Pa以上时 ,水的沸点远超过 100℃ ,因 此 ,塑料密封件的熔化并不足为奇。 采用新的材料重新设计此部分的低压密封 ,上述失效现象 得以根除 ,高压动密封达到正常持续工作的要求。

2.1. 2 换向系统 保证双相增压器的活塞能够有序的往复运动 ,必须保证在活塞向一个方向运动接近终点 之前 ,发出换向信号 ,使活塞向相反的方向运动。 由于运动的活塞完全处于油压和超高水压密 封的环境之下 ,通用的接触式或非接触式开关难以直接采用。目前国外增压器中所采用的换向 器结构有机械式、电触点式以及采用各种传感器的非接触式。实际上 ,机械式结构比较复杂 ,又 没有电气元件能直接推动换向先导阀而带动液动阀换向 ,使活塞完成循环动作。 实践表明 ,换 向器对推动位移和精度都非常敏感 ,因此 ,在加工、装配及调整时 ,有严格的要求。 电接触式易 受某些环境的影响 ,选择时应采取适当措施。 对于非接触式的换向器 ,要求专门设计其相应的 机构以产生换向信号。 在研制中 ,特别注意排除在换向时非换向工作腔中 ,油压脉冲产生误触 发信号的干扰。近期研究的新结构的非接触式换向器 ,克服上述液压脉冲的影响 ,结构简单 ,换 向位置调整方便并具有极高的可靠性。 它可以满足在各种环境下 ,长时间稳定工作的要求。

2. 1. 3 高压储能器 由于增压器的高压是活塞往复、间歇运动产生的 ,运动频率为每秒 30至 60次。 其产生压 力的波动不可避免 ,为使对切割过程不致产生不利影响。在高压管路中增加有一定容积的储能 器 ,平缓上述波动是非常必要的。储能器实为一高压容器。其容量的增大对其高质量切割有好 的影响。 但是容量过大也有不利的因素。 其一 ,是压力的增长有一定的滞后作用 ,其二是它将 带来体积和重量的增加。通过计算和相关的实验表明 ,在此产品中选用 ( 0. 5～ 1. 0)升容积的储 能器是合适的。由于选材及预处理手段 ,其强度和疲劳寿命有很大的提高。该储能器已运行了 3年多时间 ,仍能连续安全工作。 2. 1. 4 单向阀门 为保证低压水进入高压缸 ,加压后仅注入高压管路的单向运动。 在增压器式高压发生器 中 ,采用四支单向高压阀门是必要的。为保证这些阀门可靠工作 ,对它们的密封性能、开闭的灵 活性、工作寿命以及可维修性等方面都有严格的要求。 高压单向阀门常采用球形或是锥形阀 芯。通过总结 ,笔者对超高压阀门的研制、对比实验 ,在这里选用了平面密封阀芯。在结构设计 合理、工艺满足要求的情况下 ,此类密封阀门密封可靠性强、工作寿命长 ,又具有很好的可修复 性。 为实施维修以及工艺加工方便 ,笔者将单向阀门安装设为外置式 ,不同于国外一些产品将 其置于高压缸体的端部塞头内。此种结构的优点是结构紧凑 ,但由于偏心孔、侧孔、环行密封等 要求带来结构的复杂性 ,给加工及维修工作带来不便。 实践表明 ,外置式的平面单向阀门能够 保证长期稳定地工作。

2. 1. 5 高压管路 国内并没有可选用的不锈钢高压管路产品。 一般不锈钢强度不足。 在同钢管厂共同协作 下 ,研制成直径为 10mm和 6mm的厚壁高强度无缝不锈钢管。实验表明 ,它可以承受 450M Pa 以上的工作压力 ,接近国外同类产品水平。选用 6mm(或 7mm)钢管的主要目的是配合平面数 控机床的设计。由于 6mm钢管有足够挠性 ,它可以方便地实现切割头的运动。相对比 ,其占地 面积远小于床身或水槽移动方案。 2. 1. 6 高压测量系统和安全装置 高压测量、超压报警和卸压是水切割机的重要组成部分。 这里采用自行研制的增强型 500M Pa压力传感器以及配套的数字式压力显示和控制器。对比波登管式压力表 ,此系统主要 优点是压力显示稳定、精确 ,同时可以方便地控制超压报警和控制卸压。 为了防止超高压水切 割机的意外超压的危害 ,采用了自行研制的超压爆破管 ,它可以在预设的精确压力下发生作 用。即保证在压力超过预定值后迅速卸载 ,以保证设备和人员的安全。此两项技术均属笔者的 专利产品。 2. 1. 7 水回路及水处理 为了保证高压水路畅通及提高设备的效率 ,对输入切割机的水必需进行过滤预处理。有条 件应进行去离子处理 ,以便更好防止在水喷咀有水垢产生。 实践表明 ,进入增压器的水预先通 过 1μm左右的过滤器是合适的。为防止增压器系统内部新产生的颗粒碎屑可能对喷咀的损坏 和堵塞 ,在喷咀进水前 ,设置高压过滤器是非常必要的。为简化结构 ,笔者在高压储能器的出口 处增加过滤网 ,有着良好的效果。 适当提高进入高压缸体水的压力 ,对保证增压器正常工作和 提高效率非常有利。 国外设备一般要求在 0. 4M Pa以上 ,应用中选用 1. 5M Pa以上的前置泵 , 可以有更好的效果。 2. 2 高压水切割部分 切割部分作为高压水射流切割机的工作端。 以磨料水射流切割为例 ,它主要由磨料切割 头、快速阀门、供沙系统和磨料所组成。 磨料切割头是由高压水喷咀、磨料混合腔和磨料喷咀 (砂喷咀 )所组成。其中水喷咀的直径一般为 ( 0. 07～ 0. 3) mm左右。对于磨料水射流切割而言 , 其直径一般为 0. 25mm左右。磨料水喷嘴是切割部分的核心。目前 ,国外高压水切割装置已经 发展到第三代。 第三代为非调整式的 ,其主要特点是由各零件的精密工艺 ,保证水喷咀射流同 磨料喷咀中孔同心 ,以确保切割效率。它通常由 ( 5～ 7)个零件组成。安装后即可使用。通过实 践表明 ,在目前采用国产喷咀条件下 ,采用第二代可调式磨料水喷咀是比较方便的。 通过各种 多方案的对比和改进 ,新设计的磨料水切割头的质量仅 500g左右 ,调整水射流的时间一般不 超过 5分钟。 使用极为方便。 高压快速阀门对于打孔和封闭曲线切割 ,是不可少的高压部件。 通过方案的设计和改进 , 使其外形直径由原有的 130mm减小到 80mm。 目前 ,适宜水射流切割机的磨料有多种 ,通常采用天然石榴石 ,其粒度在 ( 40～ 80)目之间。 此种矿砂在我国有大量的储备 ,价格便宜又无污染。 它对于推广磨料水切割技术有重要意义。 不同的切割对象选不同的磨料 ,其中 ,应注意硬质磨料对喷嘴寿命的影响。

3 国产增压器型水切割机的主要特点 

研制成功的增压器式超高压水切割机产品的性能达到了美国 FLOW和 JET EGE两家公 司的 6XS— 40型和 42— 30型产品的基本性能。其最高工作压力为 300M Pa,流量为 2. 7 l /m , 电机功率为 22kw ,而其主要零部件的工作寿命接近国外产品的水平。 产品的全部零件可以做 到国产化 ,对比国外产品它还具有以下特点: 1) 具有超高寿命的高压缸体: 由于采用了结构优化设计 ,综合的预应力处理措施以及高 强、高韧性的钢材选择。合理的设计 ,使缸体的工作应力在疲劳的安全限之内。实践表明 ,新开 发的缸体工作寿命己超过 1500小时。 这为进一步提高工作压力奠定了基础。 2) 结构紧凑的高压储能器: 由于高强度材料、预处理技术、轴向应力的引入以及结构的 合理设计 ,产品的质量仅十余千克 ,不到进口该部件重量的八分之一。 3) 高压传感器 数字显示 /控制器: 它在测量精度、远距离监测以及压力控制方面远优于 机械式压力表。 而目前国外此类切割机中可能由于价格原因 ,仅少数产品采用此类系统。 4) 消除反向压力脉冲影响的非接触换向器: 新的方案中 ,在不加大弹簧尺寸 ,不采用时 间继电器的条件下 ,巧妙地解决消除反向压力脉冲影响问题。 结构及线路简单 ,工作可靠。 5) 产品的材料选择、零部件的加工及配套设备的选用 ,适合于国内的实际条件: 因此 ,它 易于国内批量生产和推广应用。

 4 推广高压水切割技术的展望 

由于“国内”水射流公司等水切割机产品的出现 ,改变了国外此类产品占领我国市场的局 面。 当前 ,不单是仅讨论高压水切割机的优点、前景等问题 ,而更要在产品性能提高、推广应用 以及社会化的保障体系等方面做更多的工作。 为此 ,应该进行多方面的努力: 1) 大力开展各类水切割机的理论和产品的研究工作 ,不但有增压器式 ,还应对往复柱塞 泵式以及前混式水射流切割机进行研究。 有针对性的解决其产品化的关键技术。 发挥各型水 射流技术的优势。 2) 加强产学研的结合 ,发挥各自优势 ,使水切割机产品达到国外新型水切割机的水平 , 并有所突破。研究部门在理论、实验和设计及开发力量上有明显的优势。但是 ,在生产、市场和 样机产品化方面产业部门更具有实力。 3) 完善超高压水切割机系统配套的研制和开发 ,形成社会化体系。 此外 ,在 数控机床、高压零部件、密封件和易损件的社会化生产也是极为重要。 它将带动一系列新兴的 产业 ,对促进水射流事业的发展和繁荣经济有积极作用。 4) 广泛宣传和扩展高压水切割机的应用领域。限于目前的价位较高 ,其应用仅限于装饰 行业和航空航天等部门。随着产品成本的降低 ,在各工业部门的推广应用以及各类切割服务部 门的成立 ,必将加速推进我国超高压水切割事业前进的步伐。