水刀專用辭典

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HyperPressure™指的是可傳送75,000 psi或是更高壓力的水刀幫浦。超高壓通常是40,000到75,000 psi 而以,而HyperPressure是75,000 psi 以上超高壓力。一般而言,標準壓力水刀設備是以55,000到60,000的超高壓運轉,而更先進的設備則是以94,000psi的額定壓力運轉。

完成的零件精度是加工錯誤(水刀)+機器錯誤 (XY速度、流暢度與路徑精確度)+工件穩定性(固定、平坦、同質性、溫度的穩定)的結合。

水射流並不是硬的,可於材料中彎曲與移動。水刀噴射流參數與非硬性的特性會影響零件精確性,像是水流滯後、V行切口斜邊、石榴砂流動率等。控制這些特性一直是水刀供應商多年來著重之處。

動態水刀® 會自動補償水流滯後以及切口斜邊,而可加快2到4倍的切割速度,完工零件誤差為千分之1到3英吋。

水刀切割刀頭是在水流通過寶石孔洞時,將水壓轉換成水流速度的地方

在加砂水刀切割中,切割刀頭也包含混砂室以及混砂管。有時您會聽到切割刀頭也包含開/關閥的說明。此閥就位於噴嘴的上方,並利用一些提升閥與閥座配置,讓操作人員或是CNC控制人員得以"啟動"與"停止"水刀的水流。

在水刀切割系統中,切割力量強度與您可於面積大小上施加多少能量有關。較高壓力上使用窄小的水流就表示水流會以更快的速度移動,比在低壓力/低速度行進的較寬水流,還具備更強的力量強度。

切縫被定義為切割的寬度,或是切割造成的溝縫或是裂縫。在加砂水刀切割中,切縫的寬度直接受混砂管的直徑影響。切縫大約會比混砂管道直徑大10%。

所以,使用0.030"混砂管時,切縫當然就會視0.033",切縫大小將隨著混砂管管徑因磨損增大而變大。而管徑會隨著使用時間每8小時增大0.001"。

水刀的纖細切割寬度是主要的優點,能完成錯綜複雜的細節。純水刀噴射流的範圍從0.003"到0.015",而加砂水刀噴射流則為0.015到0.070"(通常是0.040")。

在移動系統中,反饋系統提供刀頭位置以及可能流速的資訊反饋到CNC控制系統。告知機器哪些預定工作已經完成。

驅動器,馬達和反饋分辨率越高,水刀切割噴頭動作就越精確。反饋系統可為裝在馬達上的編碼器、以行進方向安裝在機器機架上的量尺或量秤,或其他方法。

由高速流動液體從大管流往小管時產生的真空。在加砂水刀切割中,文丘裡效應是透過純水射流通過較廣的混砂室,然後進入較窄的混砂管而產生的情形。

磨料因為文氏管效應而被拉入混砂室中,並如同來福槍中的子彈般的加速,或是像剛擊發的子彈,離開混砂管從而成立加砂水刀。

水刀幫浦中會有止回閥。它們是單向的通路,僅讓物體以單向通過,在此情形中是水。

舉例而言,低壓水通過普通的低壓水管流入幫浦中等候加壓。加壓完成後,就不會讓水經由低壓止回閥處離開,因為加壓後的水會立即讓低壓水管爆裂。相反的,另一端的止回閥會開啟好讓高壓水依循安全的路徑由高壓不鏽鋼管線離開,前往切割刀頭。

水刀分條設備可以迅速且有效的切割紙製產品。使用水刀分條設備能享有利潤以及成本的節省。水刀不會產生空氣微粒灰塵。無塵切割有助於提升您的工作環境、安全同時又可生產更高品質的產品。在許多面紙與毛巾的應用中,水刀分條設備可排除重新捲繞的需要,讓您節省下投資本設備的開銷。水刀分條設備可直接安裝在機器上,且切割邊緣的質量符合所有轉換作業所需的要求。

極度簡易的架設與操作,水刀切割冷切割程序可迅速生產小或大批量的零件,即使是困難的專案也沒有問題。水刀切割是一種超音速侵蝕程序。純水刀可切割使用刀具即可切割的材質,而加砂水刀可切割任何更堅硬的材質。

水刀切割,因為壓力增加,水射流的速度也會增加。

一旦噴水射流離開噴嘴時,就與速度有關。水射流通過噴嘴後,水射流中就沒有壓力。

在加砂水刀切割中,水射流越快,砂石的移動就越快,切割就越快,水射流直徑就越小,所需的砂石就越少。

加砂水刀(有時被稱為加砂噴射刀(abrasivejet))是水流加速砂石粒子,是這些粒子侵蝕材料的功能,而不是水。加砂水刀比純水水刀更為強大,並有能力切割堅硬的材質,像是:金屬、玻璃、石頭與複合材質:這些都是純水水刀無法切割的。採用標準參數的加砂水刀可以切割硬度與氧化鋁陶瓷(通常稱為氧化鋁,AD99.9)相當,甚至稍高於此硬度的材料。
 

加砂水刀屬性

  • 極多用途的加工能力
  • 無高溫影響區
  • 無機械性壓力
  • 無機械應力
  • 細緻水流(直徑0.020到0.050英寸)
  • 極度細緻的幾何圖形
  • 細薄材料切割
  • 12英吋厚以上的材料切割
  • 堆疊切割
  • 切割中損失的材料稀少
  • 易於固定
  • 低切割力量(切割時在1磅以下)
  • 一次水刀架設定幾乎可進行所有加砂水刀工作
  • 簡易的單一刀頭切換到多頭使用的程序
  • 迅速由純水刀切換成加砂水刀
  • 減少二次處理
  • 稀少或沒有毛邊

可編程軟體也被稱為CAM軟體(computer aided manufacturing,電腦輔助製造)。可編程軟體通常是在個人電腦上進行,雖然也可直接在機器上編寫程式。 程式編輯人員匯入先前已經建立的CAD藍圖成為.dxf或是.dwg檔類型(或是其他格式),或是於cam軟體套裝內建立新的範本。

程式編輯人員使用可編程軟體來增加必要的開始與停止的位置、行進方向、切割機補償以及行進速度。此檔案接著會傳送到切割零件時需使用的控制系統中。

因為其切割能力、一致性、成本、切割刀頭磨損率且無危險的特性,99%的水刀機具中使用石榴砂為主要磨料。目前水刀切割中使用的石榴石砂大小通常界於50目到220目 (50mesh ~220mesh)的範圍,最常見的是80目(80mesh)。網格數字越大,顆粒大小就越細。320目(320mesh) 是與灰塵的大小類似。

世界上有超過20%以上的水刀系統中使用的是直驅旋轉式幫浦。與以增壓式為導向的幫浦不同,它不具有液壓幫浦,電動馬達會利用三個方向旋轉一個曲軸以產生超高壓的水流。

純水水刀是最初始的水刀切割方法。第一次的商業應用是在1970年代初到中期,其中包含瓦楞紙板的切割。最大量使用純水刀切割使用是在拋棄式尿布、面紙、以及車輛內裝。在面紙與拋棄式紙尿布的應用中,水刀程序中產生的濕氣比接觸或呼氣所產生的還少。

純水水刀也可用於移除塗料,像是船舶油漆,若您有興趣了解更多的應用,請點選此處。.

純水水刀的優點

  • 纖細的水射流(直徑0.003到0.010英吋是常見的範圍)
  • 極度細緻的幾何圖形
  • 切割中損失的材料相當少
  • 非高溫切割
  • 可切割很厚的材料
  • 可切割很薄的材料
  • 通常可相當迅速的切割
  • 能夠切割柔軟、質輕的材料
  • (例如:24"厚的玻璃纖維絕緣材料)
  • 極低的切割力量
  • 只需簡易固定工具
  • 每天24小時的運轉

在水刀中,高壓配管安全的將加壓後的水流從高壓力幫浦泵輸送到切割刀頭間。配管可由外徑1/4吋、3/8吋、或是9/16吋、有彈性的不鏽鋼管線、T型管、彎管以及圓盤組成。HyperPressure™ 配管較一般的超高壓配管有不同的額定與設計。

動態水刀® 是取得專利的福祿技術,能夠提升切割速度達2到4倍,同時還能提供更佳的完工零件公差。

在水刀切割中,以高速切割零件時,噴射水流會產生兩個差錯: 水流滯後與切口斜邊。 水流滯後是水流離開切割零件上的入口點之後到出口點,水流延滯的情形。 切口斜邊是造成V字型切口。水流滯後與切口斜邊的問題都可透過降低速度(通常是最大切割速度的15到20%)的方法來減少,但無法完全排除。

為了進行高速切割,動態水刀會自動調整刀頭的角度朝向一側,這樣所有的切口斜邊會到裁切的一側,然後讓刀頭稍微傾斜以補償噴射流滯後。此切口斜邊與水流滯後補償功能會自動進行。操作人員或是程式編輯人員無需編寫角度的程式,控制系統會自行處理。所以可於切割刀頭於變更速度同時變更刀頭角度,以此協調轉角時能產生精確的角度與弧度。

在移動系統上,控制系統結合切割程式、速度以及水刀開/關指令,將其轉為電子系統可了解的語言。通常是CNC(電腦數值控制)控制系統、PC導向的控制系統或是使用兩種系統的混合系統。

若要進一步解釋;工程師或是設計師可以於AutoCAD®此類CAD(電腦輔助設計)程式中畫出一個需使用水刀切割的正方形。程式編輯人員(可能是同一人)接著就可以用.dxf 或是.dwg檔案類型取得這個方形藍圖,然後套用到CAM(電腦輔助製造)軟體套裝中。

在此處,程式編輯人員增加所需的水刀開始運作及停止位置、行進方向、切割機補償以及行進速度。此檔案接著就被傳送到操作人員(一樣,可能是同一人)於機器工具控制系統中開啟檔案位置的控制系統中,於目標材料上找到切割噴頭開始的位置,然後按下 "循環開始"的按鈕 即可切割部件。

控制系統接著將切割檔案轉為電子電流,從控制系統磁碟前往機器工具馬達及可讓機器四處移動。控制系統也會發射數位輸出信號來自動"啟動"或"停止"水流與加砂的動作。

於加砂水刀切割中使用,混砂管視切割刀頭中最後的零件。水壓於水流通過寶石噴嘴時被轉換成速度。

超音波水刀射流接著會進入混砂室,於此處利用文丘裡管效應將砂石加入噴頭中。然後水流與砂石經過混砂管成為水、砂石以及一些空氣的混合物才離開。

混砂管內徑的寬度從0.015"到0.070",長度約為1.5到6"。它具備內部入口錐體。最常見的混砂管是內徑0.040"然後4寸長,這種混砂管通常使用80目(80 mesh) 的石榴砂。 正常切割時,高品質材質 (奈米微粒的複合材質,使用相當少的黏合劑的硬質合金,用於產生最大的耐蝕性) 的混砂管每6-8小時的運作會磨損約0.001"直徑,也會有同心磨損的情形。

水刀產業在壓力水準的差異上有不同定義。超高壓是界於 40000psi (276 mpa) 到75000 psi(517mpa)。在水切割中,大多數的幫浦操作界在 55-60,000psi (379-412mpa)。

使用切割刀頭移動順暢且精確的水刀設備進行切割時,可以造成圓滑的邊緣。切割速度超過最大切割速度約50%時,通常會看到波紋出現在切割表面的底部。這些被稱為橫紋。過度區域是光滑面轉為橫紋的深度。在到最大切割速度的70%時,過渡區域會比60%的切割表面多。

緊急停止按鈕具有操作人員可以停止機器然後立即讓其處於安全、不具威脅模式狀態的功能。緊急停止按鈕一定是紅色且明顯的裝置。在水刀設備中,緊急停止按鈕將會停止切割程序與動作,而且連帶地,也將會關閉幫浦並疏散高壓管線的壓力。

線性增壓式幫浦是水刀切割中是過去傳統且最常用的加壓技術。增壓式幫浦利用"增壓原理"來加壓水流。

"增壓原理",或是比率,利用biscuit/活塞區域中的差異來加強或增加壓力。液壓油會被加壓,然後低壓的油料朝向biscuit推送,而其具有表面面積大於推擠水流的高壓柱塞表面面積的20倍。因此,壓力被"增壓"了20倍。例如:30,000 psi 的油壓將產生60,000 ps i的水壓,因為biscuit表面面積與活塞表面面積的比率為20:1。

CFRP指的是碳纖為強化塑料。碳纖維複合材料用於網球拍、高爾夫球棒以及現代化飛機。在本定義中,我們將以商用飛機為例。波音以及空中巴士複合材料機翼、翼粱、抗壓材、機尾區是採用比鋁更卓越的材料。但是使用傳統的銑削及旋轉切割工具加工複合材質會留下板層分離、微小碎裂、晶鬚以及纖維脫落的情形。使用水刀切割就不會出現這些問題。

現今質輕先進的複合材質可如鋼鐵一般硬且堅固,或如橡膠般有彈性,還可承受超音速飛行產生的壓力。讓這些材質如此強硬的相同特性也讓它們極難切割。複合材質技術繼續推出新型材料會讓傳統加工工法能力面臨極大挑戰。

直到最近,傳統的切割方法、鑽石或硬質合金銑刀或是雕刻機、帶鋸、截斷鋸以及砂輪都被用於切割這些非傳統的材質。因為先進複合材質的成分以及纖維導向,傳統切割方法會損及複合材質,會讓材質產生高溫,不然就是留下磨損或是板層分離的邊緣。此外,這些加工方法通常速度相當緩慢、常會留下板層分離以及需要昂貴再次加工的問題。

複合材質有許多種類。高溫引擎使用陶瓷纖維強化後的金屬(金屬基體複合材料)。一般而言,工程師會尋找方法降低重量,同時提供更高的強度、更大的彈性或是溫度的耐抗性。這些材質提供適應了生產功能,可使用福祿水刀上進行高速、精確以及材質完整的切割。

網孔數值, 目 (mesh) 不代表精確的粒子尺寸,而是指粒子大小的分布。80目(80 mesh)的意思是會比較80網孔或大或小的粒子。通常是讓砂石落在一連串的篩網中,以此判斷砂石大小。加砂水刀切割中通常使用的石榴砂大小是220目到50目 (220 mesh ~ 50 mesh),最常使用的是80目(80 mesh)。網孔數越大,粒子就越小。

若想締造純水射流,水壓就必須轉換成速度。這樣的轉換會在水流被推送通過寶石噴嘴時產生。藍寶石、紅寶石或鑽石噴嘴中的開孔大小從0.003"到0.020"不等(最常見是0.014")。孔洞越大就需要越多水量與馬力來維持壓力。

噴嘴孔洞大小不完全主宰最大水壓與否-僅有馬力與幫浦設計可決定最大壓力。

噴嘴孔洞有相當鋒利的邊緣,這樣水刀噴射流就會一致。粗糙或是圓形的噴嘴邊緣會產生紊流的水射流而造成預期外的棱角軌跡。有兩個主要原因會造成噴嘴破裂。首先,水中的鈣會在孔口積聚並脫落,造成瞬間噴嘴孔故障。 第二,孔口邊緣可能因為砂顆粒衝擊造成破裂或成為圓角。以水刀來說,噴嘴孔一般是好或壞的 - 逐漸退化是較少見的。在使用好的水質的情況下,藍寶石和紅寶石噴嘴可以持續40到200個小時,這取決於應用和壓力大小。鑽石噴嘴價格昂貴,約8至10倍,但可持續8至10倍較長的使用時間。

在移動系統中,驅動馬達會從CNC驅動放大器中取得+/-電流,以提供順時針或式逆時針的轉動。此轉動即可移動機器。