超高壓水射流切割技術在城軌車輛制造中的應用

劉九高

摘要:文章介紹了超高壓水射流技術在工業上的應用,闡述了在城軌車輛鋁部件制造中超高壓水射流切割設備的選型,分析了水切割設備的使用成本,經過多年的生產實踐證明,超高壓水射流切割技術應用于城軌車輛鋁合金部件生產具有很強的現實意義。

關鍵詞:超高壓水射流切割;城軌車輛制造;成本分析;推廣應用。

中圖分類號:TG48文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)10-0074-02

1引 言

在國內城軌車輛需求日益增長的背景下,對國內從事城軌車輛制造的企業提出了更高的質量、進度要求和降低加工成本的要求,由于超高壓水射流切割技術具有很強加工工藝實用性,并且能夠降低加工成本和縮短生產周期,超高壓水射流切割技術在城軌車輛鋁合金部件生產中的應用應該大力推廣。

2超高壓水射流技術和應用簡介

超高壓水射流切割技術(下稱水切割),是一項近年來才興起的一種冷態切割新工藝。利用超高壓技術可以把普通的自來水加壓到250～400 MPa壓力,然后再通過孔徑約0.15～0.35 mm的寶石噴嘴噴射形成速度約為800～1000 m/s的高速射流,并在水箭中加入適量的磨料可用來切割所有的軟硬材料。由于切割實用性強,水射流切割技術在工業上的應用越來越普遍。

在機械制造中,可用來切割金屬和非金屬板材;在建筑業中,可用來切割大理石、花崗巖、陶瓷、玻璃、水泥構件等;在汽車制造業中,利用水射流切割可加工各種非金屬材料,如車用玻璃、汽車內裝飾板、儀表板、地毯、石棉剎車襯墊以及其它組件的成形切割;在航空制造業中,利用水射流切割可切割特種材料,如鈦合金、碳纖維復合材料、增強塑料等。

水射流和磨料射流切割技術還可在其它工業加工中應用,如在造紙業中用來加工成品瓦楞紙、紙卷等。在木材業中用來加工木板、膠合板等,在鑄造業中可用來去除鑄件表面的型砂,并可切割鑄件的澆冒口等。

另外,超高壓水射流技術也應用于食品加工和清洗作業中。

水切割技術應用于國內城軌車輛制造中是本世紀初開始的,特別是針對鋁合金材料的地鐵車輛配件加工,這些年來得到了較快的應用。

水切割是目前適用性最強的切割工藝方法。水切割技術與其它切割技術相比具有很多的優勢。

①可切割任意輪廓,具有很強的適用性?？梢詫θ魏尾牧线M行任意曲線的一次性切割加工;切割后一般不需要二次加工,特別是對于非直線輪廓的產品可以節省數控加工的費用;尤其在材料厚、硬度高等情況下,沖剪工藝將很難或無法實現,而用水切割方法則較為理想,而且不需要模具,制造周期大為縮短,對于產品試制非常實用。

②切割精度高。使用超高壓水切割可提供良好的切邊品質,所加工物料無裂縫、無毛邊、無浮渣,且切口小,切口平整,不產生熱效應、加工硬化和應力,切邊可以達到很高的精度。水切割不會產生熱變形,切割儲量的工件不會產生熱變形,這點對要求較高的屏柜生產很有用途。另外對有些材料激光切割不理想,如鋁、銅等有色金屬,由于有色金屬的熱反射影響,切割表面不理想,甚至切割困難,而水切割設備完全可以勝任。

③水切割投資相對較小,運行成本低,效率高,操作維修方便。在使用的成本方面,水切割比激光及火焰切割也有較大的優勢,激光切割和火焰切割屬于熱切割,輔助氣體在激光切割或激光穿孔都起著至關重要的作用,所以切割中需要使用大量氣體,激光發生器耗材也比較昂貴,水切割使用水和石榴砂混合切割,使用成本相對較低。

④水切割能很好地解決一些熔點高、合金、復合材料等特殊材料的切割加工。

⑤工作環境好、操作安全可靠。水刀切割是安全的,水刀噴嘴離被切割材料的距離大約2～3 mm,提高了操作人員的安全性;改善工作環境,操作環境整潔,切割時不會產生火花和有毒氣體。

⑥便于實現自動化控制,操作簡便。高壓水射流的工作機構具有噴頭體積很小、移動方便,可以與機器人結合,便于實現一機多能、自動化和數控化,操作方便,所有操作均可使用軟件控制,易懂易學,減輕工人勞動強度。

3超高壓水射流切割設備的選型

近年來,我國各大中城市對城軌車輛的需求日益增加,城軌車輛制造業方興未艾。由于鋁合金材料具有重量輕、強度高、導電導熱性好、耐蝕性好、易加工、可加工強化等特點,廣泛用于城軌車輛制造中。而鋁合金材料是高反射率材料,也是好的傳熱導體,激光切割很困難,能耗大,采購其它熱切割方法又容易使鋁合金配件產生熱變形,并且對異形件切割后大多需要進行機械加工,增加了加工成本和延長制造周期。因此,水切割用于城軌車鋁合金配件的切割加工是比較理想的選擇。

公司2003年啟動城軌車輛項目時就引進了高壓水射流切割技術,通過幾年時間的城軌車輛鋁合金配件的加工應用,目前已經穩定地用于城軌車輛鋁合金配件的批量生產中,取得了較大的經濟效益。

選擇水刀首先是了解供貨商提供的水刀的壓力檔次,特別是持續工作壓力,因為這是考評該水刀制造水平的硬指標;其次評估供貨商的售后服務能力及零配件供應渠道是否暢通;最后是考評所提供的臺面功能是否適合實際生產需要,以及控制操作是否方便且具有獨到之處。

若客戶加工的工件多為重復產品(同規格、同尺寸),建議采用雙刀作業;如客戶加工的工件為訂單式(每個工件的規格、尺寸都不同),建議投資單刀系統。當然,雙刀系統同樣可以在需要時只進行單刀作業。

至于采用多大馬力的主機,應該視乎客戶所切割的材質及厚度而定,一般來說馬力越大,越適合硬度高和厚的材料加工。相對同等材料,當然大馬力的主機可以實現更快的切割速度,從而使加工效率提升,單位工件的加工成本降低。所有這些,都應該綜合考慮投資和加工量來衡量,務求選擇最合適的投資方案。

通過綜合考慮,我公司選用FLOW公司的原裝50ch單頭水刀,幾年來的生產中注意保養和維護,到目前為止性能穩定。

4超高壓水射流切割設備的工作成本分析

為了測算水刀加工的成本,我們在后續的生產中進行了對比試驗。

以下的成本分析,采用了FLOW公司的FlowMaster智能型操作控制系統, 分析了使用FLOW公司提供的超高壓水切割機,切割鋁合金的切割時間和切割成本狀況。

①對比加工工件如下圖所示:

②選擇該圖形進行不同型號設備、不同材質、不同厚度的切割測試,比較同廠牌不同主機型號、不同廠牌型號設備的切割成本、切割速度等參數。該圖形實際尺寸約為長寬130 mm×40 mm,總路徑長度為817.773 mm,實際切割路徑為482.263 mm(虛線為空行程路徑)。

③切割對象:10 mm、25 mm、35 mm、45 mm鋁合金,切割速度選擇切斷速度的40%為實際切割速度,確保切邊品質平滑、無須再機加工的要求。

④用FlowMaster軟件設定超高壓主機參數,包括噴嘴、刀管直徑、壓力、加砂量等。

⑤采用以上參數切割(圖1)的工件,FlowMaster做出如下成本分析(注意:速度采用40%的切割速度)。

第一,成本和加工時間(顯示屏右邊參數)放大圖見圖2。

第二,以上4種厚度的5052鋁合金采用FlowMaseter軟件的模擬50馬力主機執行切割結果如表1:

第三,產品水切割成型與傳統機加工費用的比較(單位:元)。

5結 論

可見,水刀用于城軌車輛鋁合金板材零件加工,無熱變形,可以保證產品尺寸精度;切割一次成型,縮短了加工周期,提高了生產效率;由于加工工藝過程縮短,在一定的加工條件下,可以降低加工成本。然而,由于水刀水箭滯后及切口斜邊現象所造成的公差誤差,對于超過一定厚度或者精度要求很高的零件,使用水刀加工并不能達到最佳的效果。但目前城軌車輛鋁部件一般使用厚度小于40 mm的鋁板,而且多為結構件,完全可以滿足精度要求。因此目前在城軌車輛鋁部件加工中推廣使用水刀技術具有很強的現實意義。

參考文獻:

[1] 陳光明.超高壓水射流切割技術在食品加工中的應用[J].機床與液壓,2008,(10).

[2] 董慶華.超高壓水射流切割技術及其應用[J].焊接設備與材料焊,2001,12(6).