创新的水喷射切割技术

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水喷射切割技术能够帮助模具制造商全面发展，大显身手。
长期以来，模具制造一直是美国制造业的一块基石。在最近几十年中，这种传统工艺已有了很大的发展，从使用手工钢锉来加工去除多余的材料，到依赖现代化技术的煤气加热炉对钢材进行热处理，以及采用计算机处理程序来达到完美的产品质量和顶级的生产效率。
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图1  由6061铝板切割成形的零件样品，切割加工的设备为EDM机床和水喷射切割机床。用水喷射切割机床加工比使用EDM机床节约了73%的时间
5 ]( F/ [- J; k21世纪的工具和模具可分为两大类型：传统型和创新型。每种类型可以根据其在工业上的应用前景而确定。传统型模具制造商属于老一代的工具和模具制造商，他们将主要精力集中在手工技术的应用方面，以完成他们的模具制造工作。创新型模具制造商属于新一代工具和模具制造商，他们将主要精力集中在整体工艺的改造，并依靠设备和软件完成工作任务。
3 |! i4 D( V0 @4 ?$ p- b& n现在，美国国内的模具工业面向全球市场开放，从而使这种传统的业务竞争变得更加残酷和激烈。工具和模具工业面临的惟一的最大的威胁是对创新变革的阻挠。正在发展中的业务还包括增添自动化设备、增加编程软件、提高流水化工艺和引进新的技术。
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( M4 S2 f/ W* s- @+ u' H2 x图2  美国国内的模具工业面向全球市场开放，从而使这种传统业务的竞争更加残酷和激烈
EDM的补充技术
& ?: y( V( b6 `6 O水喷射切割技术是EDM的一种补充技术，它已日益为人们所接受。对于模具制造商来说，水喷射切割机床的加工速度十分理想，适合于EDM精加工前的粗加工生产和散装材料的切削加工，有利于缩短生产时间。
+ Q" F1 G  ?3 M- W) E8 a0 b在模具制造业中，EDM是一种非常普通的加工方法。它应用于工件材料的切削加工，例如加工盲孔和模腔。EDM采用模糊逻辑技术，这种技术能适应加工条件中的各种微小变化，使工件达到微米级的表面质量。EDM加工技术使模具产品的水平有了巨大的提高，包括产品的精度、质量、产量和利润。
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图3  在模具制造业中，EDM加工技术是一种非常普通的加工方法
在模具制造工艺中通常使用的是 滑枕式EDM机床和EDM模具加工机床。这种非接触式的加工方法结合低压冲洗，可以加工截面很薄和高精度的零件。
对1in(1in=25.4mm)厚的钢制工件加工时，我们做了一项最新的研究，对EDM线切割机床的切削速度与水喷射切割技术的加工速度进行了比较。EDM机床的试验切割采用了直径0.012in的切割线，结果其切割速度为0.25in/min。采用水喷射切割机的试验切割表明，其切割速度可达到2.9in/min，要比EDM切割机的切割速度高出10倍以上（见表1）。
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1.理论基础
5 u) d8 `! @7 r2 j  i/ s1 R  K水喷射切割加工是利用高压水流，在水流中加入金刚砂磨料，然后向工件高速喷射，以切除工件上的多余材料。在水喷射切割过程中，不会产生热量，因此不存在使材料变形的风险。由于切割下来的多余材料是块状的，而不是切屑，因此可节约材料，切割下来的多余材料还可以有其他的用途。
3 q! h" c4 w7 e. b' z采用滑枕式EDM或EDM线切割机床进行粗加工会产生一个热影响区，材料会产生高热，但不会熔化。这个高温影响区会改变材料的性能。因此采用滑枕式EDM机床进行粗加工容易产生高能热量，增加材料的热变形风险，影响工件的最终质量。
7 {* n4 V/ ~8 O/ l; W$ v) n1 ?在水喷射切割加工过程中，当水流从喷嘴的小孔中向外喷射时，水流的精度会发生变化，影响工件壁面的平直度和表面质量。由于水喷射切割技术的加工速度相当快，因此不能保证其加工的边缘可以达到EDM机床的加工精度和公差尺寸。正是因为这个原因，这两种加工技术被看作是互补不足的一组技术。

图4  水喷射切割机床是目前市场上最通用的切割系统，为模具制造商创造了巨大的财富。实际上它可切割任何材料，包括玻璃、陶瓷、木材、石料、塑料和橡胶等
$ u3 q' U3 a/ P2.为模具制造业带来的利益
特别是对于模具制造商而言，凡是耗费时间和加工精度要求不高的工件，采用水喷射切割技术是对EDM加工技术的最好补充，而对工业中公差尺寸和精度要求较高的工件，则应采用EDM机床进行加工。
' x& s3 ^4 H9 f水喷射切割加工的应用范围远远超过人们所知道的基本应用领域，它为EDM加工带来了速度和灵活性。我们在一个1in厚、直径2in的零件上进行了另一次研究，其结果表明，采用水喷射切割进行粗加工比采用EDM机床节约了28%的时间（见表2）。
4 X- R! m# J1 ]4 ~9 ^/ `# w% Z6 H3.多样化的生产功能
2 ?# x5 B& v8 R; [! W6 T$ z7 h对模具工业而言，水喷射切割技术的多样化生产，其重要性并不亚于它的加工速度。在美国，企业的生产业务并不能得到保证，主要取决于其国内模具制造商是否能开发出特殊的工艺，或采用有助于他们生存的专门技术。水喷射切割技术可以使模具制造商从狭小的市场中分离出来，进一步扩大基础客户。

! n+ D5 G! G$ j1 {9 h图5  模具制造商应采用那些对市场具有刺激性的新产品和新工艺
+ y1 V* v. B7 Z7 q# g# R9 xEDM加工技术是一项专业化的加工工艺。它采用电火花侵蚀方法切割工件，但只能适合于导电材料的加工，例如石墨和金属。而水喷射切割机床是万能切割系统。它所能切割的材料范围极广，例如玻璃、陶瓷、木材、石料、塑料和橡胶等。
采用水喷射切割技术加工的零件边缘十分光滑和明亮，不会出现锯齿、金属渣或毛刺，不需要磨削或者其他精加工。水喷射切割不需要更换刀具或工件重新定位，可以节约相关的时间和费用。凡是在公差尺寸方面不需要采用EDM机床进一步加工的零件，采用水喷射切割技往往只需EDM加工时间的10％以下。
在购置一套新设备时，首先应该考虑到的一个问题是其ROI因素。对于水喷射切割技术而言，随着速度的不断提高，每英寸切割的平均费用将逐渐下降。因此，只有在最佳切割速度条件下，机床才能达到最高性能和利润率。当机床以最高的功率和尽可能快的速度工作时，与切削相关的整体费用（包括磨料、动力、供水和过滤器等）将处于最低状态。水喷射切割技术在模具加工车间中的应用主要在于其费用，它在车间中以增加产量和提高生产能力的形式体现出来。
) a2 F/ o- [) L) _# E9 n4 z, P模具制造商必须不断地寻求新的加工方法，以进一步提高他们的生产效率和能力。应用水喷射切割一类的新技术，不但能进一步提高模具制造商的效率，而且其多样化的生产能力将能刺激创造新的机会，为新的市场打开大门。【MechNet】
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