水刀的歷史

Norman Franz 博士一直被公認為水刀之父。他是研究超高壓（UHP）水刀切割工具的第一人。超高壓的定義是高于30000 psi。Franz 博士是一名林業工程師，他想尋找一種把大樹干切割成木材的新方法。1950 年，Franz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通過一個很小的噴嘴。他獲得了短暫的高壓射流（多次超過了現在使用的壓力），并能夠切割木頭和其它材料。他后來的研究涉及更為連續的水流，但他發現獲得連續高壓非常困難。同時，零件的壽命也以分鐘計算，而不是今天的數周或數月。

Franz 博士從沒制造出一種量產的木材切割器。而今天木材切割卻是超高壓技術最不重要的應用之一。但Franz 博士證明了高速會聚水流具有極大的切割能量－這種能量的應用遠遠超出了Franz 博士的夢想。

1979 年，Mohamed Hashish 博士在福祿研究室工作，開始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金屬和其它硬質材料。Hashish 博士被公認為加砂水刀之父，他發明了在普通水刀中添加砂料的方法。 他使用石榴石（砂紙上常用的一種材料）作為砂料。憑借這種方法，水刀（含有砂料）能夠切割幾乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金屬、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商業化的加砂水刀切割系統問世，被用于切割汽車玻璃。該技術的第一批用戶是航空航天工業，他們發現水刀是切割軍用飛機所用的不銹鋼、鈦和高強度輕型合成材料以及碳纖維復合材料的理想工具（現在已用于民用飛機）。從那以后，加砂水刀被許多其它工業采納，例如加工廠、石料、瓷磚、玻璃、噴氣發動機、建筑、核工業、船廠等等。

高壓水的產生

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基本技術既簡單又復雜。在最基本的情況下，水從泵流過，經過管道，然后從切割刀頭流出。其說明、操作和維護都很簡單。但是，這一過程包含非常復雜的材料技術和設計。為了生成和控制60000 psi 的水壓，需要書本上沒有的科學技術。在這種壓力下，如果設計不當，微小的泄漏有可能對工件造成永久的侵蝕性損害。幸運的是，水刀制造商采用了復雜的材料技術和先進工程設計。

從本質上講，有兩類水刀：（1）純水水刀和（2） 加砂水刀。設備設計為只能使用純水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。無論何種形式，必須首先對水加壓。

泵是水刀系統的核心成員。對水進行加壓并連續輸出水流，從而讓切割刀頭把高壓水變為超音速水射流。水刀應用可以采用兩種泵－增壓泵和直接驅動泵。

直接驅動泵的工作方式與在噴漆前沖洗房屋或甲板時所用的低壓“壓力清洗器”一樣。它是一種直接由電機驅動三個活塞產生運動的三級泵。因為其簡單可靠，這些泵得到了水刀工業的認可。直接驅動泵能夠提供的最大連續工作壓力比增壓泵低10％ 到 25％（直接驅動泵為20K 到50K 、增壓泵為40 K 到60K ）。

盡管直接驅動泵被用于某些工業應用，目前絕大多數用于水刀的超高壓泵還是增壓泵。

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普通增壓泵中有兩種流體管路，水管和液壓管。水管管路包括入口水過濾器、升壓泵、增壓器和減震器。用入口水過濾系統過濾普通自來水－通常包括一個1 微米濾筒和一個0.45 微米濾筒。然后把過濾后的水輸送給升壓泵，入口水壓在此大約是90psi－保證增壓器一定不能缺水。之后把過濾后的水輸送給增壓泵，壓力升高至60000 psi。在水離開泵并通過管道輸送給切割刀頭之前，會首先流經減震器。這個大容器緩沖了壓力波動，確保輸送給切割刀頭的水穩定、連貫。如果沒有減震器，將能夠看到并聽到水流脈動，在被切割材料上留下印記。

液壓管路包括電機（25 到200HP）、液壓泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由電機驅動液壓泵。液壓幫浦從油箱吸油，并把壓力升高至3000 psi。高壓油被輸送給歧管，由歧管閥門產生增壓器的沖程動作（通過把液壓油輸送給柱塞/活塞組件的一側或另一側）。增壓泵是一種往復式幫浦，即柱塞/活塞組件來回往復運動，當低壓水充滿一側時，在增壓泵的另外一側輸出高壓水。液壓油在返回油箱的過程中得到冷卻。
典型的增壓泵裝置。本裝置設計為獨立式，而非整合到運動設備中。

增壓泵體現了先進的幫浦技術。正如水管路的說明所描述的那樣，增壓泵把過濾后的自來水加壓到60000 psi。利用的是“增壓原理”。

復雜的止回閥保證低壓和高壓水只向一個方向流動。容納柱塞和活塞系統的高壓油缸和端蓋經過特殊設計，足以承受巨大的力和持久的疲勞。

增壓泵的故障排除工作相當簡單。泄水孔流出熱水表示高壓泄漏，冷水則表示低壓泄漏。在實際圖片中，紅色表示熱水或溫水水滴，藍色表示冷水。

兩種類型的水刀

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兩種水刀是指純水水刀和加砂水刀。二者均有經驗證的獨特性能。

純水水刀 純水水刀是最早的水切割方法。第一次商業應用始于二十世紀七十年代中期，用于切割瓦楞紙板。純水水刀最大的應用是切割拋棄式尿布、棉紙和汽車內飾件。對于棉紙和拋棄式尿布，與其它技術相比，水刀技術在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉紙工廠中，意外停機時間對其他切割技術而言非常普遍，代價超過每小時20000美元。而水刀則為這種應用提供全年不斷的連續運行－維護操作可被納入生產過程中。

純水水刀的特點

§非常細的水流（常見直徑范圍：0.004至0.010英寸）

§非常詳細的幾何形狀

§非常少的材料切割損失

§切割時不產生熱量

§切割厚度可以很大

§也可切得很薄

§切割速度快

§能夠切割軟、輕質材料（例如厚達24"的纖維玻璃絕緣材料）

§極小的切削力

§夾具簡單

§每天24 小時的連續運行

純水水刀切割刀頭

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如前文所述，基本水刀流程包括水從幫浦流出、通過管道并從切割刀頭輸出。

在水刀切割中，材料去除過程可稱為超音速侵蝕技術。除下材料微粒的不是壓力，而是水流的速度。壓力和速度是兩種截然不同的能量形式。但幫浦的水壓是如何轉換成另外一種能量形式（即水速）的呢？答案是一塊小巧的寶石。在管子的末端裝有一塊寶石。寶石中有一個很小的孔。高壓水穿過這個細小的開口流出，從而把壓力轉化為速度。

對于普通切割，純水水刀噴嘴的直徑范圍為0.004 到0.010英寸。用牽引車來回移動噴嘴以沖刷混凝土時，常用的是單個大號噴嘴，最大直徑1/10 英寸。

三種常用的噴嘴材料（藍寶石、紅寶石、鉆石）各有其獨特屬性。藍寶石是現在最常用的噴嘴材料。它是人造單晶寶石。它的水流品質相當好；在好的水質條件下大約有50到100小時的切割壽命。在加砂水刀應用中，藍寶石的壽命是純水水刀應用的1/2。紅寶石也可用于加砂水刀應用。其水流特性非常適合加砂水刀，但并不太適合純水水刀切割。其成本與藍寶石大致相同。

鉆石的使用壽命長得多 （800 到2000 小時），但價格卻要高10到20倍。鉆石在需要每天24 小時連續運行的情況下非常有用。與其它類型的噴嘴不同，有時可以對鉆石進行超聲波清洗，并重復使用。

加砂水刀窗體頂端

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加砂水刀與純水水刀只有幾點不同。在純水水刀中，由超音速水流侵蝕材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料顆粒，然后由這些顆粒（而非水）侵蝕材料。加砂水刀的能力比純水水刀強大成百上千倍。純水水刀和加砂水刀都有其用武之地。純水水刀可切割軟質材料，而加砂水刀則切割硬質材料，如鋼材、石材、復合材料和陶瓷。使用標準參數的加砂水刀能夠切割硬度等于氧化鋁陶瓷的材料。

加砂水刀的特點

·極為通用的技術

·無機械應力

·易于編程

·水流細（直徑0.020 到0.050 英寸）

·可切割非常復雜的幾何形狀

·薄材料切割

·10 英寸厚度切割

·堆積切割

·材料切割損失非常少

·夾具簡單

·切割力?。ㄇ懈顣r低于1 磅）

·對幾乎所有加砂水刀作業都只需設置一次

·可方便地從單切割刀頭切換到多切割刀頭

·可快捷地從純水水刀切換為加砂水刀

·減少了輔助操作

·毛刺很少或無毛刺

加砂水刀切割刀頭

每臺加砂水刀都包括純水水刀。生成純水射流后加入砂料。然后砂料顆粒沿刀管被加速，就像步槍子彈那樣。

刀管就像步槍槍管那樣加速砂料顆粒。類似噴嘴，刀管有許多不同的尺寸和使用壽命。刀管大約長3 英寸, 直徑1/4 英寸；內徑范圍從 0.020 到0.060 英寸，最常用的是0.040 英寸。

盡管加砂水刀設備常常被視為操作簡單的可靠設備，刀管需要得到操作員的關注。水刀技術的主要進展就是發明了壽命很長的刀管。不幸的是，長壽命刀管比以前的碳化鎢管脆弱得多。如果切割刀頭碰到了夾具、重物或目標材料，刀管有可能破裂。破裂的管子無法修復。目前，最先進的系統配有防碰撞探測裝置，以保護刀管。

加砂水刀切割中的耗材是水、砂料、噴嘴（通常是紅寶石）以及刀管。砂料和刀管是加砂水刀所獨有的材料。其它耗材也可用于純水水刀。