一种水射流加工装置的制作方法

本发明涉及水射流技术领域，特别是涉及一种水射流加工装置。

背景技术：

超高压水射流加工应用最早起源于上世纪50年代末期的欧美，应用于林业木材的切割，直至上世纪80年代，在超高压水射流中混入磨料使水射流具有了极大的切割能量，将超高压水射流加工工艺推广至切割金属和其他硬质材料。该技术的第一批用户是航空航天工业，因为它是切割军用飞机所用不锈钢、钛和高强度轻型合成材料的理想工具。此后，添加磨料的超高压水射流加工方法被广泛应用于石料、大理石、玻璃、喷气发动机、工业钢板、汽车材料和航空材料等加工。

目前，我国的超高压水射流加工从业厂商大都属于小微企业，其主流产品为工作压力300MPa左右，标称压力大都在300～380MPa，工作流量在2.5～3.0L/min，机组功率15～22kW。虽然我国的超高压水切割主机的研制已经具备了一定的技术水平，但在高端产品上，仍然存在复合材料精密切割需求量大、特种耐高温材料难加工等突出问题，亟待提高超高压水射流加工工艺，提升我国高参数超高压水切割机主机的水平。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水射流加工装置，攻克了复合材料精密切割需求量大、特种耐高温材料难加工等突出问题，提高超高压水射流加工精度，具有十分明显的先进性和重要性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种水射流加工装置，所述水射流加工装置包括：供压系统、传动系统、喷射系统、加工平台以及六轴数控系统；所述供压系统、所述传动系统分别与所述喷射系统连接，所述喷射系统安装在所述加工平台上，所述六轴数控系统控制所述传动系统。

可选的，所述供压系统包括超高压增压器，用于产生水射流加工动力；其中，所述超高压增压器，通过结合超高压承压材料元素含量与材料性能的关系，建立双增压器并联运行模型，然后采用数值模拟方法，分析所述喷射系统的磨损量曲线得到的。

可选的，所述传动系统为六轴五联动传输系统；其中，所述六轴五联动传输系统包括AB轴传输系统和AC轴传输系统；所述AB轴传输系统和AC轴传输系统分别安装谐波减速器，用于提高水切割构件时的受力均衡和运行可靠。

可选的，所述喷射系统，包括所述喷射系统包括混砂腔、喷嘴以及定量连续供给系统；所述定量连续供给系统是将磨料定量、连续的供给所述混砂腔；所述混砂腔将高压水与所述磨料混合后形成混合液。

可选的，所述喷射系统还包括传输管，所述传输管的入口与所述混砂腔的出口连通，所述传输管的出口与所述喷嘴连通，所述混砂腔以中等压力将所述混合液从所述混砂腔的出口射入所述传输管内，形成中心水射流。

可选的，所述加工平台包括水切割平台以及浮动点阵柔性装夹托架系统；所述浮动点阵柔性装夹托架系统安装所述水切割平台上。

可选的，所述浮动点阵柔性装夹托架系统包括支架和控制器；所述支架按照一定的间距矩阵布置在所述水切割平台上，所述支架的顶部安装真空吸杯子；所述控制器，用于控制所述支架进行浮动、转动以及摆动运动。

可选的，所述六轴数控系统，用于控制所述传动系统，按照一定要求，切割所需构件。

可选的，所述水射流加工装置还包括，水处理装置和废液回收装置；所述水处理装置，用于前期阶段，对水质进行过滤处理和软化处理。

可选的，所述废液回收装置包括C型接桶装置和组合式废液回收装置；所述C型接桶装置，用于承接磨料废屑；所述组合式废液回收装置，用于水切割废液的回收。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种水射流加工装置，包括供压系统、传动系统、喷射系统、加工平台以及六轴数控系统；供压系统、传动系统分别与与喷射系统连接，喷射系统安装在加工平台上，六轴数控系统控制传动系统。本发明提供的水射流加工装置实现了集成铣削、钻孔、磨削等多功能于一体的六轴五联动超高压水射流加工装置，解决超硬陶瓷基复合材料的加工问题，提升高端制造业先进制造水平，提升高参数超高压水切割机主机的水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的水射流加工装置简单结构示意图；

图2为本发明实施例的水射流加工装置全部结构示意图；

图3为本发明实施例的超高压水射流密封结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种水射流加工装置，该装置是结合超高压水射流加工技术与六轴五联动数控机床技术，开展先进材料多功能超高压水射流加工技术及高档数控加工中心设计制造技术，通过500MPa超高压水射流主机系统(供压系统)、六轴五联动高精度多功能水射流加工平台(加工平台)、六轴五联动水射流加工精密测量装置与误差自动补偿调控装置(六轴数控系统)等，实现集成铣削、钻孔、抛光等多功能于一体的六轴五联动超高压水射流加工装置，优化纤维增强复合、碳陶基超硬材料等复合材料超高压水射流加工工艺，解决高端制造业先进材料精密加工与可加工的技术难题，提升高端制造业先进制造水平。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为水射流加工装置简单结构示意图，如图1所示，水射流加工装置包括：供压系统101、传动系统102、喷射系统103、加工平台104以及六轴数控系统105；供压系统101、传动系统102分别与喷射系统103连接，喷射系统103安装在加工平台104上，六轴数控系统105控制传动系统102。

下面，通过图2详细介绍下水射流加工装置，如图2所示，

供压系统101包括超高压增压器201，用于产生水射流加工动力。

其中，超高压增压器201，通过结合超高压承压材料元素含量与材料性能的关系，建立双增压器并联运行模型，然后采用数值模拟方法，分析所述喷射系统的磨损量曲线得到的。

所述传动系统102为六轴五联动传输系统；其中，所述六轴五联动传输系统包括AB轴传输系统202和AC轴传输系统203；所述AB轴传输系统202和AC轴传输系统203分别安装谐波减速器，用于提高水切割构件时的受力均衡和运行可靠。

喷射系统103，包括所述喷射系统包括混砂腔204、喷嘴205以及定量连续供给系统206；定量连续供给系统206是将磨料定量、连续的供给混砂腔204；混砂腔204将高压水与所述磨料混合后形成混合液。

喷射系统103还包括传输管207，传输管207的入口与混砂腔206的出口连通，传输管207的出口与喷嘴205连通，混砂腔204以中等压力将混合液从混砂腔204的出口射入传输管207内，形成中心水射流。

加工平台104包括水切割平台208以及浮动点阵柔性装夹托架系统209；浮动点阵柔性装夹托架系统209安装所述水切割平台208上。

浮动点阵柔性装夹托架系统209包括支架210和控制器211；支架210按照一定的间距矩阵布置在所述水切割平台208上，支架210的顶部安装真空吸杯子；控制器211，用于控制支架210进行浮动、转动以及摆动运动。

六轴数控系统105，用于控制传动系统102，按照技术要求，切割所需加工件。

水射流加工装置还包括，水处理装置106和废液回收装置107；水处理装置106，用于对水质进行过滤处理和软化处理。

废液回收装置107包括C型接桶装置和组合式废液回收装置；所述C型接桶装置，用于承接磨料废屑；所述组合式废液回收装置，用于水切割废液的回收。

本发明提供的一种水射流加工装置，具体包括：

首先获取500MPa的超高压增压器201。获取500MPa超高压增压器的方法是通过建立双增压器并联运行模型，然后采用数值模拟方法，分析系统流量曲线并以工程试验验证，并根据现有的超高压承压材料元素含量与材料性能的关系，实现了突破500MPa增压器超高压缸体等承压元件材料处理技术。

其次，以国家标准“超高压水切割机GB/T26136-2010”中超高压易损件运行指标为目标，开展500MPa超高压增压器易损件的可靠性研究，分析溢流阀组和进出水阀组的材料、结构及热处理工艺对零部件运行寿命的影响，对增压器柱塞的耐磨性进行深入研究与工程试验，确保高参数增压器运行的可靠性。

再者，着重研究500MPa增压器超高压密封设计，如图3所示，研究超高压静密封材料及加工精度对静密封效果和寿命的影响，通过新型密封材料配方、超高往复密封结构以及往复密封润滑与冷却机理的研究，开发出高耐磨性、低变形率、高可靠性的超高压往复密封，研究分析压力、流量及柱塞线速度对超高压往复密封的影响。

喷嘴205为水喷嘴，本发明研究水喷嘴及混砂腔204的耐磨性对喷嘴205使用寿命的影响，针对传统水切割头由于磨料喷嘴与水喷嘴是两次安装于刀头而导致水喷嘴与磨料喷嘴对中性差的不足，研究一体化新型水切割头，即本发明通过传输管207的入口与混砂腔206的出口连通，传输管207的出口与喷嘴205连通，实现水喷嘴和磨料喷嘴一次性对中总成安装，提高磨料喷嘴的使用寿命和磨料射流质量。针对多功能水射流加工需求，设计水射流切割、铣槽、钻孔、抛光等多种水切割头满足各种加工应用。

同时，还可以针对铣削、钻孔、抛光等不同的水射流加工功能需求，调整供压系统101压力，设计出水射流铣削、钻孔、抛光等专用水射流加工水刀头。

本发明还研究磨料的定量、连续供给以及磨料自身粒径、硬度对磨料供给输送的影响，开展不同加工材料的磨料供量的研究，针对传统的水切割机组的磨料靠射流产生负压进入混和腔的不足，开发出一套磨料定量、连续、稳定的供给系统-定量连续供给系统206，解决传统磨料供给受工作压力、磨料喷嘴磨损等不可控因素影响的问题。

本发明通过分析水质杂质颗粒和水质成份对供压系统101的影响，研发集过滤与软化于一体的水处理装置106，实现对水质过滤处理和软化处理。

针对连续磨料水射流作业产生相当磨料与水的混合液，本发明还提供了混合液分离回收利用系统-废液回收装置107，解决传统超高压水射流加工作业清理混合液工作繁重的缺陷。具体地，为了避免水射流加工产生的废液对加工工件和环境的影响，研究大型构件水切割平台和多功能水射流加工平台的废液收集措施，本发明提供了分别开发C型接桶装置和组合式废液回收装置，实现了承接磨料废屑和水切割废液的可靠回收。

本发明还针对大型曲面构件，要求大型曲面构件间完整“无缝”对接的要求，开展六轴水射流加工平台运动机构研究，实现射流中心线始终保持为加工件曲面的法线，确保实现切割的高光洁度及切割尺寸的高精度是水切割平台的重要要求。

本发明通过对比分析传统的切割台X轴、Y轴、Z轴传统传动元件的运动特性，优化和合理配置水射流加工装置的传动系统102选配方案，通过传动系统102设置AB轴传输系统202和AC轴传输系统203；并设计Z轴摆动及转动结构，获得六轴五联动的数控刀头(喷嘴)；另外，AB轴传输系统202和AC轴传输系统203各自安装一个大减速比的谐波减速器，用于提高水切割刀头构件的受力均衡和运行可靠性。

本发明还建立了六轴五联动水切割刀头运动数学模型，实现喷嘴205实时调整技术，保持水切割刀头正对加工件表面的姿态和获得稳定射流靶距移动的特性，解决传统水切割机在切割过程中射流能量逐渐降低，水流滞后使工件切口形成了上宽下窄的斜坡的缺陷，提高工件的加工精度和表面加工质量。

本发明还将水切割平台208进行床身模块化，建立大型切割机床快速组合模型，实现水切割平台208的轻量化，形成机床刚性分析模型验证机床强度的可靠性，在床身制造选材加工工艺等方向上实现突破，研究大型切割机床整体调校技术，研制出典15000mm×5000mm×1200mm的大型水水切割平台。

本发明着重分析了浮动点阵柔性装夹托架系统209作为曲面板材切割时装夹固定的技术方法，通过在水切割平台范围内按一定的间距矩阵布置柱状支架210，设计支架210顶部真空吸杯以及支架210浮动、转动及摆动运动方式，研究浮动点阵控制策略与编程设计方法，实现每个支撑浮点与工件设计曲面完全重合，确保工件加工时的形态与组装后的形态完全一致。

另外，针对复合材料特定零部件难加工的特点，通过开展喷嘴205的运动控制、工件装夹的定位配合、射流反溅对测量与加工精度影响、设备对射流反溅的防护措施等方面的研究，研制集成切割、铣削、钻孔、抛光等加工功能融合一体的多功能水射流加工平台，研究不同用途功能刀头的集成技术，实现典型构件的多用途水射流加工。

超高压水射流加工质量和精度与射流压力、喷嘴直径(流量)、磨料型号与供量、切割速度等参数密切相关，而不同材质、不同厚度对应各自的最佳切割参数组合也不同，这些参数组合无法从理论计算上获得，需结合大量的试验研究总结。超高压水与磨料的混合机理，通过对磨料粒径、碰撞规律等进行假设，分析磨料颗粒的受力情况、颗粒与流体和壁面间的相互作用等运动参数，建立基于随机游走的颗粒动力学模型，并采用欧拉-拉格朗日法对可压缩液相和固相进行处理，开展数值模拟得到不同射流压力、喷嘴直径(流量)、磨料型号与供量对射流流场中磨料速度与浓度分布、水的速度分布等的影响。选取单个磨粒进行碰撞分析，建立磨料的碰撞冲蚀模型，并采用计算流体动力学(CFD)模拟计算磨料射流的冲击、切割能力。

本发明还提供了加工-测量-调控”一体化的六轴数控系统105。

以自主开发的包含AB轴传输系统202和AC轴传输系统203两种系统结构的数控六轴水射流加工装置为研究对象，分别建立AB轴、AC轴两种结构六轴运动的数学模型，分析六轴五联动实时非线性插补曲面加工、尖角控制方法、水射流超前加工、回转中心和刀杆长度产生的误差，研究在线测量技术，并将误差补偿技术和六轴实时插补控制技术有机结合，开发出水射流加工专用的六轴数控系统，从而有效地提高数控六轴水切割机加工效率和加工精度。

具体包括：

1、建立六轴五联动数学模型研究

针对六轴五联动非线性运动的特点，深入分析研究不同六轴结构的联动变化规律和控制算法，推导出转角和位移之间关系和矩阵公式，搭建六轴五联动数学模型并进行计算机仿真，为六轴五联动插补和误差补偿提供理论基础。

2、图形转角获取方法研究

开展水射流加工预先自动处理图形信息技术研究，深入研究水射流切割角度对截面的影响，构建根据图形切割方向、图元类型以及切割要求自动获取每个图元两个转角的方法，为插补控制提供依据。

3、六轴五联动实时非线性插补控制方法研究

开展旋转轴转动过程和直线移动复合运动研究，进行固定点角度转动和图形插补控制两种六轴五联动实时非线性插补控制方法研究，研究插补控制过程中转角均匀变化控制方法，为保证切割截面的要求提供技术支持。

4、尖角控制加工方法研究

研究工件厚度和切割角度对相交两条线尖角加工影响，深入分析尖角段切割角度变化规律并预测尖角处理段长度，从而保证在尖角处加工时水射流顺着切割截面转动，而不破坏截面的内外形状，为插补控制加工图形过程中处理尖角提供基础。

5、水射流超前补偿控制方法研究

在水射流滞后因素试验研究和分析水射流滞产生加工误差程度的基础上，构建水射流滞后影响数据库，研究水射流超前加工控制方法，研究六轴数控系统控制射流前倾角和控制切割速度的调节方法，并在实验中验证水射流加工补偿控制方法对减小加工误差的影响。

6、高精度在线测量系统研究

开展数字化光电检测技术研究，突破超高压水射流加工、测量与调控一体化关键技术，进行高精度在线测量技术与超高压水射流加工自控技术集成性和匹配性研究。

7、误差及补偿技术研究

研究平移加工误差补偿技术，重点研究两个旋转轴旋转过程中刀尖点和旋转中心的轨迹模型，推导两个旋转轴的旋转中心重合误差产生的刀尖点误差公式和刀杆长度误差产生的刀尖点误差公式，开展计算机仿真模拟刀尖点误差轨迹并从理论上计算出刀尖点的误差值，开发误差补偿算法软件，并与控制系统的插补控制相结合，通过设定不同的误差值分别进行实验，对实验切割出的产品进行对比分析，验证误差补偿后的效果，并对公式进行修改和完善。

本发明通过上述实施例，通过将超高压水射流加工技术与六轴五联动数控机床技术结合，需要突破水射流加工专用六轴五联动加工平台的制造材料、结构设计、传动元件匹配、六轴运动控制等关键技术，重点研究超高压水射流铣削、钻孔、抛光等多功能水刀头集成技术。为了确保水射流加工精度，对柔性水刀头的六轴五联动精密控制、水射流加工误差仿真模型及反馈补偿算法进行深入研究，形成六轴五联动水射流加工精密控制及误差补偿技术，开发六轴五联动超高压水射流加工中心控制系统，解决了解决高端制造业先进材料精密加工与可加工的技术难题，提升高端制造业先进制造水平，提升高参数超高压水切割机主机的水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。