数控水刀切割工作台设计.doc

数控水刀切割工作台设计学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 职称 最终评定成绩 年 月 目 录第1章 绪论1.1 引言1.2 高压水射流切割的基本原理1.3 高压水射流切割的特点及应用1.3 本文的研究内容第2章 磨料射流切割系统2.1 磨料射流概述2.2 后混合磨料切割的基本原理2.3 磨料及其供给方式 2.3.1 磨料 2.3.2 磨料供给系统2.4 液压系统 2.4.1 增压装置 2.4.2 过滤器 2.4.3 高压油路 2.4.4 高压蓄能器2.5 磨料射流喷头2.6 磨料射流喷嘴 2.4.1 喷嘴材料 2.4.2 喷嘴几何形状 2.4.3 喷嘴结构 2.4.4 喷嘴加工质量 2.4.1 射流系统构成 2.4.2 喷嘴减磨新技术展望第3章 高压水射流切割工作台的设计3.1 课程设计的题目及要求3.2 总体方案的确定 3.2.1 系统运动方式与伺服系统 3.2.2 XY工作台的传动方式3.3 X轴机械部分设计 3.3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 3.3.2 滚动导轨副的计算、选择3.3.3 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 3.3.4 伺服电动机的计算，选择 3.3.5 联轴器的选择 3.3.6 滚动导轨副的计算、选择3.4 Y轴传动部分设计 3.4.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 3.4.2 滚珠丝杠计算、选择 3.3.3 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 3.3.4 伺服电动机的计算，选择 3.3.5 联轴器的选择 3.3.6 滚动导轨副的计算、选择结论参考文献致谢附录1附录2第1章 绪论1.1 引言“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力，然而，作为一项独立而完整的加工技术，高压水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的产生却是最近三十年的事，利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮，直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得。在最近十多年里，水射流(WJ、AWJ)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20。高压水射流是近几十年来得以迅速发展的一项新技术，作为清洗、切割、破碎工具，水射流具有其独特的优越性。近年来，随着大型化、智能化、专用化的高压水射流装备的迅速发展，该技术已渗透到众多应用领域：从一般机械零件、建筑物的清洗到以管道、管束、容器为主的工业清洗，从机场跑道除胶到船舶除 锈，从金属、非金属板材切割到曲面仿形切割，从水力采煤到开采岩石，从喷射注浆到破碎路面，从无刀手术到水幕电影、降尘、喷泉，林林总总。高压水射流足以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，具有极高的能级密度。一些新型射流如脉冲射流、空化射流和磨料射流的相继出现，大大提高了其切割、剥离、破碎能力，更进一步拓宽了水射流技术的应用范围，可用于清洗、清理、切割、注水钻孔、喷雾、破碎、研磨等作业，具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等特点，广泛应用在轻工、机械、建筑、采矿、石油、化工、核能、军工、航天、航空、汽车、铁道、船舶、海洋、冶金、市政工程以及医学等部门。特别适宜于自然环境恶劣、工作危险等场合作业，能大大减轻劳动强度、改善劳动环境、降低和防止危险事故的发生。高压水射流与激光束、电子束和等离子束统称为高能束加工技术，其中高压水射流足唯一的冷切割加工技术。高压水射流不仅可以切割各类金属、非金属、塑性或脆性硬材料，而且工艺简单，工件材料的物理、机械性能不会破坏。在各种新材料与复合材料相继涌现的当今时代，高压水射流的冷切割性能是无与伦比的。1.2 高压水射流切割的基本原理高压水射流切割是利用增压装置将水加压到几十至数百兆帕后 ,从喷嘴中喷出形成高速水射流 ,对切割靶物进行冲击 ,使其表层产生破碎和微裂纹 ,水射流进入裂纹中 ,如楔子般将靶物劈裂、 剥离 ,同时高速水流的冲刷将切下的碎屑带走 ,形成切缝。纯水射流切割适用于一些较软而有韧性的物料切割,如纸张、 皮革、 木材、 塑料、 各种纤维材料等 ,进一步提高压力后可用于切割较薄的金属材料 ,如飞机蒙皮等。超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时，可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品，纸张，纸尿片，橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时，所产生之加砂水射流，实际上可切割任何硬质材料包括金属，复合材料，石材及玻璃.超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如船身清洗及汽车喷漆设备清洗.超高压水的形成关键在于高压泵。从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的。水压越高，水射流速度越快，对高压部份的制造要求也越严格，在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件和水封的寿命。经过高压所产生之高压水经由高压过流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。1.2 高压水射流切割的特点及应用（1）高压水射流切割的特点在实践中 ,人们发现通过在水射流中加入磨料可以大幅度提高水射流的切割能力 ,其原因在于磨料的密度较大 ,可以使水射流动能更为集中 ,冲击力也就更为集中 ,同时磨料表面锋利的尖刃可以对切割靶物进行微切削 ,含有磨料的水射流的切割情况就像砂轮一样 ,只不过一般砂轮的软质基体在这里被水射流代替了。根据磨料加入位置的不同 ,可以将其分为后混式磨料水射流及前混式磨料水射流。后混式磨料水射流即先形成高压水射流后再将磨料加入,这种结构是在纯水射流基础上发展起来的 ,只要在纯水射流喷头附加一个混砂头即可实现,为了保证磨料的混合 ,一般采用气动输送磨料 ,在距离较短时可以直接利用高速水射流在混砂头内产生的负压作为磨料输送的动力 ,具有结构简单、 管路磨损小、 磨料适用范围宽等优点 ,缺点是磨料混合效率较低、 磨料难以直接回收使用。前混式磨料水射流即直接将磨料加入高压水中 ,高压水与磨料一同从喷嘴中喷出 ,此时磨料的混合效率达到最大 ,具有切割能力强、 可实现磨料回收使用的优点 ,但同时也存在设备、 管路、 喷嘴磨损较大 ,磨料粒度、 硬度限制较多等缺点。磨料可以在高压水产生后再通过压力罐加入 ,这种方式高压泵磨损较小 ,可达到较高的压力,但当压力罐中的磨料用完后重新添加较为麻烦 ,结构较为复杂,难以实现长时间连续工作;也可以采用将磨料与水混合制备成悬浮浆体后用增压设备一起增压的方式实现 ,这种方式总体结构简单 ,易于实现磨料的回收使用 ,但增压设备的损耗非常严重 ,一般仅用于粒度很小、 硬度很低的磨料 ,使用时的压力也较低。（2）高压水射流切割的应用使用水射流技术可以实现多种操作,例如切割、脱胶、清洁、钻孔、修边、开槽以及工件表层材料的去除 。工业的发展以及新材料的不断涌现对加工过程提出了新的要求 。例如 ,在航空制造业中使用了一些特种材料 ,如钛合金 、碳纤维复合材料、增强塑料玻璃等, 这些材料用其它方法难以进行切割或存在加工质量问题。对于高强度高硬度材料(如钛合金) ,若采用激光切割，由于激光切割是在高温下进行的 ,在材料切口处会产生热影响区,热影响区对材料的性能，所以必须通过磨削彻底消除热影响区，增加了加工工序, 降低了生产效率 。而对于碳纤在用普通方法高速切割时 ,易在刀具上产生缠绕。高压水射流切割由于其独特的优点,对这些用其它方法难以切割的航空材料,是非常理想或唯一的加工手段。作为一种非传统的冷切割方法 ,高压水射流切割切割时几乎不产生热量因而不会造成;切缝窄且切割表面光滑 ;切割用水及磨料来源充足 ;无尘埃 、无公害等 。更重要的是 ,此种加工方法很适合与微机控制的工作台和机械手结合起来 ,能满足特殊的或复杂的加工要求 ,实现钛合金 、复合材料等的高效切割 。目前工业中使用的水射流技术主要有两种实现方法 :纯水射流和磨料水射流 。在过去的 20 年中 ,纯水射流已经得到了广泛的应用 ,并为磨料水射流技术奠定了基础。使用纯水射流可以进行清洁和去毛刺等操作 。当水压在 100M Pa以上时 ,塑料、纸张和纺织品等软材料可以被切割。然而 ,对于硬质材料的切割而言,由喷嘴射出的高压水的力量还不够充足。20世纪80年代中期,英国流体力学研究协会( B ritish Hydrody-namics Research A ssociation)提出了一种方法,可以将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中3。磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性,射流的力量被大大加强了 。磨料水射流几乎可以切割任何材料,近年来,高压水射流技术的应用获得了极大发展 。在国外,水切割还被作为一种革命性的工具应用于外科手术当中4-5。D.K.Shanmugam和F.L.Chen使用纯水射流和激光分别切割了两种不同材料 碳复合材料和纤维加强塑料,并比较了试验的结果 。与纯水射流和激光切割相比,磨料水射流切割可以获得更好的切割效果。对于磨料水射流和纯水射流两种方式下最好和最差情况的表面粗糙度进行分析,结果表明:磨料水射流的效果要比纯水射流好得多6。工业上常用的磨料水射流切割技术包括磨料注射切割和磨料悬浮切割,即我们通常所说的前混合式磨料切割和后混合式磨料切割 。这两种方法的本质区别在于磨料加入水中的方式不同,同时磨料悬浮切割技术能提供更好的切割效果7。还有一种被称为聚合物水射流的方法,即向水中加入少量高分子长链聚合物的添加剂,提高射流密集度及射程,主要用于切割较软或稍硬材料8。(3) 工业使用中的精度要求精度和表面粗糙度是加工过程中极其重要的影响因素 。使用水射流切割技术,材料在一股连续不断的高能量水珠的冲击下被去除。在切割过程中,水射流在工件表面施以加工力 。这个力由水珠传送,所以水压、流速、射流直径以及与距离相关的直径扩散率等参数都会对加工质量产生影响9-11。磨料水射流技术切割材料时所使用的射流由压力、速度都很高的水和磨料混合而形成。在材料被磨料水射流去除的过程中,单个固体颗粒的冲击是加工力的基本作用单位。磨料水射流技术可以被成功地用于多种材料的切割,无论它们的脆性、塑性、成分如何12。因此,对于磨料水射流切割技术,除了上述这些参数,系统所使用的磨料也是影响切口质量的重要因素之一。磨料颗粒的类型、尺寸、硬度以及几何形状对于磨料水射流切割技术而言都很重要13。一些研究者发现射流的结构很大程度上受磨料颗粒类型和磨料浓度的影响 。当使用较小的磨料颗粒时,射流可以更紧凑;而当使用较大的磨料颗粒时射流的切割能力可以得到提高。这些趋势在磨料密度高时更为明显14。X.G.Hu和 A.W.Momber研究了磨料水射流对钢筋混凝土材料的腐蚀作用。他们发现当磨料的浓度增加时 ,腐蚀作用加快 ;如果流速保持相对恒定 ,腐蚀速度和磨料浓度之间的关系几乎是线性的。但在流速较低的情况下,磨料的含量对腐蚀速度的影响非常微弱。流速越快,磨料含量的变 化 所 起 的 作 用 越 重要15。这一结论对研究其它材料的磨料水射流切割具有启示作用。许多研究者已经通过理论、实验或过程建模等方法对影响加工质量的参数进行了研究并获得了一些有用的结论。F.L.Chen和他的合作者提出了一种新的提高切割表面质量的方法,即对喷嘴使用不同的摆动方式来提高磨料水射流切割的质量 。他们对直接切割和喷嘴摆动的不同情况进行了对比研究,以比较表面质量的差异 ,并比较了各种情况下所获得的表面粗糙度。这项研究取得了令人激动的结果:使用摆动喷嘴的方法,表面质量能够得到显著的提高,表面粗糙度能被降低200%以上11。国内尚未见到对此方法进行研究应用的文献。对于切割参数例如流速、射流直径、摆动频率、摆动角度,都存在最优值范围 ,以获得最理想的切割效果。在建立明确的模型之前,必须通过实验研究来获得最优的参数。某一参数的变化对切割效果的影响应该在其它几个参数保持固定不变的基础上进行观测。然而,参数变化的不同组合也许会带来令人惊喜的结果。很多研究者提出了不同的模型以预测切割质量13。然而,大多数模型完全根据经验而得到 ,需要大量的实验数据点才能建立性能曲线 。为了更好地了解高速度加工机制和磨料颗粒在冲击中的作用 ,还需要做更多的研究工作;此外,还应该建立一个明确的模型以进行仿真。(4) 研究的意义我国相关工业部门已从美国引进了多套高档次水切割系统,用于切割钛合金、铝合金、不锈钢、碳纤维 、航空玻璃以及复合材料等。但由于存在加工速度慢、加工效率低、加工精度不理想等问题,因此未能在我国得到广泛的应用。研究高压水射流切割的工艺技术,可以通过优化工艺提高加工速度 ,改善加工精度 ,为高压水射流切割的推广应用奠定基础,进而提高我国在材料切割特别是特种材料切割领域的加工水平1。1.3 本文的研究内容（1）了解目前数控水刀的类型和国内外的发展趋势；（2）水刀相关配套设备选型、设计与计算；（3）主要参数的设计、计算；（4）主要部件及主要零件的设计计算；（5）绘制主要零部件图，包括横向和纵向总装图及零件图；第2章 磨料射流切割系统2.1 磨料射流概述磨料水射流是以水作为介质，通过高压发生设备使它获得巨大能量后，再通过供料装置将磨料直接注入高压水中，使其以一种特定的流体运动方式高速从喷嘴喷射出来，形成能量高速集中的一股磨料水射流，由于磨料粒子本身有一定的质量和硬度，因此它具有良好的磨削、穿透、冲蚀的能力。作为一种切割新技术，磨料水射流能高质量、高效率完成金属材料，非金属材料以及复合材料的切割。利用水或水中加添加剂、磨料的流体，经水泵至增压器增压，其压力可达70400Mpa， 再经过贮液能器使高压流体平稳，最后由喷嘴（f 0.150.4mm）形成300900m/s的高速流体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。高速流体束的能量密度可达1010W/mm2，流量为7.5L/min.，此种液体的高速冲击，具有固体的加工作用。 高压水射流分水射流（WJ）和磨料水射流（AWJ）。磨料水射流 是在水射流中混入磨料粒子，形成了射流，水射流作为载体使磨料粒子加速。由于磨料质量大，硬度高，所以，磨料射流较之水射流动能更大，切割效果更强。磨料水射流根据磨料与水混合方式的不同可分为：后混合式与前混合式两种。 前混合式：如图，磨料箱设置在高压泵与喷嘴的中间管段。高压水与磨料在磨料箱内初步混合，然后，在高压输送管的混合室内流化磨料与水混合，再通过喷嘴的加速过程获得具有更大的动能磨料水射流。 后混合式：如图，在驱动压力作用下，水介质通过第一个喷嘴（水喷嘴）而形成高速水射流，与第二个喷嘴（磨料喷嘴）的混合腔内的磨料发生剧烈的紊动扩散和掺混，再经过第二个喷嘴而形成磨料水射流。2.2 后混合磨料切割的基本原理磨料水射流的切割机理极其复杂 ,目前对该技术的切割机理还没有形成统一的理论。笔者在一定的理论基础上提出了如下假说:磨料颗粒与高压水束相混合而形成固液两相高能束流 ,高能束流打击在物料表面产生强大的压强;磨料水射流中的磨料与被切割材料产生摩擦磨损 ,液固两相流对被切割材料具有极强的冲蚀动能 ,在冲蚀物料的过程中不改变材料的物理 ,化学性能;所利用的切割工具为高压水束 ,该工具(水束)永远不会变 “钝” 。切割中产生的热量被水射流吸收 ,材料不发热变形 ,并且切割缝隙狭小 ,使材料的利用率提高。因此 ,高压磨料水射流具有较大的研究价值和开发利用的现实意义。我们在以往研究工作的基础上 ,对磨料水射流技术进行了理论探讨。(1)后混合式磨料水射流的构成后混合式磨料射流 ,磨料与水射流混合较为容易 ,磨料水压力较低 ,磨料的混入量也容易控制 ,而且系统的磨损仅限于磨料喷嘴。相对而言 ,该混合方式中能量存在二次损失 ,故效率较低些。但总体来看 ,后混合式要优于前混合式 ,后混合磨料射流切割原理如图1所示。(2) 磨料射流的混合机理如图1 ,水射流通过中央管路经高压水喷嘴喷出高压水射流 ,由于高压水射流在混合室内产生卷吸作用 ,混合室内的空气随高压水射流一起经过磨料射流喷嘴向外喷出 ,这样在混合室内将出现局部真空 ,从而将磨料吸入混合室或由压缩空气吹入混合室。在混合室中磨料被卷入水射流中 ,最后通过磨料喷嘴喷出 ,形成磨料射流。混合室的作用是促使磨料与水射流混合。后混合式高压磨料水射流中磨料的混合过程和机理较为复杂。以下三方面是磨料能够混合入射流的主要因素。1)磨料仓磨料所处位置较高 ,在重力作用下磨料被不断填入混合室; 2)高速水射流产生的真空卷吸作用使磨料能够靠近射流; 3)水射流对磨料的冲刷作用使其紊流流动 ,进入射流中。上述的讨论都是在理想状态下 ,但磨料能一次完全进入射流 ,在实际中是不可能的。在实际中一次混入射流的磨料是极小的一部分 ,大部分磨料要在几次碰撞后才能混入射流。混合室内磨料的流场如图 2. 磨料相对射流运动 ,磨料进入射流的角度从 0 到/ 2。设磨料具有流动速度 V0 ,一般此值大约为 30m/ s。 1 ,2 ,在相对射流静止的坐标系中 ,磨料具有两个分速度: Vx =Vm , Vy = - V0。其中 Vm 是射流的流速。在该坐标系下 ,磨料对射流具有很大的流速 ,而射流则是一个静止的流体。磨料与射流的作用过程就犹如儿童向静止的水面抛丢一个 “漂石” 一样 ,条件适合才能使“漂石” 在水面上连续跳动几次 ,否则会沉入水里 ,此时我们希望 “漂石” 沉入水射流中。2.3 磨料及其供给方式2.3.1 磨料 磨料以很低的初始速度与高速的水射流互相接触，有些磨料被水射流直接带走；有些磨料飞溅到混合腔的壁面，再反弹回水射流表面；少数着贴附在混合腔的内壁面。常存在不能使磨料与高速流动的水进行充分的紊动混合、水介质对磨料的能量传输效率低的缺点。2.3.2 磨料供给系统2.4 液压系统2.4.1 增压装置2.4.2 过滤器2.4.3 高压油路2.4.4 高压蓄能器 2.5 磨料射流喷嘴2.5.1喷嘴材料磨料喷嘴由于受到高速磨料粒子的冲刷, 其磨损很严重, 要求喷嘴材料必须具有高硬度、高耐磨性,两者缺一不可。目前制造喷嘴的材料主要有硬质合金、陶瓷, 此外还有金刚石、宝石、耐磨钢等。宝石喷嘴在后混合系统中被广泛采用, 目前在前混合系统中也有一定的应用, 大都是耐磨、廉价的人造宝石喷嘴, 也有用天然宝石喷嘴。关键技术是宝石喷嘴微小的静密封。金刚石喷嘴最昂贵, 但耐磨性也最好。德国 Ingers oll - Rand公司生产的金刚石喷嘴,其寿命较蓝宝石喷嘴的寿命高 20倍, 在压力为 380MPa时可连续工作若干星期。喷嘴的磨损试验发现硬质合金喷嘴硬度高, 耐磨性好, 其耐磨性甚至比陶瓷高出十几倍。陶瓷材料具有高的硬度和耐磨性能, 利用陶瓷制造喷嘴有利于提高喷嘴的寿命。陶瓷种类众多。B4C陶瓷的硬度是目前已知的除金刚石和 CBN之外自然界中硬度最高的物质, 具有很高的硬度和耐磨性, 开发前景非常诱人。但是, 由于陶瓷喷嘴的材料所含的纯度、粒度和烧结工艺等诸因素影响了其表面的硬度和耐磨性。喷嘴内表面的粗糙度对耐磨性也具有很大影响。目前国产陶瓷喷嘴还处于试验阶段。邓建新等采用热压烧结工艺试制了 B4C /SiCw陶瓷喷嘴,取得了一些有益的结论。2.5.2喷嘴几何形状磨料水射流在喷嘴中运动并得到加速, 喷嘴内磨料粒子的加速过程滞后于水的加速过程, 滞后程度取决于喷嘴的几何形状和磨料的大小、密度等参数。由于喷嘴内流体处于紊流状态, 所以磨料有较大的横向速度, 与喷嘴内表面形成碰撞、冲蚀, 从而导致喷嘴磨损。完全避免碰撞是不可能的, 但是通过选择合理的喷嘴内表面形状, 可以减少磨损。2.5.3喷嘴结构 图 2.5.1 一种耐磨喷嘴在喷嘴的结构上,也可以采取措施, 将大多数磨料导入喷嘴进口锥中心, 从而大大降低磨料与喷嘴的磨损机会,提高喷嘴寿命。如图2.5.1所示, 一个带角度的台阶将大多数磨料聚集到喷嘴中心, 磨料在此区域速度低, 对喷嘴磨损很小。磨料以有限的传输速度分量穿过喷嘴入口并汇入流体中心。在这个区域, 磨料与水的混合密度较高速率时低, 为了将磨料加速到水的速度, 喷嘴必须具有一定的长度。这种结构降低了磨料对喷嘴壁面的高速碰撞, 因而降低了磨损率。图中的喷嘴芯与喷嘴体是分开的, 这样有利于降低成本。但是喷嘴的调准是难以精确检测的工序, 它应保证射流和喷管内孔轴线严格的同轴性, 因同轴度偏差将急剧降低喷嘴的寿命。德国 Ingers oll - Rand公司生产了一种 Autoline工作头,采用快速夹头, 在更换喷嘴芯时无需调准工作头, 且能可靠保证水射流与喷嘴孔的同轴度。图 2.5.2渗油防磨喷嘴如图 2.5.2渗油防磨喷嘴结构示意图2 0 0 0 年 , 美国学者U Anand和 J Katz成功研制了一种特殊结构喷嘴 (见图 3)。喷嘴由具有渗透性的不锈钢材料制成, 润滑剂受压力作用后通过渗透介质附在喷嘴内壁生成油膜层, 油膜层的厚度为 5 m 左右。这一膜层不断被磨料水射流中的磨粒剪切和冲蚀磨损, 润滑剂在压力差的作用下, 可连续地补充进来,那些被剪切和冲蚀磨损的膜层部位及时被修复。这样, 这一油膜层的连续存在, 有效地减轻了喷嘴的磨损。试验表明, 这种结构可使喷嘴内壁在同一时间段内的磨损由 1117%减小到 1019%。另外, 喷嘴表面存在的油膜, 可改善射流的集束性。2.5.4喷嘴加工质量喷嘴的加工质量对使用寿命有较大的影响。喷嘴内孔表面越光滑、摩擦阻力越小,磨料对内孔的磨损越小, 喷嘴的寿命越长。但磨料混液流过喷嘴之后,对喷嘴内表面有研磨作用, 致使喷嘴内表面粗糙度降低, 因此有时从降低喷嘴的加工成本出发, 不必要求很高的加工精度。喷嘴深径比大, 且材料硬度高, 加工精度要求高, 一般都采用粉末冶金、电火花和激光加工来完成。采用普通电火花机床, 设计专用夹具、用去离子水冷却排屑, 成功加工了内孔直径为112 mm, 粗糙度为 Ra 018m的喷嘴。2.5.5射流系统构成射流系统的构成对喷嘴的寿命也有一定影响。根据实际测定, 磨料对喷嘴的磨损有相当比例产生于非有效工作过程。在系统停止工作后, 有一部分磨料从磨料罐涌出到管路中, 产生容积效应。再次启动系统时, 高压水会推动沉积在管路中的磨料高速经管路、喷嘴而形成射流。由于系统频繁启动和停止, 高浓度的磨料粒子流会对喷嘴产生严重的磨损。为了减少喷嘴磨损, 2.5.6喷嘴减磨新技术展望（1）表面涂层技术表面涂层技术应用于各种工量器具可显著改善其综合机械性能。一般来说, 只要涂层比基体的硬度高, 就有助于增强抗磨损。表面涂层技术用于喷嘴加工工艺, 在国外已有应用, 在我国尚未见报道。喷嘴内表面经过涂层后, 可显著降低表面粗糙度、提高加工精度、大幅度延长使用寿命、降低生产成本等。如, 在硬质合金 (或陶瓷 ) 衬底上涂覆 1030m厚的金刚石薄膜可制成涂层刀具、涂层拉丝膜、涂层喷嘴等, 涂层的物理和化学性能都能达到或非常接近天然金刚石的水平, 零件寿命提高 310倍。涂层材料目前以 TiC、TiCN、Ti N等为主。具有广阔应用前景的两种喷嘴涂层材料是: ( 1) 人造金刚石 ( PCD) 涂层。美国科学家发明了一种廉价快捷地生产 PCD的新方法, 在 1101 105Pa条件下制取了纳米级金刚石, 大大降低传统金刚石涂层产品的制造成本。 (2) 立方氮化硼 (CBN) 涂层。CBN是第二种最硬的材料 (达 60 GPa) , 其结构类似于金刚石。（2）纳米技术与高性能陶瓷由于纳米材料具有一些奇异特性, 如尺寸效应、表面与界面效应、超塑性等, 近年纳米技术发展很快。美国专家预测, 纳米技术产品 2010年将达到 14400亿美元, 超过计算机产业。PLATIT公司开发一种可以获得硬度 (韧性 ) 连续变化的纳米涂层,表面粗糙度仅为 Ra 0102m, 硬度达 45 GPa。陶瓷材料的高脆性一直阻碍其应用推广, 但是,近年来多种高性能陶瓷的成功研制给开发新型喷嘴提供了新的途径。高性能陶瓷多采用亚微米 ( 1m)和纳米粉体为原料, 超细陶瓷粉体可在较低温度下烧结获得高密度, 具有优异的性能。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性使之增韧的重要途径。如纳米陶瓷 TiO2 ( 2nm) 制成的材料比粗晶材料烧结温度低 400 , 具有很好的形变性能和断裂韧性, 在 180 时可经受弯曲变形而不产生裂纹。此外, 一些通常不容易固溶、混溶的组分能在纳米尺度上复合, 形成新的金属 /陶瓷、陶瓷 /陶瓷等复合材料, 可望改善材料的韧性、硬度、耐磨性等各种性能。这些技术一旦广泛应用于磨料喷嘴, 必将推动水射流技术的大发展。第3章 高压水射流切割工作台的设计切割工作台主要有悬臂式和龙门式两种均是由水箱工作台和机械进给系统组成如图3.1和图3.2图3.1 悬臂式结构 图3.2 龙门式结构悬臂式是目前采用的较多的结构形式。龙门式在加工精度上比悬臂式要好但是生产制造的要求更高主要是龙门式的双导轨的水平度和平行度不容易达到极其高的定位精度。另外龙门式主要用来加工大型或重型工件。对于中、小型工件，可在工作台上进行多件加工、顺序加工。在喷嘴的定位上又分为X-Y坐标系和极坐标式，由于在数控编程中X-Y坐标系较容易实现加工的要求，所以X-Y坐标系被广泛采用。在传动执行方面有步进电机和伺服电机两种选择。步进电机是一脉冲一运动所以其特点是：1、工作状态较稳定不易受干扰，在未产生大的“丢步”之前，不影响正常工作；2、在转子转过一转以后，其累积误差变为“零”，因此不会产生长期积累；3、控制性能好，在启动、停止、反转时不易“丢步”。因此，步进电机主要应用于开环控制简单并可获得较高的位置精度。伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率，优良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器，故寿命较低，需要定期维修。伺服电机主要应用于闭环和半闭环的高级控制。3.1 毕业设计的题目及要求题目：数控水刀切割工作台设计已知条件：定位精度：；工作台面净尺寸 1.21.2m；驱动速度；射流最高切割压力：；水喷嘴直径：；滚珠丝杠及导轨使用寿命：，轻微冲击，各方向的有效行程、快速进给速度见下表3.1：表3.1 有效行程、快速进给速度和工作载荷参考值表题号有效行程(mm)快速进给速度(m/min)11200120001000m01000m3.2 总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。3.2.1 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用伺服电机开环伺服系统驱动。3.2.2 XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滑动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配10。系统总体框如图3.3计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台图3.3 系统总体框图在Z方向由于不是经常使用，所以采用手动调节装置。3.3 X轴传动部分设计机械部分设计内容包括：计算丝杠承受的轴向载荷，确定丝杠的型号，选择相匹配的伺服电机，以及滚动轴承、联轴器设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。3.3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算（1）射流及冲力计算由动量定理得： （3.1）d喷嘴出口直径 喷嘴进口直径4故X轴稳定安全系数足够.2）极限转速nc校核为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振，需对丝杠极限转速nc值进行校核计算。极限转速按下式计算 （3.14）式中：丝杠断面最小惯性矩螺母至固定端处最大距离(如表中简图所示)，；-丝杠断面积， mm2。代入得,X轴丝杆的极限转速 故符合要求。3）容许拉伸(压缩)载荷校核丝杠拉伸(压缩)容许载荷P1按表8选取：由表3.6可得 轴丝杠容许载荷为=0.24KN 符合要求表3.6 容许载荷P的参考值表丝杠直径(mm)1618202528323640455055637080100Pi(kN)2128325466821101371842212853384356161000（6）验算1）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： （3.15）其中 安装方式系数(固定自由：=1；固定固定：=0.25) 故X轴 满足要求2）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为： （3.16）滚动摩擦系数=0.004 则摩擦角=arctan0.004=0.229X轴与Y轴的传动效率都为 =94%90%符合要求。3.3.3 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格X轴采用两端固定的支承形式，选面对面60角接触球轴承丝杠的公称直径为d0=32mm,丝杠轴端型式及尺寸已标准化，采用两端固定式，可选用的轴承型号为7007C,内径外径宽为=35mm62mm14mm,额定动载荷为C=19.5KN，预加载荷F0=2900N,当量载荷Fm=1515.93N.则轴承寿命为 （3.17）其中 C=19.5KN 轴承承受的载荷分别为 当量转速nm=100r/min 采用球轴承 则=3由3.16式得X轴上轴承的寿命为：故满足要求。3.3.4 伺服电动机的计算，选择（1）最大的切削负载转矩X轴最大载荷Fmax=238.31N,丝杆导程Ph=10mm=0.01m,查丝杠样本丝杠螺母副摩擦系数=0.9，摩擦力矩。查轴承样本，单个7007C型轴承的摩擦力矩为320,故一对轴承,丝杆与伺服电动机直接相联，故i=1，则最大切削负载转矩： （3.18） （2）惯量匹配负载惯量按下列次序计算，工台的最大质量为20Kg，折算到电动机轴其惯量J1计算得： （3.19） 丝杠直径d=32mm=0.032m，在结构设计中，决定长度1.2m，丝杠的惯量： （3.20）联轴节的惯量J3可直接查手册 J2与J3与电动机同轴，故可以直接叠加，负载惯量： JL=J1+J2+J3=（5.07+0.0000096+0.001）10-4电动机惯量JM应符合的条件 JLJM4JL JM,符合要求。采用的材料为钢，许用转速为7600r/min，轴孔直径为14mm，轴孔长度为20mm,转子惯量J=0.001。3.3.6 滚动导轨副的计算、选择（1）寿命设计根据给定的工作载荷Fz和估算的Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：依据使