独特切割刀以水为刃削铁断金

2018年10月12日09:41  来源:科技日报
 
原标题:独特切割刀 以水为刃削铁断金

  五轴智能水刀二自由度V型摆动头

  在近日举行的第四届军民融合发展高技术装备成果展上,一把神奇的刀子吸引了很多观众驻足。

  这是一把功能独特的切割刀,它可以用最柔软的水切割各种材料,误差只有发丝般粗细;它能凿穿岩石、削断钢铁,也可以分离海绵。这就是上海狮迈科技有限公司(以下简称狮迈科技)研发生产的五轴联动智能水刀。

  “这套完全具备自主知识产权的五轴五联动智能水刀可用于航空航天、国防、军工、轨道交通等领域新材料的高效加工,也可以用于过期炮弹拆解、易燃易爆等特殊应用场所的材料切割等。”狮迈科技主要创始人之一、海外高层次引进人才张仕进告诉科技日报记者。

  “以柔克刚”完胜激光切割

  水刀,顾名思义是用水来实现切割。水这种特别柔软的物质是如何成为一把刀的呢?

  张仕进介绍道,水刀是继激光之后一个新兴的高能束加工技术。上世纪70年代初,在北美出现了以高压水射流为切割工具的水刀技术,80年代衍生出掺有磨料的磨料水刀技术,90年代水刀技术在欧美逐步普及。

  “简单说来,就是给在普通的自来水加压到4000个大气压以上,然后迫使加压后的水从一个小喷嘴喷射出来,使其形成高速射流,在这股高速射流里加一些锋利破碎的像沙子一样的小颗粒,形成高速磨料射流。”张仕进说,这种高压水高速射流以3倍音速的速度打向切割对象,实现切割,“原理和孩子们玩的水枪很像。”

  在“前辈”激光切割的光环下迅速成长的水刀切割自有其无可比拟的优势。“水刀切割过程是一个高速磨削加快速冷却的过程,没有热损伤和热变形,没有烟雾和粉尘,绿色环保。”张仕进说。

  相比之下,激光切割虽然切割速度较快,精度也不低,但在切割表面上会引起“烧伤”,切缝处会引起弧痕并引起热效应,同时,该技术目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割,对有些材料切割不理想,如铝、铜等有色金属、合金,尤其是对较厚金属板材,甚至无法切割。

  “目前人们对大功率激光发生器的研究,就是力图解决金属板材切割的问题,但其设备投资、维护保养和运行消耗等成本也很可观。与之相比,水刀切割投资小,运行成本低,切割材料范围广、效率高,操作维修方便。”张仕进说,简单说,激光能切的,水刀一定能切;激光不能切的,水刀也能切。

  正因如此,自上世纪90年代末期出现智能化水刀切割技术后,其应用在欧美出现高速增长的态势,本世纪初,美国的媒体宣称水刀已成为一项主流的机加工方法。目前高压智能水刀在航空航天、汽车、机车、钢铁、造纸、食品、建材艺术、各种设备加工车间等领域有了广泛的应用。波音公司、空客公司都大量使用了智能水刀进行机械加工。

  “软刀子”控制系统填补空白

  我国在上世纪90年代后期引进了水刀技术。“大部分是买了一些零部件自己组装,由于缺乏‘软刀子’控制软件等关键技术,国产水刀始终停留在低端产品的价格竞争上。”张仕进说,这也是他和合伙人曾继跃博士回国研发智能水刀的原因之一。

  2013年,张仕进和合伙人曾继跃二人研发出国内首套多轴联动的智能水刀系统。“水刀、激光和等离子切割等都统称为‘软刀子’。相较于‘硬刀子’控制技术,‘软刀子’的控制难度可想而知。这相当于我们要用毛笔写出与钢笔一样漂亮的字体,难度当然要大很多。要精确控制一个软的东西是比较难的,要控制这把‘软刀子’并实现精密切割,需要一套非常独特的高品质控制系统。”张仕进介绍说,正因为难,目前国内很多机器人中的多轴联动精密控制技术依然掌控在国外厂家手里,经过3年艰辛的努力,他们研发的这套智能水刀系统攻克了这一难题。

  这套系统完全撇开了传统的以刚性刀具为控制目标的控制理念,采用了基于软刀子特性的以射流从工件底部的射出点为控制目标,通过采用数学模型精准地预测射流行走路径上每一点的误差,实现了对射流每一步行走的速度、加速度、切割头的偏摆角度以及射流的特性参数精确的控制,在切割效率最大化的情况下达到了自动消除这些误差以获得高精度的目的。为了避免设备对操作人员操作经验的依赖,系统还建立了材料加工智能数据库,有了这个数据库,操作员只需要输入工件材料的名称及厚度,智能系统就可以自动对整个切割过程进行优化。

  智能水刀将在多领域大显身手

  “作为一家高科技公司,我们会一直致力于新技术的研发。”张仕进说,不久前,公司研发出一套新的软件,可实现复杂三维图形切割路径自动生成图形导入,“以前要切割一个复杂三维不规则图案,比如飞机发动机整体页盘,需要进行复杂的编程,现在在我们的这套软件里,你只要把要切割的三维模型发动机叶片给我,我们可以先生成一个三维图形,导入这个图形就可以很快自动生成最优的软刀子精密加工路径。”

  此外,对于汽车车顶、后备箱等无典型定位特征形状不规则物体的去边切割,狮迈科技也正在攻克。“以前我们要切割这类物体需要做一套复杂的夹具磨具,预计明年我们的新技术出来后,就可以自动生成切割路径,不再需要夹具磨具了,这将大大节省生产成本、提高加工效率,对满足未来形式多样的个性化定制需求意义重大。”张仕进说。

  在张仕进看来,水刀可谓“万能切割机”。“将被广泛应用于金属加工、石材拼花、广告装潢、创意设计等行业。”张仕进说,特别在航空航天车辆、国防军工、船舶制造、设备制造、轨道交通模具制造中潜力巨大,“随着新材料技术的发展,许多传统加工方式难以加工的材料,如钛合金、高温合金、复合材料等被广泛应用,对于这些材料的加工,智能水刀正在扮演着不可替代的角色。中国作为一个世界工厂,对智能水刀的需求甚至超过欧美。一旦进入国际市场,每一个机加工车间都是智能水刀的潜在用户,智能水刀产品有不可估量的巨大发展空间。”(操秀英)

  (图片由受访者提供)

(责编:牛攀、陈育柱)