水刀的發(fā)展及研究

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題 目： 水刀的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 開題報(bào)告填寫要求1開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于10篇（不包括辭典、手冊(cè)

2、）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)gb/t 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。水刀設(shè)計(jì)開題報(bào)告 摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水刀的應(yīng)用范圍越來越廣，通過對(duì)水刀的發(fā)展、原理和應(yīng)用了解，激發(fā)創(chuàng)新能力，從而能夠完成相關(guān)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：“水刀”切割、發(fā)展概況、特點(diǎn)、應(yīng)用1 引言水刀，顧名思義就是以水為刀。這個(gè)聽起來似乎有些不可思議，水是至柔之物，怎么可用來做刀？其實(shí)早在2000多年前老子就從“滴水穿石”的現(xiàn)象中悟出“天下莫柔弱于水，而攻堅(jiān)強(qiáng)者莫之能勝”的道理。千年后的今天，水配合上

3、當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，通過超高壓就能夠?qū)θ魏尾牧线M(jìn)行切割，它就是超高壓數(shù)控水切割機(jī)，簡稱水刀。它是一種冷切割，因此材料不會(huì)發(fā)熱變形，不會(huì)變性。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)其廣泛應(yīng)用于航空，建材，化工，石油，礦產(chǎn)，機(jī)械加工，冶金，建筑和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。2 水刀技術(shù)的發(fā)展概況2.1 國外發(fā)展概況 norman franz 博士被公認(rèn)為水刀之父。他是研究超高壓(uhp)水刀切割工具的第一人。他是一名林業(yè)工程師，為尋找一種切割木材的新方法，于1950 年，franz 通過把重物放到水柱上，迫使水通過一個(gè)很小的噴嘴。使它獲得短暫的高壓射流，可以輕松切割木材。后來他將研究重心放到連續(xù)高壓水流，但他很快發(fā)覺獲得連續(xù)高壓水流特別難

4、。零件損耗特別嚴(yán)重，只能維持短短幾分鐘。盡管如此，但其推開了水刀技術(shù)的大門，證明了高速匯聚水流有難以想象的能量。而這種能量是franz博士都無法想象的。1979 年，美國mohamed hashish 博士在福祿研究室工作，將研究的工作重心放在增加水刀切割能量的方法上，從而實(shí)現(xiàn)切割金屬等硬質(zhì)材料的愿望。hashish 博士通過在水中添加砂料的方法，使水刀切割能力成倍提高， 他把砂紙上常用的石榴石作為砂料，摻入高壓水射流中。這種看似簡單的改進(jìn)卻讓水刀能夠無堅(jiān)不摧，幾乎可以切割任何材料。在1980 年，hashish 博士用他發(fā)明的加砂的水刀第一次切割金屬、玻璃和混凝土，效果很好。直到1982年,

5、papachristou和barter教授用水刀進(jìn)行肝葉切除術(shù),首次將噴射水流技術(shù)引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域1。1983年，世界第一套商業(yè)化的加砂水刀橫空出世，并被應(yīng)用于汽車玻璃的切割。航空航天很榮幸的成為這項(xiàng)新技術(shù)的第一批用戶，因?yàn)樵诤娇蘸教斓膽?yīng)用材料中有許多不銹鋼，鈦鎂合金等高硬度且又易變形氧化的材料，而加砂水刀以其特有的冷加工性質(zhì)超越其它加工方式，成為航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域的新寵兒。從此，加砂水刀得到廣泛應(yīng)用。沈忠厚先生把水刀的發(fā)展總結(jié)為四個(gè)階段：21）探索試驗(yàn)期（60年前后）：主要停留在低壓水射流采礦。2）設(shè)備研制期（6070年代）：主要研究高壓泵、增壓器和高壓管件，水射流技術(shù)得到很大推廣。3）工業(yè)

6、應(yīng)用期（7080年代）：水射流采煤機(jī)等問世，并推廣應(yīng)用。4）迅速發(fā)展期（8090年代）： 水射流技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，磨料射流和自激震動(dòng)射流迅猛發(fā)展，進(jìn)入商品化的產(chǎn)品越來越多。 進(jìn)入90年代中期，國外高壓水射流壓力可達(dá)690mp3；進(jìn)入21世紀(jì)，800mp水刀試制成功。并隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn)水刀與自動(dòng)的機(jī)械手臂結(jié)合，使水刀能夠進(jìn)行三維空間切割。并且已有 10000多套水刀切割設(shè)備在數(shù)十個(gè)國家?guī)资畟€(gè)行業(yè)應(yīng)用， 尤其是在航空航天、艦船、 軍工、核能等高、尖、難的技術(shù)上更顯優(yōu)勢。 42.2 國內(nèi)發(fā)展概況水刀技術(shù)在國外的迅速發(fā)展引起國內(nèi)多個(gè)工業(yè)部門的重視。于上世紀(jì)90年代，中國的幾家研究院成功研制出水刀樣

7、機(jī)并鑒定。當(dāng)時(shí)中國需使用水刀的航空航天部門全依賴美國。1995年底，南京打的水射流公司研制了第一臺(tái)水刀樣機(jī)，樣機(jī)在高壓密封、高壓零部件疲勞上存在缺陷，后經(jīng)科研人員的不斷改進(jìn)，于1998年，達(dá)到初步要求，并進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，它標(biāo)志著我國成為世界上第五個(gè)有能力生產(chǎn)水刀的國家5。后經(jīng)將近20年的研發(fā)，水刀技術(shù)在我國有喜人的進(jìn)展，大量先進(jìn)的切割機(jī)進(jìn)入產(chǎn)品化，產(chǎn)品所有零部件均達(dá)到了國產(chǎn)化，在許多部門得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益特別好。同時(shí)國內(nèi)許多大學(xué)高校、科研院所及一些企業(yè)（如：中山大學(xué)機(jī)械部、南京理工大學(xué)、水刀有限公司等），緊跟世界先進(jìn)水刀的發(fā)展步伐，使中國水刀技術(shù)的前途越來越廣闊，中國的智慧越來越被世界所

8、承認(rèn)。但是我們必須清醒認(rèn)識(shí)到我國水刀技術(shù)與世界最先進(jìn)的水刀技術(shù)仍然有很大差距，新一代的年輕人仍需不斷努力！3水刀的特點(diǎn)3.1 水刀優(yōu)點(diǎn)61）可以切割的材料多。幾乎任何材料，切割對(duì)象可以稱得上是“無所不包”，不管是柔軟的膠體還是高硬度、高彈性以及復(fù)合材料6，特殊材料，混合材料都可通吃。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)目前已有500余種材料4用到了水刀切割。2）加工質(zhì)量高。水刀切割可使機(jī)械塹力和熱效應(yīng)得到有效避免，使后續(xù)處理變得容易。這是其它熱切割所不能完成的，同時(shí)水刀是機(jī)械加工中唯一的冷切割。3）切縫可以小到0.3mm，而微型水刀切縫可小到2575m7；水刀切割能夠自動(dòng)減速再加上水刀切割還有磨削的特質(zhì)，因此切割面粗

9、糙度可以小到ra3.2。因此水刀切割可以直接用于零件的成型。4）能方便的與微型計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)或機(jī)器人結(jié)合，通過編程能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工甚至三維加工。新一代水刀結(jié)合了cad/cam軟件技術(shù)，其自動(dòng)化水平國際領(lǐng)先。5）切割厚度厚。水刀切割金屬材料的厚度一般可達(dá)80 mm 以 上 8。而一般激光加工無法切割16mm9的厚度，水刀的優(yōu)勢之大顯而易見。6）能夠切割任意形狀?？梢郧懈钴嚨稛o法加工的尖角等任意形狀。7）切割時(shí)安全清潔。即使是一些對(duì)身體有害的物質(zhì)也不會(huì)對(duì)操作者的健康產(chǎn)生危害。8）有很好的選擇加工性能。例如：剝?nèi)?dǎo)線的絕緣皮，而不傷害導(dǎo)線芯；在醫(yī)用上不會(huì)損壞血管。9）經(jīng)濟(jì)性好。水消耗量少，且砂石

10、易于獲取，價(jià)格低廉。例如：在航空航天的鈦金屬切割中用水刀切割可以節(jié)約50%的加工費(fèi)，而且產(chǎn)品的質(zhì)量性能還提高了。水刀加工優(yōu)點(diǎn)很多，局限性依舊存在。有待新一代的年輕人去改進(jìn)。3.2 水刀局限性81）進(jìn)給的速度較火焰刀切割、等離子切割要慢。2）前期投資很大。水刀的價(jià)格比較貴，若要進(jìn)口一臺(tái)價(jià)錢可達(dá)到1060萬不等，國產(chǎn)的也需要3040萬元人名幣。3）噴嘴易于磨損。4）水刀在沒有接水器的情況下，噪聲大，據(jù)測可達(dá)110db，操作者工作還需要戴耳罩。5）多數(shù)水刀精度上不及電火花加工的好。4 水刀的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1：一臺(tái)完整的水刀切割機(jī)由供水器、泵、蓄能器、控制器、增壓器、液壓裝置、閥、噴嘴、水箱及工作

11、平臺(tái)等組成。它通過水泵把水或添加有添加物的液體從供水器送至增壓器，再通過蓄能器讓不平穩(wěn)的高壓液體流動(dòng)平穩(wěn)，最后通過很小的噴嘴將液體噴向工件需加工的表面，噴嘴在工作臺(tái)上前后、左右和上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切割完成各種形狀的目的。10圖1 水刀切割示意圖5 課題主要研究目標(biāo)、研究內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)5.1研究目標(biāo)通過查閱有關(guān)水刀的文獻(xiàn),了解水刀的結(jié)構(gòu)、原理以及當(dāng)前水刀在切割中所存在的不足之處，并在本研究課題中盡量予以解決，使水刀更好地服務(wù)于人類。5.2研究內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要是以下幾個(gè)方面：5.2.1 水刀平臺(tái)傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)方式1) 噴嘴沿x、y軸方向運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式：由于我們考慮到加工精度，我們打算x、y兩坐標(biāo)

12、軸均采用優(yōu)質(zhì)滾動(dòng)導(dǎo)軌,滾珠絲杠，這樣可以實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠選用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低成本。2)y軸驅(qū)動(dòng)方式：我們有兩種驅(qū)動(dòng)方式可供選擇，單臂驅(qū)動(dòng)和雙臂驅(qū)動(dòng)。單臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低；雙臂驅(qū)動(dòng)精度高，能有效降低運(yùn)動(dòng)慣性給絲杠的破壞。我們考慮到設(shè)備較大，如果采用單臂驅(qū)動(dòng)，懸臂太長，運(yùn)動(dòng)沖擊大，可能不易于保證加工精度及水刀設(shè)備的使用壽命，所以我們初步選擇雙臂驅(qū)動(dòng)。用同一電機(jī)帶動(dòng)兩鏈條（傳遞距離遠(yuǎn)，不便選用齒輪傳動(dòng)；皮帶傳動(dòng)易打滑，壽命短，精度太低，不能滿足設(shè)計(jì)要求；只有鏈條通過加張緊輪能夠有高精度，同步性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)可靠的強(qiáng)大優(yōu)勢）將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給y軸方向兩根絲杠，使兩根絲杠同步運(yùn)動(dòng)，確保加工精度。3）x軸驅(qū)

13、動(dòng)方式：因?yàn)閲娮煸趚軸方向的運(yùn)動(dòng)不存在懸臂梁，因此，直接用電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)就可完成噴嘴在x軸的高精度運(yùn)動(dòng)。5.2.2 水刀平臺(tái)結(jié)構(gòu)1)設(shè)計(jì)并畫出水刀工作平臺(tái)原理圖；2)根據(jù)原理圖大致畫出主要零件的裝配草圖；3）由裝配草圖整理成完整裝配圖；4）拆畫主要零件的零件圖。5.2.3 水刀平臺(tái)的總體性能 1）將零件圖生成三維裝配圖并進(jìn)行必要的干涉檢查，力學(xué)分析等；2） 制作三維動(dòng)畫，模擬水刀運(yùn)動(dòng)。5.3 預(yù)期目標(biāo)1）設(shè)計(jì)的該水刀結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀大方，同時(shí)又具有良好剛性，運(yùn)動(dòng)部件輕巧，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。2）通過計(jì)算機(jī)控制，精度高，可加工任何復(fù)雜曲線平面。3）能夠?qū)崿F(xiàn)沒有間隙的運(yùn)動(dòng)。4）升降行程高。5）壽命有保證

14、。6 擬采用的研究方法、技術(shù)路線及其可行性分析6.1研究方法6.1.1 文獻(xiàn)研究法通過圖書館的相關(guān)水刀書籍以及各種學(xué)術(shù)網(wǎng)站的相關(guān)論文獲取知識(shí)，大膽創(chuàng)新完成設(shè)計(jì)。6.1.2 觀察法通過對(duì)水刀的近距離觀察，了解水刀的構(gòu)造原理，更好的改進(jìn)。6.1.3 模擬實(shí)驗(yàn)法通過計(jì)算機(jī)三維軟件模擬，實(shí)驗(yàn)，并不斷改進(jìn)，來提升水刀的質(zhì)量狀況。6.2技術(shù)路線畫出裝配草圖設(shè)計(jì)總體方案畫出原理圖 文獻(xiàn)閱讀整理確定研究主題 可行性分析設(shè)計(jì)零件畫出裝配圖 圖2 技術(shù)路線6.3 可行性分析6.3.1 研究原因當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)水刀的研究雖然發(fā)展神速，但仍有許多問題目前仍不能得到解決，例如：精度上存在欠缺，且前期投資之大等問題。6.3.

15、2 優(yōu)勢1）閱讀過大量關(guān)于“水刀”方面的研究文獻(xiàn)，很受啟發(fā)；2）自己對(duì)“水刀”很感興趣，愿意花時(shí)間研究它；3）指導(dǎo)老師對(duì)水刀有多年的研究經(jīng)驗(yàn)。所以，此項(xiàng)目可行。表1 預(yù)期研究進(jìn)展7 預(yù)期的研究進(jìn)展起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容2月29 日 3 月10日了解研究內(nèi)容，搜集有關(guān)資料，為課題研究做準(zhǔn)備工作；3月11 日 5 月 12日撰寫研究論文、翻譯有關(guān)外文資料、設(shè)計(jì)水刀的總體結(jié)構(gòu)和機(jī)械部件圖紙。5月13 日 6 月3日整理、修改畢業(yè)論文和設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)備論文答辯。8 結(jié)語隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水刀切割將會(huì)越來越快捷，越來越精密，越來越廉價(jià)，水刀在未來會(huì)有更廣泛的應(yīng)用，為更多的領(lǐng)域創(chuàng)造財(cái)富。因此，新

16、一代的年輕人仍需投入精力研究水刀切割。參考文獻(xiàn)1 肖紅梅. 新型外科工具水刀j. 醫(yī)療裝備, 2005, (8): 15.2 沈忠厚.水射流理論及技術(shù)m.北京：石油大學(xué)出版社，1998.43-513 董慶華. 數(shù)控高壓水射流切割機(jī)的研究與設(shè)計(jì)a：碩士學(xué)位論文.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007:1-5.4 費(fèi)修瑩,胡善明,費(fèi)雋明. 真正的冷加工水刀切割j. 金屬加工(冷加工), 2008, (3): 45-46.5 聞蘇平.我國成為世界第五“水刀”生產(chǎn)國j.流體機(jī)械，1998（3）：30 6 裘鏡蓉. 復(fù)合材料的高壓水射流加工j. 宇航材料工藝, 1992, (6): 22-26.7 榮宇. 微水刀激光劃片機(jī)的切割原理j. 科技展望, 2015, (7): 163.8 陳波. 水刀在金屬加工領(lǐng)域的應(yīng)用 j. 切割論壇焊接, 2016,