應(yīng)對大尺度曲面復(fù)合材料的成型切割工程，本文基于高精度、高速度的切割要求，在美國波音公司水切割應(yīng)用
基礎(chǔ)上提出了以提高工作壓力來確定高端的水射流工況，在反復(fù)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，以超高壓水切割加工中心
成套裝備的可靠性運(yùn)行為目標(biāo)進(jìn)行水切割機(jī)構(gòu)的閉環(huán)設(shè)計(jì)。通過應(yīng)用實(shí)例，本項(xiàng)目得出超高壓水射流可靠運(yùn)行與其對
復(fù)合材料的高精度、高速度切割作業(yè)的對立統(tǒng)一經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)應(yīng)用很好地適應(yīng)機(jī)翼復(fù)合材料
加工的高技術(shù)要求。由此可見，在可靠運(yùn)行前提下提高工作壓力對高精度、高速度加工復(fù)合材料是極
復(fù)合材料不同于大多數(shù)金屬，它不是各向同性而是各向異性。其加工一直是個工程難題，對于碳纖維復(fù)合材料，傳統(tǒng)機(jī)械加工方式會產(chǎn)生分層、變形、劈裂等問題，且切口光潔度差，只能進(jìn)行初加工，且產(chǎn)生的超細(xì)粉塵嚴(yán)重危害健康。航空飛行器大型構(gòu)件的特點(diǎn)是大尺度曲面復(fù)合材料零接縫切割對接，采用超高壓水切割五軸聯(lián)動平臺作業(yè)也是美國波音飛機(jī)制造公司的標(biāo)準(zhǔn)工藝。對于小至幾米大至十余米的成型曲面機(jī)翼、尾翼或機(jī)身蒙皮等構(gòu)件，要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)定位、刀頭隨曲面保持法向橫移、射流以點(diǎn)線切入、高速高精度變化相對位置，而且實(shí)現(xiàn)隨機(jī)跟蹤監(jiān)測、調(diào)節(jié)、補(bǔ)償一體化，確保大尺度曲面的整體加工精度。而這一切超高要求，最重要的基礎(chǔ)設(shè)備就是高端超高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
課題的目標(biāo)是切割以機(jī)翼為主的大尺度曲面復(fù)合材料，其厚度大多在 3 mm 左右，以通用產(chǎn)品的壓力已夠用。但對大尺度工作的高精度、高速度作業(yè)要求，即作業(yè)過程中不允許停頓、更不允許重復(fù)，且要求法線切縫，輪廓粗糙度為 ± 0． 762mm( ± 0． 03 in，美國波音公司要求) 。通過對美國 PAＲ 公司 420 MPa 產(chǎn)品應(yīng)用( 工作壓力 350MPa) 的長期應(yīng)用和對相同材料的試驗(yàn)證實(shí)，應(yīng)當(dāng)將額定壓力提高到 500 MPa，工作壓力不低于 400MPa，射流流量仍為 3 L /min。顯然，確定了這樣一組高端工況參數(shù)面臨著增壓器的升級和整個系統(tǒng)承壓后部件與控制部件的可靠運(yùn)行難題。為了保證 500 MPa 大流量增壓器的可靠運(yùn)行，筆者先期研制了等功率的 600MPa 超高壓系統(tǒng)，得出以下設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
( 1) 承壓材料的選用。超高壓承壓零件大多采用 316 L 等高強(qiáng)度不銹鋼材料，栓塞為工業(yè)陶瓷，進(jìn)出水閥組多采用 630，蓄能器則為不銹鋼與高強(qiáng)鋼的組合套筒結(jié)構(gòu)。
( 2) 結(jié)構(gòu)參數(shù)的適應(yīng)性。為了適應(yīng) 500 ～ 600MPa 超高壓單機(jī) 3 L /min 大流量的可靠運(yùn)行，增壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化尤為重要。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對柱塞運(yùn)行的線速度已被突破，但盡可能增大柱塞直徑、增加行程，減少往復(fù)次數(shù)仍是遵循的原則。只有這樣，才能提高往復(fù)動密封、超高壓密封的壽命指標(biāo)。
( 3) 組合密封設(shè)計(jì)。無論是往復(fù)密封還是靜密封的設(shè)計(jì)都一定是不同密封材料與形狀呈軸向組合排列的。它們可能順排、可能間置。但都必須考慮其軸向尺寸盡可能短，以保證柱塞的自由對中性。當(dāng)然，密封段的潤滑與冷卻也須重視。
( 4) 精細(xì)加工、結(jié)構(gòu)緊湊。凡是超高壓承壓零件和水切割頭等都須遵循這一點(diǎn)。如進(jìn)、出水閥組采用限程平板閥，進(jìn)水流道和出水流道平行布置于中心線兩側(cè)的閥體上。這種設(shè)計(jì)使得余隙容積基本僅限于柱塞行程空間。
( 5) 簡單化零件設(shè)計(jì)。零件設(shè)計(jì)越簡單，超高壓工況越安全可靠。因此，承壓零件多以直筒狀且不采用螺紋連接。尤其是對切割頭的專利設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是水噴嘴、混合腔、混砂管的對中性尤為重要。
大尺度曲面復(fù)合材料水切割的應(yīng)用實(shí)例是對機(jī)翼半件修( 裁) 邊，該工件長達(dá) 11 m，寬約 1m，基本平面，邊緣為曲面。工件與點(diǎn)陣托架必須是相觸支撐，真空吸附。既不能強(qiáng)吸變形，又不能保持非接觸間隙，“C”形杯“卡”住工件沿曲線保持切割頭法向作業(yè)并運(yùn)行，不能與曲面有任何碰觸，這就要求五軸聯(lián)動主立軸嚴(yán)格按操控程序運(yùn)行; 射流工況壓力必須穩(wěn)定在門限壓力以上的較高級別段，一經(jīng)確認(rèn)，不得出現(xiàn)超限脈動。而要做到這一點(diǎn)，水噴嘴和磨料噴砂管的完好是必要保證，即射流直線段必須足夠和一致; 系統(tǒng)必須保證磨料供應(yīng)和干燥連續(xù)和均勻，這取決于強(qiáng)制供砂、砂閥控制、不回水和
程序控制的穩(wěn)定性。一旦開始，在長約 30 m 的周邊作業(yè)期間不允許出現(xiàn)任何不穩(wěn)定工況或停車現(xiàn)象，因此必須在試走刀過程中得以確認(rèn)。
試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相吻合。當(dāng)工作壓力處于低限，如 300 MPa，切縫就會不可預(yù)見地出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即表面有鼓包突出; 切縫還會不規(guī)則的出現(xiàn)“凸臺”現(xiàn)象，即切縫剖面與曲面呈現(xiàn)可見的非垂直現(xiàn)象; 另外，壓力的不穩(wěn)定也會導(dǎo)致切縫產(chǎn)生毛刺。這些試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)必須在應(yīng)用中完全杜絕，因此，新一代的高端水切割機(jī)加工中心將工作壓力穩(wěn)定在 400 ～ 500 MPa 是一個實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的標(biāo)志
對于大尺度曲面復(fù)合材料水切割工程，提高工作壓力在 400 MPa 以上、流量為 3 L /min，可以適應(yīng)高精度、高速度的加工要求。因此，無需增加流量，額定壓力為 500 MPa 的水切割加工中心可以滿足復(fù)合材料工藝。圍繞此工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中起到了指導(dǎo)性作用。
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