獨特切割刀 以水為刃削鐵斷金

原創(chuàng)： 操秀英 科技時代秀 3天前

在近日舉行的第四屆軍民融合發(fā)展高技術裝備成果展上，一把神奇的刀子吸引了很多觀眾駐足。

這是一把功能獨特的切割刀，它可以用最柔軟的水切割各種材料，誤差只有發(fā)絲般粗細；它能鑿穿巖石、削斷鋼鐵，也可以分離海綿。這就是上海獅邁科技有限公司（以下簡稱獅邁科技）研發(fā)生產(chǎn)的五軸聯(lián)動智能水刀。

五軸智能水刀二自由度V型擺動頭

“這套完全具備自主知識產(chǎn)權的五軸五聯(lián)動智能水刀可用于航空航天、國防、軍工、軌道交通等領域新材料的高效加工，也可以用于過期炮彈拆解、易燃易爆等特殊應用場所的材料切割等。”獅邁科技主要創(chuàng)始人之一、海外高層次引進人才張仕進告訴科技日報記者。

“以柔克剛”完勝激光切割

水刀，顧名思義是用水來實現(xiàn)切割。水這種特別柔軟的物質(zhì)是如何成為一把刀的呢？張仕進介紹道，水刀是繼激光之后一個新興的高能束加工技術。上世紀70年代初，在北美出現(xiàn)了以高壓水射流為切割工具的水刀技術，80年代衍生出摻有磨料的磨料水刀技術，90年代水刀技術在歐美逐步普及。

“簡單說來，就是給在普通的自來水加壓到4000個大氣壓以上，然后迫使加壓后的水從一個小噴嘴噴射出來，使其形成高速射流，在這股高速射流里加一些鋒利破碎的像沙子一樣的小顆粒，形成高速磨料射流?！睆埵诉M說，這種高壓水高速射流以3倍音速的速度打向切割對象，實現(xiàn)切割，“原理和孩子們玩的水槍很像。”

在“前輩”激光切割的光環(huán)下迅速成長的水刀切割自有其無可比擬的優(yōu)勢。“水刀切割過程是一個高速磨削加快速冷卻的過程，沒有熱損傷和熱變形，沒有煙霧和粉塵，綠色環(huán)保。”張仕進說。相比之下，激光切割雖然切割速度較快，精度也不低，但在切割表面上會引起“燒傷”，切縫處會引起弧痕并引起熱效應，同時，該技術目前大多用于薄鋼板、部分非金屬材料的切割，對有些材料切割不理想，如鋁、銅等有色金屬、合金，尤其是對較厚金屬板材，甚至無法切割。

“目前人們對大功率激光發(fā)生器的研究，就是力圖解決金屬板材切割的問題，但其設備投資、維護保養(yǎng)和運行消耗等成本也很可觀。與之相比，水刀切割投資小，運行成本低，切割材料范圍廣、效率高，操作維修方便?！睆埵诉M說，簡單說，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，自上世紀90年代末期出現(xiàn)智能化水刀切割技術后，其應用在歐美出現(xiàn)高速增長的態(tài)勢，本世紀初，美國的媒體宣稱水刀已成為一項主流的機加工方法。目前高壓智能水刀在航空航天、汽車、機車、鋼鐵、造紙、食品、建材藝術、各種設備加工車間等領域有了廣泛的應用。波音公司、空客公司都大量使用了智能水刀進行機械加工。

“軟刀子”控制系統(tǒng)填補空白   

我國在上世紀90年代后期引進了水刀技術。“大部分是買了一些零部件自己組裝，由于缺乏‘軟刀子’控制軟件等關鍵技術，國產(chǎn)水刀始終停留在低端產(chǎn)品的價格競爭上。”張仕進說，這也是他和合伙人曾繼躍博士回國研發(fā)智能水刀的原因之一。

2013年，張仕進和合伙人曾繼躍二人研發(fā)出國內(nèi)首套多軸聯(lián)動的智能水刀系統(tǒng)。“水刀、激光和等離子切割等都統(tǒng)稱為‘軟刀子’。相較于‘硬刀子’控制技術，‘軟刀子’的控制難度可想而知。這相當于我們要用毛筆寫出與鋼筆一樣漂亮的字體，難度當然要大很多。要精確控制一個軟的東西是比較難的，要控制這把‘軟刀子’并實現(xiàn)精密切割，需要一套非常獨特的高品質(zhì)控制系統(tǒng)。”張仕進介紹說，正因為難，目前國內(nèi)很多機器人中的多軸聯(lián)動精密控制技術依然掌控在國外廠家手里，經(jīng)過3年艱辛的努力，他們研發(fā)的這套智能水刀系統(tǒng)攻克了這一難題。

這套系統(tǒng)完全撇開了傳統(tǒng)的以剛性刀具為控制目標的控制理念，采用了基于軟刀子特性的以射流從工件底部的射出點為控制目標，通過采用數(shù)學模型精準地預測射流行走路徑上每一點的誤差，實現(xiàn)了對射流每一步行走的速度、加速度、切割頭的偏擺角度以及射流的特性參數(shù)精確的控制，在切割效率最大化的情況下達到了自動消除這些誤差以獲得高精度的目的。為了避免設備對操作人員操作經(jīng)驗的依賴，系統(tǒng)還建立了材料加工智能數(shù)據(jù)庫，有了這個數(shù)據(jù)庫，操作員只需要輸入工件材料的名稱及厚度，智能系統(tǒng)就可以自動對整個切割過程進行優(yōu)化。

智能水刀將在多領域大顯身手

“作為一家高科技公司，我們會一直致力于新技術的研發(fā)?！睆埵诉M說，不久前，公司研發(fā)出一套新的軟件，可實現(xiàn)復雜三維圖形切割路徑自動生成圖形導入，“以前要切割一個復雜三維不規(guī)則圖案，比如飛機發(fā)動機整體頁盤，需要進行復雜的編程，現(xiàn)在在我們的這套軟件里，你只要把要切割的三維模型發(fā)動機葉片給我，我們可以先生成一個三維圖形，導入這個圖形就可以很快自動生成最優(yōu)的軟刀子精密加工路徑。”

此外，對于汽車車頂、后備箱等無典型定位特征形狀不規(guī)則物體的去邊切割，獅邁科技也正在攻克?！耙郧拔覀円懈钸@類物體需要做一套復雜的夾具磨具，預計明年我們的新技術出來后，就可以自動生成切割路徑，不再需要夾具磨具了，這將大大節(jié)省生產(chǎn)成本、提高加工效率，對滿足未來形式多樣的個性化定制需求意義重大?！睆埵诉M說。

在張仕進看來，水刀可謂“萬能切割機”。“將被廣泛應用于金屬加工、石材拼花、廣告裝潢、創(chuàng)意設計等行業(yè)?！睆埵诉M說，特別在航空航天車輛、國防軍工、船舶制造、設備制造、軌道交通模具制造中潛力巨大，“隨著新材料技術的發(fā)展，許多傳統(tǒng)加工方式難以加工的材料，如鈦合金、高溫合金、復合材料等被廣泛應用，對于這些材料的加工，智能水刀正在扮演著不可替代的角色。中國作為一個世界工廠，對智能水刀的需求甚至超過歐美。一旦進入國際市場，每一個機加工車間都是智能水刀的潛在用戶，智能水刀產(chǎn)品有不可估量的巨大發(fā)展空間?！本庉嫞汗?/p>