獨(dú)特切割刀 以水為刃削鐵斷金

原創(chuàng)： 操秀英 科技時(shí)代秀 3天前

在近日舉行的第四屆軍民融合發(fā)展高技術(shù)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(dú)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(xì)；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(dòng)智能水刀。

五軸智能水刀二自由度V型擺動(dòng)頭

“這套完全具備自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸五聯(lián)動(dòng)智能水刀可用于航空航天、國防、軍工、軌道交通等領(lǐng)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(yīng)用場所的材料切割等。”獅邁科技主要?jiǎng)?chuàng)始人之一、海外高層次引進(jìn)人才張仕進(jìn)告訴科技日報(bào)記者。

“以柔克剛”完勝激光切割

水刀，顧名思義是用水來實(shí)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(jìn)介紹道，水刀是繼激光之后一個(gè)新興的高能束加工技術(shù)。上世紀(jì)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(shù)，80年代衍生出摻有磨料的磨料水刀技術(shù)，90年代水刀技術(shù)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(gè)大氣壓以上，然后迫使加壓后的水從一個(gè)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(jìn)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(shí)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?！八肚懈钸^程是一個(gè)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?！睆埵诉M(jìn)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(huì)引起“燒傷”，切縫處會(huì)引起弧痕并引起熱效應(yīng)，同時(shí)，該技術(shù)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(shè)備投資、維護(hù)保養(yǎng)和運(yùn)行消耗等成本也很可觀。與之相比，水刀切割投資小，運(yùn)行成本低，切割材料范圍廣、效率高，操作維修方便?！睆埵诉M(jìn)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(jì)90年代末期出現(xiàn)智能化水刀切割技術(shù)后，其應(yīng)用在歐美出現(xiàn)高速增長的態(tài)勢，本世紀(jì)初，美國的媒體宣稱水刀已成為一項(xiàng)主流的機(jī)加工方法。目前高壓智能水刀在航空航天、汽車、機(jī)車、鋼鐵、造紙、食品、建材藝術(shù)、各種設(shè)備加工車間等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。波音公司、空客公司都大量使用了智能水刀進(jìn)行機(jī)械加工。

“軟刀子”控制系統(tǒng)填補(bǔ)空白   

我國在上世紀(jì)90年代后期引進(jìn)了水刀技術(shù)?！按蟛糠质琴I了一些零部件自己組裝，由于缺乏‘軟刀子’控制軟件等關(guān)鍵技術(shù)，國產(chǎn)水刀始終停留在低端產(chǎn)品的價(jià)格競爭上?！睆埵诉M(jìn)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(jìn)和合伙人曾繼躍二人研發(fā)出國內(nèi)首套多軸聯(lián)動(dòng)的智能水刀系統(tǒng)?！八?、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(shù)，‘軟刀子’的控制難度可想而知。這相當(dāng)于我們要用毛筆寫出與鋼筆一樣漂亮的字體，難度當(dāng)然要大很多。要精確控制一個(gè)軟的東西是比較難的，要控制這把‘軟刀子’并實(shí)現(xiàn)精密切割，需要一套非常獨(dú)特的高品質(zhì)控制系統(tǒng)?！睆埵诉M(jìn)介紹說，正因?yàn)殡y，目前國內(nèi)很多機(jī)器人中的多軸聯(lián)動(dòng)精密控制技術(shù)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(biāo)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(diǎn)為控制目標(biāo)，通過采用數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)地預(yù)測射流行走路徑上每一點(diǎn)的誤差，實(shí)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(dá)到了自動(dòng)消除這些誤差以獲得高精度的目的。為了避免設(shè)備對操作人員操作經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(dòng)對整個(gè)切割過程進(jìn)行優(yōu)化。

智能水刀將在多領(lǐng)域大顯身手

“作為一家高科技公司，我們會(huì)一直致力于新技術(shù)的研發(fā)。”張仕進(jìn)說，不久前，公司研發(fā)出一套新的軟件，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維圖形切割路徑自動(dòng)生成圖形導(dǎo)入，“以前要切割一個(gè)復(fù)雜三維不規(guī)則圖案，比如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整體頁盤，需要進(jìn)行復(fù)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(dòng)機(jī)葉片給我，我們可以先生成一個(gè)三維圖形，導(dǎo)入這個(gè)圖形就可以很快自動(dòng)生成最優(yōu)的軟刀子精密加工路徑?！?/p>

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(fù)雜的夾具磨具，預(yù)計(jì)明年我們的新技術(shù)出來后，就可以自動(dòng)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(gè)性化定制需求意義重大?！睆埵诉M(jìn)說。

在張仕進(jìn)看來，水刀可謂“萬能切割機(jī)”。“將被廣泛應(yīng)用于金屬加工、石材拼花、廣告裝潢、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等行業(yè)?！睆埵诉M(jìn)說，特別在航空航天車輛、國防軍工、船舶制造、設(shè)備制造、軌道交通模具制造中潛力巨大，“隨著新材料技術(shù)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(fù)合材料等被廣泛應(yīng)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(gè)世界工廠，對智能水刀的需求甚至超過歐美。一旦進(jìn)入國際市場，每一個(gè)機(jī)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>