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简介
在削减成本的努力中，工程师和制造部门始终需要寻找新的优势。水刀技术向您提供了多种独一无二的功能和优点。深入了解水刀技术，将使您有机会利用这些节省成本的切割设备。
除低成本切割外，水刀还被认为是世界上功能最多样、增长速度最快的加工技术（根据 Frost & Sullivan 和Market Intelligence Research公司的报告）。水刀在全球范围内广泛用于高产量应用。它与其它技术（铣床、雷射、EDM、等离子和刨床）相辅相成。水刀切割不使用有毒气体或液体，不会产生有毒的物质或蒸汽。水刀切割表面不留任何HAZ或机械变形。它是一种真正的多功能 、高效率冷切割技术。
水刀已经证明自己可以完成其它技术无法处理的工作。从在石材、玻璃和金属上切割极薄的细节，在钛合金上快速钻孔，切割食品、直至对饮料和溶液进行杀菌消毒，水刀已经证明了它独一无二的价值。
水刀的历史
Norman Franz 博士一直被公认为水刀之父。他是研究超高压（UHP）水刀切割工具的第一人。超高压的定义是高于 30000 psi。Franz 博士是一名林业工程师，他想寻找一种把大树干切割成木材的新方法。1950 年，Franz 第一次把很重的重物放到水柱上，迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流（多次超过了现在使用的压力），并能够切割木头和其它材料。他后来的研究涉及更为连续的水流，但他发现获得连续高压非常困难。同时，零件的寿命也以分钟计算，而不是今天的数周或数月。
Franz 博士从没制造出一种量产的木材切割器。而今天木材切割却是超高压技术最不重要的应用之一。但 Franz 博士证明了高速会聚水流具有极大的切割能量－这种能量的应用远远超出了 Franz 博士的梦想。
1979 年，Mohamed Hashish 博士在福禄研究室工作，开始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料。Hashish 博士被公认为加砂水刀之父，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法。 他使用石榴石（砂纸上常用的一种材料）作为砂料。凭借这种方法，水刀（含有砂料）能够切割几乎任何材料。1980 年，加砂水刀第一次被用于切割金属、玻璃和混凝土。1983 年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃。该技术的第一批用户是航空航天工业，他们发现水刀是切割军用飞机所用的不锈钢、钛和高强度轻型合成材料以及碳纤维复合材料的理想工具（现在已用于民用飞机）。从那以后，加砂水刀被许多其它工业采纳，例如加工厂、石料、瓷砖、玻璃、喷气发动机、建筑、核工业、船厂等等。
高压水的产生
基本技术既简单又复杂。在最基本的情况下，水从泵流过，经过管道，然后从切割刀头流出。其说明、操作和维护都很简单。但是，这一过程包含非常复杂的材料技术和设计。为了生成和控制 60000 psi 的水压，需要书本上没有的科学技术。在这种压力下，如果设计不当，微小的泄漏有可能对工件造成永久的侵蚀性损害。幸运的是，水刀制造商采用了复杂的材料技术和先进工程设计。用户只需了解基本的水刀操作知识即可。
从本质上讲，有两类水刀：（1）纯水水刀和（2） 加砂水刀。设备设计为只能使用纯水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。无论何种形式，必须首先对水加压。
泵
泵是水刀系统的核心成员。对水进行加压并连续输出水流，从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水刀应用可以采用两种泵－增压泵和直接驱动泵。
直接驱动泵
直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。它是一种直接由电机驱动三个活塞产生运动的三级泵。因为其简单可靠，这些泵得到了水刀工业的认可。到本文发稿时为止，直接驱动泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低 10％ 到 25％（直接驱动泵为 20K 到 50K 、增压泵为 40 K 到 60K ）。 （图片）
直接驱动泵也是一种相对新型的高压泵
(上世纪八十年代后期开始上市） 尽管直接驱动泵被用于某些工业应用，目前绝大多数用于水刀的超高压泵还是增压泵。
增压泵
普通增压泵中有两种流体管路，水管和液压管。
水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和减震器。用入口水过滤系统过滤普通自来水－通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵，入口水压在此大约是 90psi－保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵，压力升高至 60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前，会首先流经减震器。这个大容器缓冲了压力波动，确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有减震器，将能够看到并听到水流脉动，在被切割材料上留下印记。
液压管路包括电机（25 到 200HP）、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压帮浦从油箱吸油，并把压力升高至 3000 psi。高压油被输送给歧管，由歧管阀门产生增压器的冲程动作（通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧）。增压泵是一种往复式帮浦，即柱塞/活塞组件来回往复运动，当低压水充满一侧时，在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。（图片）
典型的增压泵装置。本装置设计为独立式，而非整合到运动设备中 增压泵体现了先进的帮浦技术。正如水管路的说明所描述的那样，增压泵把过滤后的自来水加压到 60000 psi。利用的是“增压原理”。
液压油被加压至 3000 psi（举例）。由液压油推动活塞。柱塞的表面面积比推水一侧的活塞面积小 20 倍。因此，3000 psi 的油压就被增压 20 倍，产生 60000 psi水压。“增压原理”改变压力方程中的面积变量，从而增强或增加压力。
压力 ＝ 力/面积
如果力 ＝20、面积＝20， 那么压力 ＝1。如果保持力不变而大幅减少面积，则压力将升高。例如，把面积从 20 降到 1，压力将从 1 增至 20。在下列示意图中，小箭头表示 3000 psi 的油压，它推动的活塞面积是柱塞表面面积的 20倍。因而增压比是 20：1。（图片） 在下列说明中用圆圈圈出了活塞和柱塞。活塞带有小箭头，表示向左移动。两个水柱塞从活塞的两侧延伸出去。高压水从左侧流出，而低压水从右侧注入。在行程的终点，活塞/柱塞组件的次序被颠倒。（图片） 复杂的止回阀保证低压和高压水只向一个方向流动。容纳柱塞和活塞系统的高压油缸和端盖经过特殊设计，足以承受巨大的力和持久的疲劳。
使用 10：1 的增压比和 3000 psi 的油压，形成的水压是多少？
形成的水压将是液压油压的 10 倍。因此答案就是 30000 psi。
整个装置的设计注重延长寿命，同时采用防故障方式设计。水刀系统的故障是逐步渐进的，而非立即发生。通过专门设计的泄水孔，密封和接头慢慢开始泄漏。操作员或维护人员能看到泄水孔慢慢出现滴水。滴水的量和位置代表何时需要维护。通常情况下，通过观察这种逐步渐进的泄漏，维护人员能够确定 1 到 2 周内需要定期维护的密封或止回阀。帮浦装置还得到警告和关机传感器的监测，以进一步防止帮浦的损坏。（图片） 增压泵的故障排除工作相当简单。泄水孔流出热水表示高压泄漏，冷水则表示低压泄漏。在实际图片中，红色表示热水或温水水滴，蓝色表示冷水。
高压泵产生水压后，高压管道把水传送给切割刀头。除了传输高压水外，管道也帮助切割刀头实现自由运动。高压管道最常见的形式是特种不锈钢管。管道有不同的规格，用于不同的用途。
1/4 英寸钢管－因为其具可绕性，这种管道常常被用作运动设备的管材。不用于长距离输送高压水（例如从泵到运动设备的底座）。10 到 20 英尺长的管子被用于向 X、Y 和 Z 轴运动供水（称为高压抽动）。它容易弯折。也可把这种管子盘成圈（长距离输送时管圈能提供更大的可绕性）。
3/8 英寸钢管－常用于从泵向运动设备底座输送水。可以弯折。通常不用作运动设备的管材。
9/16" 钢管－常用于长距离输送高压水。其内径大可降低压力损失。需要使用很大的泵时，这种管子非常有用（需要传输的高压水的量越多，潜在压力损失就越大）。此管不可弯折。弯角处需要使用接头（三通、弯头等）。
如果冷水慢慢从增压泵端盖泄漏出来，您看到的是低压还是高压密封故障？
高压密封故障会由于通过小孔（摩擦）挤出水流而产生热量，低压泄漏不会产生明显的热量。因此答案是低压。
传输水和实现运动时不仅需要管子，也需要其它配件。可能需要三通、直接头、弯头、切断阀和旋转接头。
（图片）
旋转接头－不同的运动形式需要不同的接头类型。 （图片）
带 5 轴腕的三维加工工具使用旋转件实现切割刀头的运动。本特殊设备使用一个点抓器来捕捉射流。 两种类型的水刀
两种水刀是指纯水水刀和加砂水刀。二者均有经验证的独特性能。
纯水水刀
纯水水刀是最早的水切割方法。第一次商业应用始于二十世纪七十年代中期，用于切割瓦楞纸板。纯水水刀最大的应用是切割抛弃式尿布、棉纸和汽车内饰件。对于棉纸和抛弃式尿布，与其它技术相比，水刀技术在材料上留下的水分最少。在某些尿布或棉纸工厂中，意外停机时间对其他切割技术而言非常普遍，代价超过每小时20000美元。而水刀则为这种应用提供全年不断的连续运行－维护操作可被纳入生产过程中。
纯水水刀的特点
·非常细的水流（常见直径范围：0.004至0.010英寸）
·非常详细的几何形状
·非常少的材料切割损失
·切割时不产生热量
·切割厚度可以很大
·也可切得很薄
·切割速度快
·能够切割软、轻质材料（例如厚达 24"的纤维玻璃绝缘材料）
·极小的切削力
·夹具简单
·每天 24 小时的连续运行
三马赫水射流的温度有多高？
当把水加速到高速时，水的温度会上升。随着水流出喷嘴，摩擦力和其它因素会加热水流。以进水水温为起始点。每增加1000 psi，水温升高 2 到 3 度。因此三马赫的水流的温度大约是 170 至 180 华氏度。
纯水水刀切割刀头
如前文所述，基本水刀流程包括水从帮浦流出、通过管道并从切割刀头输出。
在水刀切割中，材料去除过程可称为超音速侵蚀技术。除下材料微粒的不是压力，而是水流的速度。压力和速度是两种截然不同的能量形式。但帮浦的水压是如何转换成另外一种能量形式（即水速）的呢？答案是一块小巧的宝石。在管子的末端装有一块宝石。宝石中有一个很小的孔。高压水穿过这个细小的开口流出，从而把压力转化为速度。在大约 40000 psi 时，流出喷嘴的水流以 2 马赫的速度运动。在 60000 psi 下，其速度超过 3 马赫。（图片） 对于普通切割，纯水水刀喷嘴的直径范围为 0.004 到 0.010英寸。用牵引车来回移动喷嘴以冲刷混凝土时，常用的是单个大号喷嘴，最大直径 1/10 英寸。
三种常用的喷嘴材料（蓝宝石、红宝石、钻石）各有其独特属性。蓝宝石是现在最常用的喷嘴材料。它是人造单晶宝石。它的水流品质相当好；在好的水质条件下大约有50到100小时的切割寿命。在加砂水刀应用中，蓝宝石的寿命是纯水水刀应用的 1/2。通常情况下，蓝宝石的价格在 15 到 30 美元/块之间。
红宝石也可用于加砂水刀应用。其水流特性非常适合加砂水刀，但并不太适合纯水水刀切割。其成本与蓝宝石大致相同。
钻石的使用寿命长得多 （800 到 2000 小时），但价格却要高10到20倍。钻石在需要每天 24 小时连续运行的情况下非常有用。与其它类型的喷嘴不同，有时可以对钻石进行超声波清洗，并重复使用。（图片） 加砂水刀
加砂水刀与纯水水刀只有几点不同。在纯水水刀中，由超音速水流侵蚀材料。在加砂水刀中，由水射流加速砂料颗粒，然后由这些颗粒（而非水）侵蚀材料。加砂水刀的能力比纯水水刀强大成百上千倍。纯水水刀和加砂水刀都有其用武之地。纯水水刀可切割软质材料，而加砂水刀则切割硬质材料，如钢材、石材、复合材料和陶瓷。使用标准参数的加砂水刀能够切割硬度等于（甚至稍稍超过）氧化铝陶瓷（常常称作矾土，AD 99.9）的材料。我们将在下面介绍加砂水刀的特点，以及加砂水刀切割刀头的工作方式。（图片） 加砂水刀的特点
·极为通用的技术
·无HAZ
·无机械应力
·易于编程
·水流细（直径 0.020 到 0.050 英寸）
·可切割非常复杂的几何形状
·薄材料切割
·10 英寸厚度切割
·堆积切割
·材料切割损失非常少
·夹具简单
·切割力小（切割时低于 1 磅）
·对几乎所有加砂水刀作业都只需设置一次
·可方便地从单切割刀头切换到多切割刀头
·可快捷地从纯水水刀切换为加砂水刀
·减少了辅助操作
·毛刺很少或无毛刺
加砂水刀切割刀头
每台加砂水刀都包括纯水水刀。生成纯水射流后加入砂料。然后砂料颗粒沿刀管被加速，就像步枪子弹那样。
加砂水刀切割所用的砂料是经专门筛选、大小一致的硬砂。最常用的砂料是石榴石。石榴石质硬、强度高并且便宜。像五金店中的粉红色砂纸一样，不同的大小用于不同的工作：
120 Mesh－产生平滑的表面
80 Mesh－最常用，一般性用途
50 Mesh－切割速度比 80 Mesh快一点，但表面稍稍粗糙一些
刀管就像步枪枪管那样加速砂料颗粒。类似喷嘴，刀管有许多不同的尺寸和使用寿命。刀管大约长 3 英寸, 直径 1/4 英寸；内径范围从 0.020 到 0.060 英寸，最常用的是 0.040 英寸。（图片） 尽管加砂水刀设备常常被视为操作简单的可靠设备，刀管需要得到操作员的关注。水刀技术的主要进展就是发明了寿命很长的刀管。不幸的是，长寿命刀管比以前的碳化钨管脆弱得多。如果切割刀头碰到了夹具、重物或目标材料，刀管有可能破裂。破裂的管子无法修复。目前，最先进的系统配有防碰撞探测装置，以保护刀管。（图片） 刀管与目标材料的间距通常为 0.010 到 0.200 英寸。间距较大时（大于 0.080 英寸）会导致零件切割边缘出现雾化。很多水刀系统利用水下切割或其它技术来降低或消除这种雾化。
加砂水刀切割中的耗材是水、砂料、喷嘴（通常是红宝石）以及刀管。砂料和刀管是加砂水刀所独有的材料。其它耗材也可用于纯水水刀。
设备运作
水刀运动设备或机床有许多不同的类型和配置。除实现运动外，机床还必须包含用于固定切割材料、捕捉射流、并收集水和碎屑的装置。
固定式和1维设备
固定式水刀是最简单的一种设备。它看起来像一台锯刀，通常用于航天工业中复合材料的修整。像操作锯刀一样，操作人员让进料穿过水流。材料被切割后，收集槽会收集水流和碎屑。通常情况下为纯水水刀，但有些固定式水刀设备配有加砂水刀。
固定式设备的另一种类型为纵切机。向机器送入产品（例如纸）时，产品会被水刀切割成特定宽度。单轴移动式设备的另一种类型为横切机。横切机通常与纵切机一起使用，尽管它不是真正的固定式设备。当横切机切割通过其下方的产品时，纵切机将产品切割成特定宽度。纵切机和横切机常常一起配合工作，因此材料被切割成像自动售货机中布朗尼蛋糕那样的网格图形。
一般不建议手动操作加砂水刀（用手移动材料或切割刀头）- 按特定速度用手移动是很困难的。大多数制造商不建议手动操作加砂水刀或提供报价。只有在保证操作员安全的特定条件下，才能手动操作加砂水刀。（图片） 用于二维切割的XY工作台
XY工作台有时称作“扁材设备”，是最常见的一种水刀运动设备。这些设备使用纯水水刀切割衬垫、塑料、橡胶和泡沫。加砂水刀利用这种工作台来切割金属、复合材料、玻璃、石材和陶瓷。任何可能的扁平图样设计都可在工作台上切割。加砂水刀和纯水水刀工作台的尺寸范围在2 x 4英尺至30 x 100英尺之间。XY工作台的基本组件为：
由CNC或PC控制
伺服马达，通常采用死循环回馈以确保位置和速度的一致性
基本装置，带有线性滑轨、轴承座和滚珠丝杠驱动
桥式装置，也带有滑轨、轴承座和滚珠丝杠
收集槽，带有材料支架
提供许多不同的设备类型，但有两种截然不同的类型居于统治地位，即龙门式切割机和悬臂式切割机。（图片）
扁材设备（通常称作XY工作台）具有多种配置以满足特定应用。有些是小型精密设备，其它则是大产量设备。 龙门式切割机有两条基轨和一座桥架。悬臂式切割机有一条基轨和一个钢性桥架。在下图中，绿色的桥架向一个方向移动，而红色箭头（表示切割刀头）向另一个方向移动。所有设备的切割刀头高度都可调节（切割刀头高度由Z轴控制）。可通过手动曲柄、电动螺旋机构或完全可编程伺服螺旋机构调节Z轴。（图片） 材设备上的收集槽通常注满水，并且带有栅条或板条以支承工件。在切割过程中会缓慢消耗这些支承材料。如果收集槽中沉积了废料，可进行自动清洁；也可选择手动清洁来定期清空收集槽。
所有XY工作台都具有下列方面的重要规格，这代表（但并不确保）您的设备的性能。
以下是水刀机床运动规格的简要说明，通常出现在报价单和文献中：
包线尺寸
每根运动轴的行程长度。在纯水水刀或加砂水刀设备上，扁材切割的常用尺寸为2x3x0.3米或约6x10x1英尺。为便于装载厚板，并考虑到夹持情况以及粗加工板尺寸的变化，收集槽通常要比行程长度和宽度至少大6英寸。
直线定位精度
测量机器移动时的精度。从一点到另一点，每次测量一根轴。此处未考虑速度因素。
机器的重复精度
机器返回某点的能力。
最快移动速度
最快移动速度是设备在不进行切割的情况下移动时的最高速度。控制系统仅需向驱动马达发送信号：“朝那个方向尽快移动”。在快速移动期间，机器运动的精度通常会受到影响。快速移动功能可用来从一条切割路径（例如一个切孔）移动到另一条切割路径（例如另一个切孔）。
切割速度
机器在保持所有精度规格（即精度、可重复性、速度）的条件下移动时的最高速度。这是一项重要的规格，因为它关系到零件生产周期和精度。
用于三维切割的五轴机器
许多人造项目（例如飞机）上很少有平整表面 。复杂的三维复合材料和金属形成技术的发展预示了以后出现的平整部件会更少。因此，三维切割的需要逐年增长。水刀适用于三维切割。轻巧的切割头以及切割过程中较低的反冲力给机器设计工程师提供了自由，这在高负荷材料的打磨和铣切过程中是不能实现的。摇臂的使用为较薄的高压水管提供了移动自由。
最简单的三维切割系统是通用水铣刀。该装置可用手移动，只能用于薄材料（例如飞机内部和其它薄复合材料）的纯水水刀切割。掌上型喷枪是平衡的，因此使用起来相当灵活。作为切割复合材料的最佳方法，该装置在二十世纪八十年代非常流行。作为铣刀的替代方法，操作人员也可对着模板按下特殊喷嘴，打开射流，并在绕部件走动时移动范本和喷嘴。在切割材料完成后，射流应射入定点收集器。如今，这些安全而有效的工具通常用于较薄的航空复合材料切割和其它场合。（图片）
掌上型“通用水铣刀”。在切割薄材料后，定点收集器立即安全地停止射流。 由于要扩大生产，又要避免铣刀和通用水铣刀使用昂贵的模板，因此需要使用完全可编程的五轴机器。通过使用这些机器，程序设计人员可在办公室中创建工具路径，并将程序下载至操作人员用来切割材料的机器控制系统。
即使先进的三维脱机程序设计软件有所提高，三维切割也比二维切割复杂，不管切割流程是水射流、铣刀还是其它流程。例如，对于左图所示的尾部复合材料，应采取数个步骤切割部件。首先下载切割路径和灵活的“Pogostick”工具的程序。当Pogostick旋至预先设计的高度时，材料通过桥式起重机进入。在部件被粗略定位并且被Pogostick真空吸杯固定后，特殊的Z轴（不用于切割）插入接触探针，以将部件固定在精确的位置。接触探针对多个点进行取样，从而确保获取部件高度和方向。然后进行程序部件转换。这时重新调整程序以匹配部件的实际位置。最后回缩接触探针Z，这时切割头Z进行摆动操作。（图片）
30x15x4英尺的较大机器为波音777切割尾部组件。“Pogostick”工具将其旋至特定高度，然后真空吸杯将部件固定在适当位置。 切割相对较厚的复合材料（厚度大于0.05英寸）或金属需要使用磨料。那么在切割材料后，如何停止50马力的射流，以防止切断Pogostick和机床。迄今为止所知道的唯一方法就是用一个特殊的定点收集器来收集射流。在6英寸之内，钢珠定点收集器可停止50马力的射流，然后残渣被真空装置收集到废弃物处理罐中。C形框架将收集器连接至Z轴。该C形框架（图示为鲜橙色）能够旋转，以使切割头切割机翼部件的周边。（图片）
C形框架固定唯一的定点收集器。仅在6英寸之内此收集器就可以停止50马力的加砂水刀。真空装置会不断清除残渣。 定点收集器以大约0.5至1磅/时的速度消耗钢珠。射流实际上是由动能的分散停止的。随着射流进入钢珠的小容器中，钢珠开始旋转。旋转的钢珠会与相邻的钢珠互相摩擦并带动一起旋转。定点收集器中旋转的钢珠会消耗射流的能量，切割残渣漏到过滤的收集器底部。这些定点收集器非常有效，它们能够水平运作，甚至在完全倒置时也能运作。
随着部件的尺寸增加，部件的正确定位、程序调整和精确切割也越来越复杂。许多车间每天都在使用三维机器来进行简单的二维切割和复杂的三维切割。尽管软件越来越容易，机器越来越先进，但是部件却越来越复杂。不管切割流程如何，都应意识到与三维切割相关的复杂性是一直存在的。
如何进行机器测试
应对工具机的定位精度、重复性、动态路径精度、速度范围和运动平滑度进行测试。
如何进行线性定位测试
用雷射干涉仪测试线性定位精度和重复性。单独测试工具机的每个轴。事实上，雷射干涉仪分成激光束并测量未变化部分和变化部分之间的波长变化。由于雷射的波长非常小，这种测量方法极其精确。
雷射是连续光，这意味着雷射的所有部分都具有相同的波长和状态。使用光学组件（特殊的反光镜）。将一组光学组件固定在切割头上。其它光学组件放在机器行程的一端。雷射射入切割头光学组件，然后垂向分量被反射回来。其余光束（水准分量）继续射入机器一端固定的光学组件，然后被反射回来。参照两个波长，给出移动光学组件的精确的尺寸，该尺寸精确到几百万分之一英寸。（图片）
雷射干涉仪 在整个行程过程中，切割头在轴上每次移动1或2英寸，暂停一秒钟，记录偏差，然后移动到下一位置，记录偏差，这样可进行线性定位精度测试。用雷射测试线性定位精度和重复性的整个流程将花费6至12个小时，这取决于机器的尺寸和制造商遵循的品质标准。
如何进行动态精度测试
通过切割部件或使用球杆仪可测试动态路径的精度。磁性底座（图标为灰色）在工作台上的所需测试位置。具有已知长度的精密球杆仪（红色）固定在磁铁底座上。首先移动机器，使其刚好高于磁性底座的中心。然后对机器进行程序设计，使其刚好移动到球杆的长度半径。将球杆固定在切割头位置（绿色）。然后对机器进行程序设计，使其刚好移动到磁性底座周围的圆圈中。（图片）
伸缩式球杆仪准备开始记录。
机器会在底座周围作圆形运动，这时误差会被记录下来。 （图片）
测试打印文本。感谢Renishaw（www.renishaw.com）提供。
随着机器进行圆周运动，电子测量装置（通常为伸缩式球杆仪中的高精度位移传感器）会读取与精确的圆周轨迹的偏差。这种测试方法可用来测试低速或高速下的动态路径精度。它能够检测出伺服装置随动误差、电动机调节问题、轴垂直度以及其它机械或电子误差。完成杆仪测试需要1至3个小时。因为球杆仪测试容易执行、能够快速设置并且能够快速进行测试，它已成为检查机器性能的最佳方法，可在工厂、安装以及以后的操作中使用。
很多工具机的精度标准（例如ISO 230、ASME B5.54和BS3 800）都含有球杆仪测试。在20摄氏度时，它被精确到+/- 0.5微米或20微英寸。
工件精度的特征
工件精度和机器移动的精度具有明显的差别。购买精度为0.00000000000001英寸的机器（这种机器具有完美的动态运动、完美的速度控制和正确的重复性）并不表示能够切割完美的工件。然而，它倒是能够让您花大笔资金来购买这种超精确的机器。制成工件的精度是流程误差（水刀）、机器误差（XY工作台）和工件稳定性（固定性、扁平度、温度条件下的稳定性）的结合。
下表介绍了可能出现的工件误差（即使水刀设备已经相当完美）。水刀流束具有会严重影响工件精度的特征。控制这些特征是水刀供货商多年来关注的焦点。简单的说，高精度和高重复性机器就会消除机器运动时的工件精度平衡，但不会消除其它工件误差（例如固定误差和固有的水刀误差）。
在切割厚度小于1英寸的材料时，传统的水刀设备通常切割的工件的精度为+/-0.003至+/-0.015英寸（.07至.4毫米)。 动态水刀设备切割的工件的精度为+/- 0.001英寸。对于厚度大于1英寸的材料，工件的精度则为+/- 0.005至0.100英寸（.12至2.5毫米）。具有较高性能的XY工作台的线性定位精度约为0.005英寸或更高。那么工件的不精确性是什么造成的呢？
工件误差 | 说明 | 流束偏转或“水流滞后” | 如果用水刀或其它流束类型切割器（例如雷射或等离子体）切割材料，当切割能力开始下降时，水流就会向后偏转（与行程方向相反）。这种情况会造成：锥度增加、内棱角问题、弧形向外掠出。 增加切割能力或减缓切割速度即可减少这种滞后误差。 | 锥度增加 | （图片）高速切割时会形成“V”形锥度。减缓切割路径或增加切割能力即可降低或消除锥度。为了更好的说明，图像经过了放大处理。 | 内棱角问题 | （图片）高速切割内棱角时，水流会从棱角射入部件，然后从棱角中穿出来。此图像是切割方形切口时留下的截面图像，它是一个出口（或底侧）视图。为了更好的说明，图像经过了放大处理。 | 弧形向外掠出 | （图片）高速切割圆形或弧形时，水流滞后向外掠出形成一个锥体。为了更好的说明，图像经过了放大处理。 | 固定 | 即使切割高品质部件时水刀的垂直力小于0.5磅，或者粗切割时低于5磅，为了保证切割出精确的工件，也需要使用适当的固定设备。 在切割或穿孔时，工件既不能移动，也不能振动。为减少误差，需将切割材料与收集器和固定在工作台板条上的实心棒挡块对接起来。在第一次切割时查看材料是否振动或移动。 | 材料不稳定性 | 有些材料（例如塑料）易受温度变化的影响。这些材料在轻微受热时也会膨胀（通常称为热膨胀），或在冷却时收缩。在水刀切割过程中，材料不会变的很热，但可能变暖。 还要特别注意铸造材料的气隙，因为在气隙中水流易于涌出。 加砂水刀不会造成薄板材料变形。但是会减轻应力。如果切割厚度小于0.125英寸的剪切材料，材料会扭曲或变形。如果可能，在材料内部而不是材料外部开始切割（穿孔和开始切割）。 | 泵问题 | 除了明显的泵问题（例如确保泵在设定压力下输送水）之外，其它问题也会影响工件精度。如果泵有2个或更多增压器，它们是否在同一时间冲程？如果是，则要查看切边上的垂直标记是否与冲程频率相匹配。 止回阀应处于良好的工作状态。 | 喷嘴处的水压 | 如果从泵至切割头运行的高压水管存在过大的压力降（大于2500磅/平方英寸），就会失去切割速度。 确保位于切割头附近的在线过滤器不会增加过量压力。 如果您的水管运行有所变化（改变了路线、用较小的备用管线替换掉大管线），确保存在较大的压力降。减少泵之间的压力损失。压力意味着切割速度，切割速度代表着金钱。 | 切割器补偿误差 | 切割器补偿值是指在考虑了射流切割的宽度后输入控制系统的值；事实上，您可以设定一个延长切割路径所需要的值，以使最终工件能够具有适当的尺寸。 在执行制成工件容差高于+/- 0.005英寸的高精度作业时，切割一个试样并确保已经设定了正确的切割器补偿值。由于操作人员没有确定最佳切割器补偿值，很多图纸被错误地切割。 | 程序设计误差 | 最难的工件精度误差是程序误差，这是指工件程序的尺寸与原来的计算机辅助设计或手绘图的尺寸不能完全匹配。以图形形式出现在XY控制台屏幕上的部件程序通常不显示尺寸。因此，这种误差不会被检测出来。如果没有检测出其它误差，重新仔细检查工件程序的尺寸是否与原来的图纸的尺寸完全匹配。 | 砂料粒度 | 砂料粒度通常为120、80和50（与用于木材加工的砂纸的粒度类似）。不同的粒度对部件精度的影响大不相同。粒度对表面光洁度和整体切割速度具有重大影响。砂料越细（是指粒度大），切割速度越慢，表面越光滑。 | 机器运动 | 定位精度和机器的动态运动特征对部件精度具有影响。影响机器运动性能的因素有很多种。其中包括： 机器装置中的反冲力（方向的变化，当电动机从顺时针变为逆时针旋转时，齿轮或螺杆是否会产生反冲力？），重复性，机器是否会一次次返回同一点？伺服装置的调节极为重要。不适当的调节会引起反冲力以及垂直度和重复性误差，并且可能造成机器振动（频率高时会快速摆动）。 定位精度很重要，如同线性导轨的平直度和平行性一样。XY工作台上的长度和宽度都小于12英寸的较小工件不需要像较大工件一样高的定位精度。较大工件测量（例如4x4英尺）会对机器性能具有较大影响。由于较小部件掩盖了机器误差，所以看不到对制成工件容差具有主要影响的定位精度或导轨平直度。较大工件会更为明显地暴露这些误差。 应记住机器的运动特征不会直接与制成工件的容差一致。价格较高的超精密机器（例如，整个行程的线性定位精度为+/- 0.001英寸）不会自动生成精度为+/- 0.001英寸的制成工件，还要考虑其它工件精度因素（见上文）。 |
选择水刀切割系统
如同买东西一样，必须根据实际情况衡量需求。多种机器的存在产生了很多不同的价格等级。仔细检查您的生产需求并将机器与之相配，从而减少不必要的开支。
应用操作：
在厂内 | 备注 | 想要用水刀切割的材料以及材料的厚度： 1) 2) 3) | 本表提出了泵的规格。如要切割厚度超过0.5英寸的工件，每个切割头至少50马力。较小的切割头每英寸的成本更高。 然而，有时使用两个小切割头比使用一个大切割头要更为有效。通过检查每次配置时的循环时间和每个工件的成本可知道使用一个还是两个切割头更为有效。 | 原料板 （优先级）：1) 2) 3) | 为一个特别大的板材尺寸确定机器的尺寸，这种方法的代价较高。较为便宜的方法是在放入水刀之前将较大尺寸的板材分割开来，或将较大尺寸的板材悬于收集器边缘之外。 | 制成工件是否需要精度？ | 如同板材尺寸一样，您也应考虑要做的主要工作，而不是最精确的工作。 | 均方根值为100至250的喷砂表面光洁度是否可作为“原切割”？ | 如果不必执行二次操作来获取更为平滑的表面（均方根值高于100），您在水刀上花费的每个部件成本则会相当低。对于硬质材料（例如淬火钢、钛、镍合金和陶瓷），用水射流进行部件粗分离仍然可以节省大量成本，即使需要最终抛光。 | 操作人员是否精通？ | 您的操作人员是否也是程序设计人员？寻找程序设计人员和操作人员是否困难？如果困难，通过智慧控制更为复杂、难于掌握、基于计算机辅助制造和计算机数控的系统将会大大提高您的生产力。 | 由谁来执行维护？ | 如果操作人员也是维护人员，确保提供适当的培训。安装之后，也许您会考虑另外请一个现场操作人员，进行为期60天的维护培训。 | 操作人员是只操作水刀设备，还是同时操作其它机器？ | 如果操作人员同时操作不止一台机器，应使用辅助自动操作技术。例如，您可从制造商处购买切割性能监控器，如果与最佳性能出现偏差，该监控器就会自动关闭机器。如果批量尺寸允许，也可进行多层切割。这样射流的工作时间就会延长，但是工件生产量相当大。在射流进行切割时，操作人员还可以操作另一台机器。 | 是否在板上为部件嵌套？ | 可使用很多嵌套包装。尽管普通嵌套包装能够为水刀设备创建一个嵌套，但是为特定流程而设计的嵌套包装（和工具机控制装置）通常比普通的多流程版本更有效和更易于使用。 | 是否具有设施？ | 准备和制造商讨论所有设施问题。包括占地面积、电力、水、压缩空气、排水装置、用于高压维护的清洁车间区、编程办公区。 |
动力的影响
对于水刀尤其是加砂水刀切割，通常存在这样一种误解：最好使用最低的动力、压力以及最低的砂料完成切割。事实并非如此。关键是切割速度要快。对于大多数应用来说，以“全速”运作系统造成的操作成本增加远远超出在给定的时间内生产更多任务件所节省的资金。许多大学、水刀制造商、水刀用户和研究所通过研究得出了下图中的一般曲线。这些曲线显示了相同的趋势 - 随着砂料的流速从零开始上升，切割速度也会上升，而每英寸成本则会下降，直至达到峰值点，这时切割速度和每英寸成本都处于最佳状态。使用“经验法则”当然也有例外。事实上，如今的切割基本都符合这样一个规则：
最快的切割速度 = 最低的每英寸成本.（图片）
对于给出的参数集（压力、出水孔尺寸等），随着砂料流速的上升，切割速度上升，切割成本下降。最终达到最佳性能。 如要尽快操作，应使用可用的最大马力来运作系统。如果您的泵压力为60,000 psi，切割头为50 HP，如果可能，50 HP应全部使用。如果您的系统为100 HP，但是只有消耗50HP的切割头能有效运作，则要考虑使用两个切割头。
砂料占设备运作成本的三分之二。设备运作成本不包括劳动力、租赁或折旧、设施或其它间接成本。它包括电力、水、气、密封件、止回阀、出水孔、混合管、砂料、进水过滤器和长期备用部件（液压帮浦、高压汽缸等）。这些基本上就是需要定期更换的工件或超过水刀系统使用寿命的工件。
如要选择正确的泵，首先要检查您在应用操作（见上文）中是如何回答的。如果您要切割原型部件并且没有预测到大量生产要求，使用较大的泵很可能浪费资金。相反，如果您要在内部大量生产工件并且能够支付起理想的机器的费用，则应选择具有多头切割能力较大的泵。
可使用多种规格的泵。有些制造商生产的泵只有几种规格，而其它制造商生产的泵则具有全部规格。以下排量和多切割头表中列出了泵的全部规格。
功率 | 每分钟的排量加仑数 | 在全压下能够运行的最大单孔径（直径） | 多切割头选项 | 25 HP | 0.5 gpm | 直径0.010英寸 | 使用此泵的多个切割头是特殊的 - 切割头很小 | 50 HP | 1.0 gpm | 0.014 inch | 2个切割头，每个为0.010英寸 | 75 HP | 1.5 gpm | 0.017 inch | 3个切割头，每个为0.010英寸 | 100 HP | 2.0 gpm | 0.21英寸 （因为加砂水刀的最大的切割头为0.016英寸，也可能是0.018英寸，所以很少使用排量为2.0加仑/分的泵） | 4个切割头，每个为0.010英寸 2个切割头，每个为0.014英寸 | 150 HP | 3.0 gpm | 0.28英寸 （因为加砂水刀的最大的切割头为0.016英寸，也可能是0.018英寸，所以很少使用排量为2.0加仑/分的泵） | 2个切割头，每个为0.017英寸 3个切割头，每个为0.014英寸6个切割头，每个为0.010英寸 | 简化的泵排量表。尽管还有其它规格的泵（40马力、60马力、200马力等），上表所列出的规格是最普通的规格。 |
在上表中，最普通的泵是使用一个切割头的50马力泵。紧随其后依次为100HP、25HP和150HP。如今生产的泵有60%以上是50HP或100HP。
自从1999年开始，使用100HP或更高马力的多切割头系统的数量持续增长。提高到100HP会花费较高费用（30,000至50,000美元），但比50HP的单切割头系统更多产。如果您能精确地推算您的机器利用情况，则可使用投资回收率分析来确定更大的投资是否合理。
安装和培训
首次使用水刀系统时，您必须接受安装和培训服务。第二次采用水刀系统时也必须接受安装服务，而培训仍不失为一个好主意。 作者知道：买方有时会决定自行进行所有安装程序，而不寻求制造商的帮助。 在大多数情况下，安装效果都不佳。就算您对设备相当了解，也应请专家来安装机器。
安装时间不会超过两周，而对简单的标准系统则为一周。通常，一周的安装工作会按如下步骤进行。通常由买方负责打开包装并清点主要部件。然后连接公用事业（电力、水、空气）。制造商派出的现场服务工程师（FSE）会进行互连，并检查买方完成的公用事业连接情况。现场启动服务持续4天，一般从周一或周二开始。买方派出一名维护技师帮助现场服务工程师组装、调平并对齐XY工作台，并连接所有高压管路。如果管路出现意外情况，需要在现场制作特殊支架。在买方的电工和水管工的帮助下启动系统。冲洗并调试系统。
通过大号废料孔冲洗系统，这样可清除高压管线中的碎屑。即使充分冲洗，有些碎屑仍可能留在水管中，这样会造成喷嘴过早出现故障。在线过滤器应放在距离切割刀头尽可能近的地方，以减少这类故障。在前几周的运行过程中经常检查该过滤器（例如，泵运作100小时，每20小时检查一次）。
会在制造商设施内进行一至两周的培训。培训包括维护程序、故障排除、编程和操作。建议操作人员、维护人员和程序设计人员参加这一培训。有些培训课程可以切开，使程序设计人员不必在维护培训上浪费时间。无论提供什么样的系统培训，应让您的员工尽量全部参加。这是您已经支付了的服务（不管制造商是否声称培训免费）。最初的培训越好，学习效果上升越快，生产效率和盈利能力也就提升得越快。
安装与设备运作建议
接受水刀设备或其它相对较贵的工具机之前，买方必须获得性能证明。供货商必须出示机器已经通过所有内部试验的证明。必须满足最终签订的报价单上规定的基本性能标准。附加接受标准应在购买机器之前由双方协商而确定。以下简表列出了需要执行的设备试验以及最佳试验方法。
性能检查 | 测试方法与备注 | 精度和重复精度 | 获取能够显示每个主轴的线性定位结果的雷射干涉仪测试的打印文本。将这些结果与报价单相比，看是否匹配。 对于高精度设备（在整个行程中精度为+/- 0.003英寸或更高），应根据ISO双向标准或3-sigma进行测试。 | 切割速度范围 | 获取在工厂内进行的球杆仪试验的打印文本。安装完成后，在您的厂内进行类似试验（可能简化步骤），从而确保试验结果与工厂结果类似，方可接受。 通过球杆仪进行的动态精确度试验显示了机器能够横动一个周期，同时保持列出的精度和重复精度。 | 行程长度 | 确保设备具有行程的全部长度。如果设备长度为6 x 10英尺，Z轴长度为10英寸，则要确认这些距离。 | 工作压力 | 确保高压泵在列出的压力下能够持续运行。谨记泵和XY工作台之间水管有时会出现压力损失。尽可能接近泵测试水压。 压力即生产能力。尽管水管运行会影响喷嘴压力，泵也要持续（不能使泵空载，同时启动切割头）输送列出的精确压力。 | 切割性能 | 如果在评估/报价期间供货商切割材料，则应在您的厂内用您的机器重新切割这些材料，这可以作为机器接受试验的一部分。比较切割结果。 这个试验通常可归入熟悉训练中。熟悉训练不能取代制造商在其工厂内举办的培训班。安装后通常立即进行熟悉训练，训练时间约为半天，目的在于确保操作人员和维护人员能够适应机器。安装设备之前和开始熟悉训练之前，最好送您的员工去制造商举办的培训班进行培训。 |
后记：经验法则 – 加砂水刀切割技巧
希望您在阅读这些技巧后能更加了解切割流程。有些技巧很显而易见，而有些则只能通过经验获得。
若切割厚度低于0.100英寸的材料，使用中（50马力）或大（60至80马力）切割头将不起作用。使用小参数组合（25马力），如必要，请考虑使用多个切割头以提高生产。
避免通过高于0.020”的气隙切割。在气隙中，水易涌出且仅切割下层。进行多层切割时，将板压在一起切割。
较小的砂料颗粒（120粒度或更小）的切割速度较慢，但表面更为平滑（与80或50粒度相比）。
生产力是每英寸成本，不是每小时成本。每小时花多长时间运行加砂水刀并不重要。重要的是在给定的时间内生产出多少工件。有些用户想要通过降低砂料流速降低运行成本，这是错误的。即使砂料是加砂水刀运行成本的三分之二，也必须快速生产工件以消耗间接费用（劳动力、设施、租赁费用）。使用所有可用的马力和最高砂料流速尽快切割。
如果需要定期为复合材料、玻璃和石材穿孔，确保系统能够使用控制器降低或增高水压。同时要检查真空辅助装置或其它技术，以提高为这些脆性材料或层压材料穿孔成功的机率。
与一般的多流程控制器相比，经过特殊设计用于流程的控制系统通常更有效、更易于使用。
大多数机器不采用材料装卸自动化设备，例如航天飞机。只有当材料处理构成部件生产成本的一个重要部分时，才会考虑使用自动化设备。90%的加砂水刀设备是用手或借助于桥式起重机、旋臂起重机或叉车进行装卸。约有50%的水刀设备使用材料装卸自动化设备。水刀通常在极高的速度下切割厚而轻的材料。切割整个薄板所用的时间相当低，部件生产成本的装卸部分非常高，足以证明增加的资金投入很正确。
通常使用自来水注入水刀系统。在将自来水通过泵的进水过滤器注入增压器之前，90%的水刀和加砂水刀用户只需要将水软化。反渗透（RO）和脱离子器可将水净化到“离子匮乏”的地步。这种侵蚀性水通过吸取周围材料（例如泵和高压管线中的金属）的离子来消除“离子匮乏”的状态。反渗透（RO）和脱离子器会大大延长出水孔的寿命，然而同时会损坏增压器和水管。喷嘴相当便宜。高压汽缸、止回阀和端盖的损坏费用会远远超出出水孔寿命延长的费用。
水下切割会降低加砂水刀切割顶部表面结霜或“起雾”的可能性。水下切割还会大大减少射流的噪声和工作场所的混乱。唯一的缺点是在切割过程中操作人员不能清楚地看到射流。如果操作人员反对水下切割，考虑使用电子性能监控装置。这些监控装置能够检测到与最佳切割性能的偏差，并能在部件损坏之前关闭系统。
如果在不同的工作中计划使用不同的砂料粒度，考虑增加较小（100磅）或较大（500至2000磅）的散装输送。如果您没有定期散装输送漏斗来筛选颗粒，在生产过程中可能会停机或造成损坏。
具有冲溢标记表明切割厚度小于0.3英寸的材料是有效的。虽然冲溢标记会让您进行二次操作才能磨掉，但是这种用法能更快执行材料处理 - 仅仅需要用切割部件不间断地替换切割薄板。材料越硬，冲溢标记会越小。有关详细建议，请咨询您的制造商。
后记：切割速度（图片）
9/8/2008
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