碳纤维水射流切割：优点、缺点和最佳实践

什么是水刀？

水刀使用泵产生高压（高达 90,000 psi）水射流，可以切割从泡沫到 8+” 钢板的任何物体。切割金属或碳纤维时，会使用石榴石等研磨材料来辅助切割过程。（有关水刀工作原理的更多信息，请参阅帖子底部的“来源”链接。）

现在让我们看看为什么水刀是切割碳纤维的好工具。

零件厚度

水刀的一大优点是它可以相对轻松地切割非常厚的碳板。使用刳刨机时，较厚的零件需要更多的走刀次数，这不仅需要时间，而且会对钻头造成更多磨损。您还必须担心清除深槽中的切屑和灰尘。此外，通过适当的调整，您可以轻松地削减由于深度而在路由器上不可能实现的小功能。

速度

水刀的切割速度，特别是对于小特征的切割速度，比使用铣床要快得多。使用铣刀时，切削深度和进给率取决于铣刀钻头的尺寸和零件厚度。较小的钻头和较厚的零件需要多次通过，而水刀可以一次切割同一零件，并且通常具有更快的进给速度。

防尘

使用水刀的另一个主要优点是防尘。使用碳纤维时的主要问题之一是灰尘。碳纤维灰尘会进入机器的内部运作，导致零件比平常更快地磨削或磨损。如果吸入，它也会有刺激性，如果接触到皮肤，也会引起瘙痒。使用水刀，所有碳尘都被喷射到水箱中，更容易处理并进行适当处置。不需要昂贵的除尘系统。

紧密剪裁图案

水刀的喷射直径可调节至大约 0.025 英寸，这将允许切割具有非常小孔或内部特征的设计。此刀具直径还可用于切割接近内部方形几何形状的仙女。

缺点

虽然使用水射流切割碳纤维有很多优点，但也有一些缺点。接下来的几节将讨论这些领域。

边缘处理

由于水刀使用磨料来切割坚固的碳纤维，因此边缘表面可能会稍微粗糙。这可以通过石榴石网眼尺寸（磨料越细，光洁度越细）和进给速度来控制。虽然对于某些零件来说，这种表面处理是可以接受的，但其他零件则需要打磨以获得更光滑的表面处理。清理边缘所花费的时间可能会抵消在水刀上切割零件所获得的一些优势。如果运行大量零件，则需要考虑切割速度和零件复杂性之间的平衡。

反冲

切割碳纤维时需要关注的另一个问题是穿过其中一个板条时产生的反冲力。水刀水箱使用横跨水箱宽度的金属板条，并提供一个表面来支撑您的工作材料。当高压射流经过钢板条时，水和磨料的射流会向上偏转，这基本上对零件的背面进行喷砂。通常，这在金属零件上不会明显，但它可能会损坏碳零件的部分表面。

幸运的是，有一些解决方案可以解决这个问题。在 Elevated Materials，我们在 Rhino 板上切割零件。 Rhino 板由 HDPE“吸管”组成，可让喷射流通过而不会吹回碳。它的小单元尺寸使我们能够切割小而复杂的零件，而不必担心它们会掉入水箱中。

对于相对较大尺寸的大批量项目，我们创建从水箱底部突出的固定装置，以确保喷射器只会切过水面。然后使用吸盘将零件固定到位。借助这些夹具，我们已经切割了 1000 多个相同零件，并且无需更换任何主要部件。

分层

使用水射流切割碳纤维的另一个挑战是打孔。高压水射流会侵蚀碳纤维层之间的树脂，导致分离或分层，从而削弱部件的强度。

许多制造商会在另一台机器上预先钻孔，然后将零件放到水刀上进行切割。当然，这种方法的缺点是水射流切割路径与预钻孔之间存在错位的风险。

在 Elevated Materials，我们投入了大量时间和资源来完善碳纤维穿孔方法，以防止分层。该技术的全部内容是将喷射压力降低至 10KSI (10,000 psi) 左右，并确保石榴石在高压水之前从喷嘴中喷出。我们使用真空辅助阀，在喷射器打开之前将石榴石拉过喷嘴，确保石榴石在水之前撞击到零件。如果高压水自身撞击零件，零件就会分层。

我们已经穿孔和切割了一英寸厚的零件，没有任何分层。

锥形边缘

水射流切割必须解决的另一个问题是锥形边缘。由于水射流是穿过喷嘴的高压水流，因此距离喷嘴越远，水射流就会膨胀。根据您的零件距喷嘴尖端的距离，决定射流到达您要切割的零件时的扩展程度。该部件距离越远，您的喷气机可以扩展得越多。扩大的射流会留下喷砂外观和较低质量、较慢速度的切割。

可以通过加快或减慢联邦速度来调整边缘锥度。它还可以使用倾斜或动态头部控制系统进行控制。下图显示了如果您没有正确的压力或进给速率，您可能会遇到的一些锥度问题。

成本

有趣的是，铣削和水射流切割的成本相似。一方面，您需要不断更换钻头，并担心铣削与磨料和消耗品（例如水刀上的固定装置、喷嘴和孔口）的除尘问题。如果您正在考虑购买铣床或水刀，水刀会更贵。二手的低端售价为 25,000 美元至 60,000 美元，新的最高可达 200,000 美元以上。最近推出了新型台式水刀，价格不到 5,000 美元。 https://www.wazer.com/。另一方面，路由器在制造商社区中存在的时间要长得多，桌面型号的起价可低至 1500 美元。对于能够进行多轴切削的刚性更强的工业机器，加工中心的起价约为 40,000 美元，而 5 轴机器的价格可能远远超过 100,000 美元。

来源：
水刀基础知识：https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
犀牛板：http://www.rhinoboardwj.com/
Omax 锥形边缘：https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper