水射流切割碳纤维：优势、劣势与最佳实践

什么是水射流？

水射流利用泵产生高压（高达90,000 psi）水射流，可切割从泡沫到8英寸以上钢板的任何材料。切割金属或碳纤维时，使用石榴石等磨料辅助切割。（文底"Source"链接有更多水射流原理信息。）

现在看看为何水射流是切割碳纤维的好工具。

零件厚度

水射流一大优势是相对容易切割极厚碳纤维板。路由器切厚件需多次通过，耗时且加剧刀具磨损。还需担心深槽切屑粉尘清理。适当调校下，水射流能轻松切割因深度受限无法用路由器加工的小特征。

速度

水射流切割速度，尤其对小特征，远快于路由器。路由器切深与进给率取决于刀具尺寸与零件厚度。小刀具与厚件需多次通过，而水射流单次通过即可完成，且通常进给率更快。

粉尘防控

使用水射流另一大优势是粉尘收容。碳纤维加工主要担忧之一是粉尘。碳纤维粉尘可进入机器内部导致部件磨损加速。吸入或沾染皮肤也是刺激源。水射流下所有碳粉尘冲入水箱，便于妥善处理。无需昂贵除尘系统。

紧凑切割图案

水射流喷嘴直径可调至约0.025英寸，允许切割极小孔或内部特征设计。此刀具直径也可用于贴近内部方形几何切割。

劣势

虽水射流切割碳纤维有许多优势，也存在缺点。下文将探讨这些方面。

边缘光洁度

因水射流使用磨料切割强韧碳纤维，边缘可能略粗糙。可通过石榴石网目大小（磨料越细光洁度越好）与进给率控制。虽对某些零件此光洁度可接受，其他零件需打磨获更光滑表面。清理边缘耗时可能抵消水射流切割优势。大批量零件需考虑切割速度与零件复杂度平衡。

反弹冲击

切割碳纤维另一担忧是跨过托板时的反弹冲击。水射流水箱使用跨越水箱宽度的金属托板支撑工件。高压射流跨过钢托板时，水与磨料射流可向上偏向，实质上喷砂零件背面。金属零件通常不明显，但可能毁坏碳纤维零件表面。

庆幸存在解决方案。Elevated Materials在犀牛板上切割零件。犀牛板由HDPE“吸管”组成，允许射流通过而不向碳纤维反弹。小单元尺寸允许切割小复杂零件无掉入水箱担忧。

大批量相对大尺寸项目，我们制作从水箱底部突出的夹具，确保射流仅切割水面。零件用吸盘固定。用这些夹具我们切割超1000同款零件未更换主要部件。

分层

水射流切割碳纤维另一挑战是穿孔。高压水射流可蚀除碳纤维层间树脂导致分离或分层，削弱零件。

许多制造商在另一机器预钻孔再移至水射流切割。此法劣势显然是水射流切割路径与预钻孔错位风险。

Elevated Materials投入大量时间资源完善碳纤维穿孔防分层方法。技术关键在于将射流压力降至约10KSI（10,000 psi）并确保高压水前石榴石先出喷嘴。使用真空辅助阀在射流开启前将石榴石拉过喷嘴，确保石榴石先击中零件。若高压水单独击中零件，零件将分层。

我们已无分层穿孔切割超1英寸厚零件。

锥度边缘

水射流切割必须解决的另一问题是锥度边缘。因水射流是通过喷嘴的高压流，离喷嘴越远膨胀越大。零件离喷嘴尖端距离决定射流到达零件时膨胀程度。距离越远，射流膨胀越大。膨胀射流留下喷砂外观、更低质量、更慢速度切割。

边缘锥度可通过加快或减慢进给率调整。也可用倾斜头或动态头控制系统控制。下图展示压力或进给率不正确可能面临的锥度问题。

成本

有趣的是路由与水射流成本相当。一方面路由需不断更换刀具、担心除尘；另方面水射流需磨料、夹具、喷嘴、孔板等耗材。若考虑购买路由台或水射流，水射流更贵。二手低端$25,000-$60,000，新机$200,000+。新桌面水射流最近$5,000以下推出。https://www.wazer.com/。路由器在制造社区存在更久，桌面款低至$1500。更刚性工业多轴加工中心起价$40,000，五轴机可超$100,000。

来源：
水射流基础：https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
犀牛板：https://www.rhinoboardwj.com/
Omax锥度边缘：https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper