用于三维切割的五轴机床许多人造工程(如飞机)很少有平面。复杂三维复合材料和金属成形技术的发展预示着未来平板零件将越来越少。因此，3D裁剪的需求逐年增加。水刀适合立体切割。切割过程中轻巧的切割头和较低的后坐力为机器设计工程师提供了自由度，这在高负荷材料的研磨和铣削过程中是无法实现的。摇臂的使用为较细的高压水管提供了运动自由度。最简单的3D切割系统是万能水铣刀。该装置可手动移动，只能用纯水水射流切割薄材料(如飞机内饰等薄复合材料)。手持喷枪是平衡的，所以使用起来相当灵活。作为切割复合材料的最佳方法，这种设备在20世纪80年代非常流行。作为铣刀的替代物，操作者也可以将特殊的喷嘴压在模板上，打开喷射，在部件周围走动的同时移动模板和喷嘴。切割材料后，射流应注入定点收集器。现在这些安全有效的工具通常用于切割薄的航空复合材料等场合。掌型“万能水铣刀”。切割薄料后，定点收集器立即安全停止喷射。为了扩大生产，避免铣刀和一般水铣刀使用昂贵的模板，需要一台完全可编程的五轴机床。使用这些机器，程序员可以在办公室创建刀具路径，并将程序下载到操作人员用来切割材料的机器控制系统中。即使有先进的3D离线编程软件的改进，3D切割也比2D切割复杂，无论切割工艺是水刀、铣刀还是其他工艺。比如左图所示的尾翼复合材料，要分几个步骤切割零件。首先，下载切割路径程序和灵活的“Pogostick”工具。当Pogostick旋转到预先设计的高度时，物料通过桥式起重机进入。在通过Pogostick真空吸盘粗略定位并固定元件后，将特殊的Z轴(不用于切割)插入接触探针，以将元件固定在精确的位置。接触探针采样多个点，以确保可以获得元件的高度和方向。然后执行程序组件转换。然后重新调整程序以匹配组件的实际位置。最后，接触探针z缩回，切割头z摆动。3015x4英尺的较大机器是波音777切尾组件。“Pogostick”工具将它旋转到特定的高度，然后真空杯将零件固定到位。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。然后，切割完材料后，如何停止50马力的喷射，以防止Pogostick和机床被切断。到目前为止，已知的唯一方法是使用一种特殊的定点收集器来收集喷流。在6英寸内，钢球定点收集器可以停止50马力的喷射，然后残渣通过真空装置收集到废物处理罐中。C形框架将收集器连接到Z轴。C形框架(以亮橙色显示)可以旋转，以便切割头切割翅膀部分的外围。c形框架固定唯一的定点收集器。这种收集器可以在仅6英寸的范围内停止50马力的加砂水刀。真空装置将持续清除残留物。定点采集器消耗钢球的速度约为0.5至1磅/小时。射流实际上是由于动能的分散而停止的。当喷射流进入钢球的小容器时，钢球开始旋转。旋转的钢球会和相邻的钢球摩擦，一起旋转。定点收集器中旋转的钢球会消耗射流的能量，切割残渣会漏到过滤后的收集器底部。这些定点采集员很有效。即使完全倒置，它们也可以水平操作。随着零件尺寸的增大，零件的正确定位、程序调整和精确切割变得越来越复杂。许多车间每天使用3D机器进行简单的2D切割和复杂的3D切割。虽然软件越来越简单，越来越高级，但是组件越来越多
不管切割工艺如何，我们都应该认识到，与3D切割相关的复杂性始终存在。如何测试机床要测试机床的定位精度、重复性、动态路径精度、速度范围、运动平稳性。如何测试线性定位？用激光干涉仪测试直线定位的精度和重复性。分别测试机床的每个轴。实际上，激光干涉仪是对激光束进行分割，测量不变部分和变化部分之间的波长变化。因为激光的波长很小，所以这种测量方法极其精确。激光是连续光，这意味着激光的所有部分都具有相同的波长和状态。使用光学元件(特殊镜子)。在切割头上固定一套光学组件。其他光学组件放置在机器行程的一端。激光进入切割头的光学组件，然后垂直组件被反射回来。其余的光束(调平组件)继续进入固定在机器一端的光学组件，然后被反射回来。参考两个波长，给出了移动光学组件的精确尺寸，精确到百万分之一英寸。在激光干涉仪的整个行程中，切割头每次在轴上移动1或2英寸，停顿一秒钟，记录偏差，然后移动到下一个位置记录偏差，这样就可以测试直线定位精度。用激光测试线性定位的精确度和可重复性的整个过程需要6到12个小时，这取决于机器的大小和制造商遵循的质量标准。如何测试动态精度动态路径的精度可以通过切割零件或使用球杆仪来测试。磁性底座(图标为灰色)位于工作台上所需的测试位置。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，使其正好位于磁性底座的中心上方。然后对机器进行编程，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)。然后对机器进行编程，使其刚好移动到磁性底座周围的圆圈内。望远镜俱乐部米准备开始记录。机器会绕底座做圆周运动，误差会被记录下来。
nter>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.
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 HP3.0 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
