压力如何影响切割速度、切口宽度和磨料使用。
在过去的三十年里，加砂水刀设备已从上世纪八十年代相对粗糙的切割工具发展成为一种精良的机床，广泛应用于从航空航天到食品工业的各个领域。
这一演变的主要原因是材料的发展、高效的系统设计、对水刀工具更好的控制，以及压力的自然提升。
泵的工作原理
在水刀切割的最初二十年中，泵压的增幅相对较小，一般最高可达 60,000 PSI（4,100 巴）；而在过去十年中，泵压跃升至 90,000 PSI（6,200 巴）。
现代加砂水刀设备使用增压泵 或直接驱动泵 产生高速切割流所需的高压。 增压泵（见图 1） 使用液压和所谓的增压原理， 如图 2 所示。 该原理与液压机中的原理类似，压力乘以面积，即 P x A，是一个常数。
以低压泵入液压缸的油推动活塞，活塞上连接着一个柱塞。 活塞的面积是柱塞末端面积的 20 到 30 倍。 因此，活塞较大面积上的较低压力会转化为柱塞较小面积上的较高压力。 这样，从气缸单向阀一端流出的水压从 60 KSI 到 90 KSI 不等。
压力和速度
更高的压力是否意味着更快的切割速度、更低的单个零件成本以及更高的生产率？ 要回答这个问题，我们首先需要定义一些术语，包括水刀的可用功率。 根据水刀制造商的定义，功率可用下式表示，其中 K 是常数，P 是压力，A 是孔口的横截面积：
功率 = K x P15 x A
从等式中可以清楚地看出，在功率恒定的情况下，压力越高，孔径越小，而孔径越大，则只能支持较低的压力。 例如，50 马力的泵在 60,000 PSI 压力下运行时，最大孔径为 0.014 in. 相同马力的泵在 90,000 PSI 压力下运行时，最大孔径为 0.010 英寸，流量较小。 流量较小。
如果两个喷射器的功率相同，那么增加的切割速度潜能在哪里？ 答案可以通过进一步简化方程来找到，即用功率除以射流的横截面积 (A)，得出功率密度 (Pd)。 如前所述，K 是一个常数，是 Pis 压力。
Pd= K x p15
前面公式中的功率取决于压力和体积，但功率密度只取决于泵产生的压力，进而取决于射流速度。
回顾一下加砂水刀运行的物理原理。 加砂颗粒被高速水流加速；射流速度越高，加砂颗粒离开混合管的速度越快，功率密度越大。
90-KSI 射流功率密度的增加使切割速度更快。 换句话说，压力越高，水流速度越快，磨料颗粒的速度越快，最终切割速度也就越快。
图 2
增压原理可用以下公式描述：油压（低） x 活塞面积（大） = 水压（高） x 柱塞面积（小）。
磨料用途
砂料对加砂水刀的运行效率有重大影响，也是运行成本的主要部分。 典型的应用是使用石榴石作为磨料，石榴石是冲积层（松散的，如海滩上）或矿石，具有化学惰性。
磨料是以目 数来衡量的，目数是指加工筛网的尺寸，目数越大表示磨料越细。 例如，220 目的颗粒比 80 目的颗粒更细。 切割玻璃等脆性材料可能需要橄榄石等较软的磨料，以防止崩裂和开裂，这就是磨料与应用相匹配的重要性。
每个目数的颗粒大小都有一个范围（或分布），因此在选择聚焦管时必须小心谨慎，以防过大的磨料颗粒堵塞。 一般来说，聚焦管的内径应是分布中最大磨料颗粒大小的三倍。
在给定压力下，水射流中可加入的磨料颗粒数量是有限的，否则颗粒之间就会互相影响。 过多的磨料会降低动量传递效率，减慢切割速度。 这个极限通常被称为峰值装载 率或最大磨料进给 率。 喷嘴尺寸越大，通过喷嘴的流量越大，达到最大切割功率所需的磨料进给率就越大。 这也是影响每个零件总成本的因素。 工艺使用的磨料越多，每个零件的成本就越高。
回到 50 马力的例子，在 90 KSI 下，0.010 英寸孔的流速较低。 在 90 KSI 压力下，当射流达到峰值负载率时，射流具有最大切割能力。 在 60-KSI 压力下，如果马力相同，0.014 英寸孔径的喷射器仍未达到峰值。 由于流速较高，0.014 英寸孔口的射流仍未达到峰值负载率。 在 60 KSI 压力下，加工过程需要更多的磨料才能达到峰值，因此磨料总用量会更多，从而影响操作成本和每个工件的成本。
总之，压力越高，达到最大切割功率所需的磨料就越少，从而减少了磨料的使用，降低了每个零件的成本。
路面宽度
任何水刀切割对话的一个重要部分就是切口宽度的影响。 什么是切口宽度？ 简单地说，就是切割过程中被切割材料的宽度。 孔口越大，切口越宽。
特别是在切割昂贵材料时，水刀切割宽切口确实没有任何优势。 90-KSI 系统的高功率密度、小孔径和窄切口有助于在狭小半径和拐角处控制加砂水刀（见图 3）。 可对孔径较大的低 KSI 水刀系统进行调整，例如将聚焦管直径与孔径之比缩小至接近 2.0，即 0.014 英寸的水刀使用 0.030 英寸的聚焦管。 也就是说，0.014 英寸的喷射将使用 0.030 英寸的聚焦管。 也就是说，0.014 英寸的射流将使用 0.030 英寸的聚焦管。 然而，这会缩短聚焦管的使用寿命，因为在重新聚焦过程中会有更多的磨料颗粒与管壁接触。
图 3
在典型的水刀切割头中，磨料颗粒加速到接近水流的速度，并通过聚焦管重新聚焦为凝聚切割流。
决定正确的压力
压力越高，加砂水刀的切割速度越快，但人们经常会问这个问题：更高的压力是否会导致维护周期缩短和部件寿命缩短，从而增加每个部件的成本？ 如果设计压力为 60,000 PSI 的泵在 90,000 PSI 的压力下运行，就会出现这种情况。
新一代 90,000PSI 水刀泵就是为在这种超高压下工作而设计的。 目前 90-KSI 水刀泵的平均部件寿命与 60-KSI 水刀泵的部件寿命相当，因此维护周期相似，而且水刀泵制造商还提供维护合同。 不过与许多新技术一样，一些 90-KSI 水刀泵在使用内部或第三方供应商进行某些维护任务时会受到限制。
尽管如此，水刀泵技术仍在不断进步，压力也在不断增加。 决定权不在于水刀泵的工作压力是 60 KSI 还是 90 KSI，而在于如何根据车间的生产率要求来操作 90 KSI 的水刀泵。
