Гидроабразивная резка материалов

Общие сведения

Первые попытки использования струи воды в промышленности были осуществлены в 30-х годах ХХ столетия американскими и советскими инженерами для выемки камня, руды и угля. Серьёзным импульсом развития технологии резки струей воды под высоким давлением послужило ее использование в авиастроительной и аэрокосмической индустрии.

В конце 1960-х годов американская авиастроительная компания выбрала гидроабразивную резку для обработки композиционного оптического волокна, материалов сотовой структуры и ламинированных материалов. Эти материалы особо чувствительны к высоким температурам и давлению.

Технология гидроабразивной резки материалов (ГАР) существует уже более 40 лет. История появления технологии уходит своими корнями в 50-е года прошлого столетия. Наиболее активно исследования в этой области велись в СССР и США. Первопроходцем в использовании струи под высоким давлением для резки твердых материалов стал сотрудник, а ныне глава американской корпорации Flow International Corporation, Мохамед Хашиш. В 1979 году в ходе экспериментальных работ он предложил добавлять в струю абразивный песок, благодаря чему ее режущие свойства многократно увеличились. В 1980 году был спроектирован и запущен первый прототип гидроабразивного станка, а в 1983 году компания Flow перешла к серийном производству оборудования и комплектующих для ГАР. Процесс резания происходит в результате эрозийного воздействия на материал струи воды с твердыми абразивными частицами, подающейся под сверхвысоким давлением. На сегодняшний день технология ГАР по праву относится к числу наиболее динамично развивающихся способов раскроя материалов и составляет серьезную конкуренцию таким традиционным технологиям, как лазерная и плазменная резка, а также механообработка. Гидроабразивная струя по своим физическим характеристикам представляет собой идеальный режущий инструмент, не имеющий износа. Диаметр струи может составлять 0,5 – 1,5 мм (в зависимости от типа используемых дюз и смешивающих трубок), благодаря чему отход обрабатываемого материала минимален, рез можно начинать в любой точке по контуру любой сложности. Отсутствие теплового и механического (деформирующего) воздействия – еще один козырь ГАР, благодаря которому исходные физико-механические характеристики обрабатываемого материала остаются без изменений. Процесс гидроабразивной резки экологически чист и абсолютно пожаробезопасен, поскольку полностью исключена вероятность горения / плавления материала и образования вредных испарений. Для некоторых видов материалов – керамика, композиты, многослойные и сотовые конструкции - не существуют технологии обработки, альтернативной ГАР. Впечатляющим является и диапазон обрабатываемых толщин – 0,1 мм – 300 мм и выше, что делает станок гидроабразивной резки подчас жизненно необходимым инструментом в таких сферах, как машиностроение, инструментальное производство, авиационно-космическая промышленность, производство продукции для оборонной и транспортной промышленности, камнеобработка.

Технология ГАР

В основе технологии гидроабразивной резки лежит принцип эрозионного воздействия смеси высокоскоростной водяной струи и твёрдых абразивных частиц на обрабатываемый материал. Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частиц материала скоростным потоком твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи (вода и абразив) обеспечиваются оптимальным выбором целого ряда параметров резки, включая давление и расход воды, а также расход и размер частиц абразивного материала. 

Подготовленный к обработке лист помещают на координатный стол. Вода, нагнетаемая насосом до сверхвысокого давления порядка 1000–6000 атмосфер, подается в режущую головку. Вырываясь через узкое сопло (дюзу) обычно диаметром 0,08–0,5 мм с околозуковой или сверхзвуковой скоростью (до 900–1200 м/c и выше), струя воды поступает в смесительную камеру, где начинает смешиваться с частицами абразива – гранатовым песком, зернами электрокорунда, карбида кремния или другого высокотвердого материала. Смешанная струя выходит из смесительной (смешивающей) трубки с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм и разрезает материал. В некоторых моделях режущих головок абразив подается в смесительную трубку. Для гашения остаточной энергии струи используется слой воды толщиной, как правило, 70–100 сантиметров.

При гидрорезке (без абразива) схема упрощена: вода под давлением вырывается через сопло и направляется на разрезаемое изделие.

При гидроабразивной резке разрушительная способность струи создается в гораздо большей степени за счет абразива, а вода выполняет преимущественно транспортную функцию. Размер абразивных частиц подбирается равным 10–30% диаметра режущей струи для обеспечения ее эффективного воздействия и стабильного истечения. Обычно размер зерен составляет 0,15–0,25 мм (150–250 мкм), а в ряде случаев – порядка 0,075–0,1 мм (75–100 мкм), если необходимо получение поверхности реза с низкой шероховатостью. Считается, что оптимальный размер абразива должен быть меньше величины (dс.т. – dв.с. )/2, где dс.т. – внутренний диаметр смесительной трубки, dв.с. – внутренний диаметр водяного сопла.

В качестве абразива применяются различные материалы с твердостью по Моосу от 6,5. Их выбор зависит от вида и твердости обрабатываемого изделия, а также следует учитывать, что более твердый абразив быстрее изнашивает узлы режущей головки.

Таблица. Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке

Наименование

Характерная область применения

Гранатовый песок (состоит из корунда Al2O3, кварцевого песка SiO2, оксида железа Fe2O3 и других компонентов)

Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов

Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al2O3, а также примесей) или его разновидности

Искусственные материалы с очень высокой твердостью по Моосу. Используются для резки сталей, алюминия, титана, железобетона, гранита и др. материалов

Зерна карбида кремния (SiC) – зеленого или черного

Кварцевый песок (SiO2)

Резка стекла

Частицы силикатного шлака

Резка пластика, армированного стекло- либо углеродными волокнами

Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Срок службы сапфировых и рубиновых сопел составляет до 100–200 часов, алмазных сопел – до 1000–2000 часов. При гидрорезке не применяются рубиновые сопла, а сапфировые обычно служат в 2 раза дольше.

Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Срок службы – как правило, до 150–200 часов.

Технологические параметры

Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются:

  1. скорость резки;

  2. вид, свойства и толщина разрезаемого изделия;

  3. внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;

  4. тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;

  5. давление.

Скорость резки (скорость перемещения  режущей головки вдоль поверхности обрабатываемого изделия) существенно влияет на качество реза. При высокой скорости происходит отклонение (занос) водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала. Как следствие, увеличиваются конусность реза и его шероховатость.

Разделительная резка может выполняться на скорости, составляющей 80–100% от максимальной. Качественной резке обычно соответствует скоростной диапазон в 33–65%, тонкой резке – в 25–33%, прецизионной резке – в 10–12,5% от максимальной скорости.

 

В некоторых моделях режущих головок используется технология автоматической компенсации конусности, например, Dynamic Waterjet компании Flow. Компенсация конусности достигается в результате программно-управляемого динамического наклона режущей головки на определенный градус. Это позволяет повысить скорость резки при сохранении качества реза и, соответственно, сократить производственные расходы.

С уменьшением внутреннего диаметра смесительной трубки (при прочих равных условиях) возрастают производительность и точность резки, уменьшается ширина реза (она примерно на 10% больше внутреннего диаметра трубки). При этом снижается и срок службы трубки. В процессе эксплуатации смесительной трубки ее внутренний диаметр увеличивается примерно на 0,01–0,02 мм за каждые восемь часов работы.

Таблица. Примерные размеры абразива при различных режимах резки

Применение Размер частиц гранатового песка (Garnet) Внутр. диаметр водяного сопла Внутр. диаметр смесительной трубки
mesh (США) микрон дюймов мм дюймов мм
Стандартная промышленная конфигурация 80 178
(300–150)
0,013–0,014" 0,330–0,356 0,04" 1,02
Высокоскоростная резка 60 249
(400–200)
0,014–0,018" 0,356–0,457 0,05" 1,27
50 297
(600–200)
Точная резка 120 125
(200–100)
0,012–0,013" 0,305–0,330 0,036" 0,91
80 178
(300–150)
Высокоточная резка 120 125
(200–100)
0,010–0,011" 0,254–0,279 0,03" 0,76

Расход абразива зависит от диаметров смесительной трубки и водяного сопла, условий резки и т. д. Ориентировочные оптимальные значения приведены в таблице ниже.

Таблица. Оптимальный расход абразивного материала при некоторых соотношениях диаметров смесительной трубки и сопла

Внутренний диаметр водяного сопла (мм) Внутренний диаметр смесительной трубки (мм) Расход абразива (г/мин)
0,25 0,76 270–360
0,36 1,02 500–640
0,46 1,27 800–1100

 

Максимальное рабочее давление обычно составляет 3000–3200, 3800, 4150 или 6000 бар. Чем выше давление, тем выше скорость и эффективность резки. В то же время требуется более частая замена прокладок в насосе.

Таблица. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 4100 бар (примерно 4046 атм)

Вид материала Скорость резки (м/ч)* при толщине
5 мм 10 мм 20 мм 50 мм 100 мм
Нержавеющая сталь 52,62 28,56 13,02 3,84 1,44
Титан 68,46 37,20 16,98 4,98 1,86
Алюминий 142,20 77,40 35,40 10,20 3,72
Гранит 251,40 137,10 62,76 18,00 6,60
Мрамор 295,20 160,80 73,50 21,24 7,80
Углепластик 247,20 134,70 61,74 17,70 6,60
Стекло 272,76 148,62 67,92 19,62 7,26
*: давление – 4100 бар; марка абразива – Kerfjet #80; расход абразива – 250–450 г/мин; внутренний диаметр сопла – 0,25 мм, 0,35 мм; внутренний диаметр смесительной трубки – 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet

 

Таблица. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 6000 бар (около 5922 атм)

Вид материала Скорость резки (м/ч)* при толщине
5 мм 10 мм 20 мм 50 мм 100 мм
Нержавеющая сталь 86,64 47,16 21,48 6,12 2,40
Титан 112,38 61,50 28,08 8,22 3,06
Алюминий 233,76 127,44 58,44 16,92 6,24
Гранит 413,46 225,42 103,08 29,70 10,92
Мрамор 485,28 264,60 121,02 34,80 12,84
Углепластик 406,56 221,88 101,40 29,22 10,86
Стекло 448,14 244,38 111,72 32,16 11,88
*: давление – 6000 бар; марка абразива – Kerfjet #80; расход абразива – 250–450 г/мин; внутренний диаметр сопла – 0,25 мм; внутренний диаметр смесительной трубки – 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet

 

 

Установки гидроабразивной резки

 
Установка (станок) гидроабразивной резки обычно состоит из следующих узлов:
  1. станция (насос) высокого давления;

  2. режущая головка (две или несколько режущих головок);

  3. трубопроводы высокого давления;

  4. координатный стол с ванной и приводами перемещений режущих головок;

  5. система подачи абразива;

  6. бак-отстойник;

  7. система управления.

С помощью насоса высокого давления вода сжимается до необходимого давления и затем подается в режущую головку по трубопроводам. Режущая головка обеспечивает преобразование энергии воды, сжатой под высоким давлением, в кинетическую энергию высокоскоростной водноабразивной струи и ее окончательное формирование в качестве режущего инструмента.

Система дозированной подачи абразива состоит из абразивного бункера под давлением, устройства дозирования и подачи абразива в режущую головку, снабженного минибункером, а также гибких соединительных шлангов.

Координатный стол (с приводами перемещений) предназначен для размещения обрабатываемых изделий и позиционирования режущих головок, а ванна – для приема водноабразивной струи и отходов обработки. В установках для сложной вырезки деталей режущая головка может перемещаться по 5-ти осям: стандартным осям X (вперед-назад), Y (влево-вправо), Z (вверх-вниз), а также осям A (изменение угла наклона) и C (вращение вокруг оси Z).

Вода, сливаемая из ванны координатного стола, поступает в бак-отстойник, где очищается от шлама – использованного абразива и мелких остатков обрабатываемого материала.

Управление процессом резки обычно выполняется с персонального компьютера (ЭВМ).

Насосы высокого давления

Накачивание воды сверхвысокого давления в насосе осуществляется за счет возвратно-поступательных движений плунжера – вытеснителя продолговатой цилиндрической формы. Плунжер вталкивается в закрытую камеру цилиндра для повышения давления, что приводит к сжатию воды. При достижении необходимого давления открывается выходной однонаправленный вентиль, и часть сжатой жидкости выбрасывается. Затем выходной вентиль закрывается, а плунжер начинает двигаться в обратном направлении под напором расширяющейся воды. При этом давление воды уменьшается до уровня давления на впуске, и открывается входной однонаправленный вентиль.

В зависимости от способа приведения в движение плунжера различают два вида насосов сверхвысокого давления:

  • прямого действия и

  • мультипликаторного («усиливающего») типа – их также называют бустерными.

 

Насосы прямого действия имеют более простую конструкцию.

Питающий насос создает предварительное низкое давление воды. Затем вода очищается и поступает в насос высокого давления. Электродвигатель приводит в движение три поршня, поочередно выталкивающих воду из цилиндров.

Насосы прямого действия являются сравнительно дешевыми, позволяют плавно увеличивать давление и обладают очень высоким КПД – до 95% и выше. Однако давление воды, создаваемое такими насосами, обычно не превышает 3800 атмосфер.

Более высокое давление воды (до 4150 или 6000 бар) способны создавать насосы мультипликаторного (бустерного) типа.

Поршень приводится в движение то в одну, то в другую сторону маслом, подающимся под первичным давлением (как правило, порядка 207 атмосфер), которое создается гидравлическим насосом. Площадь каждого из оснований поршня может быть в 20 раз больше площади рабочей поверхности каждого из плунжеров. В результате давление воды, выталкиваемой плунжерами поочередно из камер обоих цилиндров, в 20 раз выше первичного давления масла. Пока вода выбрасывается из одной камеры высокого давления, в противоположную камеру поступает вода под низким давлением и т. п.

Аттенюатор (аккумулятор) сглаживает пульсации давления воды и обеспечивает ее непрерывный поток для процесса резки.

Насосы мультипликаторного типа конструктивно сложнее и требуют охлаждения.

Дополнительные устройства

Система водоподготовки. Предназначена в основном для смягчения воды и ее очистки от нежелательных примесей (содержащих железо, кремний, марганец и т. п.), способствующих сокращению срока службы водяного сопла и уплотнителей для высокого давления. Кроме того, может обеспечивать резервный запас воды, необходимые температуру и давление воды, подаваемой в насос высокого давления, а также может использоваться для охлаждения мультипликаторного насоса.

Система защиты от столкновений. Применяется для исключения возможности столкновения режущей головки с заготовкой при неровности поверхности. Смесительная трубка ограждается защитным кольцом, соединенным с датчиком удара. При фиксировании столкновения движение резака прекращается, и он сохраняет свою работоспособность после удаления препятствия.

При управляемой оси Z возможно использование системы контроля высоты режущей головки, позволяющей постоянно поддерживать очень близкое расстояние между режущей головкой и поверхностью заготовки, что значительно повышает скорость и точность обработки.

Оптический локатор. Состоит из миниатюрной водостойкой видеокамеры, способной точно определять координаты любых точек на поверхности обрабатываемого изделия, и программы для пересчета координат точек после переустановки или перемещении изделия. В результате данная система записывает в память расположение детали и позволяет в дальнейшем продолжить рез по тому же контуру как передвинутой произвольным образом заготовки с габаритами, значительно превышающими размеры координатного стола, так и временно отложенной заготовки.

Система управления уровнем воды в ванне. Предназначена для поднятия уровня воды при резке и его опускания до исходного уровня по окончании процесса обработки. При этом существенно уменьшается уровень шума, разбрызгивания режущей струи и выброса в воздух абразивной пыли. Для эффективной резки под водой ее слой над заготовкой должен быть очень тонким. Так, при толщине укрывающего слоя 1мм мощность струи снижается уже примерно на 5%.

Также возможно применение системы удаления шлама, лазерного указателя для позиционирования резака, системы удаленного наблюдения за установкой, сверлильной головки и других дополнительных компонентов.

 

Области применения ГАР

При помощи гидроабразивной струи резать можно практически любые материалы:

  1. черные металлы и сплавы;
  2. труднообрабатываемые легированные стали и сплавы (в том числе: жаропрочные и нержавеющие);
  3. цветные металлы и сплавы (медь, никель, алюминий, магний, титан и их сплавы);
  4. композиционные материалы;
  5. керамические материалы (керамогранит, плитка);
  6. природные и искусственные камни (гранит, мрамор и т. д.);
  7. стекло и композиционное стекло (триплекс, бронестекло, армированное стекло, стеклотекстолит и т. п.);
  8. пористые и прозрачные материалы;
  9. сотовые и сэндвич-конструкции;
  10. бетон и железобетон.

 

Гидрорезка Гидроабразивная резка
Кожа, текстиль, войлок (обувная, кожаная, текстильная промышленность) Листы из сталей, металлов
Пластики, резиновые изделия (автомобильная промышленность) Различные металлические детали (отливки, шестерни и др.)
Электронные платы Сплавы алюминия, титана и др., композитные материалы, толстостенные пластмассы (авиационная и космическая промышленность)
Ламинированные материалы (авиационная и космическая промышленность) Бетон, железобетон, гипсовые блоки, твердая брусчатка и др. строительные материалы
Теплоизоляционные, уплотнительные и шумопонижающие материалы Камень, гранит, мрамор и др.
Продукты питания – замороженные продукты, плотные продукты, шоколад, выпечка и др. Стекло, бронированное стекло, керамика
Бумага, картон Комбинированные материалы, материалы с покрытием
Дерево Дерево
Термо- и дуропласт Армированные пластики

Преимущества  ГАР

На сегодняшний день основными альтернативами ГАР являются лазерная и плазменная резка. Безусловно, каждая из них имеет ряд достоинств и недостатков. Необходимо отметить, что лазерное и плазменное излучения являются широкоуниверсальными инструментами (резание, маркировка, упрочнение и т.п.). В то же время термические процессы, которые возникают при лазерной и плазменной резке, часто служат причиной обгорания, оплавления на разрезаемых кромках. Также, как лазерная, так и плазменная резки создают напряжения, микротрещины и структурные изменения в обрабатываемых материалах. Область применения струи высокого давления гораздо шире, чем у конкурирующих технологий и не ограничивается только обработкой металлов и стекла.

За рубежом проводились эксперименты по сравнению эффективности метода гидроабразивной резки с традиционными технологиями, к которым относятся резка алмазными пилами, лазерная, ультразвуковая и плазменная. В качестве «сильнейшего конкурента» была выбрана лазерная резка, как технология, имеющая большую эффективность и производительность, чем плазменная, механическая или ультразвуковая. Резке двумя сравниваемыми способами был подвержен пакет из металлических пластин толщиной 0,3 мм каждая. В результате испытаний было установлено, что при толщине разрушаемого пакета пластин менее 6 мм более эффективным по энергоемкости и скорости оказался метод лазерной резки, а при толщине пакета свыше 6 мм абсолютно лидирует метод гидроабразивной резки.

Важнейшим преимуществом технологии водоструйной резки перед другими видами обработки является отсутствие нагрева разрезаемых заготовок, то есть отсутствие термического воздействия на материал, что исключает термические напряжения и деформации обрабатываемого материала. Генерируемое в процессе резания тепло практически мгновенно уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры в заготовке. Эта характеристика является решающей при обработке особо чувствительных к нагреву материалов. Небольшие сила (1–100 Н) и температура (+60– +90°С) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила. Также это предотвращает упрочнение, деформирование, стекание шлака или амальгамирование, а также загрязнение такими элементами, как вредные испарения и газы, присущие другим видам резания при обработке пластмасс, композиционных и других материалов, проще говоря, нет запыленности. Эти побочные эффекты часто имеют место при лазерной резке искусственных материалов и, как правило, должны подавляться.

Для листового металла, ламинированного пластиком, технология резки водой часто является единственным решением, которое не оказывает негативного влияния на внешнюю поверхность покрытия. Кроме того, определенные материалы, прежде всего большой толщины, не позволяют осуществлять эффективную резку с использованием термических процессов. В этих случаях технология гидроабразивной резки также является единственно возможным вариантом для резки стекла (кроме традиционных механических методов). Возможности лазерной резки вообще весьма ограничены в работе со стеклом. Гидрорезка не уступает алмазной резке, даже когда делаются только прямые резы, но никакая другая технология, кроме гидроабразивной, не позволяет получать сложные контуры

Также некоторые материалы (медь, титан и алюминий) не могут быть качественно разрезаны лазером. Гидроабразивная резка с ними успешно справляется. 
Кроме того, определенные материалы, прежде всего большой толщины, тоже не позволяют осуществлять эффективное резание с использованием термических процессов. Такие материалы, как титан, нержавеющая сталь, медь и алюминий, создают свои собственные проблемы для всех, кто использует технологию лазерной резки. При обработке композиционных оптических волокон или минералов когерентный световой пучок (лазер) и вовсе не может быть использован.

Важно и то, что струя воды не создает прямого давления на поверхность материала. Механическое воздействие происходит лишь на микроскопическом уровне. Таким образом, несмотря на большую кинетическую энергию струи воды, отсутствует какая-либо деформация материала и высокоточная резка выполняется без появления неровностей кромки. Результатом являются резы поразительно высокого качества, не требующие последующей дорогостоящей доработки. Технология резки водой имеет еще одно неоспоримое преимущество – тонкая струя создает существенно меньшие потери материала по сравнению с традиционными процессами, что на некоторых производствах позволило увеличить эффективность на 20%.

Требования к современному производству включают не только высокую производительность и качество изделий, но и возможность обработки очень сложных форм без ограничений по толщине и материалу. Резы любой сложной формы, острые углы, скошенные кромки до 45°, минимальные внутренние радиусы; возможность начать процесс резки в любой момент, непосредственное врезание в материал – все это достигается при помощи гидроабразивной резки с несравнимой гибкостью для широчайшего диапазона материалов. Немаловажным аспектом является высокая степень экологической безопасности процесса. Гидроабразивная обработка не создает какой-либо пыли или крошки, стружки или химических загрязнителей воздуха. Также преимуществом гидроабразивной резки является возможность вырезать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности реза и с достаточно высокой производительностью.

Сведем преимущества гидроабразивной резки воедино:

  1. отсутствие термического воздействия на материал (температура в зоне реза 60-90ºС)
  2. существенно меньшие потери материала
  3. широкий спектр разрезаемых материалов и толщин (до 150—300 мм и более)
  4. высокая эффективность резки листовых материалов толщиной более 6 мм
  5. отсутствие выгорания легирующих элементов в легированных сталях и сплавах
  6. отсутствие оплавления и пригорания материала на кромках обработанных деталей и в прилегающей зоне
  7. возможность реза тонколистовых материалов в пакете из нескольких слоев для повышения производительности, в том числе, засчет уменьшения холостых ходов режущей головки
  8.  полная пожаро- и взрывобезопасность процесса
  9. экологическая чистота и полное отсутствие вредных газовыделений
  10. высокое качество реза (шероховатость кромки Ra 1,6)

(с) В статье использованы материалы сайта osvarke.com

Поделиться в социальных сетях: