Известная поговорка о том, что вода камень точит, умалчивает о том факте, что она ещё и металл режет, да не за сотни лет, а моментально. Много сказано о резке металла своими руками при помощи плазматронов – водой, превращающейся под воздействием электричества в дугу плазмы. Но существует ещё один способ, дающий более чистый срез, не нуждающийся в финишной обработке – это . Разделение детали водой без специальной подготовки жидкости, даст менее гладкие края заготовок, тогда придётся их обрабатывать дополнительно своими руками при помощи инструментов с применением силы. При условии, что водно-песчаная смесь, подаваемая под давлением, применяется для резки металла толщиной до 20 см, лучше чтобы края заготовок обрабатывать дополнительно не приходилось. А всего-то подготовительный процесс заключается в фильтрации воды.
Преимущества гидроабразивной струи
Гидроабразивная резка была разработана для изготовления деталей для авиации. Впоследствии этот метод был назван лучшим в обработке тугоплавких материалов и сталей. Теперь он используется на производствах, где работает оборудование с ЧПУ. Не меньшее значение резка водой имеет для автомастерских и изготовления предметов быта своими руками, где применяется оборудование без крепежей.
Низкий температурный режим работы даёт преимущества в обработке стали. Резка металла плазмой или газом приводит к сильному нагреву металла, что вызывает окисление и прочие побочные эффекты (в зависимости от индивидуальных характеристик металла). Воздействие на металл абразивных частиц, подаваемых под большим давлением с водой, тоже приводило бы к нагреву листа и его оплавлению, но резка происходит настолько быстро, что сравнить её по чистоте реза можно только с лазером, а по скорости с плазмотроном. Прогрев обрабатываемой поверхности при работе соответствующий – он настолько незначителен, что даже окалин нет. Как нет зависимости от размера оборудования и способа работы — без участия человека или проведение реза оборудованием на ручном управлении.
Приятным моментом при проведении работ своими руками состоит в том, что никаких сильных запахов, дыма и пыли оборудование не производит. Держать под рукой запасные режущие инструменты так же нет необходимости, это оборудование работает без твёрдых резцов – только очень мелкий песок с водой. Скальпелем, отделяющим толстенные куски металла с хирургической точностью, выступает вода, поступающая в сопло под давлением, на выходе из сопла она насыщается абразивными микрочастицами, при мгновенном смешивании получается мощная режущая смесь.
Весь цикл резки как на заводском оборудование с ЧПУ, так и своими руками на обычном станке проводится в один этап. Тонкие и толстые, тугоплавкие и тягучие материалы режутся на одной и той же скорости, без каких-либо ограничений. Станки с возможностью обрабатывать насколько деталей одновременно – это возможность в кратчайшие сроки провести необходимую обработку металла и стекла, пластика и резины, благодаря тому, что нет необходимости перенастраивать оборудование. Детали из материалов разной твёрдости при необходимости будут обработаны за один рабочий цикл.
При обработке материалов своими руками, обрабатывать их поочерёдно выгоднее в плане экономии времени, которое ушло бы на закреплении материалов на рабочей поверхности, а комбинированная деталь, состоящая из нескольких совершенно разных материалов, легко и точно будет разрезана при помощи гидроабразивной смеси подаваемой под высоким давлением.
Применение станков гидроабразивной резки
Оборудование, работающее на гидроабразивной взвеси применяется для:
- Художественной резки металла водой, и прочих материалов с различными техническими характеристиками. Тонки е и широкие детали можно резать не только под прямым углом. Изменение наклона режущей субстанции не скажется на чистоте краёв среза. Ни один из материалов, которые режет это оборудование, не требует последующей обработки, деталь из-под гидрорезца выходит готовой на 100%.
- Самые сложные элементы, повторяющиеся в нескольких фрагментах и детали, требующие повышенной точности, лучше выполнять на программируемом станке резки водой. Компьютерная программа лучше человека управится с точными задачами по обработке деталей, не терпящих отклонений. Для творчества и изготовления предметов, не задействованных в сложных механических агрегатах, вполне подойдёт оборудование на ручном управлении.
- Максимальная толщина металла для резки водой, как уже было сказано ранее, составляет 200 мм, но есть и исключения. Гидроабразивной взвесью можно резать медь толщиной всего 5 мм, тугоплавкие сплавы до 12 мм, титан толщиной до 17 мм. Если посмотреть на сферу применения этих металлов и их стоимость, то не так уж велика потеря.
- При необходимости сделать своими руками украшение из меди или латуни, то верхний слой убирается поэтапно. Так что углубление в 1 см можно сделать за 2 прохода вместо одного. Как говорят скульпторы, работающие над шедевром с резцом – отсечь всё ненужное. Тот же принцип работы и с гидроабразивным режущим элементом. Для точного воспроизведения детали лучше воспользоваться станком на компьютерном управлении.
Станки без ЧПУ работают на ручном управлении, настройка станка для резки целиком производится оператором, что может дать некоторые неточности, если угол резки выставлен неверно. Но такой станок не требует никаких специфических знаний. Он значительно дешевле своего управляемого компьютером собрата. Мало функциональное оборудование, разобраться в его настройках можно достаточно быстро. Простые и сложные линии, а так же стандартные геометрические фигуры на этом станке может выполнить своими руками каждый, после краткого ознакомления с устройством станка, техникой безопасности, способом заправки его водой с песчаным абразивом, способом изменения угла резки.
Раскрой металла — обязательный этап в изготовлении любых металлоконструкций. Если не рассматривать механические способы резки тонкостенного листа или профиля, то остаются два вида технологии, которым под силу разрезать заготовки большой толщины. Это термические методы и гидроабразивная резка.
Сам принцип действия заимствован у природы. Естественный аналог — это эрозия горных пород под воздействием воды. Даже струя с ускорением свободного падения, падающая с небольшой высоты, вымывает гранит и базальт. Вопрос только во времени.
Если под высоким давлением поток чистой воды в виде тонкой струи разогнать до сверхзвуковой скорости (800-1000 м/с), а затем добавить абразив, твердость которого выше, чем у стали, то получится режущий инструмент с уникальными возможностями.
По такому принципу и работает станок гидроабразивной резки, способный раскроить лист металла толщиной до 300 мм.
Суть метода заключается в способности высокоскоростной струи с абразивом «отрывать» частички материала в зоне резки, и вымывать их вместе с потоком. При этом вода, помимо функции «транспортировки», одновременно охлаждает рабочую зону, не позволяя измениться физико-химическим свойствам металла от перегрева.
Технологически схема работы выглядит так:
- насос высокого давления с помощью труб связан с форсункой, диаметр сопла которой находится в пределах 0.1-0.4 мм;
- вода под высоким давлением (до 6500 bar), проходя через сопло разгоняется до скорости 1000—1200 м/с и поступает в смесительную камеру;
- в эту же камеру из резервуара дозирующего устройства подается абразив (кварцевый или гранатовый песок определенной фракции);
- рабочая смесь из воды и абразива проходит через смесительную трубку диаметром 0.6-1.2 мм на выходе рабочей головки, соприкасается с поверхностью металла и режет его.
Устройство станка
Крупноблочная типовая схема гидроабразивного станка имеет следующий вид:
- корпус, состоящий из станины и защитных кожухов;
- рабочий координатный стол с системой крепления заготовки;
- резервуар с чистой водой;
- насос высокого давления;
- шланги и трубопроводы низкого/высокого давления для транспортировки воды;
- емкость с абразивом и устройство его подачи в резервуар дозатора;
- система дозировки абразива;
- режущая головка (или блок из нескольких головок);
- привод перемещения режущих головок;
- система поддержки постоянной величины зазора между заготовкой и режущей головкой;
- датчики, система контроля и управления станком;
- емкость с водой для гашения энергии отработанной струи, сбора воды с абразивом и частичками металла.
В качестве обязательного условия надежной работы установки должна быть еще система водоподготовки с механической фильтрацией, обезжелезиванием и умягчением (удалением сульфатов, поглощением ионов кальция, магния и солей тяжелых металлов).
Особенности устройства основных узлов
В современных установках гидроабразивной резки применяют насосы высокого давления двух видов:
- Классический роторный насос прямого привода. Способен обеспечить рабочее давление до 4130 bar, которое создается путем вращения электродвигателем коленчатого вала с тремя поршнями. Второе название — насос триплекс;
- Насос-мультипликатор. Использует принцип гидравлического усиления давления в замкнутой системе, состоящей из поршня с большой площадью и плунжера с маленьким диаметром. Принцип действия заключается в том, что масло в опрессованной системе давит на поршень, который передает усилие плунжеру, контактирующему с водой. И если соотношение площадей сечения будет равно 20 к 1, то чтобы создать давление воды 4130 bar, надо обеспечить давление масла около 210 bar (с учетом потерь на трение о стенки поршня и плунжера). Этим видом насоса оснащено около 80% существующего парка станков с рабочим давлением 2700—6500 bar.
Контурный раскрой листового материала осуществляется режущей головкой. Но трёхосевого управления движением головки над координатным столом с заготовкой недостаточно.
Чтобы обеспечить высокое качество вертикальность стенки реза у заготовок с большой толщиной, надо компенсировать конусность струи. Кроме того, во многих случая требуется дополнительное создание кромочных фасок по внешней и внутренней грани плоскости реза, а также вырезку пазов и наклонных отверстий. Поэтому станки оснащают четырех- или пятиосевым приводом движения рабочей головки, работу которого можно разложить на две составляющие:
- перемещение над координатным столом по осям X, Y, Z с помощью линейных двигателей;
- вращение вокруг оси Z за счет прецизионного сервопривода — в одной плоскости для отработки вертикали и создания фаски, в двух плоскостях для обработки сложных поверхностей.
Минимальный угол поворота режущей головки у такого станка составляет ±45°, но есть модели установок с возможностью поворота даже в горизонтальную плоскость.
Станок с 5-ти осевой головкой
Если для гидрорезки (без использования абразива) режущая головка оканчивается соплом из драгоценного камня, то для гидроабразивной резки устройство этого узла более сложное, и состоит следующих элементов:
- Сопло из сапфира, рубина или алмаза. Чтобы поток воды высокого давления сделать максимально узким и разогнать до сверхзвуковой скорости, используют тончайшее сопло с диаметром не более 0.4 мм (чем больше диаметр, тем больше необходимая мощность насоса для достижения «рабочей» скорости струи). Кромка сопла должна иметь идеальную поверхность с острым краем — любая мельчайшая неровность, дефект или закругленность края создает зону турбулентности, что заканчивается практически мгновенным выходом головки из строя. Вторая причина разрушения — отложение кальция или воздействие твердой частицы, содержащейся в струе воды. Поэтому так важна водоподготовка. При соблюдении всех обязательных условий надежной работы, ресурс сопла из сапфира или рубина находится в пределах 50-200 часов, а из алмаза — на порядок больше.
- Смесительная камера. Работа основана на эффекте Вентури — при переходе потока жидкости с высокой скоростью из трубки большого диаметра через сопло, в камере за ним возникает зона разрежения с низким давлением. Абразив буквально всасывается в смесительную камеру, и вместе с потоком воды на большой скорости поступает в смесительную трубку.
- Смесительная трубка. Это конечная деталь режущей гидроабразивной головки. Внутренний диаметр трубки лежит в пределах 0.4-1.8 мм, а ее длина — 30-150 мм. Чтобы выдерживать воздействие скоростной струи воды с абразивом, трубку изготавливают из композитного карбида с предельно малым содержанием вяжущего. На входе из камеры отверстие трубки сделано в виде конуса, поэтому износ носит концентрический характер от входа к выходу. Износ (увеличение диаметра) происходит со скоростью 0.003-0.004 мм/час.
Управление
Управление может осуществляться через интерфейс самого станка, либо путем загрузки в систему подготовленных файлов-заданий в виде чертежей и технологических параметров, подготовленных в формате любого графического редактора, совместимого с ПО станка (CAD. COREL-DRAW или подобных).
Оператор, используя сервис интерфейса, может задавать координаты начала и окончания движения, корректировать скорость резки и направление.
Задание передается в систему автоматизированного управления для выполнения операций.
После этого надо установить режущую головку в начальную точку и запустить станок в работу. ПО станка преобразует данные файла-задания в команды управления насосом, дозатором абразива и двигателями привода головки.
Обратная связь САУ считывает показания датчиков, корректирует подачу воды и скорость движения головки, следит за выполнением задачи, обеспечивает плановое или аварийное отключение станка.
Кроме того, у оператора есть возможность в любой момент остановить работу устройства, отключить насос и сбросить давление в системе.
Цена гидроабразивной резки
Есть как минимум пять компонентов, которые определяют высокую цену оборудования:
- насос и система трубопроводов высокого давления;
- высокоточные приводы управления движения головкой;
- интеллектуальная система управления;
- сопло из драгоценных камней (пусть и искусственного происхождения);
- смесительная трубка из композита с высокой твердостью.
А если учесть, что последних два компонента относятся к расходным деталям и добавить высокую цену абразива, то стоимость гидроабразивного раскроя получится самой дорогой среди всех видов. Но достоинства этого способа и качество обработки детали стоят этого.
Достоинства гидроабразивной резки
Если сравнивать с термическими и механическими методами раскроя, то у оборудования для гидроабразивной резки длинный список достоинств.
Гидроабразивная резка металла – технология, без которой не обходится машиностроительная и металлопрокатная отрасль.
Иногда достичь необходимого качества среза невозможно даже посредством плазменной резки, в связи с чем применяется оборудование для резки посредством гидроабразивной струи.
Впервые гидроабразивная резка металла была использована американской авиастроительной компанией, которая впоследствии представила данные о том, что такая технология является лучшим вариантом для обработки стали и прочих тугоплавких металлов.
С того времени водно-абразивный метод не перестает пользоваться спросом в разных производственных сферах. Сегодня станки, предназначение которых — обработка стали, труб и пр. гидроабразивной струей, очень популярны.
Оборудование, используемое для резки металла посредством гидроабразива, незаменимо в работе с толстостенными заготовками. Только эти станки способны обеспечить высокое качество линии реза стали во время прокладки труб.
После протачивания рабочего участка 200-мм металлического листа на поверхности линии реза стали нет ни окалин, ни заусениц.
Идеальное качество среза в сочетании со щадящим температурным режимом — это еще не все достоинства, которыми наделена водно-абразивная технология.
Высокая стоимость установок компенсируется экономией на крепежных элементах и узлах, которые не нужны даже при работе с тонкостенными заготовками.
Отсутствие дымовой завесы и пыли, а также других неприятных факторов – еще одно из многих достоинств гидроабразивной резки.
Помимо этого, нет надобности проводить замену изношенного режущего инструмента и контролировать остроту резака, так как, по сути, он отсутствует.
Вместо него функцию режущего инструмента выполняет струя воды в сочетании с абразивными компонентами.
Процесс начальной и финишной гидроабразивной обработки среза выполняется в один этап.
При этом скорость рабочего процесса проходит без замедлений, показатель скорости резки не понижается, даже если приходится обрабатывать толстостенные элементы, как, например, во время прокладки труб.
Универсальные характеристики станков для резки металла позволяют на одной установке проводить одновременную обработку разных материалов — это может быть пластик, стекло, резина или многослойное изделие.
Гидроабразивные установки для резки металла отличаются безопасностью эксплуатации, поэтому могут эксплуатироваться на заводах с вероятным риском взрывоопасности.
Принцип действия и применение гидроабразивных станков
Станки для обработки металла гидроабразивом универсальны в применении, ведь их возможности не заканчиваются на раскрое металлопроката. Принцип действия водно-абразивных установок можно посмотреть на видео.
Основывается технология на специально разработанной системе подачи воды под высоким давлением на обрабатываемую поверхность.
Вспомогательным компонентом жидкости является абразив, который добавляется в воду. Обычно в качестве абразивной добавки используют микрочастицы песка.
Вода и песчинки одновременно подаются в смеситель из отдельных резервуаров, где тщательно перемешиваются. В результате полученная взвесь под давлением попадает в сопло установки.
Затем рабочий водно-абразивный инструмент, в виде интенсивной с определенными параметрами струи, направляется на заготовку и разрезает ее.
В данном случае скорость гидроабразивной резки можно сравнить разве что со скоростью работы плазмореза, а вот качество выполненного таким методом среза может соответствовать только качеству разрезания лазером.
Стремительное развитие современных технологий позволило усовершенствовать станки путем расширения их эксплуатационных возможностей. Благодаря чему их сфера использования возросла.
На сегодняшний день водно-абразивное оборудование дает возможность:
- Проводить нестандартное разрезание любого материала, при этом меняющийся наклон реза не сказывается отрицательно на качестве. Рабочий процесс, выполняемый под любым углом наклона, дает возможность на выходе получить полностью готовые заготовки и не подвергать их финишной обработке;
- Вырезать детали самых сложных геометрических форм с помощью числового программного обеспечения. В данном случае обработка проходит полностью в автоматическом режиме и не требует человеческого участия. Оборудование управляется специально заданной компьютерной программой. Гидроабразивная резка (например, обработка труб) позволяет выполнить нужную окружность без допустимых погрешностей;
- Станки для обработки металла (труб) гидроабразивом, используемые в металлопрокате, дают возможность проводить разрезание максимальной толщины разного металла, как показано в видео. Так, обработка заготовки из среднеуглеродистой стали может выполняться с использованием материала максимальной толщины – 200 мм. Максимальная толщина титанового материала может составлять 15-17 мм; высокопрочные сплавы могут иметь толщину 12 мм. А вот толщина медной заготовки достигает лишь 5 мм;
- Гидроабразивная технология нашла свое применение также и в сфере искусства. Оборудование позволяет производить разнообразные предметы дизайна и украшения, чаще всего обработка фигур происходит с применением ЧПУ.
Особенности эксплуатации установок с ЧПУ
Гидроабразивное оборудование с компьютерным программным управлением — одна из возможностей расширить сферу использования станков, повысить эффективность работ и при этом увеличить производительность.
Больше подробностей можно почерпнуть из ниже предложенной информации и видео сюжета.
Станки с ЧПУ применяются для производства заготовок из стали, алюминиевых, медных и прочего типа металлов.
Строгая точность резки, которую обеспечивает водно-абразивное оборудование с ЧПУ, практически не имеет отклонений от поставленных задач.
Гидроабразивные установки с программным управлением, дают следующие преимущества:
- Станки, оборудованные ЧПУ, функционируют в соответствии с заданной программой. При этом обработка каждой заготовки выполняется по индивидуальному программному обеспечению. С его помощью автоматом подбирается давление струи, состав рабочей режущей взвеси и прочие параметры;
- Если на станках без ЧПУ подбор режущей струи может быть выбран неправильно, то в данной ситуации этот момент исключается. Оборудование самостоятельно контролирует качество среза, затем автоматически корректирует используемый режим;
- Обработка металлов с помощью программного обеспечения также предусматривает возможность проделывания отверстий нужного диаметра;
- Как можно судить по видео материалу, по завершению гидроабразивного процесса из заготовки выходит полностью готовая деталь, которую нет необходимости подвергать шлифовке или дополнительной обработке, в местах среза.
Ручные станки для водно-абразивной резки металла
Так как часть работы все же приходится делать своими руками, показатель удобства и комфорта использования такого оборудования далек от идеала.
Но в этом есть и свои плюсы, заключающиеся в нескольких простых факторах, которые в некотором смысле могут стать решающими при выборе оборудования:
- Оборудование без программного обеспечения в несколько раз дешевле станков с ЧПУ;
- Обработка на ручной гидроабразивной установке доступна для человека без специального образования;
- Ручные установки отличаются простой управления и небольшим набором функций, с настройкой которых можно справиться своими руками;
- При этом оборудование обеспечено всеми необходимыми техническими свойствами, которые позволяют получить заготовки с простыми геометрическими формами;
- Ровный качественный рез, возможность проводить срез под углом, раскрой материала и получение простых фигур со строгими геометрическими формами – все эти функции могут быть применены на любых материалах, включая сталь, стекло и медь. В качестве примера можно провести работу для прокладки труб.
Рассмотреть процесс настройки своими руками ручного станка и его действия можно в видео в разделе.
Подробно о расходных материалах для гидроабразивных станков
Все, что требуется для восстановления полноценной работы гидроабразивных установок для резки металла — это регулярно проводить обновление расходных материалов и изношенных элементов, ведь станки со временем выходят из строя.
Расход абразива, даже на станках с программным обеспечением, иногда превышает 300 г в 1 минуту, так как при работе с материалом, имеющим максимальную толщину, показатель возрастает.
В качестве абразива применяют микрочастицы природного гранатового песка, который способен обеспечить резку тягучих и тугоплавких заготовок. Величина микропесчинки может составлять до 600 микрон.
Помимо абразива, гидроабразивная технология не обходится без воды, которая предварительно подготавливается и проходит фильтры.
Если использовать жидкость без специальной системы подготовки, то качество среза значительно снизится.
Из деталей гидроабразивного оборудования чаще всего подлежат замене: система подачи абразивной взвеси, сопло и направляющие трубки.
А также уплотнительные элементы насосной станции, без которых не будет нужного давления в системе.
Дополнить вышеизложенную информацию позволит тематическое видео в нашей статье.
Гидрорезка (водоструйная резка) - вид резки, при котором материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды. При гидроабразивной резке для увеличения разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала - абразива.
Общепринятые обозначения
ГАР
WJC
- Water Jet Cutting - резка водяной (или водно-абразивной) струей
AWJC
- Abrasive Water Jet Cutting - абразивная водоструйная резка
Сущность процесса
Если обычную воду сжать под давлением около 4000 атмосфер, а затем пропустить через отверстие диаметром меньше 1 мм, то она потечет со скоростью, превышающей скорость звука в 3-4 раза. Будучи направленной на обрабатываемое изделие, такая струя воды становится режущим инструментом. С добавлением частиц абразива ее режущая способность возрастает в сотни раз, и она способна разрезать почти любой материал.
Технология гидроабразивной резки основана на принципе эрозионного (истирающего) воздействия абразива и водяной струи. Их высокоскоростные твердофазные частицы выступают в качестве переносчиков энергии и, ударяясь о частицы изделия, отрывают и удаляют последние из полости реза. Скорость эрозии зависит от кинетической энергии воздействующих частиц, их массы, твердости, формы и угла удара, а также от механических свойств обрабатываемого материала.
Технология резки
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.
Рисунок. Схема гидроабразивной резки
Рисунок. Схема смешивания частицы абразива
При гидрорезке (без абразива) схема упрощена: вода под давлением вырывается через сопло и направляется на разрезаемое изделие.
Таблица. Характерная область применения технологий резки водой
| 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 |
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 (d с.т. - d в.с.)/2, где d с.т. - внутренний диаметр смесительной трубки, d в.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 Al 2 O 3 , кварцевого песка SiO 2 , оксида железа Fe 2 O 3 и других компонентов) | Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов |
| Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al 2 O 3 , 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 (SiO 2) | 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:
- скорость резки;
- вид, свойства и толщина разрезаемого изделия;
- внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;
- тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;
- 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.
Рисунок. Типичная форма реза в зависимости от условий резки
Рисунок. Занос струи при резке со скоростью выше оптимальной
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.
Фото. Вид поверхности реза в зависимости от скорости водно-абразивной резки
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
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 | |||||
Фото. Детали, полученные гидроабразивной резкой: из нержавеющей стали толщиной 15 мм; из сплава алюминия толщиной 6 мм; из алюминия толщиной 30 мм; из пластика, армированного волокном, толщиной 20 мм; из инструментальной стали толщиной 60 мм
Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика
С помощью водно-абразивной или водной струи можно разрезать практически любые материалы. При этом не возникают ни механические деформации заготовки (так как сила воздействия струи составляет лишь 1-100 Н), ни ее термические деформации, поскольку температура в зоне реза составляет около 60-90°С. Таким образом, по сравнению с технологиями термической обработки (кислородной, плазменной, лазерной и др.) гидроабразивная резка обладает следующими отличительными преимуществами:
- более высокое качество реза из-за минимального термического влияния на заготовку (без плавления, оплавления или пригорания кромок);
- возможность резки термочувствительных материалов (ряда пожаро- и взрывоопасных, ламинированных, композитных и др.);
- экологическая чистота процесса, полное отсутствие вредных газовых выделений;
- взрыво- и пожаробезопасность процесса.
Водно-абразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше. Гидроабразивная резка может выполняться по сложному контуру с высокой точностью (до 0,025-0,1 мм), в том числе для обработки объемных изделий. С ее помощью можно делать скосы. Она эффективна по отношению к алюминиевым сплавам, меди и латуни, из-за высокой теплопроводности которых при термических способах резки требуются более мощные источники нагрева. Кроме того, эти металлы труднее разрезать лазером из-за их низкой способности поглощать лазерное излучение.
К недостаткам водно-абразивной резки относятся:
- существенно меньшая скорость разрезания стали малой толщины по сравнению с плазменной и лазерной резкой;
- высокая стоимость оборудования и высокие эксплуатационные затраты (характерно и для лазерной резки), обусловленные расходом абразива, электроэнергии, воды, заменами смесительных трубок, водяных сопел и уплотнителей, выдерживающих высокое давление, а также издержками по утилизации отходов;
- повышенный шум из-за истечения струи со сверхзвуковой скоростью (характерно и для плазменной резки).
Таблица. Сравнение гидроабразивной резки с кислородной, плазменной и лазерной резкой
| Наименование | Характеристика водно-абразивной резки по отношению к | ||
| кислородной | плазменной | лазерной | |
| Диапазон разрезаемых материалов | очень сильно превосходит | сильно превосходит | еще шире |
| Типичная ширина реза (мм) | гораздо меньше | меньше | больше (при резке водой - сопоставимая) |
| Качество | очень сильно превосходит | сильно превосходит | превосходит |
| Зона термического влияния | гораздо меньше | гораздо меньше | меньше |
| Ограничение по максимальной толщине металла | уступает | превосходит | значительно превосходит |
| Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки) | уступает | существенно уступает | существенно уступает |
| Стоимость оборудования | гораздо выше | выше | сопоставимая |
| Стоимость обслуживания | выше | сопоставимая | сопоставимая |
Практически ни одно предприятие металлопроката и машиностроения не может обойтись без оборудования для разрезания листового металла. Часто к качеству реза предъявляются высокие требования, что не дает возможности использовать традиционное оборудование: гильотины и плазменную резку.
Гидроабразивная резка металла водой применяется еще с 60-х годов прошлого века. Впервые раскрой металла гидроабразивным методом официально стала использовать авиастроительная компания США. Позже компания официально заявила о том, что данный метод является оптимальным для резки металла и других высокопрочных материалов.
С тех пор гидроабразивный способ обработки получил широкое распространение. Ограничивается ли водно-абразивная резка только металлопрокатом или имеет более широкую сферу применения? Какие преимущества и недостатки у раскроя металла по гидроабразивной технологии?
Область применения гидроабразивной резки
Главным отличием, которое имеет гидроабразивная обработка металла, от остальных способов обработки листового металла является то, что на поверхность материала не оказывается механическое воздействие. Отсутствие трения, нагревания инструментов влияет на качество реза и возможные сферы применения.Больше всего распространена водно-абразивная резка металла струей воды, но оборудование также применяют для разрезания следующих материалов:
- Мрамор, гранит, камень и другие горные породы.
- Стекло, керамика.
- Стали и металлы, включая: титан, нержавейку.
- Железобетон.
- Пластик, текстолитовые, эбонитовые и паронитовые плиты, резину.
При этом при разрезании удается достичь минимального расхода строительных материалов, комплектующих, и т. д. На предприятиях с повышенной пожаро и взрывоопасностью, гидроабразивные станки являются единственным возможным оборудованием соответствующим требованиям для проведения работ.
Принцип работы гидроабразивной резки
Применение станков водно-абразивной резки не ограничиваются только возможностью раскроя металлопроката, все же основная доля оборудования продолжает применяться непосредственно в этой сфере производства. Работа гидроабразивной резки основана на технологии подачи воды с определенным содержанием абразивного вещества под давлением, на поверхность материала. Что происходит во время резки?- Вода подается из специального резервуара под давлением в смеситель.
- Одновременно в смеситель направляется абразивная смесь, обычно состоящая из мелких частиц песка.
- После смешивания с абразивом, вода подается на сопло для резки металла гидроабразивной струей воды.
- Тонкая струйка направляется на поверхность обрабатываемого материала и разрезает его.
Такой принцип работы позволяет существенно увеличить скорость обработки металла и качество его реза. Единственный расходный материал, который потребуется заменять, это сам абразивный порошок. Понадобится время от времени добавлять абразивный порошок в специальные резервуары.
Скорость гидроабразивной резки металла может сравниться с той, которая есть у плазменных автоматических станков. Но качество проведения работ может сравниться только с разрезанием с помощью лазера.
Оборудование для гидроабразивной резки
Еще в древнем мире заметили удивительное свойство воды под давлением изменять форму природных материалов, на которые она воздействовала. Камни становились гладкими, а постоянное падение с высоты небольшого количества воды оставляло глубокие выемки в самых твердых горных породах.Этот же принцип используется в промышленных целях. Для этого просто необходимо в несколько раз увеличить давление воды при резке металла, а также проконтролировать направленность получаемой струи воды. Делается это следующим образом:
Помимо основных узлов оборудования, выбирая аппарат для резки металла водой, необходимо обратить внимание на наличие дополнительных опций для работы на станке. Расширенная функциональность устройства позволяет при необходимости выполнить фигурную резку.
Возможности гидроабразивной резки
Уникальный способ обработки материала с помощью узконаправленной струи воды под давлением нашел свое место во многих сферах производства и искусства. Одним из основных преимуществ гидроабразивного метода резки является полное отсутствие сколов, и нагревания поверхности, присутствующие при обычном разрезании предметов.Благодаря современным технологиям и усовершенствованию станков удалось расширить их функциональные возможности и сферу применения.
В последнее время широкое распространение получила гидроабразивная резка труб. Благодаря специальным станкам для резки труб удается получить идеально ровно отрезанную окружность без отклонений.
Гидроабразивные станки с ЧПУ
Возможности использования программируемых станков с ЧПУ для гидроабразивной резки нержавеющей стали, алюминия, меди, других типов черных и цветных металлов разной прочности, позволили существенно увеличить и расширить сферы применения оборудования.Благодаря станкам с ЧПУ обеспечивается производство точных деталей с минимальным отклонением от заданных размеров, что практически невозможно достичь традиционными способами резки. Принцип работы гидроабразивного оборудования с ЧПУ сводится к следующему:
Станки для гидроабразивной резки мелких деталей с числовым программным управлением могут отличаться по функциональным возможностям и основному предназначению. Перед приобретением станка с ЧПУ для резки мелко форматных деталей, необходимо обратить внимание на сферу применения и рекомендации связанные с эксплуатацией.
Ручная гидроабразивная резка
Некоторые станки управляются непосредственно оператором. В таком оборудовании угол наклона и все остальные корректировки необходимо выставлять вручную, что не совсем удобно и не может обеспечить комфортную работу. С другой стороны, УГР установка гидроабразивной резки листового металла без ЧПУ имеет свои преимущества, к которым относится:- Меньшая стоимость - по сравнению с ЧПУ станками, такая установка обойдется приблизительно в 1,5 раза дешевле.
- Отсутствует необходимость в профильном образовании. Ручное гидроабразивное оборудование для резки железа имеет простое управление и минимальное количество функций. Это позволяет проводить все необходимые операции при обработке деталей простых геометрических форм.
- Общие функциональные возможности оставлены без изменений. Ровный рез, а также разрезание материала под углом, вырезание простых геометрических фигур и раскрой материала можно делать и на обычном оборудовании. Гидроабразивная резка алюминия, меди, стали, стекла и других материалов возможно и на таком оборудовании.
Применение ручных установок ограничено их малой функциональностью. Сложные геометрические фигуры, использование станка в художественной резке и там, где требуется высокая точность, и качественный конечный результат, потребуется приобрести оборудование с ЧПУ.
Расходные материалы для гидроабразивной резки
Во время резки материала с помощью абразивных частиц появляется постоянная потребность в замене расходного материала и быстроизнашивающихся деталей оборудования. А именно:- Абразив для резки металла на гидроабразивном станке. Даже в наиболее экономных установках с ЧПУ расход абразивного порошка составляет около 300-350 гр. в мин. При этом толщина обрабатываемого материала может несколько увеличить коэффициент расхода. Для работы используется мелкий песок, изготовленный из натурального материала граната. Гранатовый песок обладает высокими прочностными характеристиками и используется даже для резки тугоплавких и тягучих материалов. При этом размер абразивных песчинок должен составлять не более 600 микрон.
- Вода - кроме абразивного порошка, для резки потребуется использование воды прошедшей процедуру подготовки и фильтрации. Жидкость с примесями существенно влияет на качество реза, поэтому использование систем водоподготовки является не только желаемым, но и обязательным требованием.
Кроме этих двух основных расходных материалов, для обработки материалов также понадобится электричество, достаточное количество воздуха и регулярная замена изнашивающихся деталей.
- Система подачи абразивной смеси чаще всего нуждается в замене. Установка нового сопла потребуется через каждые 50 часов работы, направляющей трубки 100 ч. Интересно, что по мере изнашивания этих деталей, абразивный гранатовый песок для гидроабразивной резки будет расширять диаметр этих узлов и в результате увеличит толщину реза с 1 до 1,5 мм. Что существенно, особенно если речь идет о дорогостоящих материалах.
- Прокладки и уплотнения насосной станции. Эти комплектующие также считаются расходными деталями, которые изнашиваются довольно быстро и требуют постоянной замены. От уплотнителей зависит поддержание давления в системе. И первым признаком, на который необходимо обращать внимание является – падение рабочего давления при тех же производственных параметрах.
Можно встретить предложения приобрести абразивный материал по низкой цене, выполненный не из граната, а из других осадочных пород. Использование некачественного абразива существенно снижает производительность и увеличивает износ деталей станка.
Преимущества гидроабразивной резки
Существует восемь основных преимуществ, которые можно выделить при использовании ГАР. А именно:- Отсутствие нагревания поверхности. В процессе обработки заготовки все выделяемое тепло моментально удаляется под воздействием воды. Из-за отсутствия металлических режущих элементов, получаемое от трения тепло незначительно. Минимальное тепловыделение обеспечивает точный рез материалов, поддающихся деформированию под воздействием высокой температуры.
- Функциональные возможности - достоинства гидроабразивной резки металла сложно перечислить, но одним из самых важных является то, что с помощью ГАР станка можно вырезать самые сложные формы заготовок. Также появляется возможность изготовления сложного профиля с любым необходимым радиусом, формами и контурами.
- Отсутствие дополнительных работ - после вырезания необходимой детали нет необходимости в последующем шлифовании и обрабатывании места реза. Небольшая шероховатость практически незаметна невооруженным глазом.
- Технологичность процесса реза - станок является полностью универсальным, при необходимости можно использовать для сверления. Существует возможность выполнения операции независимо от атмосферных и других условий. Ручные установки могут быть использованы для разрезания материала даже под водой или на глубине до нескольких сот метров. При этом от одного насоса высокого давления можно одновременно запитать 2-3 установки.
- Экономичность по сравнению с плазменной обработкой материала - плюсы водно-абразивной резки очевидны. Скорость разрезания может достигать 30000 мм/ мин. Причем это не влияет на качество реза. Если учесть что при разрезании теряется всего 0,5-1 мм материала, а также точность и полное соответствие готовой продукции задаваемым размерам, становится очевидным высокая рентабельность установки ГАР.
- Безопасность - станки могут устанавливаться даже на производстве с повышенной взрывоопасностью, при изготовлении легковоспламеняющихся материалов. Отсутствие нагревания поверхности, вероятности возникновения искры и другие характеристики делают применение водно-абразивных станков максимально удобным и безопасным.
- Возможность разрезания толстостенных материалов. Можно обрабатывать стальные листы до 3 см, а также бетонные армированные блоки с толщиной до 10 см.
- Универсальность станков - одна установка позволяет одновременно обрабатывать сталь, пластик, резину, ткань и т. д. причем при необходимости можно разрезать многослойные заготовки, состоящие из нескольких материалов.
Наиболее функциональными считаются станки с ЧПУ, но недостаток квалифицированного персонала объясняет, почему ручная резка с ГАР пользуется более высоким спросом.
Недостатки гидроабразивной резки
Основные минусы ГАР металла включают в себя следующие факторы:- Появление конусности - это особенно заметно при обработке толстостенной стали и других тугоплавких металлов. В результате торец заготовки вырезается не ровно, а в виде воронки. Конусность обычно устраняется с помощью дополнительного устройства автоматизации и контроля над конусностью.
- Одинаковая скорость, как для толстостенных, так и для тонких материалов. Это существенно влияет на рентабельность оборудования. Вопрос решается с помощью складывания листов слоями для одновременного разрезания сразу нескольких заготовок.
В остальном использование ГАР удобно, практично и экономически выгодно. Оборудование для резки с помощью воды с абразивным порошком помогает решить важные проблемы, связанные с некачественной обработкой деталей, а также сократить время необходимое для производства. Расходные материалы полностью компенсируются экономичностью данного оборудования.
