Технология гидроабразивной резки металла. Гидроабразивная резка металла своими руками

Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует новых технологий их обработки. Одной из таких технологий является резка высокоскоростной струей воды под большим давлением — водоструйная резка.

Возможность использования струи жидкости под сверхвысоким давлением в качестве режущего инструмента для обработки различных материалов впервые была описана в СССР. Произошло это в 1957 году. Но запатентован такой способ обработки материалов был только через четыре года, и не в Союзе, а в США.

Природный инструмент

Инструментом водоструйной резки материалов является определенным образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,08-0,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала — за счет этого и осуществляется резка.

Существуют два способа водоструйной резки материалов:

резка водой, или гидрорезка — waterjet cutting;
гидроабразивная резка (вода плюс абразив) — abrasive waterjet cutting.

Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности — жидкостно-абразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины.

Режимы водоструйной резки, осуществляемой обоими способами, могут быть расширены за счет подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, которые придают ей абразивные свойства.

При водоструйной резке учитывается и угол атаки — угол между направлением струи и обрабатываемой поверхностью. Максимальная режущая способность и производительность процесса достигаются при угле атаки в 90°.

Материалы и области применения

С помощью водоструйной резки могут обрабатываться практически все материалы: бумага и картон, ткани, кожа и резина, стекло и керамика, гранит и мрамор, бетон и железобетон, все виды полимерных материалов, в том числе композиционные, фольгированные и металлизированные пластики, все виды металлов и сплавов, включая труднообрабатываемые — нержавеющие и жаропрочные стали, твердые и титановые сплавы.

За рубежом спектр отраслей, в которых сегодня применяются технологии водоструйной резки, широчайший. Прежде всего это: космическая отрасль и ракетостроение, оборонная промышленность, авиа-, судо-, автомобиле- и приборостроение, электротехника и микроэлектроника, легкая (в том числе кожевенно-обувная) и пищевая промышленность, строительство, медицина.

Особенно часто водоструйная резка применяется для осуществления следующих технологических операций (здесь приводится далеко не полный перечень):

в оборонной промышленности — утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ;
в электронной промышленности — резание электронных плат (применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, а также решить проблему расслоения материала), снятие облоя с корпусов микросхем;
в автомобильной промышленности — резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бамперов из пластика и пр.;
в строительстве — резка бетонных конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов и т. д. Водоструйная резка часто используется для производства сложных контуров в мраморе и граните (узкий пропил позволяет создавать инкрустации при изготовлении декора);
в пищевой промышленности — резка продуктов глубокой заморозки, различных плотных пищевых продуктов, шоколада.

Плюсы и минусы

Основные достоинства водоструйной обработки состоят в следующем.

1. Нивелирование теплового воздействия. 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. Заметим, что ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.

2. Универсальность обработки. Жидкостно-абразивная струя особенно эффективна при обработке многих труднообрабатываемых материалов, таких как, например, титановые сплавы, различные виды высокопрочных керамик и сталей, а также композитных материалов. При гидроабразивной резке последних не создается разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции. Гидроабразивные системы способны резать металлы толщиной до 300 мм, камень и бетон — до 1000 мм. При этом достигается достаточно высокая точность обработки — 0,1 мм при резке металлов толщиной до 100 мм.

3. Способность воспроизводить сложные контуры и профили. При высокоструйной обработке можно воспроизводить очень сложные формы или скосы под любым углом. Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет 0,1-3,0 мм.

При резании хрупкого материала — стекла — гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; хотя водоструйная технология и уступает алмазу, когда делаются прямые резы стекла, зато никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 0,5-1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.

5. Технологичность процесса. Инструмент резки (струя воды или вода плюс абразив) не нуждается в переточке; ударная нагрузка на изделие минимальна, отсутствует обратная реакция на режущий инструмент, так как между изделием и инструментом нет непосредственного контакта; различные операции (например, сверление и резку) можно выполнять одним и тем же инструментом; низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали; существует возможность резки на расстоянии около 200 метров от насоса, а также возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя и более режущими головками на одном столе или несколькими головками на разных столах; резку можно осуществлять на высоте и на глубине до нескольких сотен метров, в том числе и под водой.

6. Экономичность процесса. Скорость резания — высокая. (Скорости резки различных материалов зависят от многих факторов, средние значения этих скоростей для различных материалов приведены в таблице). Рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно делать отверстие. Малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико — около 3-4 л/мин, несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более).

7. Автоматизация процесса. Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.

8. Доступность. Использование таких относительно недорогих компонентов, как вода, и, например, кварцевый песок в качестве абразива, делает процесс доступным.

9. Безопасность. Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Отсутствует радиационное излучение, опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц. Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.

К недостаткам технологии гидрорезания можно отнести: конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, довольно низкую стойкость сопла и сложность его изготовления.

Факторами, сдерживающими практическое внедрение водоструйной техники на предприятиях, являются:

высокая энергоемкость по сравнению с рядом других типов резания;
несоответствие реальных характеристик заявленным (например, меньшая скорость струи, не позволяющая выполнять процесс резания определенных материалов);
отсутствие у некоторых потенциальных потребителей необходимого масштаба производства, что делает установку гидрорежущего оборудования нерентабельной;
довольно высокая стоимость по сравнению с другим, например, электромеханическим, оборудованием для резки.

Скорость водоструйной резки, м/мин

Толщина материала, мм



Алюминий

Нержавеющая сталь

Луч или струя?

Водоструйная резка — альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, ультразвуковой резке, а в некоторых случаях это, как уже говорилось, и вовсе единственно возможный вид обработки.

В настоящее время водоструйная и лазерная резка машиностроительных материалов, применяемых в сходных областях, являются конкурирующими технологиями. В том и в другом случаях режущий инструмент формируется в самой машине за счет конструктивных особенностей соответствующих узлов, а затем, перемещаясь по энергетическому каналу или трубопроводам, подходит к узлу, где процесс его формирования завершается. При применении обеих технологий отпадает необходимость в хранении, заточке и перестановке рабочего инструмента — он постоянно обновляется за счет непрерывности его образования во времени.

Не углубляясь в анализ достоинств и недостатков этих технологий, необходимо отметить, что лазерное излучение более универсально (резка, маркировка, упрочнение и т. п.), хотя и область применения высокоскоростной струи жидкости не ограничивается только гидрорезанием (в ряде случаев импульсная струя жидкости используется для упрочнения труднодоступных поверхностей сложной формы).

Определенное преимущество гидрорезания перед лазерной резкой состоит в отсутствии области термовлияния на кромках обработанных деталей, но не всегда это условие является определяющим. Так, установлено, что при лазерной резке деталей из конструкционных сталей типа 20, 30 ХГС и др. повышается их усталостная прочность и долговечность по сравнению с механически вырезанными деталями.

Возникает закономерный вопрос: а существуют ли какие-либо рекомендации по использованию той или иной технологий? Опыт производителей и пользователей говорит: да, существуют.

С точки зрения экономической целесообразности применение водоструйной технологии наиболее оправданно при резке хрупких (стекло, камень) заготовок толщиной 40-100 мм, фанеры, древесины, композиционных материалов во всем диапазоне допустимых толщин, при больших объемах раскроя: нержавеющей стали при толщине листа свыше 6-10 мм, меди — свыше 2-3 мм, алюминиевых сплавов — свыше 5-6 мм.

При контурном раскрое тонкого листа практически всегда более эффективны лазерные системы, поскольку себестоимость лазерной резки заготовок с малой толщиной значительно ниже, чем себестоимость резки гидроабразивной.

В конечном счете, области применения лазерной и водоструйной технологий резки в машиностроении будут разделены их технологическими и экономическими показателями. Бесспорно одно: при сегодняшнем уровне развития машиностроения объемы применения водоструйной резки (в США, Европе, странах АТР) постоянно увеличиваются.

Основные компоненты гидрорежущего оборудования

В комплекс для водоструйной резки входят: насос высокого давления; режущая головка; координатный стол и приводы перемещений режущей головки; разводка высокого давления; система подачи абразива (для гидроабразивной резки); система числового программного управления. Дополнительно комплекс может оснащаться: устройством для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой; системой из нескольких режущих головок; механической системой предварительного просверливания; ловушкой струи воды, гасящей ее энергию и служащей также для сбора отработанного абразива, и рядом других.

Гидрорежущее оборудование обладает разной степенью универсальности и автоматизации, в том числе изготавливается и в виде роботизированных комплексов.

Насос высокого давления обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная принципиальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двустороннего или одностороннего действия (рис. 1). Выбор компоновки зависит от конкретных условий обработки (например, от допустимой величины перепада давления, требуемого расхода жидкости), что позволяет достичь заданных результатов как по производительности, так и по качеству. Кроме того, используются стандартные регулирующие, распределительные, контрольные и вспомогательные гидравлические устройства.

Для обработки крупногабаритных или отдельно стоящих изделий в условиях завода, порта, полигона, для выполнения работ под водой насос высокого давления может монтироваться на любом транспортном средстве — электрокаре, автомобиле, судне. В этом случае подвод жидкостной струи к изделию, расположенному, как правило, на некотором расстоянии от насоса высокого давления, осуществляется с помощью гибкого шланга.

Режущая (струйная) головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента по своим геометрическим и энергетическим параметрам. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи, определяют качество и надежность ее работы.

Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований и одновременно — об отсутствии оптимальных конструкций. Приведем следующую классификацию:

струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов (снабжены специальными конструктивными элементами);
жидкостно-абразивные струйные головки. Наиболее совершенными считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с минимальными нарушениями их гидродинамических характеристик;
струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости. В конструкцию введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет не только усилить режущие возможности струи за счет образования льдинок в струе, но и повысить износостойкость сопла благодаря образованию замороженного слоя на его поверхности;
комбинированные сопловые головки.

На рис. 2 показаны принципиальные схемы режущих головок как для гидро-, так и для гидроабразивной резки.

Кстати, опция — до четырех режущих головок, работающих одновременно, — используется в конструкции систем водоструйных установок, выпускаемых практически всеми ведущими мировыми производителями оборудования.

Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла . Разработана универсальная методика анализа гидравлических характеристик сопел с различными профилями внутреннего канала. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее рациональным внутренним профилем сопла, повышающим производительность водоструйной обработки различных материалов примерно на 20%, является катеноидальный профиль.

Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней — сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250-500 часов. На рис. 3 показана режущая головка модели Paser 3 американской компании Flow International Corporation.

Разводка высокого давления. Вода под высоким давлением подается от насоса высокого давления к режущей головке системой неподвижных и подвижных труб. Для обеспечения плотности соединений при движении портала и рабочей головки используются специальные шарниры высокого давления или спиральные трубки специальной формы.

Система подачи абразива. Используются две системы подачи абразива — вакуумная, работающая по принципу пульверизатора, и та, что работает под давлением. Абразив засыпается в бункер, находящийся рядом с рабочим столом, и подается к рабочей головке по гибким шлангам. В качестве абразива обычно используют порошки твердых сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и титановых сплавов применяют особо твердые частицы граната, для стекла — соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами, — частицы силикатного шлака.

Производители

Российский рынок оборудования для водоструйной резки материалов способен удовлетворить практически любые запросы. Представленная на нем продукция таких специализированных зарубежных фирм, как американской Flow International Corporation (с множеством филиалов во всем мире), шведской Water Jet Sweden АВ, итальянской Waterjet Corporation, чешской PTV, а также таких известных в мире производителей оборудования для обработки листа, как швейцарский концерн Bystronic, германская компания Trumpf, позволяет решать практически любые задачи. Тем не менее, данный сегмент рынка оборудования развивается достаточно активно, о чем свидетельствует появление на нем в последнее время продукции еще целого ряда зарубежных производителей, среди которых компании: Sato Schneid-systeme (Германия), Aliko (Финляндия), Trenntec (Германия), ESAB Welding & Cutting Productions (Швеция), Digital Control (Франция).

Из производителей гидравлических устройств и, в первую очередь, насосов высокого давления следует отметить компанию Ingersoll Rand (США) — безусловного мирового лидера продукции этого класса. Естественно, что такие ведущие производители гидрорежущего оборудования, как, например, Water Jet Sweden АВ, в качестве основных узлов, связанных с созданием самого потока струи, используют оборудование Ingersoll Rand. Например, насос высокого давления модели Strimline серий SL IV этой фирмы создает необходимое давление воды в 4000 бар, которое затем с помощью сапфира с диаметром проходного сечения 0,08-0,5 мм превращается в кинетическую энергию струи со скоростью 900 м/с.

Лидером российского гидрорезания является город Владимир, где на базе разработок Владимирского госуниверситета в исследовательской лаборатории гидрорезания и ОАО СКТБ ПО «Вектор» создано несколько моделей установок для водоструйной резки.

Промышленные установки выпускают ЗАО «Лазерные комплексы» (г. Шатура), ОАО «Туламашзавод», ОАО ЭНИМС (Москва), белорусское СП ООО «СПожиток». Еще недавно некоторые специализированные системы водоструйной резки производились Институтом горного дела (г. Хабаровск), украинским НПП «Индрис», Московским университетом, АО «Пеллемаш», однако сегодня об этой продукции ничего не слышно. Так или иначе, какой-никакой выбор и среди отечественной продукции есть. Хотя, положа руку на сердце, следует признать, что до лучших мировых образцов наше оборудование пока не дотягивает.

Лидер

Группа Flow International в 1971 году выпустила первую в мире установку водоструйной резки, а в 1981-м разработала метод введения абразива в водную струю, что значительно расширило возможности резания. По оценкам специалистов, станки компании имеют наилучшую точность позиционирования (порядка 0,07-0,08 мм), а, следовательно, и точность обработки.

Продукция компании позволяет решать практически все проблемы резки:

система WMC Waterjet Machining Center предназначена для любой двумерной резки, в том числе в промышленных масштабах. Ее главная отличительная особенность — увеличение производительности, достигающееся за счет запатентованной быстроподъемной оси Quicklift Z со встроенным сенсором и противоударным устройством;
для небольших работ по металлу и камню создана установка Inregratred Flaying Bridge;
компактная установка Bengal предназначена для водоструйной и гидроабразивной резки и подходит для лабораторного применения, изготовления инструментов и выпуска небольших партий изделий;
модульная система трехмерной резки Dragon применяется как для водоструйной резки мягких материалов, так и для гидроабразивной резки металла, камня, стекла, композитов.

Компания разработала новую технологию гидрорезания, позволяющую, как утверждают разработчики, увеличить скорость резки практически на 300%. Система Dynamic Waterjet, обеспечивающая активный контроль точности, создана на основе математической модели, используемой для управления положения «руки» с рабочей головкой. Эта система автоматически исключает образование скосов при резке и обеспечивает требуемую точность детали с учетом заданных допусков. Система исключает необходимость дополнительной обработки после водоструйной резки и позволяет сократить машинное время резки металлов и композиционных материалов толщиной 1,25-480 мм. Кроме того, благодаря повышению точности резки, сокращаются потери листового материала при раскрое.

Альтернатива

Несмотря на признанный статус лидера, конкуренты у компании Flow есть, и весьма серьезные.

Одним из них является шведская компания Water Jet Sweden АВ. В качестве сопла фирма Water Jet применяет собственную запатентованную режущую головку, а также использование сопла Avtoline фирмы Ingersoll Rand. В настоящее время наиболее популярна в механическом секторе установка NC3015S с используемой поверхностью стола 3010 x 1510 м. Управляемая ось Z — стандарт для всех систем. А выпускаемые фирмой установки с четырьмя и пятью управляемыми осями позволяют осуществлять такую обработку, как, например, прорезание пазов с профилем притуплённого конуса.

Начав работу, как дилер фирмы Flow, компания PTV за прошедшее время освоила собственное (т. е. чешское) производство большей части этого оборудования. В первую очередь это относится к координатным столам, которые сегодня проектируются и изготавливаются на фирме PTV. Кроме того, все вспомогательное оборудование также проектируется и производится в Чехии. Сейчас PTV закупает в США только гидравлическое оборудование высокого давления — насосы, аккумуляторы, трубки и т. п., что составляет менее 50% от общей стоимости системы. Компания PTV использует на своих установках разработанное чешскими фирмами программное обеспечение в сочетании с системами управления фирмы Siemens.

Диапазон возможных скоростей резки (т. е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) на установке фирмы PTV колеблется от 1 до 30000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке деталей самых разных размеров и толщин.

Универсальная установка итальянской компании Waterjet Corporation для гидроабразивной резки WJ 1630/50 портального типа создает давление струи в 4130 бар. Режущая головка способна вести пятикоординатную обработку. Другие портальные машины компании предназначены для резки труб с двойной рабочей областью (резка шестиметровых труб осуществляется с автоматическим вращением трубы и задним упором), а также для роботизированных операций (станок с двумя режущими головками и с автоматической загрузкой и выгрузкой).

Устройства гидроабразивной резки Byjet Bystronic имеют мощную специализированную систему ЧПУ, обеспечивающую автоматический выбор и оптимизацию параметров обработки при резке различных материалов по любому контуру, автоматическое управление подачей абразива и давлением воды в реальном времени в зависимости от особенностей конфигурации обрабатываемого контура, а также свойств материала и толщины. Благодаря применению специального дозатора системы Byjet Bystronic могут использовать абразив практически любого типа с, зернистостью от 0,05 до 0,3 мм. Применение специальной системы управления насосом высокого давления обеспечивает отсутствие пульсаций воды на выходе, что позволяет достичь наилучшего качества обработки.

В потенциале

И еще несколько слов об установках, представляющих, по нашему мнению, потенциальный интерес для отечественных производителей.

Установка Quickjet, созданная германской Trenntec, имеет жесткую сварную конструкцию, которая в сочетании с закаленными и шлифованными направляющими обеспечивает точность позиционирования 0,1 мм на 1 м длины и точность воспроизведения (повторяемости) в пределах 0,05 мм. Регулирование по оси Z можно осуществлять вручную на длине 150 мм. Имеется насос высокого давления, система воздушного охлаждения, резервуар с абразивом, вмещающий 50 кг, устройство автоматической подачи абразива в режущую головку. Расход воды — 2,6 л/мин под давлением 380 МПа.

Французская Digital Control представляет станок для водоструйной резки под давлением 380 МПа. Для мягких материалов предназначена резка водяной струей, а для твердых материалов — гидроабразивная резка. Площадь обработки — 1500 х 1000 мм. Станок оснащен насосом высокого давления мощностью 22 кВт, режущей головкой с системой подачи абразива и цифровой системой управления Cyborg 2000. В системе управления имеется постпроцессор для преобразования файлов, для обеспечения возможности подготовки программ вне станка, для обеспечения ручного или автоматического раскроя листов.

Отечественная продукция

Исследовательская лаборатория гидрорезания (г. Владимир) представляет полуавтоматический станок с ЧПУ для разрезки листовых труднообрабатываемых материалов (стекло-, угле-, боропластиков, титана, керамики, стекла, магнитных и твердых сплавов), вырезки отверстий произвольной формы и деталей сложного контура. Станок состоит из двух модулей: привода главного движения — станции высокого давления и привода подач — двухкоординатного стола. Привод подач оснащен системой ЧПУ, обеспечивающей точное перемещение стола по двум взаимно перпендикулярным координатам и получение отверстий и деталей различной конфигурации по заданной программе.

Кроме того, владимирская лаборатория производит полуавтоматический станок с ЧПУ для обработки неметаллических материалов (кожи, картона, винила, резины и др.), полуавтоматический станок для снятия облоя с корпусов микросхем, полуавтоматический станок для очистки барабанов множительной техники, четырехпозиционный станок для очистки капиллярных отверстий наконечников, двухконтурный станок для расснаряжения военной техники.

ОАО «Туламашзавод» представляет технологическую установку гидроабразивного резания, предназначенную для резки сложнофасонных форм деталей толщиной до 150 мм из любых металлов и сплавов, раскроя неметаллических листовых материалов (мрамор, гранит, пластик, картон, стекло, керамика) со следующими габаритами рабочей поверхности стола — длиной до 4000 мм, шириной до 2000 мм.

Рабочая зона обработки установок ЗАО «Лазерные комплексы» ГЛ-250/5М и ГЛ-400/ЗМ составляет от 1200 х 800 мм до 6000 х 1500 мм.

ОАО ЭНИМС принимает заказы на изготовление как отдельных узлов установок для водоструйной резки, так и всей установки в комплекте.

Цена успеха

На вопрос о стоимости подобного оборудования однозначный ответ получить не просто. Все зависит от модификации модели, комплектации, наличия-отсутствия отдельных функций и т. д., и т. д. Разброс может быть весьма значительным. Но в любом случае стоить дешево такая техника не может. Например, в компании, представляющей интересы чешской фирмы PTV, называет такие цифры: от 5 до 10 миллионов рублей за установку. Представители компании утверждают, что при нормальной загрузке системы (в среднем 2500-3000 рабочих часов в год) время возврата инвестиций (как говорят в США, «payback time») составит полтора-два года. Отечественная продукция дешевле. В частности, ОАО ЭНИМС называет от 40 до 100 тысяч у. е. (читай: долларов или евро). В любом случае, делая выбор, стоит учесть информацию Water Jet: эксплуатационные расходы системы гидроабразивной резки типа NC3015S составляют примерно 0,26 тех же условных единиц в минуту.

А в заключение сказать, пожалуй, можно только одно. Если верить многочисленным организациям, анализирующим мировой рынок продукции машиностроения, производство оборудования для водоструйной резки — самый быстрорастущий сегмент станкостроительной промышленности.

При раскрое твердых и прочных материалов важное значение имеет способ резки. Традиционные способы (дисковая либо ленточная пила) обеспечивают высокое качество и скорость работы, но подходят лишь для линейного раскроя.

При изготовлении заготовок сложной геометрической формы применяются иные способы:

Фреза позволяет резать материал с кромкой, не нуждающейся в последующей обработке, но диаметр фрезы влияет на потери материала (слишком широкий рез). К тому же, от этого диаметра зависит размер заготовок, мелкие детали получить не удастся. Фреза быстро изнашивается, возрастает стоимость работ (необходимо регулярно менять расходники).
Резка кислородом (автоген) относится к недорогим и эффективным методам, но оплавленные края реза требуют последующей обработка. Годится лишь для грубого раскроя.
Плазморез лишен перечисленных недостатков, но стоимость оборудования слишком высока, да и энергозатраты немалые. К тому же, плазмой обрабатываются только проводники. Камень или стекло разрезать не получится.
Наиболее сбалансированный способ – гидроабразивная резка. Высокая скорость работ, точность раскроя, недорогое оборудование. Кроме того, тонкая струя позволяет обрабатывать изделия небольшой площади с высокой точностью.

Пример работы гидрообразивной резки по металлу – видео

На последнем способе остановимся подробнее.

Принцип действия гидроабразива

Попытки использовать давление воды для дробления материала осуществлялись столетия назад. На угольных шахтах впервые был применен водяной аппарат для добычи угля.

Затем инженеры догадались добавить в струю воды абразивные вкрапления, и «водяной нож» превратился в точный инструмент для обработки любой прочной заготовки.

Как работает гидроабразивная резка? Основа гидроабразивного резака – сопло, или форсунка. Именно этот элемент формирует режущую струю, способную разрушать даже сверхпрочные материалы.

Конструктивно форсунка состоит из следующих элементов:

Входной штуцер для воды, объединенный с первичной камерой создания сверхдавления. Мощный насос подает воду в камеру, затем происходит переход воды из отверстия большого диаметра в меньшее. При неизменном давлении воды, скорость потока увеличивается пропорционально разнице в диаметрах отверстий. Давление на входе составляет 2000-5000 атмосфер.
Штуцер для подачи абразивного материала. В качестве рабочего элемента применяются мелкие фракции песка. Он может быть обычным, силикатным, либо состоять из дробленых твердых минералов: например, граната.
Узел смешивания. В этой камере, поток воды увлекает за собой частицы абразива, формируя основу гидроабразивной резки: водно-песчаную взвесь. Регулируя давление воды и скорость подачи абразива, можно устанавливать различную мощность резака. Принцип работы камеры смешивания напоминает пескоструйную машину, только параметры намного мощнее, и в качестве носителя абразива выступает не воздух, а вода.

Столь широко распространённые процессы плазменно-дугового разделения материалов имеют свои ограничения. Например, электрическая дуга весьма нестабильна: при работе с металлами повышенной электропроводности (меди, латуни) операция во многих случаях характеризуется оплавлением боковых краёв. Наличие газов – побочных продуктов плазменной резки – вынуждает проводить дополнительные мероприятия по экологической защите участка такой резки. Плазменный раскрой материалов – диэлектриков (стекла, камня и т.д.) вообще невозможен. В подобных ситуациях нет альтернативы процессам гидрорезки. Наибольшую популярность среди такой группы методов получила гидроабразивная резка.

Сущность способа и варианты его практической реализации

Разъединение материалов при гидравлической резке происходит вследствие воздействия на поверхность раздела узконаправленного потока жидкости — воды — высокого давления. При этом для интенсификации процесса в технологическую зону может одновременно подаваться мелкодисперсная абразивная среда (чаще всего с этой целью применяют различные виды песка). Соединяясь, эти два потока образуют чрезвычайно жёсткую струю, давление в которой (благодаря повышенной скорости движения) локально превышает предел прочности разрезаемого материала. Если перемещать инструментальную головку, в которой происходят все вышеописанные механические процессы, по определённой траектории, то можно с требуемым качеством и точностью получать весьма сложные конфигурации контура.

Гидроабразивная резка металла с применением воды обычно производится при следующих рабочих характеристиках:

Давление — 2000…5000 ат (меньшие значения – для более мягких преимущественно тонколистовых материалов).
Скорость водного потока – до 1000…1200 м/с.
Расход абразива – до 50 г/с
Средний размер абразивной частицы в плане – 100…600 мкм (с увеличением этого параметра точность разъединения материалов снижается).
Расход воды – до 4 л/мин.
Гидроабразивная обработка осуществляется в следующей последовательности. Разрезаемый материал укладывается в ванну, заполненную водой, и фиксируется по трём координатам относительно инструментальной головки. Это может выполняться своими руками на неавтоматизированной установке, а на оборудовании с ЧПУ – при помощи предварительно набранной программы разъединения материала.

Далее инструментальная головка погружается в ванну, после чего включается интенсивная подача воды соответственных значений скорости и давления. Жидкость, проходя через сопло резака, смешивается там с тангенциально подаваемым потоком абразива. Обе струи смешиваются, и через отверстие в нижнем торце сопла направляются на поверхность разъединяемого материала. Вручную или программно происходит сближение сопла, в результате чего результирующее давление струи резко увеличивается, производя размерное разрушение краёв.

Частицы материала увлекаются в образовавшийся зазор, после чего, теряя свою скорость, попадают на дно ванны, откуда откачиваются специальным насосом, предусмотренным конструкцией рабочей установки. В процессе откачки происходит отделение фракций абразива от воды, с последующей его фильтрацией и сушкой. Ввиду достаточной ёмкости баков для воды гидроабразивная резка может производиться непрерывно, и с увеличенными скоростями струи.

Ванна оборудования, в которой производится гидроабразивная обработка, выполняет две функции:

Снижает уровень шума при разрезании (до 78…80 дБ против 130…140 дБ в случае обработки вне водяной среды);
Гасит энергию и скорость струи воды.

Технологические возможности способа

Рассматриваемая технология наиболее эффективна в следующих случаях:

Для материалов-диэлектриков, а также токопроводящих изделий, изготовленных из цветных металлов и сплавов на основе меди. Это объясняется тем, что параметры электропроводности медных сплавов не позволяют применять для резки электрическую дугу или лазер.
При необходимости разъединения деталей весьма большой толщины – до 250…300 мм: в этом случае при плазменно-дуговой резке всегда происходит оплавление края.
Для обеспечения должной точности поверхности раздела: при правильном подборе режима шероховатость кромки находится в пределах Ra 0,5…Ra 1,25, что заметно превышает возможности любого другого высокоэнергетического метода.
При недопустимости коробления готового изделия, что неизбежно при любом из вариантов технологии термической резки.

Гидроабразивная резка металла имеет свои ограничения, поэтому технология разрабатывается с учётом следующих возможностей, в частности, по толщине:

Для цветных металлов и сплавов, а также нержавеющей стали – не более 120…150 мм;
Для углепластиков, композитных материалов – не более 150…200 мм;
Для искусственного и природного камня (мрамора, гранита, базальта и т.п.) – не более 270…300 мм.

При разработке технологии следует учитывать, что токопроводящие материалы относительно небольшой толщины (до 5…10 мм) струя, вырабатываемая рабочей установкой, режет плохо: сказывается заметная энергоёмкость, при производительности, сравнимой с плазменно-дуговой или лазерной обработкой. Однако это не означает, что рассматриваемая технология неприменима для разделения тонких пластин или листов: в этом случае абразивный поток отключается, и отделение выполняется непосредственно водяной струёй. В результате поверхность не нагревается, что исключает окалинообразование, высокотемпературное оплавление лини раздела и прочие недостатки, характерные для всех технологий термического разделения материалов.

Оборудование гидроабразивной резки

Станок гидроабразивной резки – сложное и энергоёмкое оборудование, содержащее следующие узлы:

Инструментальную головку, оснащаемую функцией поворота резака под определённым углом, что позволяет обрабатывать с заданной скоростью поверхности сложной конфигурации.
Насосную установку для прокачки воды с системой её фильтрации.
Компрессорную станцию подачи абразивных фракций под давлением.
Рабочий стол с устройством трёхкоординатного позиционирования (для небольшого оборудования эту работу выполняет своими руками оператор установки).
Ванну с водой, которая конструктивно связана со станиной оборудования.
Рабочие ёмкости для воды и абразива.
Управляющее устройство ЧПУ, или пульт для ручного позиционирования заготовки своими руками.

Наибольшей популярностью пользуются аппараты гидроабразивной резки итальянской фирмы WaterJet Cоrp. Inc., которая выпускает оборудование консольного и портального типов. Первое предназначено для резки относительно небольшой по размерам продукции, второе, отличающееся повышенными точностью и жёсткостью, подходит для обрабатываемых изделий большей толщины.

WaterJet Cоrp. Inc производит не только сами силовые установки, но и насосное оборудование к ним. Ходовой портал аппаратов фирмы оснащается автоматизированным позиционированием, и позволяет одновременно выполнять разделение материалов, разных не только по своему химическому составу, но и по толщине – качество, невозможное в принципе для оборудования термической резки.

Гидроабразивная резка во многих случаях считается единственным способом получения пространственных деталей. Например, только рассмотренной технологией возможно производить разделение практически без нагрева заготовки (максимальное повышение температуры кромки составляет 600 °С, а при обработке в водяном баке – и того меньше). Подобным оборудованием можно выполнить разделение толстолистового стекла, керамики, твёрдых сплавов – материалов, которые весьма чувствительны к повышенным температурам. Хорошее качество конечного результата исключает потребность в последующих переходах, а весьма малая толщина струи – до 0,8 мм – минимизирует потери материала. Высокие давления, создаваемые в зоне разъединения, не вызывают появление остаточных напряжений в заготовке, и способствуют последующему повышению её эксплуатационной долговечности.

Начать статью предпочтительнее будет с вопроса. Действительно, чем водой (видео процесса этого, к слову, можно найти на нашем портале) будет отличаться от других существующих способов резки металла?

Наиглавнейшее, на наш взгляд, отличие состоит в том, что при такой резке не будут использоваться никакие режущие элементы — металлические или же керамические.

Не применяются также дуга и электричество, не применяется и специализированный газовый резак. Все процессы выполняются исключительно с помощью обыкновенного абразива и воды, которые в качестве струи (в смешанном виде) подаются в заданном направлении под высоким давлением.

Даже если происходит резка металла водой своими руками, в конечном итоге должен обязательно получаться ровненький шов, который выполнен с помощью той же воды и того же абразива (нередко, в качестве абразива может применяться разнородная металлическая крошка, песчаные насыпи и другие материалы).

Необходимо отметить — у такого способа, как гидроабразивная резка металла, цена которой может отличаться (в дальнейшем, в статье будет рассказано, почему) имеется определенное количество существенных положительных моментов!

Первое, на что обращают внимание сварщики — это то, что резка металла водой (видео это прекрасно демонстрирует) позволяет избежать травматических последствий для рабочего. Сам металл, в большинстве случаев, будет нагреваться вплоть до температурных показателей, находящихся в диапазоне от шестидесяти до девяноста градусов по Цельсию, но не более.

Умелый мастер, использующий , цена на который в последнее время несколько упала по причине возрастающей среди производителей конкуренции, сумеет даже разрезать металл, толщина которого будет более десяти сантиметров!

Тем, кто уже успел обрадоваться кажущейся «дешевизне», можно смело успокоиться. Гидроабразивная резка металла — оборудование, цена и характеристики которой удивляют (выше мы просто описали факт вмешательства китайского рынка и реакцию на это вмешательство показателей стоимости агрегатов).

Должны выполняться водой, подающейся под высочайшим давлением (вплоть до двухсот атмосфер) очень тонкой струей. Заметим, что производить работу с таким оборудованием надлежит предельно аккуратно.

Стоит сказать, что в некоторых моделях резаков отбрасываемые водяные брызги будут рикошетить вовнутрь струи, в других – выбиваться в стороны. Именно поэтому нужно применять защитный экран, произведенный из ударостойкого пластика — если не стараться избегать травм, это будет, что называется, «себе дороже».

Влияние материала на стоимость работ. Функции абразивов

Цена на которую часто обозначается личными предпочтениями сварщика, может стоить по-разному и из-за использования разных абразивных материалов. Главный недостаток абразивов — дороговизна. Абразив используется для так называемого «пробива» — то есть, он позволяет воде пробиться в углублённые слои металла, который обрабатывается.

Когда выполняют листовую резку металла, стараются использовать только резку водой, без смешивания с абразивами. Однако тут нужно учитывать то, что расход воды в данном случае будет очень высоким!

Какие плюсы у резки металла водой?

Основное преимущество заключается в том, что при использовании «скрытых» насадок практически не выделяются пыль или же водные брызги. Помимо этого, на отрезанном куске металла не остается заусениц. После хорошей резки не нужно даже производить шлифовку краёв, что достаточно удобно и ускоряет процессы производства.

Последнее, самое интересное преимущество заключается в имеющейся возможности выполнения резки без прямого участия оператора.

К станку просто-напросто подключают управляющий компьютер, а оператору, в свою очередь, нужно только лишь ввести данные, согласно ориентации механизмов на которые и будет происходить водяная резка металла!

Далеко не каждый двигательный элемент или насос могут поддерживать такое вот управление в «удаленном» режиме. В тексте ранее упоминалось о высокой стоимости оборудования — хотелось бы конкретизировать в конце статьи. Подобное оборудование действительно очень дорогое, и, в большинстве случаев, знаменитыми изготовителями производится только лишь по индивидуальному заказу от предприятий.

Представьте себе, что один лишь только блок управления в хорошем гидроабразивном резаке будет стоить около девяти тысяч американских долларов! Дополнительные устройства, помогающие осуществлять мониторинг за процессом резки – и того дороже!

Еще по этой теме на нашем сайте:

Очень востребованными во многих сферах стали такие работы, как сварочные. Применяются они и в строительстве, и в быту. У каждого может возникнуть необходимость в проведении...
Газовая резка металла представляет собой трудоёмкий процесс, предполагающий нагревание определённых металлических деталей при помощи пламени газа. Происходит данный процесс под воздействием определённой температуры....
Процесс изготовления металлических конструкций и изделий различного назначения неразрывно связан с необходимостью обработки металла. Иными словами, металл нужно каким-либо образом разрезать, отделять на отрезки и...
Качество готовых металлических конструкций и изделий определяется, в первую очередь, качеством самого производственного процесса. Чтобы получить достойный результат, необходимо использование профессионального металлорежущего оборудования. Будь-то станок...

Поделитесь со своими друзьями в соцсетях ссылкой на этот материал (нажмите на иконки):

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.