Гидроабразивная резка металла заключается в воздействии тонкой струи воды в смеси с абразивным порошком на обрабатываемую поверхность. Состав подается под большим давлением (до 6000 атмосфер) и с высокой скоростью (свыше 1000 м/с). При этом из области реза выбиваются твердые частицы материала и уносятся высокоскоростным потоком.
Метод получил широкое распространение во многих областях промышленности. Особую эффективность гидроабразивная обработка показала в машиностроении, металлургии и на производстве металлопроката. Данная технология способна составить конкуренцию не только традиционной механообработке, но и другим методам, таким как лазерная и плазменная резка.
История возникновения гидроабразивной резки
Еще нашими предками было замечено, что вода, падающая с большой высоты, способна воздействовать даже на самые твердые минералы. Тонкая струя жидкости оставляет в камне глубокие выемки и борозды, а широкий поток делает его гладким. Этот же принцип положен в основу гидроабразивной резки.
Метод резки с помощью направленной струи воды уходит корнями в 30-е годы прошлого века. Тогда российские и американские инженеры пытались применить его при добыче каменных руд (угля, камня и пр.). Толчком к более широкому использованию гидроабразивной обработки в различных сферах производства послужило применение этой технологии в самолетостроении.
Во второй половине 60-х годов американская авиастроительная компания начала таким способом обрабатывать материалы, чувствительные в процессе резки к воздействию давления и повышенных температур (ламинированные, с сотовой структурой и композиционные оптические волокна). Для изготовления конструктивных элементов фюзеляжа гидроабразивная резка алюминия стала большим прорывом.
В самом конце 70-х годов в водную струю для повышения ее режущей способности было предложено добавлять абразивный порошок. Идея принадлежала Мохамеду Хашишу, который сейчас является главой этой американской корпорации. Годом позже был спроектирован и изготовлен пилотный образец станка для резки материалов гидроабразивной струей, позволяющий достигать чрезвычайно высокой точности резки. Уже через 3 года компания наладила серийный выпуск такого оборудования.
С тех пор область применения гидроабразивной резки существенно расширилась. Это оборудование применяется в обработке камня, железобетона, композитов, пластика, стекла и многих других материалов.
Оборудование для гидроабразивной резки
Оборудование для резки гидроабразивным способом состоит из специального станка и ряда необходимых конструктивных элементов. Все компоненты призваны обеспечить точный, быстрый и качественный раскрой согласно рабочим чертежам.
Важным конструктивным узлом станка для гидроабразивной резки считается станина, на которой неподвижно закреплена ванна, заполненная водой. Жидкость гасит силу абразивной струи после того, как та проходит через зону реза. Это необходимо, так как режущая струя способна разрушить конструктивные элементы оборудования. Поток, попадая в жидкость, теряет энергию, частицы абразива оседают на дне емкости.
Заготовка жестко фиксируется на опорных элементах, расположенных на дне ванны. В роли опор могут выступать металлические штыри, ребра или сетка. Важно, чтобы они как можно меньше контактировали с водным потоком при разрезании материала.
По системе коммуникаций вода под сверхвысоким давлением попадает в полость режущей головки. Через отверстие диаметром от 0,1 до 0,5 мм она попадает в смесительную камеру, при этом скорость потока достигает 1000 м/с. В смеситель одновременно подается абразивный порошок (гранатовый песок, частицы корунда или кремния). Рабочая смесь проходит через сопло диаметром от 0,5 до 1,5 мм, затем попадает на обрабатываемый объект.
Практически любой материал поддастся струе, имеющей такую скорость. Рабочая головка способна перемещаться в 3 направлениях, вращаться вокруг оси и менять угол наклона сопла. Это позволяет обрабатывать сложные 3D-детали.
Абразивное оборудование комплектуется следующими устройствами:
- Насос высокого давления. Аккумулирует жидкость и по специальным трубам подает ее в зону резки. От мощности насоса зависит, какой толщины и плотности материал может подвергаться обработке на данном оборудовании.
- Регулятор мощности. Регулирует состав наполнителя, добавляемого в воду, а также рабочее давление смеси. Для резки более вязких и прочных металлов берут трехфазный абразивный наполнитель, двухфазный состав подойдет для податливых материалов. Регулировка параметров позволяет обрабатывать детали различной толщины и плотности.
- Заменяемые сопла резки. Сопла установки меняются в зависимости от состава рабочего раствора, толщины и плотности разрезаемого материала. Они изготавливаются из искусственных кристаллов: рубина, сапфира и алмаза.
- Смеситель. Работа этого узла определяет качество абразивной жидкости (равномерность пропорций), что напрямую сказывается на результате резки (чистота поверхности, отсутствие сколов, точность).
- Система водоподготовки. Состав воды влияет на качество рабочего раствора, поэтому ее предварительно очищают от химических примесей (смягчают) и тщательно фильтруют.
- Автоматика. Благодаря автоматике режущая головка предварительно определяет плотность и качество материала, а потом на основании этого меняет угол наклона сопла.
В качестве опций, повышающих эффективность работы гидроабразивной установки, возможно ее оснащение системами для подачи абразива, удаления шлама, автоматической смазки, высотного контроля и лазерного позиционирования.
Станки, использующие гидроабразивный способ обработки, могут иметь программное или ручное управление. Использование оборудования с ЧПУ (числовым программным управлением) дает возможность повысить скорость обработки и качество получаемых деталей. Станок выполняет резку с высокой точностью, что позволяет изготовить сложные объемные изделия и свести к минимуму потери материала. Имеется возможность производить сверловку отверстий, а также ряд других специфичных операций.
В станках с ЧПУ осуществляется непрерывный контроль качества реза и при необходимости производится корректировка режима работы. Качество обработки настолько высокое, что никакой дополнительной обработки (шлифовки) готовых деталей не требуется. Все настройки технологического процесса гидроабразивной резки (состав смеси, рабочее давление и пр.) учитываются в настройках программного обеспечения, разрабатываемых для каждого изделия индивидуально.
Гидроабразивные станки, имеющие ручное управление, гораздо проще, т. к. все рабочие параметры выставляются оператором. Необходимые корректировки при обработке тоже вносятся вручную. Такое оборудование пригодно для получения точных и качественных изделий, имеющих простые геометрические формы.
Изготовление подобных аппаратов является сложным процессом, поэтому своими руками оборудование для гидроабразивной обработки сделать сложно. Использование его в домашних условиях неэффективно и позволяет выполнять только самые простые операции.
Гидроабразивная резка титана
Чрезвычайно востребованной гидроабразивная резка металла оказалась при обработке прочных и твердых материалов, например титана, который относится к самым распространенным на планете металлам. Он обладает рядом противоречивых свойств: одновременно может быть необычайно прочным и в то же время мягким, что сильно усложняет его обработку. При применении механических методов обработки титан может прилипать к режущему инструменту из-за своей тягучести, поэтому достаточно сложно подобрать подходящие режущие элементы.
Можно использовать плазменную резку, но только для тонких деталей, т. к. высокая температура газовой среды меняет физико-химические свойства материала на поверхности раздела. Лазерный метод вызывает в металле усталостное напряжение, которое приводит к снижению прочности.
Гидроабразивная резка титана является прекрасной альтернативой. В качестве абразивного компонента в состав режущей струи примешивается корундовый порошок, который с легкостью справляется с этим капризным материалом. Обработка металла под водой проходит качественно и быстро.
Первые попытки использовать гидроабразивный метод обработки заготовок из титана предпринимались еще в 70-е годы прошлого века, но эти аппараты были громоздкими и сложными в наладке и последующем обслуживании. На установках с ЧПУ можно осуществлять высокоточную резку материала толщиной до 25 мм и получать детали практически любой сложности (скошенные кромки, острые углы, криволинейные контуры и пр.). Резка металла водой под давлением решает многие проблемы, связанные с вязкостью материала. На видео показан процесс резки:
Преимущества гидроабразивной резки титана
Неоспоримыми являются преимущества гидроабразивной резки перед другими способами обработки титана:
- высокая скорость резки;
- отсутствие негативного воздействия высоких температур на заготовку;
- максимальная точность;
- чистый и ровный рез без дополнительной шлифовки;
- раскрой деталей большой толщины;
- возможность получения объемных изделий высокой сложности;
- экономичность — потери титана минимальны благодаря малой ширине реза;
- экологичность.
Гидроабразивная резка алюминия
Новаторской технологией, способной обеспечить максимально высокую точность пропила и чистоту реза, является гидроабразивная резка алюминия. В отличие от других типов обработки этот способ не приводит к изменению свойств алюминиевых сплавов из-за нагрева.
Традиционная механическая резка (гильотинная и ленточно-пильная) не позволяет получить ширину разреза менее 1,5 мм, а также изготовить сложные фигурные детали. Плазменная резка непригодна ввиду сильного оплавления металла на кромках, приводящего к большим потерям материала. Из-за низкой температуры плавления для алюминия не используется газокислородная резка. Лазерная технология резки металла обладает низкой эффективностью вследствие его большой отражающей способности.
Обработка алюминия с помощью воды позволяет с легкостью резать металл и выпиливать сложные изделия с высочайшей точностью. В состав абразивной смеси добавляют электрокорунд или карбид кремния.
Толщина материала, который можно обработать на оборудовании такого типа, достигает 500 мм, при этом точность позиционирования составляет около 0,2 мм. Можно разрезать несколько листов малой толщины, сложенных стопкой. Качество обработки чрезвычайно высокое, гидроабразивный метод позволяет получить чистый ровный пропил, не требующий финишной шлифовки.
Резка больших толщин
Возможность использовать гидроабразивный метод при работе с деталями большой толщины делает его чрезвычайно востребованным во многих сферах промышленности. Наибольшие значения толщины обрабатываемого материала достигают 200-300 мм.
Высокопрочные сплавы, поддающиеся гидроабразивной резке, могут иметь толщину до 15 мм. Максимальная толщина титанового изделия составляет 15-20 мм. Заготовки из углеродистой стали в толщину достигают 200 мм. Во многих случаях способ обработки изделий водой является единственным приемлемым вариантом для резки деталей большой толщины.
Но применение гидроабразивного метода резки имеет некоторые особенности, связанные с инерционностью водной струи, в результате которой появляется конусность кромки. Это накладывает некоторые ограничения на толщину резки, т. к. качество готового изделия находится в прямой зависимости от конусности, повышающейся с увеличением толщины реза.
Выходом из этой ситуации является применение высокоточной автоматики, которая определяет плотность и вязкость обрабатываемого материала, а затем изменяет диаметр сопла и угол наклона режущей головки. Изделия большой толщины возможно обрабатывать только на гидроабразивных станках, оснащенных автоматическими системами.
