Резка водой металла: описание технологии и рекомендации. Гидроабразивная резка

Новые высокотехнологичные способы обработки материалов нередко базируются на принципах естественных природных явлений. Гидроабразивная методика как раз к таким и относится, повторяя процесс эрозии. Суть ее заключается в воздействии водной среды на поверхность материала. Конечно, для производственной сферы данная технология была оптимизирована, например за счет совмещения жидкости с инородными элементами. Кроме этого, гидроабразивная резка металла предполагает подачу струи под сильным давлением, в результате чего достигается и высокая скорость обработки.

Особенности технологического процесса

Как уже отмечалось, технология базируется на принципе естественной эрозии. То есть физическое воздействие на обрабатываемый материал происходит за счет высокоскоростной струи, смешанной с твердыми абразивами. В ходе операции скоростной поток твердофазных элементов выполняет отрыв и унос из места обработки мелких частиц металла. Эффективность, с которой происходит гидроабразивная резка металла, зависит от множества параметров организации данного процесса. Например, имеет значение состав струи, расход воды и сила давления. Отдельного внимания заслуживает и - специалисты подбирают фракцию в соответствии с требованиями к характеристикам раскроя.

В отличие от других методов обработки данная техника не предполагает деформирующего и теплового воздействия. Это значит, что гидроабразивная резка металла позволяет сохранять первоначальные физико-механические качества заготовки. Но для достижения ожидаемого результата необходимо использовать специальное оборудование.

Оборудование для резки

Обычно для выполнения таких операций применяют специальные установки. В качестве их основы выступают несущие опоры из нержавеющего металла. Для поддержания заготовок применяются быстросменные ребра, которые также позволяют защищать опоры от воздействия рабочей струи. В целях обеспечения защиты рабочего участка от пыли и шума станок также снабжают механизмом быстрого управления водой. То есть в процессе операции обрабатываемый материал может полностью находиться в водной среде. Что касается эксплуатационных возможностей, то станок гидроабразивной резки металла дает возможность справляться с нержавеющей сталью толщиной до 200 мм. Примечательно, что показатели твердости материала для станков такого типа не имеют значения. Тонкая высокоскоростная струя диаметром в 1 мм способна выполнять четкую резку с высоким допуском.

Вспомогательные устройства

С целью повышения точности резки некоторые модели станков обеспечиваются и устройствами позиционирования. Их представляют индуктивные линейные сенсоры, с помощью которых оператор может достичь повышенной точности фиксации. Правда, многое зависит и от выполнения осей перемещения - в лучших моделях комбинация направляющих и датчиков позиционирования дополняется плавностью хода и оптимальной скоростью движения. Также установка гидроабразивной резки металла может комплектоваться баком для абразива. В процессе работы он автоматически пополняет запасы этого компонента, ориентируясь на информацию датчиков контроля.

для резки

Обычно к этой категории станков относят модели, не имеющие ЧПУ. Иными словами, управление рабочим процессом в определенной мере перекладывается на оператора. Пользователь своими руками должен выставлять угол наклона резки, а в некоторых случаях и фиксировать позицию функциональной установки. Но при условии соблюдения правил эксплуатации в этом случае также можно рассчитывать на высокую точность, с которой будет выполнена гидроабразивная резка металла. Оборудование без программного обеспечения снабжается теми же техническими узлами, что и более совершенные модели. Поэтому теоретически качество выполнения должно сохраняться на оптимальном уровне. Более того, в некоторых ситуациях самостоятельная настройка и контроль резки позволяют достичь более высоких результатов обработки.

Техника выполнения резки своими руками

Управление процессом резки в ручном режиме предусматривает, что пользователь будет самостоятельно осуществлять подачу заготовок и контролировать их передвижение с позиционированием. Также в некоторых случаях в перечень операторских задач входит и регуляция системы охлаждения. На практике гидроабразивная резка металла своими руками выполняется посредством специальных кнопок. Например, для позиционирования оператор должен ввести несколько значений по координатам. Но даже ручное управление полностью не избавлено от контроля со стороны электронной системы. Так, при вводе ошибочных данных техника возвращает значения рабочих показателей в исходное положение.

Плюсы и минусы технологии

К достоинствам резки такого типа можно отнести четкость линии раскроя, возможность справляться практически с любыми металлами, а также взрыво- и пожаробезопасность операции. Среди недостатков такой обработки отмечают низкую скорость при работе с тонколистовой сталью, невысокий уровень износостойкости функциональных элементов и дороговизну расходного материала, то есть абразива. Тем не менее экономически технология себя оправдывает. Например, услуги гидроабразивной резки металла позволяют качественно справиться с ответственными операциями при подготовке материала для последующего монтажа. Более того, сэндвич-панели, сотовые листы и другие ячеистые стройматериалы можно резать только таким способом. Для повышения производительности многие компании также практикуют и пакетную резку, что позволяет экономить время.

Заключение

Режущие качества давно используются в разных сферах. На схожем принципе, в частности, работает пескоструйный инструмент, позволяющий выполнять качественную и быструю шлифовку поверхностей. В свою очередь, гидроабразивная резка металла обеспечивает высококачественный результат в работе с разными листами и конструкциями. Кроме точности выполнения раскроя можно отметить и отсутствие вредных процессов, которыми сопровождаются традиционные способы обработки. В частности, тепловые и механические воздействия лишь в редких случаях позволяют обойтись без деформации зоны, окружающей место реза. Но расплачиваться за качественный результат гидроабразивной обработки приходится высокими затратами на расходный материал - чем эффективнее абразив, тем выше его цена.

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:

  1. Давление — 2000…5000 ат (меньшие значения – для более мягких преимущественно тонколистовых материалов).
  2. Скорость водного потока – до 1000…1200 м/с.
  3. Расход абразива – до 50 г/с
  4. Средний размер абразивной частицы в плане – 100…600 мкм (с увеличением этого параметра точность разъединения материалов снижается).
  5. Расход воды – до 4 л/мин.
  6. 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:

  1. 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.
  2. При необходимости разъединения деталей весьма большой толщины – до 250…300 мм: в этом случае при плазменно-дуговой резке всегда происходит оплавление края.
  3. 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.
  4. 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:

  1. Инструментальную головку, оснащаемую функцией поворота резака под определённым углом, что позволяет обрабатывать с заданной скоростью поверхности сложной конфигурации.
  2. Насосную установку для прокачки воды с системой её фильтрации.
  3. Компрессорную станцию подачи абразивных фракций под давлением.
  4. Рабочий стол с устройством трёхкоординатного позиционирования (для небольшого оборудования эту работу выполняет своими руками оператор установки).
  5. Ванну с водой, которая конструктивно связана со станиной оборудования.
  6. Рабочие ёмкости для воды и абразива.
  7. 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.

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

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

Ежегодно металлургическими предприятиями мира выплавляются сотни тысяч тонн стали. Повышенные требования к качеству среза привели к появлению новых технологий обработки. Особенно если учитывать, что многие сплавы являются достаточно твердыми. Наиболее передовые технологии - это лазерная и резка водой металла (гидроабразивная). Суть последней мы и рассмотрим детально в данной статье.

Первые испытания

Еще в 30-х годах 20-го столетия американские и советские ученые озадачились данным вопросом. Толчком стало то, что необходимо было добиться высокой точности и скорости проведения работ. Первые разработки начали проводиться в 50-х годах 20-го столетия инженерами США и СССР. В 1979 году стали использовать песок, который добавлялся в струю с водой, так и появилось понятие "гидроабразивная". Ключевые требования - высокое давление и скорость подачи воды на обрабатываемую поверхность.

Уже в 1983 году было развернуто серийное производство оборудования для гидроабразивной резки (ГАР). По сути, даже сегодня это один из самых идеальных инструментов для резки, так как не имеет износа и есть возможность регулирования диаметра струи. Таким методом можно работать с толщиной листа до 300 мм. Это привело к тому, что резка водой металла стала активно применяться в авиастроении, машиностроении, камнеобработке и производстве бронетехники и космической промышленности.

Принцип работы и описание технологии

В основе лежит принцип эрозионной обработки. Заключается он в том, что на обрабатываемый металл подается струя воды под высоким давлением с абразивными частицами. В результате этого происходит отрыв частиц обрабатываемого металла. Различные параметры, такие как скорость и глубина, регулируются с помощью диаметра струи и размера, а также расхода абразива.

Основной компонент системы - насос высокого давления (4 000 бар). Он сжимает воду и подает на специальное водяное сопло, за которым находится смесительная камера. Там происходит смешивание гранатового песка и воды. Дальше смесь поступает в алмазное или же твердосплавное сопло, которое имеет диаметр до 1,2 мм. Из него со скоростью более 1 000 м/с гидроабразив попадает непосредственно на обрабатываемый металл. Так и происходит резка металла водой, а сейчас идем дальше.

Об особенностях ГАР

Высокие режущие свойства удается получить благодаря наличию высокопрочного абразива. При этом стабильный поток обеспечивается только в том случае, если частицы гранатового песка не превышают 30 % от сечения струи. Вода же по большей части выполняет исключительно транспортную функцию. Размер абразива зависит и от требований, выдвигаемых к качеству реза. Чем они ниже, тем более крупные частицы допустимо использовать.

Когда выполняется резка водой металла, то крайне важно подобрать оптимальную твердость абразива. Показатель зависит от обрабатываемого материала. Чем он более твердый, тем жестче применяют песок. Рекомендуют не использовать абразив твердостью менее 6,5 по шкале Мооса. В это же время стоит обратить внимание и на износ сопла. Чем жестче песок, тем быстрее оно подвергается износу. Поэтому на данном этапе крайне важно провести теоретические расчеты и только потом приступать к работам.

Резка металла струей воды: преимущества

Ключевое достоинство такого метода заключается в том, что он позволяет добиться высокого качества реза, то есть получить необходимую шероховатость после обработки. Помимо этого, стоит выделить следующие преимущества:

  • исключена вероятность возникновения пожара или взрыва во время проведения обработки;
  • экологическая чистота процесса (не образуются газы во время резки);
  • не выгорают легированные добавки в обрабатываемом металле;
  • возможность обработки металла толщиной до 30 см;
  • низкая температура в зоне резки (90 градусов по Цельсию);
  • высокая эффективность за счет отсутствия холостого хода режущей головки.

Как вы видите, резка металла водой под давлением имеет ряд преимуществ перед другими методами. Это экологично, безопасно и эффективно. Современные станки позволяют даже обработку сразу нескольких листов за один ход, если это позволяет толщина. В целом же ГАР с каждым годом развивается все больше, поэтому и характеристики значительно улучшаются.

Вкратце о недостатках

Но идеальной данная система быть не может. Поэтому тут есть некоторые минусы. Во-первых, из-за высокой скорости подачи воды с абразивом и нешуточного давления процесс является довольно шумным, вблизи находится желательно только в берушах. Во-вторых, малая скорость обработки тонколистовой стали. Но это если сравнивать с лазерными и плазменными технологиями. Кроме того, головка для резания изнашивается достаточно быстро. Это, в свою очередь, приводит к высоким эксплуатационным затратам. Поэтому любой станок для резки металла водой необходимо регулярно обслуживать и менять вышедшие из строя или износившиеся механизмы. В противном случае эффективность работы и качество среза будут постепенно падать.

Оборудование в промышленности

Современные станки для профессионального использования позволяют обрабатывать нержавеющую сталь толщиной до 20 сантиметров. При этом не важны прочностные показатели и группа металлов. Небольшой диаметр струи (1 мм) позволяет получать рез с очень высоким допуском. Если используется промышленный станок, то появляется возможность обработки камня и других твердых пород, таких как мрамор и др.

В настоящее время это один из наиболее эффективных и популярных методов резки стекла. ГАР работает как с тонким хрусталем, так и с пуленепробиваемым стеклом с точностью до микрона. Сегодня станки ГАР применяются для изготовления прокладок, обработки пеноматериалов, таких как резина и пластик. Но чтобы добиться оптимальных результатов, необходимо использовать современные электронные системы и различные сканеры.

Об особенностях конструкции

Для достижения необходимого результата в промышленности используют станки исключительно с ЧПУ. Поэтому процессом практически полностью управляет электроника. В состав профессионального станка входят различные системы. К примеру, управление оптимальным зазором. Такая система обеспечивает лучшее расстояние между режущей головкой и обрабатываемым металлом для наибольшей точности в месте среза. Используется и датчик сканирования материала. Он нужен для того, чтобы просканировать металл на наличие неровностей. Показания передаются на ЧПУ, в результате чего изменяется зазор.

Для автоматизации процесса в систему внедряют датчик контроля подачи абразива. Он регулирует количество гранатового песка. Кроме того, такая система останавливает работу в случае попадания в насос высокого давления сторонних элементов (мешковина, крупная фракция). Все это должно работать как одно целое, и только при таком раскладе можно добиться оптимальных результатов. Современный промышленный станок стоит больших денег, поэтому требует регулярного обслуживания. Если его не выполнять, то он может полностью выйти из строя.

Резка металла водой своими руками

Вполне логично, что для единичного использования промышленное оборудование с ЧПУ никто закупать не будет. В этом случае очень выручают так называемые ручные станки. Они не имеют программного управления, поэтому все параметры резки задает оператор. Собственно, качество среза полностью зависит от квалификации специалиста. При должном подходе можно добиться не худшего результата, нежели на профессиональном оборудовании. Ручные станки все же имеют свои преимущества. Они заключаются в низкой стоимости оборудования и возможности изготовить заготовку нужной геометрической формы под определённым углом своими силами. Но для этого желательно полностью разобраться с управлением, и тогда резка водой металла будет вполне простым занятием.

Подведём итоги

В настоящее время самый популярный метод обработки - резка металла водой. Давление в этом случае очень высокое, о чем не нужно забывать. Несоблюдение техники безопасности может привести к печальным последствиям. Обратите внимание еще и на то, что самостоятельно изготовить подобное оборудование не представляется возможным. Обусловлено это тем, что детали должны быть очень высокого качества.

Ручной станок для домашнего использования наиболее оптимален. Он стоит не таких больших денег, как промышленный, но в это же время имеет гибкую настройку и позволяет владельцу сделать весьма качественный срез. Вполне возможно, что в скором времени резка металла под водой усовершенствуется и даже тут появится возможность применения такого принципа, как ГАР.