Гидроабразивная резка металла — установки, оборудование, давление

Способов резки и соответствующего оборудования практически столько же, сколько видов различных материалов (твердых, мягких, хрупких и прочих). Станки гидроабразивной резки способны точно и эффективно обработать любой.

История

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

Технология гидроабразивной резки материалов (ГАР) существует уже более 40 лет. История появления технологии уходит своими корнями в 50-е годы XX столетия. Наиболее активно исследования в этой области велись в СССР в 1940-ых годах, но затем почему то заглохли. Затем в 1979 году в США специалисты попробовали добавлять в струю абразивный песок, благодаря чему её режущие свойства многократно увеличились. В 1980 году был спроектирован и запущен первый прототип гидроабразивного станка, а в 1983 году началось серийное производство оборудования и комплектующих для ГАР. Процесс резания происходит в результате эрозионного воздействия на материал струи воды с твёрдыми абразивными частицами, подающейся под сверхвысоким давлением. На сегодняшний день технология ГАР по праву относится к числу наиболее динамично развивающихся способов раскроя материалов и составляет серьёзную конкуренцию таким традиционным технологиям, как лазерная и плазменная резка, а также механообработка. Гидроабразивная струя по своим физическим характеристикам представляет собой идеальный режущий инструмент, не имеющий износа. Диаметр струи может составлять 0,5 – 1,5 мм (в зависимости от типа используемых дюз и смешивающих трубок), благодаря чему отход обрабатываемого материала минимален, рез можно начинать в любой точке по контуру любой сложности. Отсутствие теплового и механического (деформирующего) воздействия – ещё одно достоинство ГАР, благодаря которому исходные физико-механические характеристики обрабатываемого материала остаются без изменений. Процесс гидроабразивной резки экологически чист и абсолютно пожаробезопасен, поскольку исключена вероятность горения / плавления материала и образования вредных испарений. Для некоторых видов материалов – керамика, композиты, многослойные и сотовые конструкции — не существуют технологии обработки, альтернативной ГАР. Впечатляющим является и диапазон обрабатываемых толщин – 0,1 мм – 300 мм и выше, что делает станок гидроабразивной резки подчас жизненно необходимым инструментом в таких сферах, как машиностроение, инструментальное производство, авиационно-космическая промышленность, производство продукции для оборонной и транспортной промышленности, камнеобработка.

Сущность технологии

Гидроабразивная резка металла не является инновационной технологией, использовать ее начали еще в 1960-х годах. Первой станки для выполнения такой резки начала применять американская авиастроительная компания. Именно руководство этой компании сделало официальное заявление о данном методе, описав его преимущества и рекомендовав применять его для резки металла и других материалов, обладающих высокой твердостью. С этого момента абразивная резка металла с использованием воды стала активно применяться предприятиями и завоевывать все большую популярность.

Суть данной технологии заключается в том, что в зону реза под большим давлением подается вода, в состав которой включены абразивные вещества. Любая установка гидроабразивной резки работает по следующей схеме.

1. В смеситель аппарата из специальной емкости подаются вода и абразивный материал, в качестве которого преимущественно используется мелкий песок.
2. После смешивания вода с абразивом поступает в сопло установки.
3. В сопле формируется тонкая струя гидроабразивной смеси, которая под большим давлением подается в зону резки.

Принцип действия гидрообразивной резки

Технология, реализуемая по подобной схеме, позволяет не только выполнять резку быстро и с высоким качеством, но и значительно экономить на расходных материалах, самым дорогим из которых является обычный песок. Следует отметить, что по скорости выполнения абразивная резка с помощью воды сопоставима с плазменной технологией, а по качеству получаемого реза – с лазерной.

Область применения гидроабразивной резки

Главным отличием, которое имеет гидроабразивная обработка металла, от остальных способов обработки листового металла является то, что на поверхность материала не оказывается механическое воздействие. Отсутствие трения, нагревания инструментов влияет на качество реза и возможные сферы применения.

Больше всего распространена водно-абразивная резка металла струей воды, но оборудование также применяют для разрезания следующих материалов:

1. Мрамор, гранит, камень и другие горные породы.
   
   
2. Стекло, керамика.
   
   
3. Стали и металлы, включая: титан, нержавейку.
   
   
4. Железобетон.
   
   
5. Пластик, текстолитовые, эбонитовые и паронитовые плиты, резину.
   
   

При этом при разрезании удается достичь минимального расхода строительных материалов, комплектующих, и т. д. На предприятиях с повышенной пожаро и взрывоопасностью, гидроабразивные станки являются единственным возможным оборудованием соответствующим требованиям для проведения работ.

Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке

Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика

С помощью гидроабразивной 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.

Гидроабразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше. 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).

Преимущества и недостатки резки с использованием абразива и воды

Оценить эффективность, производительность и точность гидроабразивной резки можно даже по видео такого процесса. Между тем существуют не только визуально оцениваемые преимущества данной технологии, к которым относятся:

• исключение нагрева обрабатываемой детали (отсюда невозможность ее деформации и, соответственно, высокая точность резки);
• широкий функционал оборудования, с помощью которого можно решать задачи даже самой высокой сложности;
• отсутствие необходимости в дополнительных работах по доработке полученных изделий;
• универсальность, которой обладает любой станок для гидроабразивной резки (с его помощью можно как резать резину, пластик, камень или металл, так и сверлить отверстия в различных материалах);

Гидрообразивная резка мрамора

• высокая скорость, точность и экономичность процесса;
• исключительная безопасность процесса, в том числе его взрыво- и пожаробезопасность;
• возможность резки деталей большой толщины, в том числе и трубчатого сечения.

Насколько бы эффективным и эффектным ни был процесс гидроабразивной резки (см. видео в конце статьи), есть у этой технологии и недостатки. В частности, к ним можно отнести следующие.

• При резке образуется конусность кромки отрезаемой детали. Особенно такой недостаток заметен при резке деталей большой толщины. Чтобы не допустить появления этого дефекта, необходимо использовать специальные автоматизированные устройства, корректирующие угол наклона сопла в процессе обработки.
• На гидроабразивных станках обрабатывают как толстостенные, так и тонкостенные детали с одной скоростью, что несколько снижает рентабельность применения такой технологии. Чтобы увеличить рентабельность, тонкие детали разрезают сразу по несколько штук, складывая их в пачку.

Использование гидроабразивной резки особенно целесообразно в тех ситуациях, когда необходимо разрезать сложные детали с особо высокой точностью, затрачивая при этом минимальное количество времени.

Недостатки данной технологии

• Недостаточно высокая скорость реза тонколистовой стали;
• Ограниченный ресурс отдельных комплектующих и режущей головки;
• Высокая стоимость абразива (расходный материал);
• Коррозия металла.

Управление

Управление может осуществляться через интерфейс самого станка, либо путем загрузки в систему подготовленных файлов-заданий в виде чертежей и технологических параметров, подготовленных в формате любого графического редактора, совместимого с ПО станка (CAD. COREL-DRAW или подобных).

Оператор, используя сервис интерфейса, может задавать координаты начала и окончания движения, корректировать скорость резки и направление.

Задание передается в систему автоматизированного управления для выполнения операций.

После этого надо установить режущую головку в начальную точку и запустить станок в работу. ПО станка преобразует данные файла-задания в команды управления насосом, дозатором абразива и двигателями привода головки.

Обратная связь САУ считывает показания датчиков, корректирует подачу воды и скорость движения головки, следит за выполнением задачи, обеспечивает плановое или аварийное отключение станка.

Кроме того, у оператора есть возможность в любой момент остановить работу устройства, отключить насос и сбросить давление в системе.

1 Станки гидроабразивной резки – техническое воплощение передовых технологий

Гидроабразивная резка – уникальная, одна из самых эффективных технологий обработки материалов, основанная на естественном природном процессе водной эрозии (постепенном разрушении, вымывании почв и горных пород). При проведении работ в качестве режущего инструмента применяется вода, воздействие которой на материал многократно усилено абразивом, добавляемым в нее. Но самое главное, что эта смесь испускается под высоким (до 6000 атм) давлением и на огромной скорости (800–1000 м/с – в 3 раза выше скорости звука в воздухе).

На физическом уровне суть механизма резки состоит в разрушении материала скоростным потоком абразивной составляющей струи, разгоняемой и доставляемой к месту обработки водой. При этом происходит отрыв и вымывание из полости резки частиц материала с одновременным охлаждением зоны обработки.

Устойчивость истечения двухкомпонентной струи (абразива с водой) и эффективность ее воздействия поддерживаются оптимальным соотношением параметров резки, в том числе расхода и давления воды, а также размера и расхода частиц абразивного состава.

Гидроабразивная струя способна резать практически любой вид материалов:

• черные, цветные металлы и сплавы;
• легированные труднообрабатываемые стали и сплавы (включая жаропрочные, нержавеющие);
• композиционные материалы;
• искусственные, природные камни (мрамор, гранит и так далее);
• керамические материалы (плитка, керамогранит);
• стекло обычное, композиционное (триплекс, армированное, бронестекло, стеклотекстолит и тому подобное);
• прозрачные, пористые материалы;
• бетон, железобетон;
• сотовые и сэндвич-конструкции.

Мягкие материалы (поролон, полиуретан и прочие пеноматериалы, картон, пластмассы, кожаные изделия, ткани и тому подобное) режут струей только воды, не добавляя абразив. Также такой способ применяется в пищевой сфере – для порционирования и порезки пищевых продуктов.

Для проведения гидроабразивной резки предназначено специальное оборудование – станки гидроабразивной резки. Принцип их работы заключается в следующем:

• вода, сжатая насосом высокого давления (один из основных узлов оборудования) до 4000 атм или выше, проходит через сопло, которое формирует струю диаметром всего 0,2–0,35 мм, подаваемую в смесительную камеру;
• в смесительной камере вода смешивается с абразивным материалом (гранатовым песком, как правило), а затем проходит через другое, твердосплавное сопло, диаметр которого 0,6–1,2 мм;
• из второго сопла струя смеси абразива с водой выходит со скоростью приблизительно 1000 м/сек и ударяет о поверхность обрабатываемого изделия;
• рабочий процесс характеризуется как «холодное резание» – не сопровождается нагревом обрабатываемого участка заготовки.

Типовой станок состоит из узлов:

• Корпуса.
• Резервуара с водой объемом от 2 м3 и больше.
• Насоса, который прокачивает под высоким давлением жидкость от резервуара-хранилища к зоне резки.
• Шлангов, по которым вода транспортируется.
• Емкости для заправки, системы подачи и смешивания с водой абразива.
• Водяного «резака», представляющего собой штуцер с форсункой. Автоматика регулирует пропускную способность и другие параметры работы резака.
• Рабочего стола, на котором крепится обрабатываемая заготовка, расположенного в специальной ванне.
• Защитного кожуха.
• Блока автоматического управления (ЧПУ) – координирует перемещения рабочего стола и водяного резака, контролирует и задает параметры процесса обработки.

Цена гидроабразивной резки

Есть как минимум пять компонентов, которые определяют высокую цену оборудования:

• насос и система трубопроводов высокого давления;
• высокоточные приводы управления движения головкой;
• интеллектуальная система управления;
• сопло из драгоценных камней (пусть и искусственного происхождения);
• смесительная трубка из композита с высокой твердостью.

А если учесть, что последних два компонента относятся к расходным деталям и добавить высокую цену абразива, то стоимость гидроабразивного раскроя получится самой дорогой среди всех видов. Но достоинства этого способа и качество обработки детали стоят этого.

Техника безопасности

Процесс гидроабразивной резки не представляет особой опасности. Расстояние от трубки, из которой выходит струя, до обрабатываемой поверхности – всего 2,5 мм. Это исключает воздействие струи на руку. При превышении давления воды выше допустимого открывается сбросной клапан, который снижает давление до рабочего. Тем не менее при работе на станках следует соблюдать определенные меры безопасности.

• Ни в коем случае не допускайте воздействия струи на тело. Такая струя способна разрезать металл толщиной 150 мм, что уж говорить про руку. Во время работы руки держите на максимально возможном расстоянии от зоны резки. Перед включением станка убедитесь в отсутствии посторонних предметов на пути резки.
• Защищайте глаза и органы слуха. Обязательно используйте защитные очки и беруши (или наушники).
• Не кладите руки на рабочий стол.

Обработка металлических изделий с помощью струи воды и абразива все больше применяется в современной промышленности (в основном, в машиностроении и металлургии). Технология и оборудование постоянно совершенствуются, чтобы избежать существующих недостатков или минимизировать их.

Лидерами в производстве аппаратов для гидроабразивной резки являются американские компании Jet Edge, Flow, OMAX, итальянские WaterJet Corp Inc. и Caretta Technology, голландская Resato, чешская PTV, шведская Waterjet Sweden, финская ALICO, швейцарская Bystronic.

Достоинства гидроабразивной резки

Если сравнивать с термическими и механическими методами раскроя, то у оборудования для гидроабразивной резки длинный список достоинств:

• отсутствие термического воздействия на металл и изменения его физико-химических свойств;
• у кромки практически идеальная поверхность;
• большая толщина обрабатываемой заготовки;
• контур раскроя может иметь любую кривизну и сложность;
• высокая точность соответствия чертежу и технологических параметров;
• повторяемость размеров с минимальными отклонениями у всего комплекта деталей;
• возможность пакетной и параллельной обработки нескольких деталей сразу;
• экологическая чистота;
• тонкий разрез уменьшает отходы, которые нельзя пустить во вторичную переработку;
  
  взрывобезопасность.

Видео:

И в заключение. Во многих технологических процессах гидроабразивная резка — это единственный способ высокоточной и чистой обработки металла, камня, стекла. И альтернативы у него нет.

Ручная резка гидроабразивным способом

Определенные станки управляются с помощью непосредственно оператора. В этом оборудовании угол наклона и все остальные параметры нужно выставлять вручную, это не очень удобно и не может комфортно обеспечить работу. Но при этом, установка гидроабразивной резки (УГР) металла без ЧПУ имеет определенные достоинства, к ним относятся:

1. Оставлены без изменений общие функциональные возможности. Разрезание материала под углом, ровный рез, раскрой материала и вырезание простых фигур можно выполнять и на обычном станке. Гидроабразивную порезку меди, алюминия, стекла, стали и иных материалов можно выполнять и на этом оборудовании.
2. Нет необходимости в профильном образовании. Ручное оборудование для порезки имеет минимальное количество функций и простое управление. Это дает возможность производить все требуемые операции во время обработки простых деталей.
3. Меньшая стоимость оборудования, в отличие от станков с ЧПУ, эта установка обойдется примерно в два раза дешевле.

Использование ручного оборудования ограничено только его малой функциональностью. Применение устройства в художественной резке, вырезание сложных геометрических фигур и там, где необходим качественный конечный результат и высокая точность потребует приобретения станка с ЧПУ.

Основное достоинство

Есть несколько основных достоинств, которые можно отметить во время применения гидроабразивной резки:

1. Функциональные возможности — преимущества гидроабразивной порезки металла сложно полностью перечислить, но одним из основных является то, что при помощи ГАР станка вырезать можно самые сложные элементы заготовок. Появляется также возможность создания сложного профиля с любыми требуемыми контурами, формами и радиусом.
2. Отсутствие нагревания обрабатываемой поверхности. Во время обработки детали все тепло, которое выделяется, удаляется моментально под действием воды. Из-за отсутствия режущих металлических элементов получаемое тепло от трения очень низкое. Небольшое тепловыделение обеспечивает точный рез металлов, которые поддаются деформированию под действием повышенной температуры.
3. Технологичность процесса реза — оборудование является абсолютно универсальным, при необходимости применяется для сверления. Есть возможность проведения работ вне зависимости от атмосферных и иных условий. Ручные станки можно применять для порезки материала даже под водой на глубине более сотни метров. Причем от одного насоса одновременно можно запитать несколько установок.
4. Отсутствие дополнительных работ — после получения требуемой детали нет необходимости в дальнейшем обрабатывании и шлифовании места реза. Шероховатость почти невидна невооруженным глазом.
5. Безопасность — оборудование может устанавливаться даже на производстве с высокой взрывоопасностью во время производства легковоспламеняющихся материалов. Отсутствие вероятности появления искры, нагревания поверхности и иные параметры делают использование водно-абразивных установок максимально безопасными и удобными.
6. Экономичность, в отличие от плазменной обработки материала. Скорость порезки может доходить до 35 тыс. мм/мин. Причем это никак не повлияет на качество реза. Если учитывать что во время разрезания теряется не более 1 мм металла, а также точность и абсолютное соответствие готовому изделию по заданным размерам, то вполне очевидна высокая рентабельность этого оборудования.
7. Универсальность установки — одни станок одновременно позволяет обрабатывать пластик, сталь, ткань, резину и т. д. При этом во время необходимости можно резать многослойные заготовки, которые состоят из нескольких материалов.
8. Возможность порезки толстостенных материалов. Обрабатывать можно металлические листы до 200 мм, а также армированные бетонные блоки толщиной до 100 мм.

Самым функциональным является оборудование с ЧПУ, однако, нехватка квалифицированных рабочих объясняет, почему ручная резка гидроабразивом имеет больший спрос.

Недостатки гидроабразивной порезки

Основные недостатки в себя включают такие факторы:

1. Одинаковая скорость порезки как для тонких материалов, так и для толстостенных. Это значительно влияет на рентабельность станка. Вопрос решается при помощи укладывания листов слоями для одновременной резки сразу нескольких деталей.
2. Появление конусности — тем более это заметно во время обработки толстостенного металла и иных тугоплавких материалов. Вследствие этого торец детали обрезается не ровно, а в форме воронки. Конусность, как правило, устраняется при помощи дополнительной установки автоматики.

В остальном же применение гидроабразивной резки экономически выгодно, практично и удобно. Станки для резки при помощи воды с абразивом позволяют решить важные проблемы, которые связаны с некачественной обработкой заготовок, а также снизить время, требуемое для изготовления.

Недостатки гидроабразивной резки

Основные минусы ГАР металла включают в себя следующие факторы:

• Появление конусности — это особенно заметно при обработке толстостенной стали и других тугоплавких металлов. В результате торец заготовки вырезается не ровно, а в виде воронки. Конусность обычно устраняется с помощью дополнительного устройства автоматизации и контроля над конусностью.
  
  
• Одинаковая скорость, как для толстостенных, так и для тонких материалов. Это существенно влияет на рентабельность оборудования. Вопрос решается с помощью складывания листов слоями для одновременного разрезания сразу нескольких заготовок.
  
  

В остальном использование ГАР удобно, практично и экономически выгодно. Оборудование для резки с помощью воды с абразивным порошком помогает решить важные проблемы, связанные с некачественной обработкой деталей, а также сократить время необходимое для производства. Расходные материалы полностью компенсируются экономичностью данного оборудования.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Профилегиб своими руками в домашних усло... Зиговочные машины для листового металла... Токарные станки по дереву — конструкция,... Промышленные заточные станки — видео, фо...