Гидроабразивная резка металла своими руками. Оборудование для гидроабразивной резки металла. Технология гидроабразивной резки металла

Современная цивилизация не мыслит себя без повсеместного использования стали. Железо, которое всего 400-500 лет тому назад ценилось едва ли не на вес золота, сегодня тоннами может бездарно ржаветь на свалках. Сталь выплавляется миллионами тонн, используясь абсолютно везде. Основной проблемой зачастую является ее обработка, так как многие сорта этого материала достаточно твердые, а современные технологические нормы весьма жесткие и не допускают рваных и грубых «линий отреза». Чтобы повысить качество готовых изделий, учеными была изобретена резка водой металла.

Когда ее стали применять на практике?

Как ни удивительно, но эта технология довольно-таки широко использовалась еще в 60-х годах прошлого века. Впервые она применялась в достаточно специфичных отраслях, наподобие авиастроения и космической промышленности. Но вскоре компании стали подумывать о том, что резка водой металла - превосходное новшество, которое может дать широчайшие возможности для всей промышленности при ее более широком внедрении в производство.

С тех пор этот метод обработки металлов становится все более и более популярным. Может ли использоваться резка водой металла только для листового проката, или же ей подвластны и прочие металлоконструкции? Какие у этого метода существуют достоинства и недостатки? Обо всем этом мы постараемся рассказать в рамках данной статьи.

Области применения

Основным преимуществом такого способа резки является то обстоятельство, что на поверхность материала практически не оказывается значимого механического воздействия. Полностью отсутствует трение, механизмы не нагреваются. Это оказывает крайне положительное влияние на качество среза и всей готовой детали.

Обрабатываемые материалы

Во-первых, сразу хочется отметить, что область применения метода не ограничивается одними только металлами и их сплавами. Он используется и для таких материалов, как:

• Гранит, природный камень, прочие минералы.
• Керамика и стекло.
• Все металлы, включая даже титан и его сплавы.
• Железобетон и бетон.
• Все виды пластика и прочих синтетических материалов.

Что еще лучше, при этом удается достичь крайне малого расхода как самого сырья, так и комплектующих. Более того, при работе с опасными материалами именно резка водой металла является единственно допустимым методом, так как при этом нет искр, нет образования вредной пыли, полностью отсутствует возможность самопроизвольного воспламенения образующихся отходов производства.

Как это работает на практике?

Как мы и говорили, металлопрокат - не единственная сфера применения метода, но все же 70% работ идет именно в этой области. Сама технология основана на подаче воды с мелкодисперсионным под давлением на поверхность материала. Так что конкретно происходит во время резки? Вот основные технологические процессы:

• Вода под огромным давлением подается в особо прочный резервуар.
• В тот же момент туда «заправляют» абразив, обычно представленный мельчайшей фракцией песка.
• После этого получившаяся смесь подается в сопло.
• Струйка направляется на необходимую область и начинает резать материал.

Качество и скорость разрезки при таком подходе возрастают многократно. Время от времени лишь требуется добавлять абразив. Процесс этот полностью автоматизирован, никакого вмешательства обслуживающего персонала обычно не требуется.

Стоит учесть, что гидроабразивная резка позволяет достичь такой скорости, которая обычно достижима только при материалов. Но! Качество среза при этом таково, что его можно повторить, лишь используя лазер. Стоимость этих видов работ, и сложность используемого при этом оборудования сложно сопоставить, так как это совершенно разные «весовые категории».

Какое для этого используется оборудование?

Еще во времена Древнего Египта люди заметили, что вода способна кардинально изменять свойства тех материалов, которые подвергались ее воздействию в течение достаточно длительного времени. Даже твердые камни обкатывались до состояния гладких голышей, а на поверхности гранита и мрамора сравнительно быстро появлялись видимые углубления.

Впоследствии тот же принцип взяла на вооружение современная промышленность. Конечно, с древних пор существенно изменился порядок использования возможностей «оксида водорода»: во-первых, требуется обеспечить приемлемое давление воды, во-вторых - толщину и направление ее струи. Достигается это следующим образом:

• Специальный насос очень высокого давления не только аккумулирует некоторый запас жидкости, но и подает ее к обрабатываемому материалу. Именно от мощности этого механизма зависят толщина и плотность стали, которая может быть разрезана. К самому насосу вода подается из обычной системы водоснабжения, причем (для предотвращения перерывов) желательно осуществлять ее сразу из нескольких источников.
• За толщину струи отвечает специальный регулятор мощности. Скорость разрезания и толщина обрабатываемого материала зависят не только от его настроек, но и от характеристик используемого абразивного материала. Чтобы «разделывать» что-то более вязкое, приходится использовать трехфазный наполнитель, для простой же стали достаточно лишь воды и наполнителя, в роли которого, как мы уже неоднократно указывали, может быть использован самый обычный песок. Разумеется, что можно регулировать не только состав смеси… Какими еще параметрами характеризуется резка металла водой? Давление и скорость жидкости. Имейте в виду, что минимально приемлемая скорость воды должна достигать 1200 м/с при давлении около 4,7 т/см!

Прочее оборудование

Очень важны сопла. Их диаметр, а также используемые материалы напрямую зависят как от абразива, так и от скорости струи. при обработке металлов настолько высоко, что для этого могут быть использованы только высокопрочные сплавы. Сопла требуется менять, частота этого зависит от многих факторов. Одной из важнейших составляющих любого станка для «водяной» резки является смеситель. Именно от него зависит гомогенность получаемой смеси, а также качество срезов, наличие или отсутствие сколов на кромках обработанных деталей.

Заметим, что гидроабразивная резка невозможна без использования высокоточной автоматики. Особенностью этого способа обработки металла является конусность кромки, обусловленная свойствами воды при столь специфичных условиях ее применения. Чем выше скорость, тем больше этот показатель. Но! При повышении конусности прямо пропорционально снижается итоговое качество обработки материала. Чтобы снизить столь негативный эффект, может быть использована запатентованная технология Flow Dynamic Waterjet и подобные ей способы управления качеством продукции.

В чем заключается принцип работы «умных» технологий? Все сравнительно просто: автоматика сама определяет тип, вязкость и плотность обрабатываемого материала, а затем самостоятельно изменяет угол наклона и диаметр сопла. Только после этого начинается постоянно корректируемая резка металла песком с водой.

Подготовительные операции

Наконец, не менее важна система предварительной подготовки жидкости для последующего использования последней в системе резки металла. Чтобы максимально продлить сроки эксплуатации оборудования, а также для обеспечения максимального качества обработки, жизненно важна буквально кристальная чистота воды. Достигается это путем фильтрации через «высокоточные» фильтры, посредством которых из жидкости убирают все относительно крупные примеси с большой молекулярной массой.

Важно понимать, что различные производители предлагают разное гидроабразивное оборудование, возможности оснащения которого дополнительными функциями прямо зависит от стоимости станков. Так, расширенный функционал позволит при необходимости выполнять даже сложную фигурную резку, не говоря уже о более простых операциях.

Функциональные возможности резки водой

Во многих сферах искусства резка металла водой, цена которой значительно ниже лазерной обработки (от 15 рублей за метр) также нашла широчайшее применение. Дело в том, что одним из преимуществ этого метода является полное отсутствие сколов, а также нагревания поверхности, отчего получаемое изображение или профиль выходят в точности такими, какими их хотел видеть дизайнер или художник. Вот основные возможности, которые предлагает этот метод обработки материалов:

• Нестандартная резка металла. Важно то, что при любом наклоне сопла срез получается очень качественным. Точность такова, что готовые детали после их изготовления можно использовать практически без подготовки.
• Современные станки могут работать при минимальном вмешательстве человека, или же вовсе не требовать присутствия обслуживающего персонала. При помощи этого же оборудования можно вырезать детали самой сложной конфигурации, причем делать это в кратчайшие сроки, но с сохранением максимально возможного качества.
• Особенно распространена обработка металлопроката. Так, станок для резки металла водой может срезать до 20 сантиметров среднеуглеродистой стали. Для титана показатели скромнее - в пределах 15-17 мм. Особо прочные сплавы - около 12 мм. Минимальный коэффициент приходится на долю меди и составляет всего 4-5 мм.
• Декоративные элементы и украшения при использовании этого метода получаются не только очень качественными, но и дешевыми. Кроме того, конфигурация готовых изделий зависят не от опыта работника и не от «твердости руки», а исключительно от настроек. Если отклонение при резке не может превышать 0,5%, используют водой с ЧПУ.

В последние годы так все чаще режут трубы. Для этого применяют специальные станки, при помощи которых срез трубы получается изначально отполированным и очень гладким. Таким образом, гидроабразивная резка, услуги по которой предлагаются в любом крупном городе, становится все более распространенным и популярным методом обработки самых разных материалов.

Гидроабразивные станки с ЧПУ

Особенно расширить сферу применения данного метода помогли станки с ЧПУ, которые позволяют обрабатывать самые разные материалы, гибко настраивая качество работы, максимальную и минимальную толщину резки, а также прочие параметры.

Отклонения от заданных параметров получаются минимальными, чего практически нереально достичь стандартными способами резки. Принцип работы такого класса оборудования сводится к следующим действиям:

• Сперва устанавливается соответствующее программное обеспечение, которое может быть разным для каждого типа материала. Программа автоматически подберет состав смеси, вид абразива и требуемый объем воды, давление и прочие параметры. За фигурную резку материалов отвечают специальные программы.
• Как правило, дополнительная обработка готовой детали уже не требуется. Если параметры резки были подобраны неправильно или неточно, может наблюдаться некоторая шероховатость готового изделия. Но! Если используется станок с ЧПУ, который может самостоятельно подбирать параметры резки, такого практически не случается. В этом случае оборудование автоматически выбирает необходимый режим, ориентируясь на толщину, вязкость и плотность металла.
• Помимо резки, такие станки позволяют высверливать отверстия различного диаметра и конфигурации. При этом мы слова повторяем уже описанное выше: если от оборудования требуется что-то особенное, необходимо выбирать те его модели, у которых есть соответствующие дополнительные функции.
• Иногда эти станки могут использоваться не только для резки, но и для полировки готовых изделий и деталей, которые были сделаны на другом оборудовании.

Ручная резка

В некоторых случаях станками может управлять квалифицированный оператор. В этом режиме все настройки приходится выставлять в ручном режиме, что не всегда особенно удобно. Но имеют ручные способы резки металла и немало преимуществ, к числу которых относятся следующее:

• Стоимость такой работы обходится примерно в полтора раза дешевле.
• Профильное образование оператора при этом, как ни странно, не имеет особого значения. Дело в том, что ручное управление такими станками довольно просто, и не имеет большого количества сложных функций. Это оборудование используется в тех случаях, когда необходимо вырезать детали, имеющие простую геометрическую форму.
• Функциональность станков при этом остается на прежнем уровне. Ровный срез, просверливание отверстий и прочие простые операции - все это можно делать и при ручном управлении. Кроме того, есть возможность обработки не только металлопроката, но и прочих материалов.

Надеемся, что вы поняли, как происходит резка металла водой. Данный метод чрезвычайно распространен в современной промышленности, с его помощью можно изготовлять детали практически любой формы и конфигурации.

Станки для резки металла представляют собой специальное электрооборудование высокой производительности, с помощью которого происходит резка (раскрой) различного металлопроката.

Наиболее часто они применяются для нарезки заготовок из металлических материалов таких как:

• лист;
• полоса;
• уголок;
• труба (круглая и профильная);
• швеллер;
• двутавр.

Станок для резки металла необходим производственным, монтажным и строительным предприятиям, металлобазам. Некоторые мастера, своими руками создают самодельный станок, рассчитанный исключительно под хозяйственные нужды.

1 Виды станков для резки металла

Для того чтобы разрезать металл применяются станки различного типа:

• — режущим элементом является замкнутая зубчатая лента. Используются в большинстве случаев на крупных производствах для многосерийного изготовления однотипных заготовок;
• ножовочные — рез проводится ножовочным полотном, которое закреплено в пильной раме. Привод у них ручной или электромеханический. Имеют небольшие габариты и просты в применении. Такими станками оборудованы цеха малых предприятий или небольшие мастерские;
• дисковые — режущим инструментом является диск. Это наиболее распространенный вид, который может быть применен практически во всех областях деятельности по работе с металлом. К этой же категории относятся инструменты под общим названием «вулканит», так как в них используются абразивные круги, которые сделаны из этого материала;
• гидроабразивные — материал разрезается водой под большим давлением, содержащей абразивную добавку (песок). Позволяет резать под любым углом в зависимости от направления форсунки;

1.1 Дисковые отрезные станки

Такие инструменты имеют жесткую металлическую раму или платформу с отверстием для углубления в него режущей кромки. Отрезной дисковый станок имеет приспособление для надежного закрепления материала под нужным углом в процессе его резки. Режущим элементом у таких станков является диск, который сделан из твердосплавной (быстрорежущей стали), или круг, покрытый абразивным материалом.

Вращательное движение диска (круга) задается электромотором посредством зубчатой или ременной передачи. В инструментах с малой мощностью возможна прямая насадка режущего элемента непосредственно на вал электродвигателя.

Дисковые станки могут иметь три вида подачи режущего инструмента:

• фронтальную;
• маятниковую;
• нижнюю.

Существует также разделение по числу режущих кромок:

• одноголовочные — имеют только один диск, и при смене операций требует переналадки под конкретную задачу;
• двухголовочные — возможна работа сразу двумя инструментами, что значительно повышает производительность. В них одна головка зафиксирована и имеет постоянно стабильное положение, а другая может перемещаться. Такие станки могут работать в автоматическом режиме.

1.3 Гидроабразивная резка

Такой вид разделения металла на гидроабразивном режущем станке очень эффективен и действие его основано на эрозии, которая создается водой. Режущим инструментом является струя воды под очень высоким давлением, а ее разрушающее действие усиливается добавлением абразивного материала.

Смесь воды и абразива вылетает из рабочего сопла направленного на обрабатываемый материал под давлением в 600 атмосфер и со скоростью до 1000 метров в секунду.

Параметры резки таким способом задаются давлением, под которым находятся абразив с водой, и размером частиц абразива. Таким способом можно резать практически любой материал под любым нужным углом:

• черные и цветные металлы, а также их сплавы;
• сталь, которая тяжело поддается обработке (легированная, жаропрочная, нержавеющая);
• композитные материалы;
• камень (мрамор, гранит);
• керамику (плитку, керамический гранит);
• стекло, как обычное, так и композитное (включая бронестекло).

При резке мягких материалов, таких как поролон, картон, пластмасса и т.д. используется только вода (без абразивных добавок).

1.4 Принцип работы

В резервуаре с водой, при помощи насоса давления, создается высокое давление (от 400 до 600 атмосфер). Поток воды проходит через сопло, диаметр которого составляет 0,2-0,35 мм (что еще больше увеличивает давление) и попадает в смесительную камеру.

Там она смешивается с абразивным материалом (песком) и направляется в другое сопло с диаметром 0,6-1,2 мм. Выходя из него, смесь воды и абразива имеет скорость до 1000 м/с, что позволяет легко разрезать даже самые прочные материалы.

Такой процесс относится к категории холодного резания, так как при его выполнении не происходит выделения тепловой энергии, потому что она полностью поглощается потоком воды.

1.5 Классическая компоновка

Стандартный гидроабразивный станок состоит из следующих узлов и деталей:

• корпус;
• резервуар для воды (объем от 2 куб. метров);
• насос высокого давления (обеспечивает подачу воды под давлением в зону резания);
• высокопрочные шланги, которые способны выдержать очень высокое давление;
• емкость для подачи абразива для смешивания с водой;
• резак — штуцер с регулируемой форсункой (возможно изменение параметров по величине выпускного диаметра);
• рабочий стол (ванна) — на нем крепится заготовка и собирается отработанная вода с абразивом);
• защитный кожух;
• блок ЧПУ — в промышленных образцах станков производит полное управление рабочим процессом.

Можно изготовить самодельный ручной гидроабразивный станок своими руками для личного пользования. Основная сложность заключается в приобретении оборудования для создания высокого давления и неоправданно высокие энергетические затраты по его использованию.

Принцип резки металла таким способом очень эффективен, но иметь такого класса оборудование в личном пользовании имеет смысл только лишь при его большой загрузке.

2 Самодельный станок

Как правило, это простые отрезные станки, сделанные своими руками с минимальными материальными затратами. Вариантов существует довольно много — от простого насаживания на вал электромотора режущего диска, до уже существенной рамной конструкции с вертикальной (маятниковой) ручной подачей.

При выборе варианта изготовления своими руками следует обратить внимание на то, насколько загружен работой будет инструмент, и какой сложности операции будут проводиться на нем.

2.1 Процесс изготовления

Станок сделанный своими руками, который имеет высокую производительность и позволяет отрезать заготовки под нужным углом, так как оборудован специальным креплением.

Последовательность сборки:

1. Сварить основание станка в виде рамы состоящей из двух взаимно соединенных частей на поворотных элементах.
2. Собрать режущий узел, который состоит из вала и шкива привода и отрезного диска.
3. Установить его на маятник (подвижную верхнюю раму) при помощи которого возможен подъем или опускание режущей части.
4. Установить электрический двигатель и соединить его со шкивом вала отрезного диска через приводной ремень.
5. Изготовить и присоединить защитные кожухи для приводного ремня и режущего диска.
6. Закрепить верхнюю раму на нижнем основании и оборудовать ее пружинами для облегчения подъема и плавного опускания.
7. Изготовить и установить устройство для надежного закрепления обрабатываемой детали в нужном положении.
8. Провести электропроводку.
9. Проверить правильность установки всех узлов и конструкционных элементов.
10. Выполнить пробный пуск.

Исходя из опыта мастеров, которые смогли сделать отрезной станок своими руками и получили опыт в процессе работы, следует обратить внимание на следующие моменты:

• при установке отрезного диска диаметром 400 мм, станку потребуется электродвигатель мощностью не менее 3 кВт;
• скорость вращения диска желательна в пределах 3000 оборотов в минуту;
• на рабочем валу станка желательно размещать шкив привода слева, а режущий диск справа. Это не позволит гайке крепления режущего диска самопроизвольно отвинчиваться во время работы;
• для вала, передающего через приводной ремень вращательный момент на режущую часть, наиболее подходят 204-е и 205-е подшипники.

Отрезной станок, сделанный своими руками, лучше оснащать 3-х фазным электромотором, рассчитанным на питание от 380 вольтовой сети. Если есть доступ только к электросети в 220 В, необходимо будет установить пусковые конденсаторы.

2.3 Альтернативная самоделка

Из вышеописанного устройства понадобится только рама, имеющая крепление для заготовок и позволяющая выполнять маятниковые движения. Вместо установки на ней вала с приводным шкивом делается крепление для установки стандартной .

Такое устройство позволит резать болгаркой металл с более высокой точностью и освободившейся одной руке, что не мало важно при выполнении сложных работ.

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.

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

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.

Уникальность технологии гидроабразивной резки заключается в том, что с ее помощью можно раскроить практически любые виды материалов. Важно отметить, что гидроабразивная резка является альтернативой не только механической, но и лазерной, плазменной, а также ультразвуковой резке, и в некоторых случаях является единственно возможной.

При гидроабразивной резке материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды. Для увеличения разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала – абразива. Иногда гидроабразивное оборудование называют «гидрорезка», «водоструйная резка», «водорезка», «ГАР» или «waterjet». В промышленности такие станки используются с 1982 года, а их прототипы, появились еще в 1970 году.

В чем же суть процесса гидроабразивной резки? 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 околозвуковой 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.

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. 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 (dс.т.- dв.с.)/2, где dс.т.- внутренний диаметр смесительной трубки, dв.с.- внутренний диаметр водяного сопла.

Характерная область применения технологий резки водой

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).

Почему не все пользуются станками ГАР?

Если у станков ГАР столько очевидных преимуществ, почему далеко не все применяют их на своем предприятии? Ответ скрывается не в самом процессе резки струёй воды с абразивным материалом, а в возможности контролировать этот процесс. До сих пор применение установок требовало от пользователя одновременно умения программировать и навыков опытного оператора.

Линейная скорость сопла станка ГАР должна изменяться в зависимости от изменений формы деталей. Слишком высокая скорость или ее резкое изменение может привести к снижению качества обработки. В прошлом применение гидроабразивной обработки требовало ручной установки программ для того, чтобы контролировать скорость передвижения режущей головки.

Однако даже самая лучшая программа требовала для обслуживания установок опытных операторов, которые могли бы контролировать их скорость. Когда струя абразивного материала продвигалась вдоль линии реза, оператор подбирал скорость движения сопла и таким образом оптимизировал процесс.

Слишком высокая скорость отрицательно сказывалась на качестве кромок и точности. При слишком низкой снижалась точность и повышались затраты времени. Если сопло установки ГАР проходило угол слишком быстро, это могло плохо повлиять на форму и качество резки.

В результате станки гидроабразивной резки применялись в массовом производстве, не требующем высокой точности обработки, например, для изготовления сотней деталей с помощью хорошо проверенной программы либо для резки материалов, не поддающихся обработке с помощью иных технологий. Появившиеся станки компании «WaterJet Corp.» (Италия) значительно упростили этот процесс. Гидроабразивная обработка стала гораздо более доступной, а оборудование - простым в эксплуатации.

Кроме того, компания выпускает установки с 4-мя и 5-тью управляемыми осями (рисунок №1), позволяющими осуществлять сложную резку деталей из листового материала. Например: вырезку деталей с внутренними и наружными фасками по любым криволинейным поверхностям, вырезку наклонных отверстий любого профиля с прямолинейной образующей и обработку сложных криволинейных пазов.

Помимо 4-х и 5-ти координатной резки деталей из листового материала, реализуемых с помощью режущей головки, Water Jet выпускает станки для объёмной 5-ти координатной гидроабразивной резки, имеющей возможность направлять гидроабразивную струю под любым углом к поверхности стола, в том числе горизонтально.

Примеры обработки

7 основных причин, по которым стоит выбрать установку гидроабразивной резки:

Установки гидроабразивной резки - долгое время считались оборудованием, предназначенным лишь для высококвалифицированных специалистов. Однако за несколько последних лет это оборудование сильно изменилось. Благодаря новым технологиям практически каждая механическая мастерская или производственное предприятие может позволить себе приобрести и эффективно использовать высокоточную систему гидроабразивной резки, даже обладая небольшим опытом или вообще не имея такой практики. Компания «WaterJet Corp.» совершила переворот в промышленности, предложив первую действительно доступную систему, сочетающую в себе возможности струи абразивного материала и высокоточной обработки.

• 1. Широкий спектр обрабатываемых материалов

Гидроабразивная резка подходит для различных материалов, в том числе металлов, керамики, композита, стекла, мрамора и гранита.

• 2. Высокое качество обработки краёв

После резки на установках гидроабразивной резки «WaterJet Corp.» края материала получаются такие же гладкие, как при пескоструйной обработке. Нет острых кромок, заусенцев, неровных краёв.

• 3. Отсутствие нагревания в процессе обработки

В связи с тем, что станки гидроабразивной резки используют воду и абразив, в процессе резки обрабатываемый материал почти не нагревается. Поэтому она идеальна для материалов, которые под влиянием высокой температуры деформируются или реагируют на тепло каким-либо иным образом (например, титан).

• 4. Безопасность для окружающей среды