Гидроабразивная резка

Гидроабразивная резка

 

гр. 08 МСК

Бледных И.В.

Гидроабразивная резка.

     Данная технология основана на разрезке материалов водяной струей под сильным давлением (поэтому часто вместо термина "гидрорезка" употребляют "водорезка"). Она подходит даже для очень хрупких, крошащихся материалов (например, стекла). Гидрорезка также применяется и для материалов плотных или большой толщины (резка гранита, камня, плитки и металла).  Водорезка - гидроабразивная резка без применения абразива. Она применяется в электронной, пищевой, автомобильной промышленности и др.

     Метод гидроабразивной резки металлов и материалов существует уже около 20 лет. Суть метода проста. Основой принципа гидроабразивной резки является способ разделения металлов и материалов с помощью водяной струи высокого давления.

     Технологию резки металла водой часто сравнивают с такими способами резки металлов, как лазерная и плазменная резка. В этой связи необходимо сказать, что плазменная и лазерная резки и методика гидроабразивной резки различаются принципиально, т.е. не только количественно, но в первую очередь качественно. Обеспечиваемые при резке водой точности реза в сочетании с холодным характером реза и полным отсутствием как механического, так и термического влияния на зону резки (что особенно важно при резке титана) дают уникальные возможности по шаблонной резке материалов. Методом гидроабразивной резки можно обработать с высокой точностью и производительностью самые твердые материалы, а также различные их комбинации.

     Метод гидроабразивной резки в высшей степени универсален в том смысле, что позволяет обрабатывать с одинаковой точностью и большие и малые детали с различной неплоскостностью.

 

 

Диапазон возможных скоростей  гидроабразивной резки (т.е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) колеблется от 1 до 10000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке  деталей самых разных размеров и  толщин.

     Гидроабразивная резка является сегодня наиболее эффективным, гибким, экологически чистым и энергосберегающим методом. Благодаря своим качествам: простоте метода, точности, универсальности и дешевизне, прогрессивная технология гидроабразивной резки находит все более широкое применение во всем мире, а в последние годы успешно зарекомендовала себя и в России.

     Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частиц основного (разрезаемого) материала скоростным потоком ударяющихся и скользящих по поверхности реза твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10-30% диаметра режущей струи. В качестве абразива обычно используют порошки твёрдосплавных сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и сплавов титана применяют особо твердые частицы граната, для стекла - соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами - частицы силикатного шлака. Благодаря особенностям процесса гидроабразивной резки обеспечивается очень малая ширина реза и незначительное количество материала, идущего в отходы, а также высокое качество поверхности реза, приближающееся к качеству грубого фрезерования.

 

     Номенклатура  материалов, для резки и обработки которых применима современная технология гидроабразивной резки, почти неограниченна. Эффективность гидроабразивной резки различных классов легированных сталей и сплавов значительно выше по сравнению с процессами лазерной и плазменной резки и практически сопоставима с газокислородной резкой низкоуглеродистых конструкционных сталей. Гидроабразивная струя успешно режет стали с упрочняющими покрытиями; при резке мягких металлов и композитов иногда требуется последующая очистка поверхности реза от застрявших частиц абразива.

     Кроме резки, применение высоконапорных гидроабразивных струй в отдельных случаях целесообразно для снятия фасок на крупных маши­ностроительных деталях, для подготовки кромок под сварку и удаления дефектных участков швов под их по­следующую заварку. Прогрессивная технология гидроабразивной резки имеет несомненную перспективу применения в современном заготовительном и металлообрабатывающем производствах. Учитывая определенную сложность оборудования для гидроабразивной резки и условий его эксплуатации, данная технология в настоящее время получает растущее применение в основном в таких отраслях, как авиастроение, судостроение, специальное машиностроение и производство листового стекла.

     Без абразива (водоструйная резка) производят резку таких мягких материалов, как пластмассовая плёнка, кожа и текстильные ткани. С присадкой абразивов вырезают заготовки из твердых и хрупких материалов типа высоколегированных сталей, алюминия, керамики и стекла.

 

Особенно  часто водоструйная резка применяется  для осуществления следующих  технологических операций:

•   Машиностроение и металлургия – раскрой листа, снятие фасок на крупных машиностроительных деталях для подготовки кромок под сварку и удаления дефектных участков швов под их последующую заварку, удаление окалины, наплывов, отеков.
•   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 – разрезание электронных плат (применение водоструйной технологии позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, а также решить проблему расслоения материала), снятие слоя с корпусов микросхем.
•   В автомобильной промышленности – резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бамперов из пластика.
•   В строительстве – резка бетонных и металлических конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов, производство 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.

Принцип работы гидроабразивной резки.

     Вода, сжатая одним из основных компонентов системы, насосом-мультипликатором, до давления 4000 бар, проходит через водяное сопло, образующее струю диаметром около 0,2-0,35 мм, которая попадает в смесительную камеру. В смесительной камере происходит смешивание воды с абразивом (гранатовым песком) и далее проходит через второе, твердосплавное сопло с внутренним диаметром 0,6-1,2 мм. Из этого сопла струя воды с абразивом выходит со скоростью около 1000 м/с и попадает на поверхность разрезаемого материала. После раскроя, остаточная энергия струи гасится специальной водяной ловушкой.

Конструкция установки гидроабразивной резки

    

 

Насос высокого давления (НВД)

Предназначен для сжатия рабочей жидкости до требуемого давления, которое обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двухстороннего действия.

 

Режущая (струйная) головка 

 Осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента. 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. Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла. Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней – сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250-2000 часов. 

Режущая поворотная головка для УГР-1 (5-координатная)

 

Режущая головка  для УГР-3, УГР-3Д, УГР-3ДС (3-координатная)

Координатный  стол 

    Предназначен для размещения заготовок, приема водоабразивной струи и отходов резки, а также позиционирования режущей головки в процессе реза. Покрытие стола полностью защищает его от влияния воды и абразивного материала. Жесткая сварная конструкция формирует раму стола. Асинхронные серводвигатели посредством зубчатой передачи приводят в движение шасси. Каждая ось X, Y, Z снабжена своим собственным приводом.

    Возможно проектирование стола любого размера. Точность позиционирования - 0,1 мм, скорость движения - до 35 м/мин.

Система управления

     Используемая  в установках гидроабразивной резки УГР система ЧПУ относится к классу CNC с применением исполнительных механизмов с аналоговым управлением (УГР-3, УГР-ЗД, УГР-ЗДС) и CAN интерфейсом (УГР-1).

 

Система подачи абразива

     Включает  в себя абразивный бункер под давлением с емкостью загрузки 100кг абразива, гибкие шланги, мини-бункер, установленный рядом с режущей головкой, и устройство дозирования. В качестве абразива используется гранатовый концентрат.

 

Система удаления шлама (СУШ)

     На  установках УГР-3, УГР-ЗД и УГР-ЗДС рекомендуется для облегчения очистки ванны координатного стола от обработанного абразива и мелких остатков разрезаемого материала. Без системы очистка производится один раз в месяц, с использованием системы – примерно один раз в 2 месяца.

Схема установки  гидроабразивной резки 

1. Координатный стол
2. Электрошкаф с ЧПУ
3. Электрошкаф управления насосом
4. Емкость для абразива
5. Насос высокого давления
6. Насос предварительного нагнетания
7. Емкость для очистки воды (для УГР-3, УГР-ЗД и УГР-ЗДС)

Основные преимущества гидроабразивной резки.

     Отсутствие теплового воздействия. Генерируемое в процессе резания тепло 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 (1-10ОН) и температура (+60...+90 С0) 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.

     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 сохраняет свои первоначальные свойства. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции.

     Способность воспроизводить сложные контуры и профили. При абразивной резке можно воспроизводить 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 0,2-3,0 мм.

     Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность шероховатостью Rz 40-160, т.е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.

 

     Технологичность процесса. Рез можно начать в любой точке заготовки; при этом не нужно предварительно делать отверстие; ударная нагрузка на изделие минимальна, 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.

 

     Экономичность процесса. Скорость резания – высокая (скорости резки различных материалов зависят от многих факторов, средние значения этих скоростей для различных материалов приведены в таблице "Рекомендуемые скорости гидроабразивной резки в зависимости от толщины материала"). 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). Использование относительно недорогих компонентов (вода и гранатовый песок в качестве абразива) делает процесс доступным.

 

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

Расходные материалы  и запчасти.

     Абразив: природный минеральный материал гранатовый концентрат (GMA 80 или 120 Mesh), используемый во всем мире для гидроабразивной резки. Указанный гранатовый концентрат является экологически чистым материалом и обладает уникальной твердостью и прочностью зерен. Расход абразива в зависимости от разрезаемого материала при использовании одной режущей головки находится в диапазоне от 50 г/мин. (для пластмасс) и 160-200 (для стекла) до 300-450 г/мин. (для стали).

 Энергопотребление: 32 кВт для установки с одной  станцией высокого давления.

 Водопотребление: 3,4 л/мин. – максимальный расход  воды на одну режущую головку. 

 

Стоимость резки.

     Среднестатистическая  стоимость минуты реза стальных заготовок с учетом затрат на замену запасных частей и абразив составляет 15,05 руб./мин.

 

 Рекомендуемые  скорости гидроабразивной резки  в зависимости от толщины материала. 

     Примечание: максимальная толщина разрезаемых заготовок, полученных опытным путем: сталь и титан до 100 мм; стекло, мрамор, алюминий до 120 мм; пеноматериал до 150 мм.

Материал	Толщина, мм	Скорость при различном  качестве поверхности резки, мм/мин
		Отличное	Хорошее	Удовлетв.
мрамор	10	500	800	1000
мрамор	20	200	300	400
мрамор	30	150	250	350
керам. гранит	6	500	800	1200
керам. гранит	10	400	700	1000
гранит	10	200	350	500
гранит	20	100	150	200
гранит	30	80	120	150
алюминий	10	400	500	600
алюминий	20	200	300	400
алюминий	40	70	140	200
углерод. сталь	5	450	500	550
углерод. сталь	10	250	300	340
углерод. сталь	40	25	33	40