Гидроабразивная резка, достаточно сложное понятие для легко объясняемого процесса обработки металла водой. Практически каждому известно как образуется овраг или промоина на почве. Струя воды, скатываясь с высоты, увлекает за собой песок и грязь, постепенно вымывает составляющие грунт песчинки и мелкие камни, проделывая себе русло. Отметим что крупные камни, которые вода не может увлечь, гладко отшлифованы песком, содержащимся в потоке. Этот природный процесс называется водной эрозией.
В обработке материалов этот процесс, связанный с большими давлениями и с добавлением абразива носит название гидроабразивной резки. Сущность процесса гидроабразивной обработки состоит в подаче тонкой струёй воды под высоким давлением и введения в поток абразива, который, в совокупности с водой под высоким давлением, и режет материал.
Применяется этот метод обработки материалов для следующих операций:
- Точная резка цветного и чёрного металла;
- Разделки и резки камня и минералов, обладающих высокой твёрдостью;
- Обработка композитных материалов;
- Обработка керамики и стекла, резка плитки из различных материалов, керамогранита, керамической или ПВХ;
- Обработка других материалов, в том числе полимеров и пластмасс различного происхождения.
Содержание
Общий принцип работы гидроабразивной резки и общее устройство станка для неё
Гидроабразивная станочная резка, это метод обработки металла или камня, посредством воздействия тонкой струи смеси из воды и абразива, подаваемой через сопло станка, при очень высоком давлении, до 4000-5000 атмосфер. При этом давлении струя выходит из сопла со скорость в несколько раз превышающей скорость звука, и уже сама по себе может резать мягкие материалы, при добавлении абразива режущее действие потока становится сильнее. В результате давления и воздействия абразива обрабатываемый материал просто вымывается под этой струёй. Вот так и происходит резка металла водой.
Устроены гидроабразивные станки обычно следующим образом. Вода под давлением от 1000 до 5000 атмосфер, давление определяется исходя из задач и твёрдости обрабатываемого материала, подаётся в смесительную камеру, через сопло диаметром 0,2-0,4 мм, туда же вводится и мелкодисперсный порошок абразива. Смесь выходит через режущую головку диаметром до 1,5 мм, подведённую к заготовке. Рез производится выходящей из сопла смесью, после резки металлов, отработанная смесь попадает в ёмкость для гашения энергии, обычно представляющую собой бассейн с водой, глубиной до одного метра. Там же происходит и подводная абразивная резка металла. Оттуда после очистки вода может использоваться для второго цикла, абразивный порошок в зависимости от возможности восстановления либо используется вновь, либо утилизируется.
Станки для гидроабразивной резки
Гидроабразивный станок состоит из следующих основных элементов:
- Ёмкости для воды, большого объёма, от 2 м3;
- Трубопроводной арматуры, способной работать под высокими нагрузками;
- Насоса высокого давления;
- Гидроаккумулятор, служит для уравновешивания давления воды в системе, обеспечивает непрерывный поток, сглаживает ее пульсации;
- Бункера для порошка абразива;
- Аппаратуры для подачи и смешивания абразива с водой;
- Режущая головка с несколькими степенями свободы;
- Станина для раскрепления заготовки и установки ванны. Ванна нужна для слива смеси после процесса, в ней происходит резка металла водой.
Органы управления станком могут быть как ручными, что достаточно редко встречается, так и на числовом программном управлении – ЧПУ. В этом случае весь процесс обработки происходит под контролем специально разработанной программы, что исключает проблемы связанные с «человеческим фактором». Обычный промышленный гидроабразивный станок с установкой ЧПУ, фактически компьютером, который задаёт необходимые параметры обработки, позволит более точно и эффективно обрабатывать заготовки.
Установка гидроабразивной резки обладает следующими особенностями:
- Наличие достаточно большого объёма воды в системе, что обусловлено её использованием в качестве инструмента. Что, к сожалению, усложняет систему и требует отдельного внимания к герметизации;
- Наличие большого количества дегкосменяемых элементов и систем, из-за того что абразив и нагрузки при работе с высоким давлением ускоряют износ оборудования, что обуславливает его достаточно низкий рабочий ресурс. Именно по этой причине требуется быстрая замена некоторых узлов в процессе работы;
Отдельно необходимо рассмотреть устройство и работу режущей головки водяной резки.
Обычно режущая головка имеет контролируемый зазор между соплом и поверхностью заготовки, это необходимо для высокого качества и эффективности обработки материала. Головка стабилизируется в двух плоскостях, кроме того может изменять угол реза до 60 градусов от нормали, что необходимо для обработки криволинейных поверхностей или деталей сложной формы.
Оборудование для гидроабразивной резки обычно оснащается сложными системами контроля качества заготовки, что обеспечивает высокую точность резки и обработки. Тем не менее, размеры станочного парка для гидроабразивной резки довольно широки, от промышленного многотонного станка с высокой производительностью, до настольного станка гидроабразивной резки с ЧПУ, размещённого в личной мастерской.
Ёмкости для абразивов и системы гидробаков также оборудуются датчиками, которые контролируют скорость подачи, давление и расход смеси, что позволяет добиваться высочайшей точности в изготовлении деталей.
Управление чаще всего посредством ЭВМ, по заранее подготовленной программе обработки деталей. Достаточно редко встречаются станки гидроабразивной резки с ручным управлением, которые отличаются невысокой точностью изготовляемых деталей. Если нужна точная гидроабразивная резка, требуется станок с ЧПУ
Собрать станок для резки камня или металла водой, своими руками, практически невозможно, ввиду использования в процессе гидрорезки высоконагруженных герметичных соединений, высокого давления и деталей с очень высокой точностью изготовления. Кроме этого создать необходимый напор воды, крайне сложно на бытовом уровне. Так что лучшим вариантом будет приобрести уже готовый станок фабричного производства. Например, настольный станок гидроабразивной резки с ЧПУ, невысокая стоимость и хорошие рабочие параметры.
Расходные материалы
Резка водой металла невозможна без абразива, для нормального эксплуатирования оборудования для гидроабразивной резки применяют расходные материалы как искусственного, так и природного происхождения. Необходимо отметить, что твёрдость материала обычно определяется по шкале Мооса.
Шкала Мооса это набор из десяти эталонов, для определения твёрдости исходного материала на царапание. По этой причине именно она применяется для определения твёрдости инструментальных материалов и абразивов. Чем выше твёрдостью по Моосу, тем твёрже материал. Эталоном 10 категории служит алмаз, самый твёрдый материал на Земле в настоящее время.
Стоит отметить, что абразивная обработка материала возможна лишь при применении абразива более высокой твёрдости. Так резка камня водой возможна лишь с использованием абразива превосходящего его по твёрдости.
Основными абразивными материалами для гидрорезки служат:
- Порошок электрокорунда, 9 категория по шкале Мооса, материал крайне высокой твёрдости, искусственного происхождения. Применяется для обработки высокоуглеродистых сталей, титана, некоторых алюминиевых сплавов, армированного бетона;
- Гранатовый песок для гидроабразивной резки, твёрдость 7-7,5 по шкале Мооса, наиболее актуальный на сегодняшний день, материал для гидроабразивной резки. Применяется для обработки сталей различных сортов, иных цветных и черных металлов. Бетона, композитов и других материалов;
- Кварцевый песок, около 7 по Моосу, резка стекла;
- Карбид кремния, 9-9,5 по шкале Мооса, применяется для обработки высокотвёрдых материалов, камень, высокотвёрдые синтетические материалы, металлы.
Основными критериями для выбора гидроабразива служат:
- Твёрдость исходного материала, гранатовый песок, например, имеет твёрдость от 7 по Моосу, что достаточно для резки стали, необходимо учитывать, что от твёрдости абразива зависит и износ деталей и узлов режущей головки;
- Фракция, иначе размер зерна порошка, тут все понятно, мелкое зерно более эффективно в некоторых случаях, хотя восстановить для повторного использования мелкое зерно фактически невозможно, обычным размером зеран считается 10-30% от диаметра сопла режущей головки, хотя зачастую размер зерна стремится к низшему значению;
- При выборе водного абразива необходимо учитывать и требуемую шероховатость полученной линии реза, если технические условия позволяют большую шероховатость, то вполне можно использовать и более крупный абразив и наоборот.
Достоинства и недостатки гидроабразивной резки
Преимуществами гидроабразивной резки считают:
- Отсутствие внутренних температурных напряжений в зоне реза, так как температура в области воздействия водяной струи составляет обычно 80-90 градусов Цельсия;
- Наименьшие потери материала на гидрорезке, ширина реза значительно меньше, чем при классических методах обработки, когда припуск на рез может составлять десятки миллиметров;
- Высокая точность и шероховатость обработки поверхности реза. Если производится гидроабразивная управляемая резка;
- Высокое качество обработанной поверхности, зачастую не требующее дополнительной обработки;
- Возможность получения сложных деталей и криволинейных поверхностей при обработке детали на станке с ЧПУ.
Кроме этого нужно учитывать и то, что в отличие от классического режущего инструмента гидроабразивная резка металла не требует смены режущего инструмента в процессе работы, для обеспечения работы такого станка не нужны дополнительные заточные инструменты или взрыво-пожароопасное оборудование.
- Но тем не менее станки для такой обработки имеют и существенные недостатки что ограничивает их широкое распространение. Так, например:
- Из-за воздействия абразива и высоких нагрузок часть узлов и деталей станков имеют низкий ресурс и периодически требуют замены;
- Невысокая скорость обработки ряда материалов;
- Создание условий для коррозии металла при обработке;
- Высокий расход расходного материала, что ввиду его стоимости несколько удорожает процесс производства и конечного изделия.
Таким образом, гидроабразивная резка металла прочно заняла свою нишу в промышленности, но, в настоящее время заменить классические методы обработки, на резку водой, пока не возможно. Ввиду ряда факторов как производственного, так и финансового плана.
Важным вопросом использования гидроабразивных станков является квалификация персонала. Важно и обеспечение устройства гидроабразивной резки запчастями для ремонта и замены выработавшего ресурс оборудования. Режущая головка, ремонт гидроаккумулятора, контроль над состоянием трубопроводов и насосного оборудования, все это требует квалифицированного обслуживания. Оператор гидроабразивной резки должен обладать знаниями материала, самого станка, знать, как выбрать тот или иной режим. В случае необходимости суметь заменить выработавший ресурс узел или отремонтировать несложные поломки оборудования.
Но в плане высокоточного производства, обработки деталей с высоким качеством и по эффективности гидроабразивной резке пока равных нет. В этом случае достоинства этого вида технологии с успехом перекрывают все её недостатки.