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.

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.

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

Гидрорезка	Гидроабразивная резка
Кожа, текстиль, войлок (обувная, кожаная, текстильная промышленность)	Листы из сталей, металлов
Пластики, резиновые изделия (автомобильная промышленность)	Различные металлические детали (отливки, шестерни и др.)
Электронные платы	Сплавы алюминия, титана и др., композитные материалы, толстостенные пластмассы (авиационная и космическая промышленность)
Ламинированные материалы (авиационная и космическая промышленность)	Бетон, железобетон, гипсовые блоки, твердая брусчатка и др. строительные материалы
Теплоизоляционные, уплотнительные и шумопонижающие материалы	Камень, гранит, мрамор и др.
Продукты питания - замороженные продукты, плотные продукты, шоколад, выпечка и др.	Стекло, бронированное стекло, керамика
Бумага, картон	Комбинированные материалы, материалы с покрытием
Дерево	Дерево
Термо- и дуропласт	Армированные пластики

Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке

Наименование	Характерная область применения
Гранатовый песок (состоит из корунда Al 2 O 3 , кварцевого песка SiO 2 , оксида железа Fe 2 O 3 и других компонентов)	Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al 2 O 3 , а также примесей) или его разновидности	Искусственные материалы с очень высокой твердостью по Моосу. Используются для резки сталей, алюминия, титана, железобетона, гранита и др. материалов
Зерна карбида кремния (SiC) - зеленого или черного
Кварцевый песок (SiO 2)	Резка стекла
Частицы силикатного шлака	Резка пластика, армированного стекло- либо углеродными волокнами

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

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

Особенности технологического процесса

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

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

Оборудование для резки

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

Вспомогательные устройства

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

для резки

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

Техника выполнения резки своими руками

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

Плюсы и минусы технологии

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

Заключение

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

Водно-абразивная резка металла – это самая современная и прогрессивная технология обработки. Сердце системы водоструйного резания — насос высокого давления. На сегодня уже разработаны экспериментальные станки с давлением воды 6000 атмосфер.

Проходя сквозь сопло (материалом может выступать: рубин, сапфир или алмаз) толщиной 0,1 мм, вода набирает скорость в три раза большей скорости звука и образует тонкий сфокусированный поток, который может резать практически все металлы.

При гидроабразивной резке металла, толщина металла может быть до 300 мм.

Главным преимуществом технологии резания водной струйного является отсутствие нагревания изделий, то есть термическое воздействие на материал — отсутствует, что исключает напряжение и изгиб обрабатываемой детали. В итоге появляются резы очень отличного качества, что делает не нужным последующую дорогостоящую обработку.

Некоторые металлы нельзя резать лазером из-за их отражения, а при плазменной резке – нельзя использовать токопроводящий материал. Тут и понадобится гидроабразивная резка, которая является прогрессивным способом резки. Но она предполагает намокание изделия, что может плохо отразится для металле, подверженному коррозии.

Принцип гидроабразивной резки металла имеет самое главное преимущество — тонкая, как нить, струйка, позволяет создавать значительно меньшие потери металла по сравнению с обычной резкой.

Большим недостатком гидроабразивной резки металла является очень высокие затраты на резку: 1 час работы выйдет в 1500 руб. К тому же все детали очень скоро вырабатывают свой ресурс из-за большого давления. Так же недостатком является то что все детали требуют ежедневного осмотра и даже ремонта ремонта. В общем, если есть решение купить станок гидроабразивной резки, то такая резка металла водой своими руками, приводит к постоянным высоким затратам.

Процесс гидроабразивной резки

Собственно процесс гидроабразивной резки состоит из четырех фаз.

• Фаза № 1. Образования изогнутой фронтальной поверхности резания. Сфокусированный гидроабразивный струя прорезает в заготовке узкую щель – струя постепенно вводится в заготовку и с постоянной скоростью резания движется по ней.
• Фаза № 2. Начало образования ступеньки (обрыва). Угол между струей и поверхностью резания постепенно увеличивается.
• Фаза № 3. Завершение образования ступеньки (обрыва), смещение ее вниз. Снятие слоя материала происходит лишь на небольшом отрезке фронтальной поверхности резания.
• Фаза № 4. Восстановление исходного состояния. Ступенька довольно быстро «вдавливается» в заготовку. По мере смещения ступеньки вниз снова образуется ровная поверхность резания – начальное состояние резки восстанавливается.

Описанный выше процесс имеет циклический характер.

В процессе резки гидроабразивной струей вода выполняет лишь функцию носителя. Резки обусловлено съемом (скалыванием) определенного количества слоев материала, которое вызвано ударами твердых частиц абразива. Наличие абразива в струе увеличивает его технологические возможности, позволяет резать металл.

Наиболее распространенными абразивами являются кварцевый песок, гранатовый абразив, оливин, карбид кремния и электрокорунд. Широкое применение указанных выше абразивных материалов объясняется их относительной дешевизной, твердостью и высокими режущими свойствами. Например, гранатовый абразив является твердым и тяжелым; благодаря этому он является фактически устойчивым в течение всего цикла использования. Это дает возможность получать высокое качество среза с определенной глубиной шероховатости, в зависимости от размера зерна и скорости резки. На основе высокой вязкости такой абразив неоднократно может быть использован повторно. Отечественные предприятия в основном используют кварцевый песок.

Как и при любом виде обработки материалов, наиболее благоприятные условия для освоения процесса гидроабразивной резки могут быть достигнуты за счет выбора его оптимальных технологических параметров: давления рабочей жидкости, формы и диаметра отверстия водяного и абразивного сопел, количества абразива, подаваемого расстоянии от сопла к разрезающей поверхности, скорости подачи, качества поверхности резки. Анализ этих параметров требует детального изучения и имеет существенное значение при исследовании данной технологии.

Какое давление воды нужно для резки металла

Вода, нагнетаемая насосом должна иметь давление порядка 1 500–6 000 атмосфер. Выходя через узкое сопло с околозуковой или сверхзвуковой скоростью (до 900–1200м/c и больше), водная струя направляется в смесительную камеру, где происходит смешивание с частицами абразива. Образованная струя выходит из смесительной трубки с диаметром внутри 0,5–1,5 мм и режет метал. Для гашения остаточного давления струи применяется слой воды толщиной 75–100 см.

Недостатки технологии

К недостаткам данной технологии относят:

• конструктивные трудности, проявляющиеся при создании высокого давления жидкости;
• незначительную стойкость водяного и абразивного сопел – быстрое стирание (ресурс отечественных сопел составляет 50 час., иностранных – 500-1000 час.);
• сложность изготовления сопла;
• образования косины до 1,5 по высоте заготовки.

• а – при высокой скорости резания;
• б – при очень низкой скорости резки — верхние кромки реза имеют незначительное закругление

При износе абразивного сопла или увеличении скорости резки ширина щели увеличивается – профиль щели имеет слабо выраженную V-образную форму. При очень маленькой скорости резки профиль щели имеет А-образную форму – турбулентность вызывает эрозию материала. Случай считается положительным, если нужны закругленные верхние кромки.

• а – при расстоянии между соплом и заготовкой 2-4 мм;
• б – при расстоянии между соплом и заготовкой больше 4 мм