Как работает гидроабразивная резка

Раскрой металла — обязательный этап в изготовлении любых металлоконструкций. Если не рассматривать механические способы резки тонкостенного листа или профиля, то остаются два вида технологии, которым под силу разрезать заготовки большой толщины. Это термические методы и гидроабразивная резка.

Принцип действия

Сам принцип действия заимствован у природы. Естественный аналог — это эрозия горных пород под воздействием воды. Даже струя с ускорением свободного падения, падающая с небольшой высоты, вымывает гранит и базальт. Вопрос только во времени.

Если под высоким давлением поток чистой воды в виде тонкой струи разогнать до сверхзвуковой скорости (800-1000 м/с), а затем добавить абразив, твердость которого выше, чем у стали, то получится режущий инструмент с уникальными возможностями.

По такому принципу и работает станок гидроабразивной резки, способный раскроить лист металла толщиной до 300 мм.

Суть метода заключается в способности высокоскоростной струи с абразивом «отрывать» частички материала в зоне резки, и вымывать их вместе с потоком. При этом вода, помимо функции «транспортировки», одновременно охлаждает рабочую зону, не позволяя измениться физико-химическим свойствам металла от перегрева.

Технологически схема работы выглядит так:

  • насос высокого давления с помощью труб связан с форсункой, диаметр сопла которой находится в пределах 0.1-0.4 мм;
  • вода под высоким давлением (до 6500 bar), проходя через сопло разгоняется до скорости 1000—1200 м/с и поступает в смесительную камеру;
  • в эту же камеру из резервуара дозирующего устройства подается абразив (кварцевый или гранатовый песок определенной фракции);
  • рабочая смесь из воды и абразива проходит через смесительную трубку диаметром 0.6-1.2 мм на выходе рабочей головки, соприкасается с поверхностью металла и режет его.

Устройство станка

Крупноблочная типовая схема гидроабразивного станка имеет следующий вид:

  • корпус, состоящий из станины и защитных кожухов;
  • рабочий координатный стол с системой крепления заготовки;
  • резервуар с чистой водой;
  • насос высокого давления;
  • шланги и трубопроводы низкого/высокого давления для транспортировки воды;
  • емкость с абразивом и устройство его подачи в резервуар дозатора;
  • система дозировки абразива;
  • режущая головка (или блок из нескольких головок);
  • привод перемещения режущих головок;
  • система поддержки постоянной величины зазора между заготовкой и режущей головкой;
  • датчики, система контроля и управления станком;
  • емкость с водой для гашения энергии отработанной струи, сбора воды с абразивом и частичками металла.

В качестве обязательного условия надежной работы установки должна быть еще система водоподготовки с механической фильтрацией, обезжелезиванием и умягчением (удалением сульфатов, поглощением ионов кальция, магния и солей тяжелых металлов).

Особенности устройства основных узлов

В современных установках гидроабразивной резки применяют насосы высокого давления двух видов:

  1. Классический роторный насос прямого привода. Способен обеспечить рабочее давление до 4130 bar, которое создается путем вращения электродвигателем коленчатого вала с тремя поршнями. Второе название — насос триплекс;
  2. Насос-мультипликатор. Использует принцип гидравлического усиления давления в замкнутой системе, состоящей из поршня с большой площадью и плунжера с маленьким диаметром. Принцип действия заключается в том, что масло в опрессованной системе давит на поршень, который передает усилие плунжеру, контактирующему с водой. И если соотношение площадей сечения будет равно 20 к 1, то чтобы создать давление воды 4130 bar, надо обеспечить давление масла около 210 bar (с учетом потерь на трение о стенки поршня и плунжера). Этим видом насоса оснащено около 80% существующего парка станков с рабочим давлением 2700—6500 bar.

Контурный раскрой листового материала осуществляется режущей головкой. Но трёхосевого управления движением головки над координатным столом с заготовкой недостаточно.

Чтобы обеспечить высокое качество вертикальность стенки реза у заготовок с большой толщиной, надо компенсировать конусность струи. Кроме того, во многих случая требуется дополнительное создание кромочных фасок по внешней и внутренней грани плоскости реза, а также вырезку пазов и наклонных отверстий. Поэтому станки оснащают четырех- или пятиосевым приводом движения рабочей головки, работу которого можно разложить на две составляющие:

  • перемещение над координатным столом по осям X, Y, Z с помощью линейных двигателей;
  • вращение вокруг оси Z за счет прецизионного сервопривода — в одной плоскости для отработки вертикали и создания фаски, в двух плоскостях для обработки сложных поверхностей.

Минимальный угол поворота режущей головки у такого станка составляет ±45°, но есть модели установок с возможностью поворота даже в горизонтальную плоскость.

Станок с 5-ти осевой головкой

Если для гидрорезки (без использования абразива) режущая головка оканчивается соплом из драгоценного камня, то для гидроабразивной резки устройство этого узла более сложное, и состоит следующих элементов:

  1. Сопло из сапфира, рубина или алмаза. Чтобы поток воды высокого давления сделать максимально узким и разогнать до сверхзвуковой скорости, используют тончайшее сопло с диаметром не более 0.4 мм (чем больше диаметр, тем больше необходимая мощность насоса для достижения «рабочей» скорости струи). Кромка сопла должна иметь идеальную поверхность с острым краем — любая мельчайшая неровность, дефект или закругленность края создает зону турбулентности, что заканчивается практически мгновенным выходом головки из строя. Вторая причина разрушения — отложение кальция или воздействие твердой частицы, содержащейся в струе воды. Поэтому так важна водоподготовка. При соблюдении всех обязательных условий надежной работы, ресурс сопла из сапфира или рубина находится в пределах 50-200 часов, а из алмаза — на порядок больше.
  2. Смесительная камера. Работа основана на эффекте Вентури — при переходе потока жидкости с высокой скоростью из трубки большого диаметра через сопло, в камере за ним возникает зона разрежения с низким давлением. Абразив буквально всасывается в смесительную камеру, и вместе с потоком воды на большой скорости поступает в смесительную трубку.
  3. Смесительная трубка. Это конечная деталь режущей гидроабразивной головки. Внутренний диаметр трубки лежит в пределах 0.4-1.8 мм, а ее длина — 30-150 мм. Чтобы выдерживать воздействие скоростной струи воды с абразивом, трубку изготавливают из композитного карбида с предельно малым содержанием вяжущего. На входе из камеры отверстие трубки сделано в виде конуса, поэтому износ носит концентрический характер от входа к выходу. Износ (увеличение диаметра) происходит со скоростью 0.003-0.004 мм/час.
Читайте также:  Как подвести электричество к дому под землей

Управление

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

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

Задание передается в систему автоматизированного управления для выполнения операций.

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

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

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

Цена гидроабразивной резки

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

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

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

Достоинства гидроабразивной резки

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

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

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

При раскрое твердых и прочных материалов важное значение имеет способ резки. Традиционные способы (дисковая либо ленточная пила) обеспечивают высокое качество и скорость работы, но подходят лишь для линейного раскроя.

При изготовлении заготовок сложной геометрической формы применяются иные способы:

  • Фреза позволяет резать материал с кромкой, не нуждающейся в последующей обработке, но диаметр фрезы влияет на потери материала (слишком широкий рез). К тому же, от этого диаметра зависит размер заготовок, мелкие детали получить не удастся. Фреза быстро изнашивается, возрастает стоимость работ (необходимо регулярно менять расходники).
  • Резка кислородом (автоген) относится к недорогим и эффективным методам, но оплавленные края реза требуют последующей обработка. Годится лишь для грубого раскроя.
  • Плазморез лишен перечисленных недостатков, но стоимость оборудования слишком высока, да и энергозатраты немалые. К тому же, плазмой обрабатываются только проводники. Камень или стекло разрезать не получится.
  • Наиболее сбалансированный способ — гидроабразивная резка. Высокая скорость работ, точность раскроя, недорогое оборудование. Кроме того, тонкая струя позволяет обрабатывать изделия небольшой площади с высокой точностью.

Пример работы гидрообразивной резки по металлу — видео

На последнем способе остановимся подробнее.

Принцип действия гидроабразива

Попытки использовать давление воды для дробления материала осуществлялись столетия назад. На угольных шахтах впервые был применен водяной аппарат для добычи угля.

Затем инженеры догадались добавить в струю воды абразивные вкрапления, и «водяной нож» превратился в точный инструмент для обработки любой прочной заготовки.

Как работает гидроабразивная резка? Основа гидроабразивного резака – сопло, или форсунка. Именно этот элемент формирует режущую струю, способную разрушать даже сверхпрочные материалы.

Конструктивно форсунка состоит из следующих элементов:

  1. Входной штуцер для воды, объединенный с первичной камерой создания сверхдавления. Мощный насос подает воду в камеру, затем происходит переход воды из отверстия большого диаметра в меньшее. При неизменном давлении воды, скорость потока увеличивается пропорционально разнице в диаметрах отверстий. Давление на входе составляет 2000-5000 атмосфер.
  2. Штуцер для подачи абразивного материала. В качестве рабочего элемента применяются мелкие фракции песка. Он может быть обычным, силикатным, либо состоять из дробленых твердых минералов: например, граната.
  3. Узел смешивания. В этой камере, поток воды увлекает за собой частицы абразива, формируя основу гидроабразивной резки: водно-песчаную взвесь. Регулируя давление воды и скорость подачи абразива, можно устанавливать различную мощность резака. Принцип работы камеры смешивания напоминает пескоструйную машину, только параметры намного мощнее, и в качестве носителя абразива выступает не воздух, а вода.
Читайте также:  Как обыграть угловую кухню

Гидроабразивная резка автомобильных дисков сложной формы — видео

Далее взвесь попадает в твердотельное сопло, диаметр которого определяет ширину реза. Это достаточно сложный и дорогой узел, поскольку от его конфигурации зависит форма пятна контакта с заготовкой.

Если сопло изготовлено неправильно, интенсивность струи снижается, и станок будет работать с меньшим КПД. Материал выходного сопла не обязательно должен быть прочнее обрабатываемой заготовки.

Гидроабразивный поток проходит по касательной, не нанося критических разрушений. Тем не менее этот узел подвержен износу, и нуждается в периодической замене.

Кроме того, большинство станков комплектуются набором форсунок с различными параметрами: размером камеры смешивания, диаметром сопла, соотношением входных и выходных отверстий первичной камеры. Резка металла отличается от обработки пластика или камня, для каждого материала предусмотрены разные форсунки.

Элементы станка для гидроабразивной резки

Основным элементом является станина. На ней жестко закреплена ванна для заготовки. Она заполняется водой, для эффективного гашения скорости струи после сквозного прохождения через обрабатываемый материал.

Если при резке, гидроабразивная струя будет свободно продолжать движение, несущие элементы быстро разрушатся, и станок выйдет из строя. Попадая в воду, поток моментально теряет энергию, абразив выпадает в осадок на дно ванны.

Поскольку материал используется недешевый, песок откачивается из ванны, просушивается, затем используется повторно. Оборудование для восстановления абразивного материала, как правило, располагается отдельно от основного станка.

На дне ванны расположены направляющие опоры для заготовки. Это могут быть металлические ребра, сетка, либо вертикально расположенные штыри. Главное, чтобы контакт с гидроабразивной струей был минимален.

Еще одна задача ванны с направляющими – жесткая фиксация заготовки. При воздействии гидроабразивным потоком, даже тяжелая заготовка может сместиться.

После установки нулевых координат, режущая головка перемещается автоматически, и любой сдвиг заготовки приведет к ее порче. Резка металла может выполняться с помощью электромагнитной фиксации, в остальных случаях станок предусматривает иные способы закрепления.

Координатная система позиционирования заготовки. В большинстве случаев, гидроабразивные станки оснащены системой ЧПУ. Оператор задает параметры обработки, далее станок самостоятельно выбирает траекторию движения форсунки для максимальной эффективности (и экономичности) процесса.

В программу управления закладывается так называемый алгоритм непрерывности. Суть его заключается в минимизации количества включений/выключений струи во время обработки одного изделия.

Каждый старт системы, это дополнительный гидроудар по заготовке и ускорение износа сопла форсунки. Да и края у разреза получаются ровнее, если обработка непрерывная.

Современные резаки позволяют не просто позиционирование головки в плоской системе координат «X» и «Y». Оснащение форсунки поворотным механизмом позволяет изготавливать детали сложной формы, и выполнять резку под различными углами к плоскости заготовки.

Можно выполнять настолько сложные формы, что резка металла гидроабразивом в ряде случаев заменяет литье.

Вспомогательные элементы

Насос высокого давления с фильтром для воды. Как уже говорилось, давление на входе составляет тысячи атмосфер. Такие параметры требуют непрерывной подачи жидкости в соответствующих объемах.

Для минимизации затрат, вода и абразивный гранатовый песок используются повторно. Проходя через систему фильтров, жидкость очищается от грязи и масляных образований. Часто станки оснащаются отдельным резервуаром для воды.

Гранатовый песок для гидрообразивной резки — видео

Абразив просушивается и отделяется от кусочков материала, особенно если это пластик или металл. Для отделения металла используются магнитные сепараторы. Так же, как и вода, песок хранится в отдельных емкостях.

Физика процесса

Разберем, что такое гидроабразивная резка с точки зрения механики. Это локальная шлифовка материала более твердыми частицами. При столкновении на высокой скорости, абразивный песок выбивает и увлекает за собой частицы материала заготовки.

За счет минимального размера абразива, разрез получается точным и аккуратным, нагрев практически не происходит, вся энергия остается механической.

Резка металла в этом случае не сопровождается оплавлением и так называемым «отпускание» в зоне контакта. Это позволяет обрабатывать высоколегированные стали без нарушения прочностных характеристик.

Где применяется гидроабразивная резка:

  • точное машиностроение;
  • авиация, космическая промышленность;
  • судостроение;
  • оборонные предприятия;
  • обработка камней, минералов;
  • производство инструмента.

Какие материалы обрабатываются гидроабразивом:

  1. металл (в том числе твердые сплавы)
  2. пластик
  3. стекло (в том числе закаленное и триплекс)
  4. керамика
  5. бетон
  6. природный камень

Технология позволяет применять станки даже в пищевой и легкой промышленности. В этом случае абразив не применяется, резка происходит только водой под давлением.

Применение гидроабразивной резки не имеет ограничений. Единственная сложность – это дорогое оборудование, требующее соответствующего периферийного обеспечения. В домашних мастерских использование маловероятно.

Что можно резать на станке гидрообразивной резки — видео

К тому-же, изготовить такое оборудование самостоятельно не представляется возможным. Но если в вашем распоряжении есть гидроабразивный станок – возможности мастерской расширяются на порядок.

На заводах, изготавливающих металлические детали, части корпусов для машин, самолетов, кораблей, промышленного оборудования, наиболее популярной технологической операцией является разрезание листового металла. Существует несколько технологий разделения металла, но особенно популярна гидроабразивная резка.

Читайте также:  Как поставить экран под ванну акриловую

Сущность технологии

Разрезание металлических листов с использованием воды существенно отличается от других способов разделения заготовок. Резка металла под водой проводится с помощью специального насоса, который нагнетает высокое давление. Вода подается на рабочую часть с огромной скоростью. Чем ближе сопло располагается к металлической поверхности, тем сильнее давление. Работая с водой можно разрезать камень, диэлектрики, сплавы, которые имеют низкую температуру плавления. Эти материалы испортятся если будут нагреваться.

Современное оборудование с системами ЧПУ выполняет все операции автоматически без усилий со стороны человека. Частицы металла, которые образуются после резки, с потоком воды проходят через фильтры, установленные на нижней части емкости. Они отделяются от воды, просушиваются. Вода повторно поступает к рабочей головке.

Технология по скорости разрезания идентичная работе с плазменным резаком, однако по качеству готового реза ее можно сравнить с лазером. Отсутствие тепловой обработки исключает образование наплавления у торцов.

Способы гидроабразивной резки

Абразивная резка металла с использованием воды может выполняться с помощью ручных агрегатов, станков с ЧПУ. Технологию применяют в следующих случаях:

  1. При разрезании диэлектриков или сплавов цветных металлов, которые нельзя резать аппаратами, создающими электрическую дугу.
  2. Разделение металлических листов, заготовок большой толщины (более 300 мм). Если использовать плазменный резак, края детали будут оплавлены.
  3. Когда нужно сделать рез высокой точности. Альтернатива лазерам.
  4. Если нельзя повредить деталь. Сплавы часто коробятся от сильного нагрева.

Гидроабразивные агрегаты позволяют разделять сплавы из цветных металлов, природный камень, пластик.

Сферы применения

Гидроабразивная резка металла позволяет работать с различными материалами. Связано это с тем, что при выполнении технологического процесса не возникает трения, нагревания. Это позволяет применять технологию в разных направлениях промышленности:

  1. Машиностроение, авиастроение, судостроение.
  2. Приборостроение, станкостроение.
  3. Строительство, изготовление металлоконструкций.

Водой под большим давлением разрезают стекло, керамическую плитку, природный камень, резину, полимерные материалы, различные металлы, сплавы.

Оборудование для гидроабразивной резки

Оборудование для гидроабразивной резки разделяется по способу управления. От этого изменяется точность проведения работ, качество резов, скорость, эффективность агрегатов. Независимо от типа управления, станок состоит из нескольких основных деталей:

  • емкости, которая заполняется жидкостью;
  • зажимов, направляющих;
  • рабочей части с соплом;
  • системы подачи жидкости;
  • системы очистки отработанной воды;
  • фильтра, емкости с жидкостью.

Если на агрегате установлено ЧПУ, конструкция дополняется шаговыми двигателями, датчиками, монитором, панелью для задания алгоритмов.

Гидроабразивные станки с ЧПУ

Станки гидроабразивной резки, на которых устанавливается ЧПУ, позволяют проводить точные технологические процессы с высокой скоростью. С их помощью можно выполнять разные операции. Рабочий процесс делится на следующие этапы:

  1. Проверка работоспособности подвижных элементов.
  2. Создание алгоритма, по которому будет перемещаться рабочая головка над поверхностью заготовки.
  3. Закрепление заготовки в ванной, запуск станка.

Рабочему остается контролировать процесс, доставать готовые изделия, закреплять новые. Если возникают ошибки, он должен их исправить, чтобы продолжить резку.

Ручная гидроабразивная резка

Принцип работы гидроабразивного станка на ручном управлении заключается в том, что все операции выполняет оператор. Гидрорезка становится менее скоростной, точной, эффективной. Среди преимуществ выделяют то, что оборудование:

  • не требует знания программирования при управлении, настройке;
  • может выполнять большее количество технологических операций;
  • имеет надежную конструкцию.

Ручные агрегаты стоят не так дорого, как оборудование с ЧПУ. Оно подходит для небольших мастерских. Но для серийного проведения технологических процессов лучше выбирать агрегаты с автоматизированными механизмами.

Преимущества и недостатки

У оборудования, разрезающего металлические листы, есть ряд сильных и слабых сторон. Преимущества:

  1. Можно делать резы разной формы.
  2. Существует возможность разрезать заготовки большой толщины.
  3. Экономичность при проведении работ.
  4. Отсутствие нагревания материала. Поэтому изделия не портятся. Структура металла остается прежней.
  5. Не нужно дополнительно обрабатывать деталь после обработки.
  6. Универсальное оборудование, позволяющее обрабатывать разные материалы.
  7. Безопасность при работе агрегата. Его можно запускать если рядом находятся горючие жидкости, материалы.
  1. Время на прорезание толстых и тонких листов одинаковое. Из-за этого рентабельность аппарата становится сомнительной. Чтобы ее повысить, необходимо обрабатывать несколько деталей одновременно.
  2. Готовый рез по торцам имеет конусовидную форму. Из-за этого нужно выбирать оборудование с дополнительной автоматикой.

Принципы проведения работ

Новая технология представляет собой следующую процедуру:

  1. Заготовка погружается в большую емкость с водой.
  2. Мастер закрепляет деталь так, чтобы рабочая головка свободно перемещалась по координатам относительно обрабатываемой поверхности.
  3. Резка водой начинается с погружения рабочей части в ванну.
  4. Оборудование включается. На поверхность заготовки подается мощный поток воды.
  5. Постепенно рабочая головка приближается к детали, давление повышается.

Оборудование можно изготовить своими руками. Для этого нужно заранее разобраться с конструкцией готового станка, нарисовать чертеж, подготовить материалы, инструменты. Важно правильно рассчитать давление. Далее собирается конструкция, емкость нужно проверить на герметичность. На ее дне закрепляется система фильтров, которая позволит отсеивать жидкость от частиц металла.

Гидроабразивная резка металла — технологический процесс, при котором на поверхность деталей воздействует вода. Тонкая струйка разрезает заготовку на части. Так можно разделять листы большой толщины без нагревания, что не нарушает структуру материала. Управление ЧПУ позволяет минимизировать усилия со стороны оператора, увеличить точность резов.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*