Первые попытки использования струи воды в промышленности были осуществлены в 30-х годах ХХ столетия американскими и советскими инженерами для выемки камня, руды и угля. Серьезным импульсом развития технологии резки струей воды под высоким давлением послужило ее использование в авиастроительной и аэрокосмической индустрии.
Современные высокие технологии находятся в непрерывном развитии и постоянное расширение и модернизация промышленности и машиностроения способствует созданию и внедрению новых технологий. На сегодняшний день к инновационным технологиям можно отнести процесс гидроабразивной резки. Под понятием гидроабразивная резка понимается процесс резки струёй воды под большим давлением.
Сегодня гидроабразивная резка является отличной альтернативой газокислородной резке, лазерной резке и плазменно-дуговой резке в связи с тем, что гидроабразивная резка осуществляется струёй воды повышенного давления с добавлением абразивного порошка, который является режущим средством.
Среди особенностей гидроабразивной резки можно выделить следующие моменты:
- высокая экологичность, взрывобезопасность, пожаробезопасность;
- материал не перегревается, и не подвергается деформации;
- возможность резки стали, стекла, мрамора, железобетона, керамики.
Для гидроабразивной резки в комплекте оборудования включён резервуар и фильтр для воды, насос, выдерживающий высокое давление, сопло, специальное устройство, подающее абразивные частицы, длинный шланг, выдерживающий повышенное давление, а также прибор, осуществляющий управление процесса резки.
Примечательно, что гидроабразивная резка, а именно физическая её суть состоит в отрыве разрезаемых частиц материала скоростным потоком твёрдофазных частиц. В целом гидроабразивная резка отличается небольшой шириной реза, малым количеством отходов и высоким качеством реза.
Как нетрудно догадаться, гидроабразивная резка происходит от двух производных — вода и абразив. Вода в процессе резки выполняет функцию транспортировки абразивных частиц, с помощью которых и происходит сама суть процесса.
Современная гидроабразивная резка — это высокотехнологический процесс, который со временем будет модернизироваться и приведёт к ещё большему развитию целого ряда отраслей.
На сегодняшний день гидроабразивная резка активно внедряется в промышленное производство благодаря своим уникальным возможностям. Уже сейчас многие предприятия в таких отраслях, как судостроение, авиастроение и специальное машиностроение, оценили достоинства этого способа. Ведь технология гидроабразивной резки имеет самый широкий диапазон обрабатываемых материалов: от мрамора и стекла до легированной стали. С ее помощью возможно осуществлять раскройку листовых материалов, резку цветных металлов, титана и алюминия, обрабатывать камень и пластик.
Резка метала
И остановились на шести самых популярных видах резки металла: гильотина, ленточно-пильный станок, газокислородная, плазменная, лазерная и гидроабразивная резка. Каждый из них имеет ... процессе раскроя металла крайне важны такие характеристики, как толщина и теплопроводность. Соответственно, при подборе оборудования необходимо учитывать простой факт: чем выше теплопроводность разрезаемого металла, тем ...
Общепринятые обозначения
ГАР — гидроабразивная резка
WJC — Water Jet Cutting — резка водяной (или водно-абразивной) струей
AWJC — Abrasive Water Jet Cutting — абразивная водоструйная резка
гидроабразивный резка технология
1. Сущность процесса
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.
Рисунок 1
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.
Гидроабразивная резка особенно эффективна при резке многих труднообрабатываемых материалов: титановых сплавов, различных видов высокопрочных керамик и сталей, а также композитных материалов. При их гидроабразивной резке не создается разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства.
Гидроабразивная струя не изменяет физико-механические свойства материала и исключает деформацию, оплавление и пригорание материала.
2. 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 околозуковой 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.
Рисунок 2 Схема гидроабразивной резки
Рисунок 3 Схема смешивания частицы абразива
Таблица 1
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 |
|
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 (d с.т. — dв.с. )/2, где dс.т. — внутренний диаметр смесительной трубки, dв.с. — внутренний диаметр водяного сопла.
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.
Таблица 2
Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке
|
Наименование |
Характерная область применения |
|
|
Гранатовый песок (состоит из корунда Al 2 O3 , кварцевого песка SiO2 , оксида железа Fe2 O3 и других компонентов) |
Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов |
|
|
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al 2 O3 , 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 |
|
Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Срок службы сапфировых и рубиновых сопел составляет до 100-200 часов, алмазных сопел — до 1000-2000 часов. При гидрорезке не применяются рубиновые сопла, а сапфировые обычно служат в 2 раза дольше.
Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Срок службы — как правило, до 150-200 часов.
3. Технологические параметры
Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются:
- скорость резки;
- вид, свойства и толщина разрезаемого изделия;
- внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;
- тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;
- давление.
Скорость резки (скорость перемещения режущей головки вдоль поверхности обрабатываемого изделия) существенно влияет на качество реза. При высокой скорости происходит отклонение (занос) водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала. Как следствие, увеличиваются конусность реза и его шероховатость.
Рисунок 4 Типичная форма реза в зависимости от условий резки
Рисунок 5 Занос струи при резке со скоростью выше оптимальной
Разделительная резка может выполняться на скорости, составляющей 80-100% от максимальной. Качественной резке обычно соответствует скоростной диапазон в 33-65%, тонкой резке — в 25-33%, прецизионной резке — в 10-12,5% от максимальной скорости.
Рисунок 6Вид поверхности реза в зависимости от скорости водно-абразивной резки
Рисунок 7 Скорость резания некоторых материалов
В некоторых моделях режущих головок используется технология автоматической компенсации конусности, например, Dynamic Waterjet компании Flow. Компенсация конусности достигается в результате программно управляемого динамического наклона режущей головки на определенный градус. Это позволяет повысить скорость резки при сохранении качества реза и, соответственно, сократить производственные расходы.
С уменьшением внутреннего диаметра смесительной трубки (при прочих равных условиях) возрастают производительность и точность резки, уменьшается ширина реза (она примерно на 10% больше внутреннего диаметра трубки).
При этом снижается и срок службы трубки. В процессе эксплуатации смесительной трубки ее внутренний диаметр увеличивается примерно на 0,01-0,02 мм за каждые восемь часов работы.
Таблица 3
Примерные размеры абразива при различных режимах резки
|
Применение |
Размер частиц гранатового песка (Garnet) |
Внутр. диаметр водяного сопла |
Внутр. диаметр смесительной трубки |
||||
|
mesh (США) |
микрон |
дюймов |
мм |
дюймов |
мм |
||
|
Стандартная промышленная конфигурация |
80 |
178 (300-150) |
0,013-0,014″ |
0,330-0,356 |
0,04″ |
1,02 |
|
|
Высокоскоростная резка |
60 |
249 (400-200) |
0,014-0,018″ |
0,356-0,457 |
0,05″ |
1,27 |
|
|
50 |
297 (600-200) |
||||||
|
Точная резка |
120 |
125 (20 -100) |
0,012-0,013″ |
0,305-0,330 |
0,036″ |
0,91 |
|
|
80 |
178 (300-150) |
||||||
|
Высокоточная резка |
120 |
125 (200-100) |
0,010-0,011″ |
0,254-0,279 |
0,03″ |
0,76 |
|
Расход абразива зависит от диаметров смесительной трубки и водяного сопла, условий резки и т. д. Ориентировочные оптимальные значения приведены в таблице ниже.
Таблица 4
Оптимальный расход абразивного материала при некоторых соотношениях диаметров смесительной трубки и сопла
|
Внутренний диаметр водяного сопла (мм) |
Внутренний диаметр смесительной трубки (мм) |
Расход абразива (г/мин) |
|
|
0,25 |
0,76 |
270-360 |
|
|
0,36 |
1,02 |
500-640 |
|
|
0,46 |
1,27 |
800-1100 |
|
Максимальное рабочее давление обычно составляет 3000-3200, 3800, 4150 или 6000 бар. Чем выше давление, тем выше скорость и эффективность резки. В то же время требуется более частая замена прокладок в насосе.
Таблица 5
Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 4100 бар (примерно 4046 атм)
|
Вид материала |
Скорость резки (м/ч)* при толщине |
|||||
|
5 мм |
10 мм |
20 мм |
50 мм |
100 мм |
||
|
Нержавеющая сталь |
52,62 |
28,56 |
13,02 |
3,84 |
1,44 |
|
|
Титан |
68,46 |
37,20 |
16,98 |
4,98 |
1,86 |
|
|
Алюминий |
142,20 |
77,40 |
35,40 |
10,20 |
3,72 |
|
|
Гранит |
251,40 |
137,10 |
62,76 |
18,00 |
6,60 |
|
|
Мрамор |
295,20 |
160,80 |
73,50 |
21,24 |
7,80 |
|
|
Углепластик |
247,20 |
134,70 |
61,74 |
17,70 |
6,60 |
|
|
Стекло |
272,76 |
148,62 |
67,92 |
19,62 |
7,26 |
|
|
*: давление — 4100 бар; марка абразива — Kerfjet #80; расход абразива — 250-450 г/мин; внутренний диаметр сопла — 0,25 мм, 0,35 мм; внутренний диаметр смесительной трубки — 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet |
||||||
Таблица 6
Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 6000 бар
|
Вид материала |
Скорость резки (м/ч)* при толщине |
|||||
|
5 мм |
10 мм |
20 мм |
50 мм |
100 мм |
||
|
Нержавеющая сталь |
86,64 |
47,16 |
21,48 |
6,12 |
2,40 |
|
|
Титан |
112,38 |
61,50 |
28,08 |
8,22 |
3,06 |
|
|
Алюминий |
233,76 |
127,44 |
58,44 |
16,92 |
6,24 |
|
|
Гранит |
413,46 |
225,42 |
103,08 |
29,70 |
10,92 |
|
|
Мрамор |
485,28 |
264,60 |
121,02 |
34,80 |
12,84 |
|
|
Углепластик |
406,56 |
221,88 |
101,40 |
29,22 |
10,86 |
|
|
Стекло |
448,14 |
244,38 |
111,72 |
32,16 |
11,88 |
|
|
*: давление — 6000 бар; марка абразива — Kerfjet #80; расход абразива — 250-450 г/мин; внутренний диаметр сопла — 0,25 мм; внутренний диаметр смесительной трубки — 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet |
||||||
Рисунок 7 Детали, полученные гидроабразивной резкой: из нержавеющей стали толщиной 15 мм; из сплава алюминия толщиной 6 мм; из алюминия толщиной 30 мм; из пластика, армированного волокном, толщиной 20 мм; из инструментальной стали толщиной 60 мм
4. Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика
С помощью водно-абразивной 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:
- Универсальность
Возможность использования одной и той же установки для резки широкого спектра материалов,без смены или переналадки режущего инструмента.
Диапазон толщин разрезаемых материалов от 0,1 до 300 мм.
- Низкая температура в зоне реза 60-90 °С
Образующееся в процессе резания тепло практически сразу уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры заготовки, что обеспечивает по сути «холодный» рез всех материалов. Это позволяет при использовании гидроабразивной технологии: исключить оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне; исключить выгорание легирующих элементов в легированных сталях и сплавах; исключить появление разрывов в структуре материала и ухудшение первоначальных свойств материала; исключить температурную деформацию заготовки; исключить необходимость дополнительной механической обработки поверхности реза заготовки, вследствие чего повысить производительность и уменьшить себестоимость изготовления деталей.
- Высокая точность резки. Резка по контуру любой сложности
При гидроабразивной обработке можно воспроизводить контуры любой сложности. Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать профиль любой сложности с заданным радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет от 1 до 1,5 мм.
- Хорошее качество поверхности реза
Условно шероховатость получаемой на установках гидроабразивной резки поверхности реза можно разделить на три категории качества поверхности реза, которые примерно можно соотнести со следующими величинам шероховатости: отличное — Ra 5- Rz 20; хорошее — Rz 60-120; удовлетворительное- Rz 260-320.
При необходимости возможно получения финишной поверхности с шероховатостью Ra 1,5-2,5 мкм при соответствующем подборе технологических параметров установки и скорости реза, что позволяет применять технологию гидроабразивной резки не только в заготовительном производстве, но и для чистовой резки деталей.
- Экономичность процесса
Технология гидроабразивной резки наряду с достаточно высокой скоростью резки широкого диапазона толщин различных материалов позволяет дополнительно повысить производительность за счет:
- сокращения количества либо полного исключения сопутствующих технологических операций (предварительное сверление отверстий, смена или переналадка режущего инструмента, последующая механическая обработка детали);
- экономии времени на механическое закрепление заготовки на координатном столе;
- уменьшения времени холостого хода режущей головки, вследствие возможности резки тонколистовых материалов в многослойном пакете.
Кроме всего выше перечисленного, использование гидроабразивной технологии позволяет значительно уменьшить потери материала при резке, как за счет малой ширины реза, так и за счет сокращения припусков на дополнительную мехобработку.
- Экологическая чистота и полное отсутствие вредных газовыделений
Для осуществления процесса гидроабразивной резки не требуется никаких газов, а низкая температура реза не вызывает выделения вредных газов из материалов, подвергающихся резке.
Используемый в качестве абразивного материала гранатовый песок безвреден для здоровья операторов, поскольку не вызывает профессиональных заболеваний, и отходы его могут быть использованы в как в строительных растворах, так и для других целей.
- Полная пожаро- и взрывобезопасность
Поскольку при гидроабразивной резке нет накапливаемого тепла и отсутствуют какие-либо газы, технология является взрыво-и пожаробезопасной. Это позволяет осуществлять рез даже взрывчатых веществ, например, при утилизации боеприпасов.
Гидроабразивная 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.
Рис. 8 Пример гидроабразивной резки, выполненной по сложному контуру с высокой точностью
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).
Таблица 7
Сравнение гидроабразивной резки с кислородной, плазменной и лазерной резкой
|
Наименование |
Характеристика водно-абразивной резки по отношению к |
|||
|
кислородной |
плазменной |
лазерной |
||
|
Диапазон разрезаемых материалов |
очень сильно превосходит |
сильно превосходит |
еще шире |
|
|
Типичная ширина реза (мм) |
гораздо меньше |
меньше |
Больше (при резке водой — сопоставимая) |
|
|
Качество |
очень сильно превосходит |
сильно превосходит |
превосходит |
|
|
Зона термического влияния |
гораздо меньше |
гораздо меньше |
меньше |
|
|
Ограничение по максимальной толщине металла |
уступает |
превосходит |
значительно превосходит |
|
|
Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки) |
уступает |
существенно уступает |
существенно уступает |
|
|
Стоимость оборудования |
гораздо выше |
выше |
сопоставимая |
|
|
Стоимость обслуживания |
выше |
сопоставимая |
сопоставимая |
|
Вывод
Практика показала, что многие ручные слесарно-зачистные операции и слесарно-полировальные операции могут быть успешно заменены высокоэффективной механизированное или автоматизированной струйной гидроабразивной обработкой. Этот метод обработки обладает высокими технологическими возможностями, он может использоваться для различных видов обработки, например, для: скругления острых кромок и сопряженных радиусов; полировки и шлифовки сложных поверхностей; удаления заусенцев и зачистки сварных швов; снятия со всей поверхности или локально дефектного слоя; подготовки поверхности под покрытие; снятия небольшого припуска с целью снижения шероховатости поверхности; удаления оксидных пленок, нагара, различных повреждений с поверхностей деталей. При этом обеспечивается высокая производительность и хорошее качество поверхностного слоя.
Однако этот метод обработки еще не получил широкого распространения. Это объясняется, в первую очередь, тем, что инженерно-технические работники предприятий недостаточно осведомлены о технологических возможностях струйной гидроабразивной обработки, они не располагают необходимыми материалами по выбору параметров и режимов обработки, применяемых абразивах и составах суспензии, конструкций струйных аппаратов, имеющегося технологического оборудования и т.п.
Учитывая это, нужно стремиться показать возможности струйной гидроабразивной обработки, привести необходимые данные по разработке технологических процессов с использованием данного метода обработки, описать конструкции и методики расчета струйных аппаратов.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/gidrorezka-metalla/
1. Аршинов В.А. Резание металлов и режущий инструмент, 1986. Москва, Машиностроение
2. А. П. Гуляев. Металловедение, 1975, Москва, Наука;
3. Панов А.А. Обработка металлов резанием, 1982. Кудиц-Пресс;
4. Чернох С. Справочник по машиностроению. 1985;
5. Сайт: http://www.stankoexim.ru/.
