Сегодняшняя жизнь кардинально отличается от той, которой жили всего 10 лет назад. Прогресс уверенно движется вперед, и сегодня просто невозможно представить себя без новейших технологий. Изо дня в день мы встречаемся с инновациями (нанотехнологии, машины и роботы, фигурная резка металла, плитки, камня, зеркал).
В современной жизни инновации – это первый помощник любого дизайнера, технолога, инженера. Чтобы жить со скоростью XXI века, необходимо часто обращаться к новейшим разработкам. Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композитных материалов в промышленности и строительстве обуславливает необходимость создания принципиально новых технологий разделительной резки и обработки таких материалов. В настоящее время после резки металла на современном оборудовании необходимо обрабатывать грубую кромку на полученных деталях. Если резку металла производить на станке гидроабразивной резки, можно сэкономить время на обработку материала. Новейшая технология гидроабразивной резки (водорезка) при фигурной резке позволяет получать готовую деталь без дополнительной обработки. Гидроабразивная резка является интересной технологической альтернативой традиционным методам разделительной резки - газокислородной (автогенной), плазменно-дуговой и лазерной.
Данная технология основана на разрезке материалов водяной струей под сильным давлением (поэтому часто вместо термина "гидрорезка" употребляют "водорезка"). Она подходит даже для очень хрупких, крошащихся материалов (например, стекла). Гидрорезка также применяется и для материалов плотных или большой толщины (резка гранита, камня, плитки и металла).
Водорезка - гидроабразивная резка без применения абразива. Она применяется в электронной, пищевой, автомобильной промышленности и др.
Метод гидроабразивной резки металлов и материалов существует уже 20 лет. Суть метода проста. Основой принципа гидроабразивной резки является способ разделения металлов и материалов с помощью водяной струи высокого давления.
Материал для резки (металл, камень, стекло, резина, поролон и т.д.), как правило, располагается на координатном столе. Координатный стол является второй составной частью установки гидроабразивной резки и позволяет перемещать режущую головку с высокой точностью в двух координатах. Над столом в направлении оси X движется портал, на котором, в свою очередь, установлена тележка, двигающаяся в направлении оси Y, а на этой тележке установлена рабочая головка с режущим соплом, способная двигаться в направлении оси Z. В настоящее время разработано и находит широкое применение оборудование для резки водой в трех разных направлениях, так называемые 3D головки, которые позволяют выполнять резание заготовок в трех координатах.
Технологию резки металла водой часто сравнивают с такими способами резки металлов, как лазерная и плазменная резка. В этой связи необходимо сказать, что плазменная и лазерная резки и методика гидроабразивной резки различаются принципиально, т.е. не только количественно, но в первую очередь качественно. Обеспечиваемые при резке водой точности реза в сочетании с холодным характером реза и полным отсутствием как механического, так и термического влияния на зону резки (что особенно важно при резке титана) дают уникальные возможности по шаблонной резке материалов. Методом гидроабразивной резки можно обработать с высокой точностью и производительностью самые твердые материалы, а также различные их комбинации.
Метод гидроабразивной резки в высшей степени универсален в том смысле, что позволяет обрабатывать с одинаковой точностью и большие и малые детали с различной неплоскостностью. Диапазон возможных скоростей гидроабразивной резки (т.е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) колеблется от 1 до 10000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке деталей самых разных размеров и толщин.
Компьютерное обеспечение технологии резки водой позволяет программировать резку любых контуров, задаваемых в системах AutoCAD.
Гидроабразивная резка является сегодня наиболее эффективным, гибким, экологически чистым и энергосберегающим методом. Благодаря своим качествам: простоте метода, точности, универсальности и дешевизне, прогрессивная технология гидроабразивной резки находит все более широкое применение во всем мире, а в последние годы успешно зарекомендовала себя и в России.
Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрывеве и уносе из полости реза частиц основного (разрезаемого) материала скоростным потоком ударяющихся и скользящих по поверхности реза твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10-30% диаметра режущей струи. В качестве абразива обычно используют порошки твёрдосплавных сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и сплавов титана применяют особо твердые частицы граната, для стекла - соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами - частицы силикатного шлака. Благодаря особенностям процесса гидроабразивной резки обеспечивается очень малая ширина реза и незначительное количество материала, идущего в отходы, а также высокое качество поверхности реза, приближающееся к качеству грубого фрезерования.
Номенклатура материалов, для резки и обработки которых применима современная технология гидроабразивной резки, почти неограниченна. Эффективность гидроабразивной резки различных классов легированных сталей и сплавов значительно выше по сравнению с процессами лазерной и плазменной резки и практически сопоставима с газокислородной резкой низкоуглеродистых конструкционных сталей. Гидроабразивная струя успешно режет стали с упрочняющими покрытиями; при резке мягких металлов и композитов иногда требуется последующая очистка поверхности реза от застрявших частиц абразива.
Кроме резки, применение высоконапорных гидроабразивных струй в отдельных случаях целесообразно для снятия фасок на крупных машиностроительных деталях, для подготовки кромок под сварку и удаления дефектных участков швов под их последующую заварку. Прогрессивная технология гидроабразивной резки имеет несомненную перспективу применения в современном заготовительном и металлообрабатывающем производствах. Учитывая определенную сложность оборудования для гидроабразивной резки и условий его эксплуатации, данная технология в настоящее время получает растущее применение в основном в таких отраслях, как авиастроение, судостроение, специальное машиностроение и производство листового стекла.
Без абразива (водоструйная резка) производят резку таких мягких материалов, как пластмассовая плёнка, кожа и текстильные ткани. С присадкой абразивов вырезают заготовки из твердых и хрупких материалов типа высоколегированных сталей, алюминия, керамики и стекла.
СПРАВКА
Абразивный гранат - изделие, полученное в результате обработки высококачественных песков граната. На начальном этапе зерна подвергаются механическому воздействию, чтобы устранить слабые пункты в микроструктуре. Тем не менее, острые грани зерен обеспечивают высокое качество разреза.
Твердость абразивного граната связана с кристаллическим строением и обеспечивает высокое сопротивление к разрушению. Благодаря этой способности гранатовый абразив является фактически устойчивым в течение всего времени использования. Таким образом, получается высокое качество реза со степенью шероховатости в зависимости от размера зерна и скорости резки.
Главные месторождения абразивного граната располагаются в Австралии и Индии, бывшей Чехословакии, Южной Африке. Самое большое в мире аллювиальное месторождение гранатового абразива, общий объем которого оценивается в более чем 8 миллионов тонн, находится в Западной Австралии.
Самый распространенный из гранатов - альмандин - обычно встречается в виде изометричных кристаллов. Цвет красный, красно-бурый, фиолетово-красный, редко черный; окраска обусловлена наличием железа, замещающего алюминий: при наличии хрома наблюдается александритовый световой эффект. Альмандин похож на другие красные минералы, от рубина и шпинели отличается меньшей твердостью. Ювелирные образцы иногда встречаются в породах и гранитных пегматитах, но извлекаются они в основном из россыпей.
Технические достижения, сделанные за последние годы, позволяют использовать свойства граната. Из-за высокой прочности гранатовый песок все более и более востребован, с одной стороны, как многократное неметаллическое абразивное вещество для шлифовки, и, с другой стороны, - как продукт для гидроабразивной резки различного рода материалов под высоким давлением.
Гранатовый песок безопасен для здоровья человека. Его использование не связано с опасностью заболевания силикозом. Песок не является канцерогенным и нетоксичен. Абразивный гранат не загрязняет ни окружающую среду, ни рабочее место.
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
Установки гидроабразивной резки производства Савеловского машиностроительного завода (СМЗ)
В настоящее время СМЗ выпускает четыре модели установок для гидроабразивной резки: УГР-1, УГР-3, УГР-ЗД, УГР-ЗДС. Они предназначены для резки любых материалов как струей чистой воды, так и струей воды с абразивом с управлением от системы ЧПУ.
Такие установки используют в машиностроении в основном на заготовительных операциях при резке практически всех листовых заготовок. Кроме того, в последнее время они находят применение в области точного машиностроения. Как результат – эти установки приобрели ряд исключительных возможностей, к примеру: обработка "под размер" достаточно больших деталей без необходимости последующей механообработки; обеспечение высокого качества разрезаемой поверхности и высокой точности криволинейных резов; а также возможность резки слоистых композитов и сверхтвердых материалов.
Особенно часто водоструйная резка применяется для осуществления следующих технологических операций:
ПРИНЦИП РАБОТЫ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ
Вода, сжатая одним из основных компонентов системы, насосом-мультипликатором, до давления 4000 бар, проходит через водяное сопло, образующее струю диаметром около 0,2-0,35 мм, которая попадает в смесительную камеру. В смесительной камере происходит смешивание воды с абразивом (гранатовым песком) и далее проходит через второе, твердосплавное сопло с внутренним диаметром 0,6-1,2 мм. Из этого сопла струя воды с абразивом выходит со скоростью около 1000 м/с и попадает на поверхность разрезаемого материала. После раскроя, остаточная энергия струи гасится специальной водяной ловушкой.
КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВКИ ГИДРОАБРАЗИВН0Й РЕЗКИ
Насос высокого давления (НВД)
Предназначен для сжатия рабочей жидкости до требуемого давления, которое обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двухстороннего действия.
Режущая (струйная) головка
Осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи, определяют качество и надежность ее работы. Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла. Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней – сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250-2000 часов.
Режущая поворотная головка для УГР-1
(5-координатная) | Режущая головка для УГР-3, УГР-3Д, УГР-3ДС
(3-координатная) |
Координатный стол
Предназначен для размещения заготовок, приема водоабразивной струи и отходов резки, а также позиционирования режущей головки в процессе реза. Покрытие стола полностью защищает его от влияния воды и абразивного материала. Жесткая сварная конструкция формирует раму стола. Асинхронные серводвигатели посредством зубчатой передачи приводят в движение шасси. Каждая ось X, Y, Z снабжена своим собственным приводом.
Возможно проектирование стола любого размера. Точность позиционирования - 0,1 мм, скорость движения - до 35 м/мин.
Система управления
Используемая в установках гидроабразивной резки УГР система ЧПУ относится к классу CNC с применением исполнительных механизмов с аналоговым управлением (УГР-3, УГР-ЗД, УГР-ЗДС) и CAN интерфейсом (УГР-1).
Система подачи абразива
Включает в себя абразивный бункер под давлением с емкостью загрузки 100кг абразива, гибкие шланги, мини-бункер, установленный рядом с режущей головкой, и устройство дозирования. В качестве абразива используется гранатовый концентрат.
Система удаления шлама (СУШ)
На установках УГР-3, УГР-ЗД и УГР-ЗДС рекомендуется для облегчения очистки ванны координатного стола от обработанного абразива и мелких остатков разрезаемого материала. Без системы очистка производится один раз в месяц, с использованием системы – примерно один раз в 2 месяца.
СХЕМА УСТАНОВКИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ PЕЗКИ
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Отсутствие теплового воздействия. Генерируемое в процессе резания тепло мгновенно уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры в заготовке. Эта характеристика является решающей при обработке особо чувствительных к нагреву материалов. Небольшие сила (1-10ОН) и температура (+60...+90 С0) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Заметим, что ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.
Универсальность обработки. Жидкостно-абразивная струя особенно эффективна при обработке многих труднообрабатываемых материалов, таких как, например, титановые сплавы, различные виды высокопрочных керамик и сталей, а также композитных материалов. При гидроабразивной резке последних не создается разрывов в структуре материала, который сохраняет свои первоначальные свойства. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции.
Способность воспроизводить сложные контуры и профили. При абразивной резке можно воспроизводить сложные формы или скосы под любым углом. Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет 0,2-3,0 мм.
Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность шероховатостью Rz 40-160, т.е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.
Технологичность процесса. Рез можно начать в любой точке заготовки; при этом не нужно предварительно делать отверстие; ударная нагрузка на изделие минимальна, различные операции (например, сверление и резку) можно выполнять одним и тем же инструментом; низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали.
Экономичность процесса. Скорость резания – высокая (скорости резки различных материалов зависят от многих факторов, средние значения этих скоростей для различных материалов приведены в таблице "Рекомендуемые скорости гидроабразивной резки в зависимости от толщины материала"). Малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико – около 3,4 л/мин., несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более). Использование относительно недорогих компонентов (вода и гранатовый песок в качестве абразива) делает процесс доступным.
Безопасность. Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Отсутствует радиационное излучение, опасность вылета шлаковых или мелкодисперсионных частиц. Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.
Технические характеристики
Модели установок |
УГР-1 |
УГР-3 |
УГР-3Д |
УГР-3ДС |
Габаритные размеры координатного стола, мм | ||||
- Х |
3300 |
3300 |
6300 |
6200 |
- Y |
2300 |
2300 |
2300 |
2200 |
- Z |
950 |
950 |
950 |
950 |
Рабочий ход режущей головки, мм | ||||
- Х |
3000 |
3000 |
6000 |
3000 |
- Y |
1970 |
1970 |
1970 |
2000 |
- Z |
200 |
200 |
200 |
200 |
- поворотных координат А, В, град. |
+/- 30 |
|
|
|
Рабочая зона стола, мм | ||||
- Х |
3100 |
3100 |
6100 |
6185 |
- Y |
2100 |
2100 |
2100 |
2185 |
Максимальные размеры заготовки, мм | ||||
- длина |
2980 |
2980 |
5980 |
6000 |
- ширина |
1950 |
1950 |
1950 |
2000 |
Толщина заготовок, мм | ||||
- сталь, титан |
до 100 |
до 100 |
до 100 |
до 100 |
- алюминий, мрамор, стекло |
до 120 |
до 120 |
до 120 |
до 120 |
- пеноматериал |
до 200 |
до 200 |
до 200 |
до 200 |
Внутренний диаметр фокуса, мм |
0,6; 0,8; 1,0; 1,2 |
0,6; 0,8; 1,0; 1,2 |
0,6; 0,8; 1,0; 1,2 |
0,6; 0,8; 1,0; 1,2 |
Внутренний диаметр сопел, мм |
0,2; 0,25; 0,3; 0,35 |
0,2; 0,25; 0,3; 0,35 |
0,2; 0,25; 0,3; 0,35 |
0,2; 0,25; 0,3; 0,35 |
Количество управляемых координат |
5 |
3 |
3 |
3 |
Точность позиционирования режущей головки, мм/мм |
+/- 0,1/1000 |
+/- 0,1/1000 |
+/- 0,1/1000 |
+/- 0,05/1000 |
Управляющее напряжение координатного стола, В |
24 |
24 |
24 |
24 |
Количество режущих головок |
1 |
1 |
1 |
1 |
Максимальная скорость перемещения режущей головки, м/мин. |
9600 |
35000 |
35000 |
35000 |
Масса координатного стола, кг |
1700 |
1900 |
3500 |
4500 (3000+1500) (ванна+станина) |
Суммарная мощность электрооборудования, кВт |
31,8 |
32 |
32,2 |
40 |
Давление луча воды, Бар |
до 4000 |
до 4000 |
до 4000 |
до 4000 |
Скорость подачи струи воды, м/с |
до 1000 |
до 1000 |
до 1000 |
до 1000 |
Габаритные размеры установки (с установленной аппаратурой высокого давления и УЧПУ) (Д x Ш x В), мм |
4800 х 4500 х 3500 |
7100 х 4500 х 3500 |
8100 х 4750 х 5200 |
9200 х 4750 х 5000 |
Масса установки ( с аппаратурой высокого давления и УЧПУ), кг |
3500 |
3900 |
5500 |
6800 |
Комплектация:
МАТЕРИАЛЫ
Установки гидроабразивной резки производства СМЗ позволяют резать практически любые листовые материалы:
Ряд материалов режется только водой (без добавления абразива):
№ п/п |
Наименование комплектующих |
Нижняя граница ресурса, час. |
1 |
Сопло водяное - 4 шт. |
40 |
2 |
Комплект уплотнений для мультипликатора |
170 |
3 |
Фильтроэлемент водяной (5 мкм) |
по мере загрязнения |
4 |
Фильтроэлемент водяной (1 мкм) |
по мере загрязнения |
5 |
Смазка |
200 |
РАСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЗАПЧАСТИ
Абразив: природный минеральный материал гранатовый концентрат (GMA 80 или 120 Mesh), используемый во всем мире для гидроабразивной резки. Указанный гранатовый концентрат является экологически чистым материалом и обладает уникальной твердостью и прочностью зерен. Расход абразива в зависимости от разрезаемого материала при использовании одной режущей головки находится в диапазоне от 50 г/мин. (для пластмасс) и 160-200 (для стекла) до 300-450 г/мин. (для стали).
Энергопотребление: 32 кВт для установки с одной станцией высокого давления.
Водопотребление: 3,4 л/мин. – максимальный расход воды на одну режущую головку.
СТОИМОСТЬ РЕЗКИ
Среднестатистическая стоимость минуты реза стальных заготовок с учетом затрат на замену запасных частей и абразив составляет 15,05 руб./мин.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СКОРОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ РЕЗКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ МАТЕРИАЛА
Примечание: максимальная толщина разрезаемых заготовок, полученных опытным путем: сталь и титан до 100 мм; стекло, мрамор, алюминий до 120 мм; пеноматериал до 150 мм.
КОММЕНТАРИИ СПЕЦИАЛИСТОВ
Главный инженер фирмы "МОСТ-1" Александров Юрий Дмитриевич:
- На нашем предприятии используется 3-координатная установка производства Савеловского машиностроительного завода. Она ничем не уступает импортным аналогам и при этом обходится дешевле. Спектр материалов, используемых для резки, достаточно широк. Есть возможность вырезать сложные изделия из алюминия, титана. Станок эксплуатируется в течение года и за это время показал высокую надежность. Машина лишь проходит регулярное техническое обслуживание, производится замена расходных материалов, которые отрабатывают установленное количество часов. Наше предприятие осуществляет резку под заказ, при этом станок позволяет достигать высокой точности реза и удовлетворять все требования заказчиков.
Заместитель генерального директора, главный конструктор фирмы "Новатор" Големенцев Борис Васильевич:
- У нас эксплуатируются 3-, 4- и 5-координатные установки Савеловского завода. Они используются для работы на тяжелых металлах – нержавейках, титанах; это гидроабразивная резка и обработка. Станки не очень быстрые, но позволяют осуществлять резку твердых металлов. Поэтому я и выбрал именно их. Продукция Савеловского машиностроительного завода работает на нашем производстве довольно давно и успела зарекомендовать себя с лучшей стороны. Благодаря использованию данных станков с ЧПУ мы смогли достичь впечатляющих показателей и ускорить процесс производства.
Материал |
Толщина, мм |
Скорость при различном качестве поверхности резки, мм/мин | ||
Отличное |
Хорошее |
Удовлетв. | ||
Мрамор |
10 |
500 |
800 |
1000 |
Мрамор |
20 |
200 |
300 |
400 |
Мрамор |
30 |
150 |
250 |
350 |
Керам. гранит |
6 |
500 |
800 |
1200 |
Керам. гранит |
10 |
400 |
700 |
1000 |
Гранит |
10 |
200 |
350 |
500 |
Гранит |
20 |
100 |
150 |
200 |
Гранит |
30 |
80 |
120 |
150 |
Алюминий |
10 |
400 |
500 |
600 |
Алюминий |
20 |
200 |
300 |
400 |
Алюминий |
40 |
70 |
140 |
200 |
Углерод. сталь |
5 |
450 |
500 |
550 |
Углерод. сталь |
10 |
250 |
300 |
340 |
Углерод. сталь |
40 |
25 |
33 |
40 |
СПРАВКА
Савеловский машиностроительный завод (СМЗ) - одно из крупных станкостроительных предприятий России. За 79 лет накоплен богатый опыт проектирования и производства высокотехнологичного и наукоемкого специального технологического оборудования для различных отраслей промышленности, в том числе аэрокосмической. Основными заказчиками оборудования являются авиационные и машиностроительные заводы России и СНГ. За этот период было выпущено более 100 тысяч единиц станочного и другого различного технологического оборудования, в т.ч. свыше 35 тысяч станков и обрабатывающих центров с ЧПУ.
За заслуги в создании и освоении производства новой авиационной техники в 1983 году завод был награжден орденом Трудового Красного Знамени.
Завод занимает более 120000 кв. м, имеет полный замкнутый производственный цикл переделов: литейное, сварочное, заготовительное, механосборочное производство. Инженеры ОКБ выполняют работы с использованием современных САПР, таких как SOLID-WORKS, КОМПАС-ЗД с учетом индивидуальных требований заказчика.
Предприятие выпускает:
Осуществляет:
Помимо изготовления нового уникального оборудования СМЗ производит капитально-восстановительный ремонт и модернизацию ранее выпущенного технологического оборудования (как собственного производства, так и других предприятий и фирм, включая зарубежные), обеспечивающее внедрение новых технологий высокоскоростной обработки и встраиваемость в современные CALS системы.
Завод осуществляет экспорт оборудования в страны ближнего и дальнего зарубежья. В настоящее время СМЗ участвует в ряде проектов, определенных как наиболее перспективные в развитии промышленностиРоссии; начато долгосрочное сотрудничество с аэрокосмическими компаниями Индии в рамках межправительственного соглашения.
На все выпускаемое и модернизируемое оборудование – гарантия 12 месяцев. Большинство оборудования имеет российские и международные сертификаты.
Подготовил Эдуард ПАВЛОВ
Журнал «Умное производство», №1(7), апрель 2009 г.