Вода как режущий инструмент

2 Декабря 2011

Чтобы наглядно убедиться в справедливости поговорки «вода камень точит», потребуются месяцы, если не годы. Однако, использовать воду как режущий инструмент, можно гораздо эффективнее. Для этого служат машины гидроабразивной резки, позволяющие в считанные минуты раскроить не только камень, но и металл. Так, смешанная с абразивом струя воды, выбрасываемая из узкого сопла под давлением в 5000 атм. и со скоростью 1200 м/с, за 10 минут способна пробить отверстие в 10— сантиметровой стальной плите.

Чтобы узнать о гидрорезательных машинах из первых рук, журналист «Станочного Парка» пообщался с владельцем и оператором машины гидроабразивной резки Игорем Николаевичем Ганжой.

Невообразимая легкость резания

— Игорь, судя по находящимся в цеху заготовкам, вам уже удалось опробовать гидрорезку. Как впечатления?

— Машина просто уникальная. Недавно приезжал заказчик, попросил вырезать нечто вроде фигурных стрелок. Я от руки нарисовал контур детали в AutoCad’е, потом перевел изображение в MasterCad, переписал на флэшку, а с нее ввел в пульт управления. Программа отрисовала вот такой профиль и мы получили вот такую деталь… См. фото 1.

Также у гидрорезки есть возможность работы с трехмерными объектами. Скажем, если я, например, нарисую трехмерную фигуру, то в объеме смогу сделать сферу или полусферу. То есть режущий инструмент будет обрабатывать рельеф трехмерной фигуры. Хочется отметить и высокую скорость работы. Скажем, деталь стримера можно вырезать вручную, но на это уйдет уйма времени. А на машине я за 30 минут вырезал целых шесть штук…

— Сложно было освоить управление машиной?

— За две недели я научился программировать, резать. Правда, те две недели, что мы устанавливали, монтировали и подключали станок — дома я не был. В принципе, технически грамотному человеку разобраться в устройстве гидрорезки не сложно, но имея полноценную инструкцию на русском языке. Я при запуске выполнил ряд рекомендованных операций, все проверил, получил готовый продукт. Без аннотации запустить подобное оборудование очень сложно, даже специалистам.

— Давайте поговорим о принципе работы, устройстве резки, ее тактико-технических характеристиках

В программируемый пульт управления, с диска или флэш-карты вводится программа резания. (см. фото 2)

При необходимости она редактируется с клавиатуры.

Затем на координатном столе размещается заготовка.

В бункер загружается абразив (см фото 3).

Запускается программа. При этом на экране пульта будет отображаться контур резания и соответсвующие ему координаты.

Насос создает в бункере давление 2–2.5 МПа и под воздействием воздушного потока, абразив по гибким шлангам подается в смесительную камеру (см. фото 4 и фото 5).

Туда же, от гидравлической станции, под еще более высоким давлением (согласно паспорту на нашу машину — порядка 4000 атм.) по управляемому шлангу поступает и водяная струя. Предварительно вода очищается фильтрами (см фото 6).

В камере вода засасывает абразив, смешивается с ним и с огромной скоростью (более 1000 м/с), через твердосплавное сопло направляется на поверхность заготовки. Стандартная высота (которую можно регулировать) от сопла до детали на координатном столе — 4 мм. Ширина реза, который нам пока удалось получить — от 0,8 мм до 1 мм. Вообще точность у гидрорезки великолепная — погрешность составляет 1 мкм.

Далее головка режущего инструмента под воздействием привода перемещений движется по поверхности заготовки, повторяя заложенные в программу пульта управления координаты — контур будущего изделия (см. фото 7).

В результате песчинки, несущиеся в потоке воды со сверхзвуковой скоростью, вырывают частички металла. Энергия струи гасится в гидравлической ванне, куда также попадает и использованный абразив (см. фото 8).

Теперь посмотрим на результаты работы. Весь рез я проходил на разных скоростях (отсчет идет в процентном соотношении от ручной скорости, заложенной в машине). Первый участок я проходил на скорости 20, а закончил на 130 (см. фото 9 и 10).

— Игорь, шланг, идущий от гидростанции к режущей головке снабжен системой противовесов. Для чего она?

— Противовесы — это наше собственное изобретение. Дело в том, что если мы выставляем точку на координатном столе, то при перемещении к ней консоли с режущим инструментом происходит сгиб и разгиб трубки, она начинает заваливаться на бок.

Чтобы этого не происходило, мы и снабдили шланг противовесом.

Режем все!

— Расскажите об основных преимуществах гидроабразивной резки

— Главное в гидроабразивной резке это то, что она не требует дополнительной механической обработки. Ведь даже после лазерной резки деталям необходимо пройти еще и токарную обработку. Или, например, фрезерная обработка. Максимальное качество, которое она выдает — это RZ 20, по-нашему — 6-й класс. А я могу без токарной обработки выдать готовую деталь с шестым классом.

Вот фланец, который мы делали (см. фото 11). Заготовку осталось чуть-чуть подправить, и она будет обработана по 6-му классу, ее можно будет обварить и сразу поставить на трубу.

Так что главное достоинство нашей гидрорезочной машины, в том, что мы не просто делаем раскрой материала, но и производим готовую продукцию.

Другое существенное достоинство — универсальность в плане обрабатываемых материалов. Разрезать можно практически все: камень, дерево, железо, стекло… Лазер стекло не обработает. Или броню — металл, толщиной в 150 мм разрежет только очень мощный лазер.

Еще один плюс — программное обеспечение гидрорезки дает возможность закладывать в пульт управления любые контуры, создаваемые во многих графических пакетах, типа AutoCAD, CorelDraw.

Плюсы и минусы гидрорезки

Из тех положительных факторов, которыми обладает технология гидроабразивной резки и которые не были упомянуты выше, следует отметить:

• Отсутствует термическая деформация заготовки
• Возможность обработки «под размер» деталей большого размера до 2,2 х 4,0 м
• Резка многослойных и композитных конструкций, так называемых «сэндвичей», которые невозможно разрезать другими способами
• Резка может осуществляться в любых направлениях, по линии любой кривизны и сложности
• Воспроизведение очень сложные формы или скосы под любым углом
• Режущий инструмент не нуждается в заточке
• Низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали
• Начинать рез можно в любой точке заготовки, без предварительного высверливания отверстия
• Сверление и резка может производиться одним и тем же инструментом
• Возможность установки на одном столе и гидроабразивной и лазерной резки
• Возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя режущими головками на одном столе или несколькими головками на нескольких столах
• Малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое
• Низкая стоимость расходных материалов — воды и абразива

Тем не менее, гидроабразивная резка обладает следующими недостатками:

• конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости;
• невысокая стойкость сопла и сложность его изготовления;
• обеспечение постоянного притока воды;
• соблюдение определенного температурного режима в цеху (помещение должно быть отапливаемым);
• высокая энергоемкость по сравнению с рядом других типов резания.

Краткое пособие начинающим гидрорезчикам

• Для вырезки деталей, имеющих изломы линии контура (углы), необходимо при подходе резака к точке излома (вершине угла) значительно снизить скорость резки с ее последующим увеличением после прохождения небольшого участка линии реза за вершиной угла. Иначе на нижней кромке детали будет искажение контура реза. Следует учитывать, что при снижении скорости резки несколько увеличивается ширина реза. Другими словами, чем более толстый материал, тем тяжелее получить точность реза в углах.
• Для получения минимального расхождения фактической линии контура реза при ее замыкании, рекомендуется наружный контур замыкать на углах, а внутренний контур на линиях с минимальной кривизной.
• Гидроабразивная резка должна выполняться при температуре окружающей среды, которая исключает возможность образования льда, получения повышенной хрупкости разрезаемого материала и, с учетом требований по эксплуатации машины. В любом случае она при работе и хранении в готовности к работе не должна быть ниже +5 °С и выше +40 °С.

Для уменьшения деформации деталей при резке необходимо:

• в первую очередь вырезать отверстия;
• вырезку деталей начинать от одной из кромок листа, последовательно переходя от одной детали к другой по направлению, к противоположной кромке;
• при составлении карт раскроя деталей для резки рекомендуется применять совмещенные резы, т.е. линия реза разделяет сразу две детали;
• начало и направление реза каждой детали должны быть такими, чтобы кромка, соединяющая деталь с основной массой листа, обрезалась в последнюю очередь;
• если одна деталь занимает большую часть листа, то вырезку необходимо начинать с этой детали.

Взгляд в прошлое

Возможность использования струи жидкости под сверхвысоким давлением в качестве режущего инструмента для обработки различных материалов впервые была описана в СССР в 1947 году. Но запатентован такой способ обработки материалов был только через четыре года. Но не в Союзе, а в США.

Идея добавить в струю воды абразив была внедрена в 1979 году, в ходе исследований увеличения режущей способности воды. Год спустя гидроабразивная струя впервые использовалась для резки стали, стекла и бетона. В 1983 году была продана первая гидроабразивная система для резки автомобильного стекла.

Первыми технологию гидроабразивной резки широко применили в авиационной и космической промышленности для резки особо прочных материалов, таких как нержавеющая сталь, титан и композитных материалов, вроде карбона, используемых в авиации.

---

• В качестве абразива обычно используют порошки твердых сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и титановых сплавов применяют особо твердые частицы граната, для стекла — соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами — частицы силикатного шлака.

• Технологию гидроабразивной резки применяют для обработки следующих металлов и сплавов: алюминий, «нержавейка», сталь, латунь, медь, твердые и магнитные сплавы, титан, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали.

• За рубежом проводились эксперименты по сравнению эффективности метода гидроабразивной резки с традиционными технологиями, к которым относятся резка алмазными пилами, лазерная, ультразвуковая и плазменная резки. В качестве «сильнейшего конкурента» была выбрана лазерная резка, как технология, имеющая большую эффективность и производительность, чем плазменное, механическое или ультразвуковое разрушение. Резке двумя сравниваемыми способами был подвержен пакет из металлических пластин толщиной 0,3 мм каждая. В результате испытаний было установлено, что при толщине разрушаемого пакета пластин менее 6 мм более эффективным по энергоемкости и скорости оказался метод лазерной резки, а при толщине пакета свыше 6 мм абсолютно лидирует метод гидроабразивной резки. Интересные результаты, подтверждающие превосходство этого метода над остальными, получены и в отечественных научно-исследовательских учреждениях.