Способов резки и соответствующего оборудования практически столько же, сколько видов различных материалов (твердых, мягких, хрупких и прочих). Станки гидроабразивной резки способны точно и эффективно обработать любой.

1 Станки гидроабразивной резки – техническое воплощение передовых технологий

Гидроабразивная резка – уникальная, одна из самых эффективных технологий обработки материалов, основанная на естественном природном процессе водной эрозии (постепенном разрушении, вымывании почв и горных пород). При проведении работ в качестве режущего инструмента применяется вода, воздействие которой на материал многократно усилено абразивом, добавляемым в нее. Но самое главное, что эта смесь испускается под высоким (до 6000 атм) давлением и на огромной скорости (800–1000 м/с – в 3 раза выше скорости звука в воздухе).

На физическом уровне суть механизма резки состоит в разрушении материала скоростным потоком абразивной составляющей струи, разгоняемой и доставляемой к месту обработки водой. При этом происходит отрыв и вымывание из полости резки частиц материала с одновременным охлаждением зоны обработки.

Устойчивость истечения двухкомпонентной струи (абразива с водой) и эффективность ее воздействия поддерживаются оптимальным соотношением параметров резки, в том числе расхода и давления воды, а также размера и расхода частиц абразивного состава.

Гидроабразивная струя способна резать практически любой вид материалов:

• черные, цветные металлы и сплавы;
• легированные труднообрабатываемые стали и сплавы (включая жаропрочные, нержавеющие);
• композиционные материалы;
• искусственные, природные камни (мрамор, гранит и так далее);
• керамические материалы (плитка, керамогранит);
• стекло обычное, композиционное (триплекс, армированное, бронестекло, стеклотекстолит и тому подобное);
• прозрачные, пористые материалы;
• бетон, железобетон;
• сотовые и сэндвич-конструкции.

Мягкие материалы (поролон, полиуретан и прочие пеноматериалы, картон, пластмассы, кожаные изделия, ткани и тому подобное) режут струей только воды, не добавляя абразив. Также такой способ применяется в пищевой сфере – для порционирования и порезки пищевых продуктов.

Для проведения гидроабразивной резки предназначено специальное оборудование – станки гидроабразивной резки. Принцип их работы заключается в следующем:

• вода, сжатая насосом высокого давления (один из основных узлов оборудования) до 4000 атм или выше, проходит через сопло, которое формирует струю диаметром всего 0,2–0,35 мм, подаваемую в смесительную камеру;
• в смесительной камере вода смешивается с абразивным материалом (гранатовым песком, как правило), а затем проходит через другое, твердосплавное сопло, диаметр которого 0,6–1,2 мм;
• из второго сопла струя смеси абразива с водой выходит со скоростью приблизительно 1000 м/сек и ударяет о поверхность обрабатываемого изделия;
• рабочий процесс характеризуется как "холодное резание" – не сопровождается нагревом обрабатываемого участка заготовки.

Типовой станок состоит из узлов:

• Корпуса.
• Резервуара с водой объемом от 2 м 3 и больше.
• Насоса, который прокачивает под высоким давлением жидкость от резервуара-хранилища к зоне резки.
• Шлангов, по которым вода транспортируется.
• Емкости для заправки, системы подачи и смешивания с водой абразива.
• Водяного "резака", представляющего собой штуцер с форсункой. Автоматика регулирует пропускную способность и другие параметры работы резака.
• Рабочего стола, на котором крепится обрабатываемая заготовка, расположенного в специальной ванне.
• Защитного кожуха.
• Блока автоматического управления (ЧПУ) – координирует перемещения рабочего стола и водяного резака, контролирует и задает параметры процесса обработки.

2 Установка гидроабразивной резки металла – особенности конструкции

Установка гидроабразивной резки настолько же уникальна, как и сама технология, несопоставима по конструкции ни с одним известным оборудованием для подобного вида обработки изделий. Первая ее особенность – наличие рабочей ванны, в которой происходит резка, имеющей следующие элементы:

• Несущие опоры из нержавеющей стали, приспособленные для простой, быстрой замены при наступлении износа.
• Быстросъемные ребра для поддержки разрезаемого материала. Устанавливаются на несущие опоры и обеспечивают их защиту от гидроабразивной струи.
• Система быстрого набора, выпуска воды, обеспечивающая обработку заготовок, полностью погруженных в водную среду – рабочая зона защищена от образующейся пыли (остается в воде) и шума, уровень которого снижается до 65 Дб.

Следующая особенность – бак для абразива, обеспечивающий простоту работы с оборудованием:

• конструкция позволяет пополнять запас абразивного материала даже в процессе работы установки – существенная экономия времени;
• оборудован датчиками контроля объема абразива.

Имеет свои особенности и система перемещения:

• У станка консольная конструкция, оснащенная ременным приводом, осуществляющем перемещение по осям.
• Ременной привод наиболее приспособлен для использования на гидроабразивных станках, так как практически не боится, когда в него попадает абразивный материал. Привод прост в эксплуатации, а в случае износа легко заменяем.
• Высокая точность позиционирования (±0,025 мм) обеспечивается индуктивными линейными датчиками.
• Осевое перемещение осуществляется по линейным направляющим, благодаря чему обеспечивается плавность скорости и хода, точность позиционирования.

Самый важный узел гидроабразивной установки – насос высокого давления, осуществляющий сжатие и доставку воды в рабочую зону. Автоматическое управление всеми параметрами процесса резки производится системой ЧПУ. Для удобства быстрой и точной настройки или привязки все станки оснащены переносным пультом с маховичком.

Система поддержания постоянного зазора представляет собой особый контактный механизм, перемещающийся по листу и обеспечивающий поддержание оптимального расстояния между поверхностью изделия и фокусирующей трубкой. Это способствует качеству и точности реза, а также не допускает опасности столкновения трубки с заготовкой.

Особая конструкция станков – угловая голова:

• обеспечивает подвижность режущей головки в 2 плоскостях с поворотом на углы наклона до 60° включительно – это позволяет обрабатывать криволинейные поверхности, фаски, компенсировать конусность в процессе обработки;
• конструкцией предусмотрено, что при выполнении фаски или компенсации конусности перемещение происходит только по 1 поворотной оси – это обеспечивает неизменность угла и высокую точность;
• сложные поверхности могут обрабатываться одновременно по 5 координатам.

Станок для гидроабразивной резки металла оборудован системой загрузки обрабатываемого материала. Наибольшее распространение получили:

• Кран-балки, оснащенные механическими или вакуумными захватами. В качестве силовой установки используется тельфер.
• Подъемники гидравлические, пневматические с регулируемыми рычагами, которые поддерживают материал в самых важных местах – получили широкое применение при работах с хрупкими материалами.

Датчик, контролирующий подачу абразивного состава:

• Проверяет количество поступающего абразива во время обработки – рез может выполняться без присутствия оператора.
• Обеспечивает остановку работы станка при попадании посторонних материалов (не предусмотренных фракций или остатков мешковины) в режущую головку. Допустимый диапазон задается со стойки оператора (можно изменить в процессе обработки).

На станок, при необходимости, можно установить ультразвуковую или лазерную систему сканирования поверхности заготовки. Устройство выявляет неровности поверхности заготовки и тем самым обеспечивает поддержание требуемого зазора, а также максимальную точность резки.

Гидроабразивное оборудование может быть оснащено устройством удаления отработанного абразива:

• состоит из насоса и бака отстойника;
• отличительная особенность – использование насоса мембранного типа, который прост в обслуживании и максимально приспособлен для эксплуатации в агрессивных средах;
• удобство работы обеспечивается тем, что бак для абразива оборудован быстросъемными разъемами для легкого подсоединения шлангов, а также приспособлен к транспортировке погрузчиком или кран-балкой.

3 Преимущества и недостатки гидроабразивной технологии

Оборудование для гидроабразивной резки предоставляет следующие достоинства, преимущества обработки:

• заготовка не подвергается термическому воздействию (в зоне реза 60–90 °С) – отсутствие температурной деформации, пригорания и оплавления материала на кромках и в прилегающей к разрезу области, легирующие элементы сплавов и сталей не выгорают;
• потери материала в процессе резки существенно меньшие, чем при других способах обработки;
• широкий спектр обрабатываемых материалов, толщин (до 150–300 мм и больше);
• высокое качество резки (шероховатость поверхности кромки Ra 1,6) – дополнительная обработка не требуется;
• высокая точность – минимальное расстояние от разреза до отверстия или края заготовки составляет 0,5 мм (рекорд в обработке резанием);
• контур обработки может быть любого уровня сложности;
• высокая эффективность раскроя листовых материалов, толщина которых более 8 мм;
• возможность пакетной (в несколько слоев) резки тонколистовых материалов, что значительно повышает производительность, в том числе, благодаря уменьшению общей протяженности холостых проходов режущей головки;
• обработка происходит без существенной механической нагрузки на изделие – отсутствие деформации, разрушения хрупких материалов и экономия на фиксирующих, крепежных узлах даже при резке тонкостенных деталей;
• экологическая чистота технологии, абсолютное отсутствие выделений вредных газов, а также стружки, пыли, окалины, дыма, тому подобного, обычно сопровождающих резку;
• полная взрыво- и пожаробезопасность процесса;
• отсутствие режущего инструмента (согласно традиционному толкованию) – нет необходимости в периодическом восстановлении остроты инструмента и его замене по мере износа;
• работоспособность "режущего" инструмента восстанавливается закачкой воды и пополнением абразива.

Недостатки, обусловленные особенностями технологии:

• ограниченный ресурс режущей головки, отдельных комплектующих;
• скорость обработки тонколистовой стали недостаточно высока;



Традиционные тепловые способы порезки просто бессильны при больших толщинах, а механические менее эффективны и точны. титана, меди, алюминия, нержавеющей стали весьма проблематична. Камень или некоторые волоконные материалы лазеру вовсе не по зубам. Для пластмасс, которые покрыты металлом, гидроабразивная технология часто является единственным методом обработки, так как не оказывает отрицательного влияния на поверхность.



Примеры промышленного использования, где гидроабразивная резка особенно эффективна:

• автомобильная и авиационная промышленность;
• при производстве электронных компонентов, продуктов питания, пеноматериалов;
• при изготовлении стекловолоконных уплотнений и изделий;
• в обработке металлов, специальных и экзотических материалов;
• работы с камнем, стеклом;
• художественная резка текстиля, металла и других материалов;
• производство изоляционных изделий.

Установка (станок) гидроабразивной резки обычно состоит из следующих узлов:

• станция (насос) высокого давления;
• режущая головка (две или несколько режущих головок);
• трубопроводы высокого давления;
• координатный стол с ванной и приводами перемещений режущих головок;
• система подачи абразива;
• бак-отстойник;
• система управления.

Рисунок. Установка гидроабразивной резки

С помощью насоса высокого давления вода сжимается до необходимого давления и затем подается в режущую головку по трубопроводам. Режущая головка обеспечивает преобразование энергии воды, сжатой под высоким давлением, в кинетическую энергию высокоскоростной водноабразивной струи и ее окончательное формирование в качестве режущего инструмента.

Система дозированной подачи абразива состоит из абразивного бункера под давлением, устройства дозирования и подачи абразива в режущую головку, снабженного минибункером, а также гибких соединительных шлангов.

Координатный стол (с приводами перемещений) предназначен для размещения обрабатываемых изделий и позиционирования режущих головок, а ванна - для приема водноабразивной струи и отходов обработки. В установках для сложной вырезки деталей режущая головка может перемещаться по 5-ти осям: стандартным осям X (вперед-назад), Y (влево-вправо), Z (вверх-вниз), а также осям A (изменение угла наклона) и C (вращение вокруг оси Z).

Вода, сливаемая из ванны координатного стола, поступает в бак-отстойник , где очищается от шлама - использованного абразива и мелких остатков обрабатываемого материала.

Управление процессом резки обычно выполняется с персонального компьютера (ЭВМ).

Насосы высокого давления

Накачивание воды сверхвысокого давления в насосе осуществляется за счет возвратно-поступательных движений плунжера - вытеснителя продолговатой цилиндрической формы. Плунжер вталкивается в закрытую камеру цилиндра для повышения давления, что приводит к сжатию воды. При достижении необходимого давления открывается выходной однонаправленный вентиль, и часть сжатой жидкости выбрасывается. Затем выходной вентиль закрывается, а плунжер начинает двигаться в обратном направлении под напором расширяющейся воды. При этом давление воды уменьшается до уровня давления на впуске, и открывается входной однонаправленный вентиль.

В зависимости от способа приведения в движение плунжера различают два вида насосов сверхвысокого давления:

• прямого действия и
• мультипликаторного («усиливающего») типа - их также называют бустерными.

Насосы прямого действия имеют более простую конструкцию.

Рисунок. Применение насоса прямого действия в установке гидроабразивной резки

Питающий насос создает предварительное низкое давление воды. Затем вода очищается и поступает в насос высокого давления. Электродвигатель приводит в движение три поршня, поочередно выталкивающих воду из цилиндров.

Насосы прямого действия являются сравнительно дешевыми, позволяют плавно увеличивать давление и обладают очень высоким КПД - до 95% и выше. Однако давление воды, создаваемое такими насосами, обычно не превышает 3800 атмосфер.

Более высокое давление воды (до 4150 или 6000 бар) способны создавать насосы мультипликаторного (бустерного) типа .

Рисунки. Выталкивание воды сверхвысокого давления поочередно из левого (верхний рисунок) и правого (нижний рисунок) цилиндров в насосе мультипликаторного типа

Поршень приводится в движение то в одну, то в другую сторону маслом, подающимся под первичным давлением (как правило, порядка 207 атмосфер), которое создается гидравлическим насосом. Площадь каждого из оснований поршня может быть в 20 раз больше площади рабочей поверхности каждого из плунжеров. В результате давление воды, выталкиваемой плунжерами поочередно из камер обоих цилиндров, в 20 раз выше первичного давления масла. Пока вода выбрасывается из одной камеры высокого давления, в противоположную камеру поступает вода под низким давлением и т. п.

Аттенюатор (аккумулятор) сглаживает пульсации давления воды и обеспечивает ее непрерывный поток для процесса резки.

Насосы мультипликаторного типа конструктивно сложнее и требуют охлаждения.

Фото. Насос Jet Edge iP60-100 с двумя мультипликаторами (слева) и система из двух насосов OMAX P4055V прямого действия (справа), используемые в станках гидроабразивной резки

Дополнительные устройства

Система водоподготовки . Предназначена в основном для смягчения воды и ее очистки от нежелательных примесей (содержащих железо, кремний, марганец и т. п.), способствующих сокращению срока службы водяного сопла и уплотнителей для высокого давления. Кроме того, может обеспечивать резервный запас воды, необходимые температуру и давление воды, подаваемой в насос высокого давления, а также может использоваться для охлаждения мультипликаторного насоса.

Система защиты от столкновений . Применяется для исключения возможности столкновения режущей головки с заготовкой при неровности поверхности. Смесительная трубка ограждается защитным кольцом, соединенным с датчиком удара. При фиксировании столкновения движение резака прекращается, и он сохраняет свою работоспособность после удаления препятствия.

При управляемой оси Z возможно использование системы контроля высоты режущей головки , позволяющей постоянно поддерживать очень близкое расстояние между режущей головкой и поверхностью заготовки, что значительно повышает скорость и точность обработки.

Оптический локатор . Состоит из миниатюрной водостойкой видеокамеры, способной точно определять координаты любых точек на поверхности обрабатываемого изделия, и программы для пересчета координат точек после переустановки или перемещении изделия. В результате данная система записывает в память расположение детали и позволяет в дальнейшем продолжить рез по тому же контуру как передвинутой произвольным образом заготовки с габаритами, значительно превышающими размеры координатного стола, так и временно отложенной заготовки.

Система управления уровнем воды в ванне . Предназначена для поднятия уровня воды при резке и его опускания до исходного уровня по окончании процесса обработки. При этом существенно уменьшается уровень шума, разбрызгивания режущей струи и выброса в воздух абразивной пыли. Для эффективной резки под водой ее слой над заготовкой должен быть очень тонким. Так, при толщине укрывающего слоя 1мм мощность струи снижается уже примерно на 5%.

Также возможно применение системы удаления шлама, лазерного указателя для позиционирования резака, системы удаленного наблюдения за установкой, сверлильной головки и других дополнительных компонентов.

Расходные материалы

В таблице ниже приведены средние значения ресурса расходных материалов при резке стали на установках BarsJet (разработка - НПО «БАРС», производство - ООО «Дельта-Интех», Челябинская область, пос. Казанцево). Фактические значения зависят от режимов работы станка, прежде всего от рабочего давления насоса. Так, при обработке стекла эксплуатационный ресурс будет больше, чем при обработке стали или титана.

Таблица. Средние значения ресурса расходных материалов, полученные из статистики эксплуатации установок BarsJet (с насосом мультипликаторного типа Thueringer и режущей головкой Thueringer) при гидроабразивной резке стали (данные компании ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва)

Оборудование для гидроабразивной резки

Станки гидроабразивной резки производят компании Flow (США), OMAX (США), Jet Edge (США), PTV (Чехия), Water Jet Sweden (Швеция), Resato (Голландия), Bystronic (Швейцария), Caretta Technology (Италия), ALICO (Финляндия) и др. В числе известных производителей комплектующих для станков: компании KMT, AccuStream (США - насосы ультравысокого давления, режущие головки, устройства подачи абразива и т. п.), а также UHDE (Германия), Thueringer (Германия), BHDT (Австрия) и др.

Фото. Установки OMAX 60120 JetMachining Center (сверху) и Maxiem 1530 (снизу)

В России станки гидроабразивной резки из собственных и зарубежных комплектующих производит ООО «Дельта-Интех» (разработка - НПО «БАРС»).

Таблица. Сведения об установках и станках гидроабразивной резки

Вид резки, который осуществляется при помощи струи воды под высоким давлением либо струи воды с абразивным материалом. Достоинства гидроабразивной резки заключаются прежде всего в том, что можно обрабатывать практически любой материал, даже самый твердый и прочный, а также в сокращении потерь материала, высокой экологичности метода и высоком качества реза (определяется по степени шероховатости).

Данный способ резки возник сравнительно недавно, но быстро завоевал популярность и применяется в самых разных отраслях промышленности благодаря свой универсальности. Он оптимален для работы с дорогостоящими титановыми сплавами, а для керамики, например, и вовсе является единственно возможным способом резки. При этом не только сам метод, но и непосредственно оборудование, станки гидроабразивной резки можно использовать для обработки совершенно разных материалов: от листового металла и бетона до стекла и ламинированного пластика.
Установка для гидроабразивной резки оснащена режущей головкой (одной или несколькими), через которую под высоким давлением выходит вода. Функцию фокусировки водяной струи выполняет специальный золотник с отверстием, сделанный из высокопрочного драгоценного камня - чаще всего это алмаз либо сапфир, самые твердые вещества в мире. Выйдя из отверстия, вода поступает в смесительную камеру, где к ней добавляется абразив - например, гранатовый песок. Затем абразивная смесь направляется по специальной трубке на деталь. Станки гидрорезки могут работать также на чистой воде, без абразива.

Оборудование для гидроабразивной резки последних поколений разрабатывается с использованием передовых технологий в данной сфере, что существенно повышает эффективность установок и позволяет выполнять обработку материалов с высокой степенью точности, качественно и быстро.

Гидроабразивная резка камня —«Вода камень точит». Эта мудрая пословица нашла свое эффективное применение в современном мире. При помощи водяной струи под высоким давлением в наши дни решаются самые сложные задачи по резке камня, как натурального, так и искусственного. Камень это олицетворение надежности, прочности, долговечности. При его универсальности, камень может применяться в любых интерьерах, отлично сочетаясь с различными стилями при оформлении помещений.

Любой камень достаточно трудный материал для обработки, резка камня представляет собой сложный технологический процесс. Для прямого реза обычно используют механические инструменты, такие как болгарка и ленточная пила, а также фрезерные станки. При этом край слэба (изделия из камня) необходимо дополнительно обрабатывать после резки, так как кромка (особенно при резке керамогранита) будет иметь сколы и микотрещины. Для резки камня по изогнутой линии применяют станки гидроабразивной резки. Качество реза при этом получается очень высоким, и дополнительная обработка кромки изделия не требуется.

Линия реза при использовании гидроабразивного оборудования может быть любой сложности, что позволяет воплощать в жизнь самые разнообразные художественные идеи дизайнеров и архитекторов. Данная особенность используется при создании красочных декоративных и мозаичных панно, витиеватых орнаментов, состоящих из произвольного количества элементов, нарезанных и собранных воедино.

Получение тончайших элементов изделий из камня, стало возможным благодаря тому, что усилия при резке камня с помощью установки гидроабразивной резки достаточно невелики. Это позволяет использовать в качестве исходного материала даже агломерат.

Широкий спектр открываемых возможностей при гидроабразивной резке камня обусловливает ее широчайшую область применения и позволяет изо дня в день усиливать свои позиции среди компаний, занимающихся как строительством, так и производством декорированных изделий из камня.

27 Мая 2011

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:

• Машиностроение и металлур­гия - раскрой листа, снятие фасок на крупных машиностроительных дета­лях для подготовки кромок под свар­ку и удаления дефектных участков швов под их последующую заварку, удаление окалины, наплывов, отеков.
• В оборонной промышленности - утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ.
• В электронной промышленно­сти - разрезание электронных плат (применение водоструйной техноло­гии позволило достичь размера про­пила до 0,1 мм и обеспечить отсут­ствие пыли, а также решить пробле­му расслоения материала), снятие слоя с корпусов микросхем.
• В автомобильной промышлен­ности - резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бампе­ров из пластика.
• В строительстве - резка бе­тонных и металлических конструк­ций для их последующего демонта­жа, расчистка швов, производство сложных контуров в мраморе и гра­ните (узкий пропил позволяет созда­вать инкрустации при изготовлении декора).
• В пищевой промышленности - резка продуктов глубокой замороз­ки, различных плотных пищевых продуктов, шоколада.

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.

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

1. Координатный стол
2. Электрошкаф с ЧПУ
3. Электрошкаф управления насосом
4. Емкость для абразива
5. Насос высокого давления
6. Насос предварительного нагнетания
7. Емкость для очистки воды (для УГР-3, УГР-ЗД и УГР-ЗДС)

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 С 0) 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

Комплектация:

1. УГР-1: устройство ЧПУ ECKELMANN (Германия), аппаратура высокого давления BOHLER (Австрия), привода AMTEC (Германия), линейные направляющие SBC (Корея).
2. УГР-3, УГР-3Д, УГР-3ДС: устройство ЧПУ БАЛТ-СИСТЕМ, аппаратура высокого давления BOHLER (Австрия), привода КЕВ (Германия), линейные направляющие SBC (Корея), наличие системы барботирования и очистки воды от шлама.

МАТЕРИАЛЫ

Установки гидроабразивной рез­ки производства СМЗ позволяют ре­зать практически любые листовые материалы:

• черные металлы и сплавы;
• труднообрабатываемые леги­рованные стали и сплавы (в том чи­сле: жаропрочные, инструменталь­ные и нержавеющие);
• цветные металлы и сплавы (медь, никель, цинк, алюминий, магний, кремний, титан и их спла­вы);
• керамические материалы (ке­рамический гранит, плитка);
• композиционные материалы (углепластик, органопластики и т.п.);
• природные и искусственные камни (гранит, мрамор, яшма и т.п.);
• стекло и композиционное стекло (триплекс, бронестекло, армирован­ное стекло, стеклотекстолит и т.п.);
• пористые и прозрачные мате­риалы;
• сотовые и сэндвич-конструк­ции;
• бетон и железобетон.

Ряд материалов режется только водой (без добавления абразива):

• мягкие материалы (полиуре­тан, поролон и др. пеноматериалы; пластмассы, кожаные изделия, кар­тон, бумага, ткани и т.п.);
• пищевые продукты (продукты глубокой заморозки, плотные пище­вые продукты, шоколад и т.п.).
• при этом резка материалов не требует какой-либо переналадки ин­струмента

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.

Примечание: максимальная тол­щина разрезаемых заготовок, полу­ченных опытным путем: сталь и ти­тан до 100 мм; стекло, мрамор, алю­миний до 120 мм; пеноматериал до 150 мм.