Разработано две принципиальных технологии использования воды для раскроя материалов. Водная резка и водно-абразивная или гидроабразивная резка. Эти две технологии очень близки с той лишь разницей, что при водной резке подается только вода, а при гидроабразивной резке к воде подмешивается абразив.
Метод гидроабразивной резки металлов и материалов существует уже 20 лет. Суть метода гидроабразивной резки заключается в том, что песчинки (гранатовый песок с частицами размером около
В комплект оборудования для гидроабразивной резки обычно входят фильтр и промежуточный резервуар для воды, насос высокого давления (100-400 МПа), блок режущей головки (смеситель-сопло), устройство для подачи абразива, гибкий шланг длиной до
Для создания давления используются специальные насосы, которые должны быть способны поддерживать высокое давление в рабочем режиме, но и работать при этом надежно. Без сомнения, насос — это один из главных составляющих любой гидроабразивной системы.
Существует два типа насосов сверхвысокого давления.
Насосы прямого действия.
Принцип работы насосов прямого действия заключается в том, что три поршня, приводимые в действие электродвигателем, поочередно выталкивают из цилиндров воду. Такие насосы популярны благодаря простоте своей конструкции. Они способны создавать рабочее давление около 3800 атмосфер, что на 10% — 25% ниже, чем насосы бустерного типа. В то же время, их преимущество заключается в том, что они позволяют постепенно повышать давление, а это иногда требуется, например, при врезании в хрупкие материалы. В промышленности используется большое число таких насосов, хотя в большинстве случаев применяются бустерные насосы.
Насосы плунжерного типа.
В отличие от насосов прямого действия, в насосах плунжерного типа (их также называют бустерными насосами) поршень приводится в действие не механически, а за счет давления масла. В камеру, в которой находится основание плунжера, подается масло с первичным давлением, составляющим около 207 атмосфер. Сам плунжер выталкивает воду из другой камеры, и, поскольку площадь его рабочей поверхности приблизительно в 20 раз меньше площади поверхности основания, создается давление в 20 раз выше. Фактически основание, приводимое в движение маслом то с одной, то с другой стороны движется попеременно то в одну, то в другую сторону, в результате чего плунжер выталкивает воду то из одной, то из другой камеры высокого давления. Пока вода выходит из одного цилиндра высокого давления, цилиндр на противоположной стороне заполняется водой, которая через большое отверстие заполняется водой под низким давлением.
Насосы бустерного типа позволяют поддерживать рабочее давление на уровне 4150 бар (приблизительно столько же атмосфер). Чем больше давление, тем с большей скоростью можно резать.
Режущая головка
Режущая струя выходит с очень высокой скоростью из наконечника. Для резки водой и с использованием абразива применяются разные наконечники. Как правило, они делаются из сапфира, рубина или алмаза. От того, какой наконечник используется, зависит его долговечность и дороговизна. Сапфирный наконечник может прослужить от 50 до 100 часов. Используется в большинстве случаев. В то же время при подмешивании абразива срок службы сапфирного наконечника сокращается вдвое. Рубиновый наконечник также служит 50-100 часов и применяется только при использовании абразива. Он непригоден для водной резки. Срок службы алмазного наконечника составляет 800 — 2000 часов, его можно использовать как для водной, так и абразивной резки. Недостаток же такого наконечника заключается в его дороговизне — он может быть в 10-20 раз дороже других. Стоимость сапфирных наконечников колеблется в пределах от 15 до 30 долларов.
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. Сегодня к таким технологиям по праву может быть отнесен процесс резки высокоскоростной струей воды под большим давлением (гидрорезка и гидроабразивная резка).
Гидроабразивная резка является интересной технологической альтернативой традиционным методам разделительной резки — газокислородной (автогенной), плазменно-дуговой и лазерной резки. Гидроабразивная резка струей воды высокого давления с добавкой мелкого абразивного порошка имеет ряд принципиальных отличий, которые обеспечивают высокую универсальность процесса и значительно расширяют области ее рационального применения: материал, прилегающий к зоне реза, не подвергается перегреву выше 100 °С и структурным изменениям, не возникают термические деформации заготовок; одним и тем же оборудованием могут быть разрезаны или обработаны любые материалы с высокой прочностью и отличными физико-химическими свойствами (стали, сплавы цветных металлов, керамика, стекло, мрамор, железобетон и др.), что определяет универсальность процесса; процесс отличается высокой экологической чистотой (исключая шумовое воздействие), полной пожаро- и взрывобезопасностью.
При гидроабразивной резке вода служит в первую очередь для транспортировки абразивных частиц, которые являются своеобразным режущим средством. Водяная суспензия с абразивом подается из специальной емкости в смесительную камеру режущей головки и затем вместе с напорной струей через сопло к месту резки. Основным элементом сопла, формирующего высокоскоростную водоабразивную струю заданного диаметра, является вставка из высокопрочного материала (керамика, сверхтвердые сплавы).
Ниже приведены значения производительности резки различных материалов в см2/мин для процесса гидроабразивной резки при давлении режущей струи 200-300 МПа, расходе воды 4,4 л/мин и абразива 0,3-0,7 кг/мин (скорость реза зависит от толщины обрабатываемого материала): Алюминий…20-50, Свинец…80-120, Медь…15-30, Титан… 10-25, Стекло….100-200, Оргстекло….120-300, Армированная пластмасса… 120-300, Керамика…100-200, Природный гранит…50-150
Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве 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 твердосплавных 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 не ограничена. Эффективность гидроабразивной резки различных классов легированных сталей и сплавов значительно выше в сравнении 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. Одновременно на базе данной технологии создают специализированные предприятия — своеобразные «центрорезы». Так, в конце
