Гидрорезка (водоструйная резка) - вид резки, при котором материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды. При гидроабразивной резке для увеличения разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала - абразива.

Общепринятые обозначения

ГАР
WJC - Water Jet Cutting - резка водяной (или водно-абразивной) струей
AWJC - Abrasive Water Jet Cutting - абразивная водоструйная резка

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.

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.

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. Схема гидроабразивной резки

Рисунок. Схема смешивания частицы абразива

При гидрорезке (без абразива) схема упрощена: вода под давлением вырывается через сопло и направляется на разрезаемое изделие.

Таблица. 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. - d в.с.)/2, где d с.т. - внутренний диаметр смесительной трубки, d в.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. Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке

Наименование Характерная область применения
Гранатовый песок (состоит из корунда Al 2 O 3 , кварцевого песка SiO 2 , оксида железа Fe 2 O 3 и других компонентов) Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al 2 O 3 , 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.

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. Типичная форма реза в зависимости от условий резки

Рисунок. 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.

Фото. Вид поверхности реза в зависимости от скорости водно-абразивной резки

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. 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
(200-100) 		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. Оптимальный расход абразивного материала при некоторых соотношениях диаметров смесительной трубки и сопла

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. 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. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 6000 бар (около 5922 атм)

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

Фото. 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

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:

  • более высокое качество реза из-за минимального термического влияния на заготовку (без плавления, оплавления или пригорания кромок);
  • возможность резки термочувствительных материалов (ряда пожаро- и взрывоопасных, ламинированных, композитных и др.);
  • экологическая чистота процесса, полное отсутствие вредных газовых выделений;
  • взрыво- и пожаробезопасность процесса.

Водно-абразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше. 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.

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. 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

Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует новых технологий их обработки. Одной из таких технологий является резка высокоскоростной струей воды под большим давлением — водоструйная резка.

Возможность использования струи жидкости под сверхвысоким давлением в качестве режущего инструмента для обработки различных материалов впервые была описана в СССР. Произошло это в 1957 году. Но запатентован такой способ обработки материалов был только через четыре года, и не в Союзе, а в США.

Природный инструмент

Инструментом водоструйной резки материалов является определенным образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,08-0,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала — за счет этого и осуществляется резка.

Существуют два способа водоструйной резки материалов:

  • резка водой, или гидрорезка — waterjet cutting;
  • гидроабразивная резка (вода плюс абразив) — abrasive waterjet cutting.

Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности — жидкостно-абразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины.

Режимы водоструйной резки, осуществляемой обоими способами, могут быть расширены за счет подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, которые придают ей абразивные свойства.

При водоструйной резке учитывается и угол атаки — угол между направлением струи и обрабатываемой поверхностью. Максимальная режущая способность и производительность процесса достигаются при угле атаки в 90°.

Материалы и области применения

С помощью водоструйной резки могут обрабатываться практически все материалы: бумага и картон, ткани, кожа и резина, стекло и керамика, гранит и мрамор, бетон и железобетон, все виды полимерных материалов, в том числе композиционные, фольгированные и металлизированные пластики, все виды металлов и сплавов, включая труднообрабатываемые — нержавеющие и жаропрочные стали, твердые и титановые сплавы.

За рубежом спектр отраслей, в которых сегодня применяются технологии водоструйной резки, широчайший. Прежде всего это: космическая отрасль и ракетостроение, оборонная промышленность, авиа-, судо-, автомобиле- и приборостроение, электротехника и микроэлектроника, легкая (в том числе кожевенно-обувная) и пищевая промышленность, строительство, медицина.

Особенно часто водоструйная резка применяется для осуществления следующих технологических операций (здесь приводится далеко не полный перечень):

  • 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 — резание электронных плат (применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, а также решить проблему расслоения материала), снятие облоя с корпусов микросхем;
  • в автомобильной промышленности — резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бамперов из пластика и пр.;
  • в строительстве — резка бетонных конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов и т. д. Водоструйная резка часто используется для производства 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.

Плюсы и минусы

Основные достоинства водоструйной обработки состоят в следующем.

1. Нивелирование теплового воздействия. Генерируемое в процессе резания тепло практически 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 (1-100 Н) и температура (+60...+90°С) 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.

2. 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, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции. Гидроабразивные системы способны резать металлы толщиной до 300 мм, камень и бетон — до 1000 мм. При этом достигается достаточно высокая точность обработки — 0,1 мм при резке металлов толщиной до 100 мм.

3. Способность воспроизводить сложные контуры и профили. При высокоструйной обработке можно воспроизводить очень 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 0,1-3,0 мм.

При резании хрупкого материала — стекла — гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; хотя водоструйная технология и уступает алмазу, когда делаются прямые резы стекла, зато никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 0,5-1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.

5. Технологичность процесса. Инструмент резки (струя воды или вода плюс абразив) не нуждается в переточке; ударная нагрузка на изделие минимальна, отсутствует обратная реакция на режущий инструмент, так как между изделием и инструментом нет непосредственного контакта; 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; существует возможность резки на расстоянии около 200 метров от насоса, а также возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя и более режущими головками на одном столе или несколькими головками на разных столах; резку можно осуществлять на высоте и на глубине до нескольких сотен метров, в том числе и под водой.

6. Экономичность процесса. Скорость резания — высокая. (Скорости резки различных материалов зависят от многих факторов, средние значения этих скоростей для различных материалов приведены в таблице). Рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно делать отверстие. 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).

7. Автоматизация процесса. Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.

8. Доступность. Использование таких относительно недорогих компонентов, как вода, и, например, кварцевый песок в качестве абразива, делает процесс доступным.

9. Безопасность. Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Отсутствует радиационное излучение, опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц. Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.

К недостаткам технологии гидрорезания можно отнести: конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, довольно низкую стойкость сопла и сложность его изготовления.

Факторами, сдерживающими практическое внедрение водоструйной техники на предприятиях, являются:

  • высокая энергоемкость по сравнению с рядом других типов резания;
  • несоответствие реальных характеристик заявленным (например, меньшая скорость струи, не позволяющая выполнять процесс резания определенных материалов);
  • отсутствие у некоторых потенциальных потребителей необходимого масштаба производства, что делает установку гидрорежущего оборудования нерентабельной;
  • довольно высокая стоимость по сравнению с другим, например, электромеханическим, оборудованием для резки.

Скорость водоструйной резки, м/мин

Толщина материала, мм

Алюминий

Нержавеющая сталь

Луч или струя?

Водоструйная резка — альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, ультразвуковой резке, а в некоторых случаях это, как уже говорилось, и вовсе единственно возможный вид обработки.

В настоящее время водоструйная и лазерная резка машиностроительных материалов, применяемых в сходных областях, являются конкурирующими технологиями. В том и в другом случаях режущий инструмент формируется в самой машине за счет конструктивных особенностей соответствующих узлов, а затем, перемещаясь по энергетическому каналу или трубопроводам, подходит к узлу, где процесс его формирования завершается. При применении обеих технологий отпадает необходимость в хранении, заточке и перестановке рабочего инструмента — он постоянно обновляется за счет непрерывности его образования во времени.

Не углубляясь в анализ достоинств и недостатков этих технологий, необходимо отметить, что лазерное излучение более универсально (резка, маркировка, упрочнение и т. п.), хотя и область применения высокоскоростной струи жидкости не ограничивается только гидрорезанием (в ряде случаев импульсная струя жидкости используется для упрочнения труднодоступных поверхностей сложной формы).

Определенное преимущество гидрорезания перед лазерной резкой состоит в отсутствии области термовлияния на кромках обработанных деталей, но не всегда это условие является определяющим. Так, установлено, что при лазерной резке деталей из конструкционных сталей типа 20, 30 ХГС и др. повышается их усталостная прочность и долговечность по сравнению с механически вырезанными деталями.

Возникает закономерный вопрос: а существуют ли какие-либо рекомендации по использованию той или иной технологий? Опыт производителей и пользователей говорит: да, существуют.

С точки зрения экономической целесообразности применение водоструйной технологии наиболее оправданно при резке хрупких (стекло, камень) заготовок толщиной 40-100 мм, фанеры, древесины, композиционных материалов во всем диапазоне допустимых толщин, при больших объемах раскроя: нержавеющей стали при толщине листа свыше 6-10 мм, меди — свыше 2-3 мм, алюминиевых сплавов — свыше 5-6 мм.

При контурном раскрое тонкого листа практически всегда более эффективны лазерные системы, поскольку себестоимость лазерной резки заготовок с малой толщиной значительно ниже, чем себестоимость резки гидроабразивной.

В конечном счете, области применения лазерной и водоструйной технологий резки в машиностроении будут разделены их технологическими и экономическими показателями. Бесспорно одно: при сегодняшнем уровне развития машиностроения объемы применения водоструйной резки (в США, Европе, странах АТР) постоянно увеличиваются.

Основные компоненты гидрорежущего оборудования

В комплекс для водоструйной резки входят: насос высокого давления; режущая головка; координатный стол и приводы перемещений режущей головки; разводка высокого давления; система подачи абразива (для гидроабразивной резки); система числового программного управления. Дополнительно комплекс может оснащаться: устройством для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой; системой из нескольких режущих головок; механической системой предварительного просверливания; ловушкой струи воды, гасящей ее энергию и служащей также для сбора отработанного абразива, и рядом других.

Гидрорежущее оборудование обладает разной степенью универсальности и автоматизации, в том числе изготавливается и в виде роботизированных комплексов.

Насос высокого давления обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная принципиальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двустороннего или одностороннего действия (рис. 1). Выбор компоновки зависит от конкретных условий обработки (например, от допустимой величины перепада давления, требуемого расхода жидкости), что позволяет достичь заданных результатов как по производительности, так и по качеству. Кроме того, используются стандартные регулирующие, распределительные, контрольные и вспомогательные гидравлические устройства.

Для обработки крупногабаритных или отдельно стоящих изделий в условиях завода, порта, полигона, для выполнения работ под водой насос высокого давления может монтироваться на любом транспортном средстве — электрокаре, автомобиле, судне. В этом случае подвод жидкостной струи к изделию, расположенному, как правило, на некотором расстоянии от насоса высокого давления, осуществляется с помощью гибкого шланга.

Режущая (струйная) головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента по своим геометрическим и энергетическим параметрам. 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.

Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований и одновременно — об отсутствии оптимальных конструкций. Приведем следующую классификацию:

  • струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов (снабжены специальными конструктивными элементами);
  • жидкостно-абразивные струйные головки. Наиболее совершенными считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с минимальными нарушениями их гидродинамических характеристик;
  • струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости. В конструкцию введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет не только усилить режущие возможности струи за счет образования льдинок в струе, но и повысить износостойкость сопла благодаря образованию замороженного слоя на его поверхности;
  • комбинированные сопловые головки.

На рис. 2 показаны принципиальные схемы режущих головок как для гидро-, так и для гидроабразивной резки.

Кстати, опция — до четырех режущих головок, работающих одновременно, — используется в конструкции систем водоструйных установок, выпускаемых практически всеми ведущими мировыми производителями оборудования.

Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла . Разработана универсальная методика анализа гидравлических характеристик сопел с различными профилями внутреннего канала. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее рациональным внутренним профилем сопла, повышающим производительность водоструйной обработки различных материалов примерно на 20%, является катеноидальный профиль.

Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней — сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250-500 часов. На рис. 3 показана режущая головка модели Paser 3 американской компании Flow International Corporation.

Разводка высокого давления. Вода под высоким давлением подается от насоса высокого давления к режущей головке системой неподвижных и подвижных труб. Для обеспечения плотности соединений при движении портала и рабочей головки используются специальные шарниры высокого давления или спиральные трубки специальной формы.

Система подачи абразива. Используются две системы подачи абразива — вакуумная, работающая по принципу пульверизатора, и та, что работает под давлением. Абразив засыпается в бункер, находящийся рядом с рабочим столом, и подается к рабочей головке по гибким шлангам. 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.

Производители

Российский рынок оборудования для водоструйной резки материалов способен удовлетворить практически любые запросы. Представленная на нем продукция таких специализированных зарубежных фирм, как американской Flow International Corporation (с множеством филиалов во всем мире), шведской Water Jet Sweden АВ, итальянской Waterjet Corporation, чешской PTV, а также таких известных в мире производителей оборудования для обработки листа, как швейцарский концерн Bystronic, германская компания Trumpf, позволяет решать практически любые задачи. Тем не менее, данный сегмент рынка оборудования развивается достаточно активно, о чем свидетельствует появление на нем в последнее время продукции еще целого ряда зарубежных производителей, среди которых компании: Sato Schneid-systeme (Германия), Aliko (Финляндия), Trenntec (Германия), ESAB Welding & Cutting Productions (Швеция), Digital Control (Франция).

Из производителей гидравлических устройств и, в первую очередь, насосов высокого давления следует отметить компанию Ingersoll Rand (США) — безусловного мирового лидера продукции этого класса. Естественно, что такие ведущие производители гидрорежущего оборудования, как, например, Water Jet Sweden АВ, в качестве основных узлов, связанных с созданием самого потока струи, используют оборудование Ingersoll Rand. Например, насос высокого давления модели Strimline серий SL IV этой фирмы создает необходимое давление воды в 4000 бар, которое затем с помощью сапфира с диаметром проходного сечения 0,08-0,5 мм превращается в кинетическую энергию струи со скоростью 900 м/с.

Лидером российского гидрорезания является город Владимир, где на базе разработок Владимирского госуниверситета в исследовательской лаборатории гидрорезания и ОАО СКТБ ПО «Вектор» создано несколько моделей установок для водоструйной резки.

Промышленные установки выпускают ЗАО «Лазерные комплексы» (г. Шатура), ОАО «Туламашзавод», ОАО ЭНИМС (Москва), белорусское СП ООО «СПожиток». Еще недавно некоторые специализированные системы водоструйной резки производились Институтом горного дела (г. Хабаровск), украинским НПП «Индрис», Московским университетом, АО «Пеллемаш», однако сегодня об этой продукции ничего не слышно. Так или иначе, какой-никакой выбор и среди отечественной продукции есть. Хотя, положа руку на сердце, следует признать, что до лучших мировых образцов наше оборудование пока не дотягивает.

Лидер

Группа Flow International в 1971 году выпустила первую в мире установку водоструйной резки, а в 1981-м разработала метод введения абразива в водную струю, что значительно расширило возможности резания. По оценкам специалистов, станки компании имеют наилучшую точность позиционирования (порядка 0,07-0,08 мм), а, следовательно, и точность обработки.

Продукция компании позволяет решать практически все проблемы резки:

  • система WMC Waterjet Machining Center предназначена для любой двумерной резки, в том числе в промышленных масштабах. Ее главная отличительная особенность — увеличение производительности, достигающееся за счет запатентованной быстроподъемной оси Quicklift Z со встроенным сенсором и противоударным устройством;
  • для небольших работ по металлу и камню создана установка Inregratred Flaying Bridge;
  • компактная установка Bengal предназначена для водоструйной и гидроабразивной резки и подходит для лабораторного применения, изготовления инструментов и выпуска небольших партий изделий;
  • модульная система трехмерной резки Dragon применяется как для водоструйной резки мягких материалов, так и для гидроабразивной резки металла, камня, стекла, композитов.

Компания разработала новую технологию гидрорезания, позволяющую, как утверждают разработчики, увеличить скорость резки практически на 300%. Система Dynamic Waterjet, обеспечивающая активный контроль точности, создана на основе математической модели, используемой для управления положения «руки» с рабочей головкой. Эта система автоматически исключает образование скосов при резке и обеспечивает требуемую точность детали с учетом заданных допусков. Система исключает необходимость дополнительной обработки после водоструйной резки и позволяет сократить машинное время резки металлов и композиционных материалов толщиной 1,25-480 мм. Кроме того, благодаря повышению точности резки, сокращаются потери листового материала при раскрое.

Альтернатива

Несмотря на признанный статус лидера, конкуренты у компании Flow есть, и весьма серьезные.

Одним из них является шведская компания Water Jet Sweden АВ. В качестве сопла фирма Water Jet применяет собственную запатентованную режущую головку, а также использование сопла Avtoline фирмы Ingersoll Rand. В настоящее время наиболее популярна в механическом секторе установка NC3015S с используемой поверхностью стола 3010 x 1510 м. Управляемая ось Z — стандарт для всех систем. А выпускаемые фирмой установки с четырьмя и пятью управляемыми осями позволяют осуществлять такую обработку, как, например, прорезание пазов с профилем притуплённого конуса.

Начав работу, как дилер фирмы Flow, компания PTV за прошедшее время освоила собственное (т. е. чешское) производство большей части этого оборудования. В первую очередь это относится к координатным столам, которые сегодня проектируются и изготавливаются на фирме PTV. Кроме того, все вспомогательное оборудование также проектируется и производится в Чехии. Сейчас PTV закупает в США только гидравлическое оборудование высокого давления — насосы, аккумуляторы, трубки и т. п., что составляет менее 50% от общей стоимости системы. Компания PTV использует на своих установках разработанное чешскими фирмами программное обеспечение в сочетании с системами управления фирмы Siemens.

Диапазон возможных скоростей резки (т. е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) на установке фирмы PTV колеблется от 1 до 30000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке деталей самых разных размеров и толщин.

Универсальная установка итальянской компании Waterjet Corporation для гидроабразивной резки WJ 1630/50 портального типа создает давление струи в 4130 бар. Режущая головка способна вести пятикоординатную обработку. Другие портальные машины компании предназначены для резки труб с двойной рабочей областью (резка шестиметровых труб осуществляется с автоматическим вращением трубы и задним упором), а также для роботизированных операций (станок с двумя режущими головками и с автоматической загрузкой и выгрузкой).

Устройства гидроабразивной резки Byjet Bystronic имеют мощную специализированную систему ЧПУ, обеспечивающую автоматический выбор и оптимизацию параметров обработки при резке различных материалов по любому контуру, автоматическое управление подачей абразива и давлением воды в реальном времени в зависимости от особенностей конфигурации обрабатываемого контура, а также свойств материала и толщины. Благодаря применению специального дозатора системы Byjet Bystronic могут использовать абразив практически любого типа с, зернистостью от 0,05 до 0,3 мм. Применение специальной системы управления насосом высокого давления обеспечивает отсутствие пульсаций воды на выходе, что позволяет достичь наилучшего качества обработки.

В потенциале

И еще несколько слов об установках, представляющих, по нашему мнению, потенциальный интерес для отечественных производителей.

Установка Quickjet, созданная германской Trenntec, имеет жесткую сварную конструкцию, которая в сочетании с закаленными и шлифованными направляющими обеспечивает точность позиционирования 0,1 мм на 1 м длины и точность воспроизведения (повторяемости) в пределах 0,05 мм. Регулирование по оси Z можно осуществлять вручную на длине 150 мм. Имеется насос высокого давления, система воздушного охлаждения, резервуар с абразивом, вмещающий 50 кг, устройство автоматической подачи абразива в режущую головку. Расход воды — 2,6 л/мин под давлением 380 МПа.

Французская Digital Control представляет станок для водоструйной резки под давлением 380 МПа. Для мягких материалов предназначена резка водяной струей, а для твердых материалов — гидроабразивная резка. Площадь обработки — 1500 х 1000 мм. Станок оснащен насосом высокого давления мощностью 22 кВт, режущей головкой с системой подачи абразива и цифровой системой управления Cyborg 2000. В системе управления имеется постпроцессор для преобразования файлов, для обеспечения возможности подготовки программ вне станка, для обеспечения ручного или автоматического раскроя листов.

Отечественная продукция

Исследовательская лаборатория гидрорезания (г. Владимир) представляет полуавтоматический станок с ЧПУ для разрезки листовых труднообрабатываемых материалов (стекло-, угле-, боропластиков, титана, керамики, стекла, магнитных и твердых сплавов), вырезки отверстий произвольной формы и деталей сложного контура. Станок состоит из двух модулей: привода главного движения — станции высокого давления и привода подач — двухкоординатного стола. Привод подач оснащен системой ЧПУ, обеспечивающей точное перемещение стола по двум взаимно перпендикулярным координатам и получение отверстий и деталей различной конфигурации по заданной программе.

Кроме того, владимирская лаборатория производит полуавтоматический станок с ЧПУ для обработки неметаллических материалов (кожи, картона, винила, резины и др.), полуавтоматический станок для снятия облоя с корпусов микросхем, полуавтоматический станок для очистки барабанов множительной техники, четырехпозиционный станок для очистки капиллярных отверстий наконечников, двухконтурный станок для расснаряжения военной техники.

ОАО «Туламашзавод» представляет технологическую установку гидроабразивного резания, предназначенную для резки сложнофасонных форм деталей толщиной до 150 мм из любых металлов и сплавов, раскроя неметаллических листовых материалов (мрамор, гранит, пластик, картон, стекло, керамика) со следующими габаритами рабочей поверхности стола — длиной до 4000 мм, шириной до 2000 мм.

Рабочая зона обработки установок ЗАО «Лазерные комплексы» ГЛ-250/5М и ГЛ-400/ЗМ составляет от 1200 х 800 мм до 6000 х 1500 мм.

ОАО ЭНИМС принимает заказы на изготовление как отдельных узлов установок для водоструйной резки, так и всей установки в комплекте.

Цена успеха

На вопрос о стоимости подобного оборудования однозначный ответ получить не просто. Все зависит от модификации модели, комплектации, наличия-отсутствия отдельных функций и т. д., и т. д. Разброс может быть весьма значительным. Но в любом случае стоить дешево такая техника не может. Например, в компании, представляющей интересы чешской фирмы PTV, называет такие цифры: от 5 до 10 миллионов рублей за установку. Представители компании утверждают, что при нормальной загрузке системы (в среднем 2500-3000 рабочих часов в год) время возврата инвестиций (как говорят в США, «payback time») составит полтора-два года. Отечественная продукция дешевле. В частности, ОАО ЭНИМС называет от 40 до 100 тысяч у. е. (читай: долларов или евро). В любом случае, делая выбор, стоит учесть информацию Water Jet: эксплуатационные расходы системы гидроабразивной резки типа NC3015S составляют примерно 0,26 тех же условных единиц в минуту.

А в заключение сказать, пожалуй, можно только одно. Если верить многочисленным организациям, анализирующим мировой рынок продукции машиностроения, производство оборудования для водоструйной резки — самый быстрорастущий сегмент станкостроительной промышленности.

Практически ни одно предприятие металлопроката и машиностроения не может обойтись без оборудования для разрезания листового металла. Часто к качеству реза предъявляются высокие требования, что не дает возможности использовать традиционное оборудование: гильотины и плазменную резку.


Гидроабразивная резка металла водой применяется еще с 60-х годов прошлого века. Впервые раскрой металла гидроабразивным методом официально стала использовать авиастроительная компания США. Позже компания официально заявила о том, что данный метод является оптимальным для резки металла и других высокопрочных материалов.

С тех пор гидроабразивный способ обработки получил широкое распространение. Ограничивается ли водно-абразивная резка только металлопрокатом или имеет более широкую сферу применения? Какие преимущества и недостатки у раскроя металла по гидроабразивной технологии?

Область применения гидроабразивной резки

Главным отличием, которое имеет гидроабразивная обработка металла, от остальных способов обработки листового металла является то, что на поверхность материала не оказывается механическое воздействие. Отсутствие трения, нагревания инструментов влияет на качество реза и возможные сферы применения.

Больше всего распространена водно-абразивная резка металла струей воды, но оборудование также применяют для разрезания следующих материалов:

  1. Мрамор, гранит, камень и другие горные породы.
  2. Стекло, керамика.
  3. Стали и металлы, включая: титан, нержавейку.
  4. Железобетон.
  5. Пластик, текстолитовые, эбонитовые и паронитовые плиты, резину.

При этом при разрезании удается достичь минимального расхода строительных материалов, комплектующих, и т. д. На предприятиях с повышенной пожаро и взрывоопасностью, гидроабразивные станки являются единственным возможным оборудованием соответствующим требованиям для проведения работ.

Принцип работы гидроабразивной резки

Применение станков водно-абразивной резки не ограничиваются только возможностью раскроя металлопроката, все же основная доля оборудования продолжает применяться непосредственно в этой сфере производства. Работа гидроабразивной резки основана на технологии подачи воды с определенным содержанием абразивного вещества под давлением, на поверхность материала. Что происходит во время резки?
  • Вода подается из специального резервуара под давлением в смеситель.
  • Одновременно в смеситель направляется абразивная смесь, обычно состоящая из мелких частиц песка.
  • После смешивания с абразивом, вода подается на сопло для резки металла гидроабразивной струей воды.
  • Тонкая струйка направляется на поверхность обрабатываемого материала и разрезает его.

Такой принцип работы позволяет существенно увеличить скорость обработки металла и качество его реза. Единственный расходный материал, который потребуется заменять, это сам абразивный порошок. Понадобится время от времени добавлять абразивный порошок в специальные резервуары.

Скорость гидроабразивной резки металла может сравниться с той, которая есть у плазменных автоматических станков. Но качество проведения работ может сравниться только с разрезанием с помощью лазера.

Оборудование для гидроабразивной резки

Еще в древнем мире заметили удивительное свойство воды под давлением изменять форму природных материалов, на которые она воздействовала. Камни становились гладкими, а постоянное падение с высоты небольшого количества воды оставляло глубокие выемки в самых твердых горных породах.

Этот же принцип используется в промышленных целях. Для этого просто необходимо в несколько раз увеличить давление воды при резке металла, а также проконтролировать направленность получаемой струи воды. Делается это следующим образом:

Помимо основных узлов оборудования, выбирая аппарат для резки металла водой, необходимо обратить внимание на наличие дополнительных опций для работы на станке. Расширенная функциональность устройства позволяет при необходимости выполнить фигурную резку.

Возможности гидроабразивной резки

Уникальный способ обработки материала с помощью узконаправленной струи воды под давлением нашел свое место во многих сферах производства и искусства. Одним из основных преимуществ гидроабразивного метода резки является полное отсутствие сколов, и нагревания поверхности, присутствующие при обычном разрезании предметов.

Благодаря современным технологиям и усовершенствованию станков удалось расширить их функциональные возможности и сферу применения.

В последнее время широкое распространение получила гидроабразивная резка труб. Благодаря специальным станкам для резки труб удается получить идеально ровно отрезанную окружность без отклонений.

Гидроабразивные станки с ЧПУ

Возможности использования программируемых станков с ЧПУ для гидроабразивной резки нержавеющей стали, алюминия, меди, других типов черных и цветных металлов разной прочности, позволили существенно увеличить и расширить сферы применения оборудования.

Благодаря станкам с ЧПУ обеспечивается производство точных деталей с минимальным отклонением от заданных размеров, что практически невозможно достичь традиционными способами резки. Принцип работы гидроабразивного оборудования с ЧПУ сводится к следующему:

Станки для гидроабразивной резки мелких деталей с числовым программным управлением могут отличаться по функциональным возможностям и основному предназначению. Перед приобретением станка с ЧПУ для резки мелко форматных деталей, необходимо обратить внимание на сферу применения и рекомендации связанные с эксплуатацией.

Ручная гидроабразивная резка

Некоторые станки управляются непосредственно оператором. В таком оборудовании угол наклона и все остальные корректировки необходимо выставлять вручную, что не совсем удобно и не может обеспечить комфортную работу. С другой стороны, УГР установка гидроабразивной резки листового металла без ЧПУ имеет свои преимущества, к которым относится:
  • Меньшая стоимость - по сравнению с ЧПУ станками, такая установка обойдется приблизительно в 1,5 раза дешевле.
  • Отсутствует необходимость в профильном образовании. Ручное гидроабразивное оборудование для резки железа имеет простое управление и минимальное количество функций. Это позволяет проводить все необходимые операции при обработке деталей простых геометрических форм.
  • Общие функциональные возможности оставлены без изменений. Ровный рез, а также разрезание материала под углом, вырезание простых геометрических фигур и раскрой материала можно делать и на обычном оборудовании. Гидроабразивная резка алюминия, меди, стали, стекла и других материалов возможно и на таком оборудовании.

Применение ручных установок ограничено их малой функциональностью. Сложные геометрические фигуры, использование станка в художественной резке и там, где требуется высокая точность, и качественный конечный результат, потребуется приобрести оборудование с ЧПУ.

Расходные материалы для гидроабразивной резки

Во время резки материала с помощью абразивных частиц появляется постоянная потребность в замене расходного материала и быстроизнашивающихся деталей оборудования. А именно:
  • Абразив для резки металла на гидроабразивном станке. Даже в наиболее экономных установках с ЧПУ расход абразивного порошка составляет около 300-350 гр. в мин. При этом толщина обрабатываемого материала может несколько увеличить коэффициент расхода. Для работы используется мелкий песок, изготовленный из натурального материала граната. Гранатовый песок обладает высокими прочностными характеристиками и используется даже для резки тугоплавких и тягучих материалов. При этом размер абразивных песчинок должен составлять не более 600 микрон.
  • Вода - кроме абразивного порошка, для резки потребуется использование воды прошедшей процедуру подготовки и фильтрации. Жидкость с примесями существенно влияет на качество реза, поэтому использование систем водоподготовки является не только желаемым, но и обязательным требованием.

Кроме этих двух основных расходных материалов, для обработки материалов также понадобится электричество, достаточное количество воздуха и регулярная замена изнашивающихся деталей.

  • Система подачи абразивной смеси чаще всего нуждается в замене. Установка нового сопла потребуется через каждые 50 часов работы, направляющей трубки 100 ч. Интересно, что по мере изнашивания этих деталей, абразивный гранатовый песок для гидроабразивной резки будет расширять диаметр этих узлов и в результате увеличит толщину реза с 1 до 1,5 мм. Что существенно, особенно если речь идет о дорогостоящих материалах.
  • Прокладки и уплотнения насосной станции. Эти комплектующие также считаются расходными деталями, которые изнашиваются довольно быстро и требуют постоянной замены. От уплотнителей зависит поддержание давления в системе. И первым признаком, на который необходимо обращать внимание является – падение рабочего давления при тех же производственных параметрах.

Можно встретить предложения приобрести абразивный материал по низкой цене, выполненный не из граната, а из других осадочных пород. Использование некачественного абразива существенно снижает производительность и увеличивает износ деталей станка.

Преимущества гидроабразивной резки

Существует восемь основных преимуществ, которые можно выделить при использовании ГАР. А именно:
  1. Отсутствие нагревания поверхности. В процессе обработки заготовки все выделяемое тепло моментально удаляется под воздействием воды. Из-за отсутствия металлических режущих элементов, получаемое от трения тепло незначительно. Минимальное тепловыделение обеспечивает точный рез материалов, поддающихся деформированию под воздействием высокой температуры.
  2. Функциональные возможности - достоинства гидроабразивной резки металла сложно перечислить, но одним из самых важных является то, что с помощью ГАР станка можно вырезать самые сложные формы заготовок. Также появляется возможность изготовления сложного профиля с любым необходимым радиусом, формами и контурами.
  3. Отсутствие дополнительных работ - после вырезания необходимой детали нет необходимости в последующем шлифовании и обрабатывании места реза. Небольшая шероховатость практически незаметна невооруженным глазом.
  4. Технологичность процесса реза - станок является полностью универсальным, при необходимости можно использовать для сверления. Существует возможность выполнения операции независимо от атмосферных и других условий. Ручные установки могут быть использованы для разрезания материала даже под водой или на глубине до нескольких сот метров. При этом от одного насоса высокого давления можно одновременно запитать 2-3 установки.
  5. Экономичность по сравнению с плазменной обработкой материала - плюсы водно-абразивной резки очевидны. Скорость разрезания может достигать 30000 мм/ мин. Причем это не влияет на качество реза. Если учесть что при разрезании теряется всего 0,5-1 мм материала, а также точность и полное соответствие готовой продукции задаваемым размерам, становится очевидным высокая рентабельность установки ГАР.
  6. Безопасность - станки могут устанавливаться даже на производстве с повышенной взрывоопасностью, при изготовлении легковоспламеняющихся материалов. Отсутствие нагревания поверхности, вероятности возникновения искры и другие характеристики делают применение водно-абразивных станков максимально удобным и безопасным.
  7. Возможность разрезания толстостенных материалов. Можно обрабатывать стальные листы до 3 см, а также бетонные армированные блоки с толщиной до 10 см.
  8. Универсальность станков - одна установка позволяет одновременно обрабатывать сталь, пластик, резину, ткань и т. д. причем при необходимости можно разрезать многослойные заготовки, состоящие из нескольких материалов.

Наиболее функциональными считаются станки с ЧПУ, но недостаток квалифицированного персонала объясняет, почему ручная резка с ГАР пользуется более высоким спросом.

Недостатки гидроабразивной резки

Основные минусы ГАР металла включают в себя следующие факторы:
  • Появление конусности - это особенно заметно при обработке толстостенной стали и других тугоплавких металлов. В результате торец заготовки вырезается не ровно, а в виде воронки. Конусность обычно устраняется с помощью дополнительного устройства автоматизации и контроля над конусностью.
  • Одинаковая скорость, как для толстостенных, так и для тонких материалов. Это существенно влияет на рентабельность оборудования. Вопрос решается с помощью складывания листов слоями для одновременного разрезания сразу нескольких заготовок.

В остальном использование ГАР удобно, практично и экономически выгодно. Оборудование для резки с помощью воды с абразивным порошком помогает решить важные проблемы, связанные с некачественной обработкой деталей, а также сократить время необходимое для производства. Расходные материалы полностью компенсируются экономичностью данного оборудования.

Современная цивилизация не мыслит себя без повсеместного использования стали. Железо, которое всего 400-500 лет тому назад ценилось едва ли не на вес золота, сегодня тоннами может бездарно ржаветь на свалках. Сталь выплавляется миллионами тонн, используясь абсолютно везде. Основной проблемой зачастую является ее обработка, так как многие сорта этого материала достаточно твердые, а современные технологические нормы весьма жесткие и не допускают рваных и грубых «линий отреза». Чтобы повысить качество готовых изделий, учеными была изобретена резка водой металла.

Когда ее стали применять на практике?

Как ни удивительно, но эта технология довольно-таки широко использовалась еще в 60-х годах прошлого века. Впервые она применялась в достаточно специфичных отраслях, наподобие авиастроения и космической промышленности. Но вскоре компании стали подумывать о том, что резка водой металла - превосходное новшество, которое может дать широчайшие возможности для всей промышленности при ее более широком внедрении в производство.

С тех пор этот метод обработки металлов становится все более и более популярным. Может ли использоваться резка водой металла только для листового проката, или же ей подвластны и прочие металлоконструкции? Какие у этого метода существуют достоинства и недостатки? Обо всем этом мы постараемся рассказать в рамках данной статьи.

Области применения

Основным преимуществом такого способа резки является то обстоятельство, что на поверхность материала практически не оказывается значимого механического воздействия. Полностью отсутствует трение, механизмы не нагреваются. Это оказывает крайне положительное влияние на качество среза и всей готовой детали.

Обрабатываемые материалы

Во-первых, сразу хочется отметить, что область применения метода не ограничивается одними только металлами и их сплавами. Он используется и для таких материалов, как:

  • Гранит, природный камень, прочие минералы.
  • Керамика и стекло.
  • Все металлы, включая даже титан и его сплавы.
  • Железобетон и бетон.
  • Все виды пластика и прочих синтетических материалов.

Что еще лучше, при этом удается достичь крайне малого расхода как самого сырья, так и комплектующих. Более того, при работе с опасными материалами именно резка водой металла является единственно допустимым методом, так как при этом нет искр, нет образования вредной пыли, полностью отсутствует возможность самопроизвольного воспламенения образующихся отходов производства.

Как это работает на практике?

Как мы и говорили, металлопрокат - не единственная сфера применения метода, но все же 70% работ идет именно в этой области. Сама технология основана на подаче воды с мелкодисперсионным под давлением на поверхность материала. Так что конкретно происходит во время резки? Вот основные технологические процессы:

  • Вода под огромным давлением подается в особо прочный резервуар.
  • В тот же момент туда «заправляют» абразив, обычно представленный мельчайшей фракцией песка.
  • После этого получившаяся смесь подается в сопло.
  • Струйка направляется на необходимую область и начинает резать материал.

Качество и скорость разрезки при таком подходе возрастают многократно. Время от времени лишь требуется добавлять абразив. Процесс этот полностью автоматизирован, никакого вмешательства обслуживающего персонала обычно не требуется.

Стоит учесть, что гидроабразивная резка позволяет достичь такой скорости, которая обычно достижима только при материалов. Но! Качество среза при этом таково, что его можно повторить, лишь используя лазер. Стоимость этих видов работ, и сложность используемого при этом оборудования сложно сопоставить, так как это совершенно разные «весовые категории».

Какое для этого используется оборудование?

Еще во времена Древнего Египта люди заметили, что вода способна кардинально изменять свойства тех материалов, которые подвергались ее воздействию в течение достаточно длительного времени. Даже твердые камни обкатывались до состояния гладких голышей, а на поверхности гранита и мрамора сравнительно быстро появлялись видимые углубления.

Впоследствии тот же принцип взяла на вооружение современная промышленность. Конечно, с древних пор существенно изменился порядок использования возможностей «оксида водорода»: во-первых, требуется обеспечить приемлемое давление воды, во-вторых - толщину и направление ее струи. Достигается это следующим образом:

  • Специальный насос очень высокого давления не только аккумулирует некоторый запас жидкости, но и подает ее к обрабатываемому материалу. Именно от мощности этого механизма зависят толщина и плотность стали, которая может быть разрезана. К самому насосу вода подается из обычной системы водоснабжения, причем (для предотвращения перерывов) желательно осуществлять ее сразу из нескольких источников.
  • За толщину струи отвечает специальный регулятор мощности. Скорость разрезания и толщина обрабатываемого материала зависят не только от его настроек, но и от характеристик используемого абразивного материала. Чтобы «разделывать» что-то более вязкое, приходится использовать трехфазный наполнитель, для простой же стали достаточно лишь воды и наполнителя, в роли которого, как мы уже неоднократно указывали, может быть использован самый обычный песок. Разумеется, что можно регулировать не только состав смеси… Какими еще параметрами характеризуется резка металла водой? Давление и скорость жидкости. Имейте в виду, что минимально приемлемая скорость воды должна достигать 1200 м/с при давлении около 4,7 т/см!

Прочее оборудование

Очень важны сопла. Их диаметр, а также используемые материалы напрямую зависят как от абразива, так и от скорости струи. при обработке металлов настолько высоко, что для этого могут быть использованы только высокопрочные сплавы. Сопла требуется менять, частота этого зависит от многих факторов. Одной из важнейших составляющих любого станка для «водяной» резки является смеситель. Именно от него зависит гомогенность получаемой смеси, а также качество срезов, наличие или отсутствие сколов на кромках обработанных деталей.

Заметим, что гидроабразивная резка невозможна без использования высокоточной автоматики. Особенностью этого способа обработки металла является конусность кромки, обусловленная свойствами воды при столь специфичных условиях ее применения. Чем выше скорость, тем больше этот показатель. Но! При повышении конусности прямо пропорционально снижается итоговое качество обработки материала. Чтобы снизить столь негативный эффект, может быть использована запатентованная технология Flow Dynamic Waterjet и подобные ей способы управления качеством продукции.

В чем заключается принцип работы «умных» технологий? Все сравнительно просто: автоматика сама определяет тип, вязкость и плотность обрабатываемого материала, а затем самостоятельно изменяет угол наклона и диаметр сопла. Только после этого начинается постоянно корректируемая резка металла песком с водой.

Подготовительные операции

Наконец, не менее важна система предварительной подготовки жидкости для последующего использования последней в системе резки металла. Чтобы максимально продлить сроки эксплуатации оборудования, а также для обеспечения максимального качества обработки, жизненно важна буквально кристальная чистота воды. Достигается это путем фильтрации через «высокоточные» фильтры, посредством которых из жидкости убирают все относительно крупные примеси с большой молекулярной массой.

Важно понимать, что различные производители предлагают разное гидроабразивное оборудование, возможности оснащения которого дополнительными функциями прямо зависит от стоимости станков. Так, расширенный функционал позволит при необходимости выполнять даже сложную фигурную резку, не говоря уже о более простых операциях.

Функциональные возможности резки водой

Во многих сферах искусства резка металла водой, цена которой значительно ниже лазерной обработки (от 15 рублей за метр) также нашла широчайшее применение. Дело в том, что одним из преимуществ этого метода является полное отсутствие сколов, а также нагревания поверхности, отчего получаемое изображение или профиль выходят в точности такими, какими их хотел видеть дизайнер или художник. Вот основные возможности, которые предлагает этот метод обработки материалов:

  • Нестандартная резка металла. Важно то, что при любом наклоне сопла срез получается очень качественным. Точность такова, что готовые детали после их изготовления можно использовать практически без подготовки.
  • Современные станки могут работать при минимальном вмешательстве человека, или же вовсе не требовать присутствия обслуживающего персонала. При помощи этого же оборудования можно вырезать детали самой сложной конфигурации, причем делать это в кратчайшие сроки, но с сохранением максимально возможного качества.
  • Особенно распространена обработка металлопроката. Так, станок для резки металла водой может срезать до 20 сантиметров среднеуглеродистой стали. Для титана показатели скромнее - в пределах 15-17 мм. Особо прочные сплавы - около 12 мм. Минимальный коэффициент приходится на долю меди и составляет всего 4-5 мм.
  • Декоративные элементы и украшения при использовании этого метода получаются не только очень качественными, но и дешевыми. Кроме того, конфигурация готовых изделий зависят не от опыта работника и не от «твердости руки», а исключительно от настроек. Если отклонение при резке не может превышать 0,5%, используют водой с ЧПУ.

В последние годы так все чаще режут трубы. Для этого применяют специальные станки, при помощи которых срез трубы получается изначально отполированным и очень гладким. Таким образом, гидроабразивная резка, услуги по которой предлагаются в любом крупном городе, становится все более распространенным и популярным методом обработки самых разных материалов.

Гидроабразивные станки с ЧПУ

Особенно расширить сферу применения данного метода помогли станки с ЧПУ, которые позволяют обрабатывать самые разные материалы, гибко настраивая качество работы, максимальную и минимальную толщину резки, а также прочие параметры.

Отклонения от заданных параметров получаются минимальными, чего практически нереально достичь стандартными способами резки. Принцип работы такого класса оборудования сводится к следующим действиям:

  • Сперва устанавливается соответствующее программное обеспечение, которое может быть разным для каждого типа материала. Программа автоматически подберет состав смеси, вид абразива и требуемый объем воды, давление и прочие параметры. За фигурную резку материалов отвечают специальные программы.
  • Как правило, дополнительная обработка готовой детали уже не требуется. Если параметры резки были подобраны неправильно или неточно, может наблюдаться некоторая шероховатость готового изделия. Но! Если используется станок с ЧПУ, который может самостоятельно подбирать параметры резки, такого практически не случается. В этом случае оборудование автоматически выбирает необходимый режим, ориентируясь на толщину, вязкость и плотность металла.
  • Помимо резки, такие станки позволяют высверливать отверстия различного диаметра и конфигурации. При этом мы слова повторяем уже описанное выше: если от оборудования требуется что-то особенное, необходимо выбирать те его модели, у которых есть соответствующие дополнительные функции.
  • Иногда эти станки могут использоваться не только для резки, но и для полировки готовых изделий и деталей, которые были сделаны на другом оборудовании.

Ручная резка

В некоторых случаях станками может управлять квалифицированный оператор. В этом режиме все настройки приходится выставлять в ручном режиме, что не всегда особенно удобно. Но имеют ручные способы резки металла и немало преимуществ, к числу которых относятся следующее:

  • Стоимость такой работы обходится примерно в полтора раза дешевле.
  • Профильное образование оператора при этом, как ни странно, не имеет особого значения. Дело в том, что ручное управление такими станками довольно просто, и не имеет большого количества сложных функций. Это оборудование используется в тех случаях, когда необходимо вырезать детали, имеющие простую геометрическую форму.
  • Функциональность станков при этом остается на прежнем уровне. Ровный срез, просверливание отверстий и прочие простые операции - все это можно делать и при ручном управлении. Кроме того, есть возможность обработки не только металлопроката, но и прочих материалов.

Надеемся, что вы поняли, как происходит резка металла водой. Данный метод чрезвычайно распространен в современной промышленности, с его помощью можно изготовлять детали практически любой формы и конфигурации.

Гидроабразивная резка металла – это технология резки, которая сейчас преобладает в металлургической, металлопрокатной и машиностроительной отраслях. Резка металла водой пришла на смену плазменной и классической резке на отрезных станках.

Впервые этот метод был разработан и применен в авиастроении, для резки самолетного алюминия. Американская компания, которая изобрела этот метод, после проведения работ и анализа, предоставила статистические данные о том, насколько эффективно применять гидроабразивную резку в промышленности.

Сегодня на больших машиностроительных заводах не обходятся без гидроабразивной резки: она позволяет добиться максимальной точности в производстве деталей из стали и тугоплавких материалов.

Преимущества метода

Гидроабразивная резка металла незаменима при обработке толстостенных заготовок. Получить действительно качественную линию среза возможно только таким методом. Применение гидравлической резки актуально при прокладке труб, в которых будет высокое давление. После резки, на всей линии, какой бы длинной она не была, не останется ни окалин, ни заусенец: никакой дополнительной обработки не требуется.

Нужно учитывать, что станок такого типа стоит дороже, чем более простые аналоги. Но изначальная стоимость компенсируется ценой расходных материалов, крепежных элементов и дополнительных узлов. Еще один плюс работы с гидравликой – даже при долгой работе не появляется дымовая завеса, пыль не летит во все стороны. К тому же не нужно следить за тем, насколько режущий инструмент острый, периодически заменять его и покупать дополнительное оборудование для заточки.

Одновременно с этим гидроабразивный способ резки металла позволяет поддерживать высокую скорость производства за счет быстрой скорости обработки металлических заготовок. Скорость резки не изменяется даже при обработке толстостенных заготовок. При этом гидроабразивный станок позволяет обрабатывать не только металл, но и стекло, резину, пластик и иные многослойные заготовки.

Принципиальное устройство станков

Учитывая тот факт, что гидроабразивные станки универсальны в применении, они имеют весьма специфическое устройство, которое позволяет им резать не только металлы.


Технология основывается на подаче воды под высоким давлением через форсунку к заготовке под определенным углом. В жидкость входит абразивный материал, который является вспомогательным компонентом резки. Чаще всего используется песок, измельченный до микрочастиц. Перед подачей вода и песчинки смешиваются в специальном предварительном резервуаре. Тщательно смешанная смесь подается к форсунке станка.

Водяной резак по металлу

В зависимости от заданной программы сформированная струя подается на заготовку. Сопло форсунки размещено на подвижной головке, которая может поворачиваться и наклонятся в произвольном порядке. Скорость резки водой можно сравнить лишь с плазморезом, а вот точность и качество сравнимы лишь с длительной лазерной резкой.

Современная сфера применения

Тенденции технического роста не обошли стороной и гидравлический абразивный станок для резки. Современное оборудование такого типа позволяет:


Эксплуатация станков с ЧПУ

Прогресс в плане гидроабразивной резки металла развивался бурно, и станки такого типа решили оборудовать ЧПУ. Числовое программное управление позволило добиться большей точности в резке и значительно ускорить процесс. В сравнении с работой мастера своими руками, управляемый электроникой станок может вырезать более сложные формы и проводить резку под различными углам.


Станки с ЧПУ используются для изготовления заготовок из различных сталей, алюминия, меди, бронзы и других широко распространенных металлов.

Преимущества гидроабразивных станков с ЧПУ выражается в таких моментах:


Оборудование с ручным управлением

Существует ряд гидроабразивных станков, которые не комплектуются ЧПУ и в них мастеру приходиться своими руками устанавливать параметры резки. Здесь значительно хуже комфорт работы, понижается точность и качеств обработки. Многие факторы зависят от того, насколько профессионален оператор станка. Но, как и везде, есть свои положительные моменты, которые мы увидим в этом списке:

  • Классические ручные станки намного дешевле, чем оборудование с программным компьютерным управлением.
  • Разобравшись в кнопках и рычагах даже человек без специализированного образования сможет справиться с работой на этом станке.
  • На таком оборудовании возможно получать большинство простых деталей и заготовок с несложными геометрическими формами.
  • Даже на ручном станке возможно получать качественный срез под разными углами, разрезать материал так, как того требует технология.

Расходные материалы и самостоятельная постройка станка

Чтобы гидроабразивный станок полноценно работал, требуется лишь вовремя проводить замену абразивных материалов и изношенных элементов, которые со временем теряют свой ресурс. Показатель расхода абразива зависит от толщины разрезаемого материала: бывает и так, что станок расходует около 300 г микрочастиц песка в одну минуту.

Во-время обработки металла максимальной толщины расход будет еще больше, около 500-600 г в минуту. К деталям, что часто требуют замены, относят различные уплотнители и элементы насоса высокого давления. Последние часто выходят из строя, так как станок всегда работает с крайне высоким давлением, что создает нагрузку на детали.

В плане построения такого станка самостоятельно есть одна проблема, решить которую практически невозможно – низкое качество самостоятельно изготавливаемых деталей. Дело в том, что построение гидроабразивного станка требует массу уникальных деталей и частей, которые придется заказывать у токаря и как-то создавать своими руками. Как правило, срок службы таких деталей не превысит нескольких дней, учитывая то давление, с которым приходится иметь дело.


В итоге, придется покупать оригинальные запчасти, узлы в сборе, в то время как другие части будут оставаться самодельными или взятыми из аналогов. В плане затрат денег – вы потратите практически столько же, сколько бы стоил новый полноценный гидроабразивный станок, плюс к этому еще и сил потратите массу.

Новая промышленная установка для гидроабразивной резки стоит от 3 млн. рублей, а б/у можно приобрести значительно дешевле.

Видео: Гидроабразивная резка металла