Гидроабразивная резка металла – технология, без которой не обходится машиностроительная и металлопрокатная отрасль.

Иногда достичь необходимого качества среза невозможно даже посредством плазменной резки, в связи с чем применяется оборудование для резки посредством гидроабразивной струи.

Впервые гидроабразивная резка металла была использована американской авиастроительной компанией, которая впоследствии представила данные о том, что такая технология является лучшим вариантом для обработки стали и прочих тугоплавких металлов.

С того времени водно-абразивный метод не перестает пользоваться спросом в разных производственных сферах. Сегодня станки, предназначение которых — обработка стали, труб и пр. гидроабразивной струей, очень популярны.

Оборудование, используемое для резки металла посредством гидроабразива, незаменимо в работе с толстостенными заготовками. Только эти станки способны обеспечить высокое качество линии реза стали во время прокладки труб.

После протачивания рабочего участка 200-мм металлического листа на поверхности линии реза стали нет ни окалин, ни заусениц.

Идеальное качество среза в сочетании со щадящим температурным режимом — это еще не все достоинства, которыми наделена водно-абразивная технология.

Высокая стоимость установок компенсируется экономией на крепежных элементах и узлах, которые не нужны даже при работе с тонкостенными заготовками.

Отсутствие дымовой завесы и пыли, а также других неприятных факторов – еще одно из многих достоинств гидроабразивной резки.

Помимо этого, нет надобности проводить замену изношенного режущего инструмента и контролировать остроту резака, так как, по сути, он отсутствует.

Вместо него функцию режущего инструмента выполняет струя воды в сочетании с абразивными компонентами.

Процесс начальной и финишной гидроабразивной обработки среза выполняется в один этап.

При этом скорость рабочего процесса проходит без замедлений, показатель скорости резки не понижается, даже если приходится обрабатывать толстостенные элементы, как, например, во время прокладки труб.

Универсальные характеристики станков для резки металла позволяют на одной установке проводить одновременную обработку разных материалов — это может быть пластик, стекло, резина или многослойное изделие.

Гидроабразивные установки для резки металла отличаются безопасностью эксплуатации, поэтому могут эксплуатироваться на заводах с вероятным риском взрывоопасности.

Принцип действия и применение гидроабразивных станков

Станки для обработки металла гидроабразивом универсальны в применении, ведь их возможности не заканчиваются на раскрое металлопроката. Принцип действия водно-абразивных установок можно посмотреть на видео.

Основывается технология на специально разработанной системе подачи воды под высоким давлением на обрабатываемую поверхность.

Вспомогательным компонентом жидкости является абразив, который добавляется в воду. Обычно в качестве абразивной добавки используют микрочастицы песка.

Вода и песчинки одновременно подаются в смеситель из отдельных резервуаров, где тщательно перемешиваются. В результате полученная взвесь под давлением попадает в сопло установки.

Затем рабочий водно-абразивный инструмент, в виде интенсивной с определенными параметрами струи, направляется на заготовку и разрезает ее.

В данном случае скорость гидроабразивной резки можно сравнить разве что со скоростью работы плазмореза, а вот качество выполненного таким методом среза может соответствовать только качеству разрезания лазером.

Стремительное развитие современных технологий позволило усовершенствовать станки путем расширения их эксплуатационных возможностей. Благодаря чему их сфера использования возросла.

На сегодняшний день водно-абразивное оборудование дает возможность:

• Проводить нестандартное разрезание любого материала, при этом меняющийся наклон реза не сказывается отрицательно на качестве. Рабочий процесс, выполняемый под любым углом наклона, дает возможность на выходе получить полностью готовые заготовки и не подвергать их финишной обработке;
• Вырезать детали самых сложных геометрических форм с помощью числового программного обеспечения. В данном случае обработка проходит полностью в автоматическом режиме и не требует человеческого участия. Оборудование управляется специально заданной компьютерной программой. Гидроабразивная резка (например, обработка труб) позволяет выполнить нужную окружность без допустимых погрешностей;
• Станки для обработки металла (труб) гидроабразивом, используемые в металлопрокате, дают возможность проводить разрезание максимальной толщины разного металла, как показано в видео. Так, обработка заготовки из среднеуглеродистой стали может выполняться с использованием материала максимальной толщины – 200 мм. Максимальная толщина титанового материала может составлять 15-17 мм; высокопрочные сплавы могут иметь толщину 12 мм. А вот толщина медной заготовки достигает лишь 5 мм;
• Гидроабразивная технология нашла свое применение также и в сфере искусства. Оборудование позволяет производить разнообразные предметы дизайна и украшения, чаще всего обработка фигур происходит с применением ЧПУ.

Особенности эксплуатации установок с ЧПУ

Гидроабразивное оборудование с компьютерным программным управлением — одна из возможностей расширить сферу использования станков, повысить эффективность работ и при этом увеличить производительность.

Больше подробностей можно почерпнуть из ниже предложенной информации и видео сюжета.

Станки с ЧПУ применяются для производства заготовок из стали, алюминиевых, медных и прочего типа металлов.

Строгая точность резки, которую обеспечивает водно-абразивное оборудование с ЧПУ, практически не имеет отклонений от поставленных задач.

Гидроабразивные установки с программным управлением, дают следующие преимущества:

• Станки, оборудованные ЧПУ, функционируют в соответствии с заданной программой. При этом обработка каждой заготовки выполняется по индивидуальному программному обеспечению. С его помощью автоматом подбирается давление струи, состав рабочей режущей взвеси и прочие параметры;
• Если на станках без ЧПУ подбор режущей струи может быть выбран неправильно, то в данной ситуации этот момент исключается. Оборудование самостоятельно контролирует качество среза, затем автоматически корректирует используемый режим;
• Обработка металлов с помощью программного обеспечения также предусматривает возможность проделывания отверстий нужного диаметра;
• Как можно судить по видео материалу, по завершению гидроабразивного процесса из заготовки выходит полностью готовая деталь, которую нет необходимости подвергать шлифовке или дополнительной обработке, в местах среза.

Ручные станки для водно-абразивной резки металла

Так как часть работы все же приходится делать своими руками, показатель удобства и комфорта использования такого оборудования далек от идеала.

Но в этом есть и свои плюсы, заключающиеся в нескольких простых факторах, которые в некотором смысле могут стать решающими при выборе оборудования:

• Оборудование без программного обеспечения в несколько раз дешевле станков с ЧПУ;
• Обработка на ручной гидроабразивной установке доступна для человека без специального образования;
• Ручные установки отличаются простой управления и небольшим набором функций, с настройкой которых можно справиться своими руками;
• При этом оборудование обеспечено всеми необходимыми техническими свойствами, которые позволяют получить заготовки с простыми геометрическими формами;
• Ровный качественный рез, возможность проводить срез под углом, раскрой материала и получение простых фигур со строгими геометрическими формами – все эти функции могут быть применены на любых материалах, включая сталь, стекло и медь. В качестве примера можно провести работу для прокладки труб.

Рассмотреть процесс настройки своими руками ручного станка и его действия можно в видео в разделе.

Подробно о расходных материалах для гидроабразивных станков

Все, что требуется для восстановления полноценной работы гидроабразивных установок для резки металла — это регулярно проводить обновление расходных материалов и изношенных элементов, ведь станки со временем выходят из строя.

Расход абразива, даже на станках с программным обеспечением, иногда превышает 300 г в 1 минуту, так как при работе с материалом, имеющим максимальную толщину, показатель возрастает.

В качестве абразива применяют микрочастицы природного гранатового песка, который способен обеспечить резку тягучих и тугоплавких заготовок. Величина микропесчинки может составлять до 600 микрон.

Помимо абразива, гидроабразивная технология не обходится без воды, которая предварительно подготавливается и проходит фильтры.

Если использовать жидкость без специальной системы подготовки, то качество среза значительно снизится.

Из деталей гидроабразивного оборудования чаще всего подлежат замене: система подачи абразивной взвеси, сопло и направляющие трубки.

А также уплотнительные элементы насосной станции, без которых не будет нужного давления в системе.

Дополнить вышеизложенную информацию позволит тематическое видео в нашей статье.

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.

При раскрое твердых и прочных материалов важное значение имеет способ резки. Традиционные способы (дисковая либо ленточная пила) обеспечивают высокое качество и скорость работы, но подходят лишь для линейного раскроя.

При изготовлении заготовок сложной геометрической формы применяются иные способы:

• Фреза позволяет резать материал с кромкой, не нуждающейся в последующей обработке, но диаметр фрезы влияет на потери материала (слишком широкий рез). К тому же, от этого диаметра зависит размер заготовок, мелкие детали получить не удастся. Фреза быстро изнашивается, возрастает стоимость работ (необходимо регулярно менять расходники).
• Резка кислородом (автоген) относится к недорогим и эффективным методам, но оплавленные края реза требуют последующей обработка. Годится лишь для грубого раскроя.
• Плазморез лишен перечисленных недостатков, но стоимость оборудования слишком высока, да и энергозатраты немалые. К тому же, плазмой обрабатываются только проводники. Камень или стекло разрезать не получится.
• Наиболее сбалансированный способ – гидроабразивная резка. Высокая скорость работ, точность раскроя, недорогое оборудование. Кроме того, тонкая струя позволяет обрабатывать изделия небольшой площади с высокой точностью.

Пример работы гидрообразивной резки по металлу – видео

На последнем способе остановимся подробнее.

Принцип действия гидроабразива

Попытки использовать давление воды для дробления материала осуществлялись столетия назад. На угольных шахтах впервые был применен водяной аппарат для добычи угля.

Затем инженеры догадались добавить в струю воды абразивные вкрапления, и «водяной нож» превратился в точный инструмент для обработки любой прочной заготовки.

Как работает гидроабразивная резка? Основа гидроабразивного резака – сопло, или форсунка. Именно этот элемент формирует режущую струю, способную разрушать даже сверхпрочные материалы.

Конструктивно форсунка состоит из следующих элементов:

1. Входной штуцер для воды, объединенный с первичной камерой создания сверхдавления. Мощный насос подает воду в камеру, затем происходит переход воды из отверстия большого диаметра в меньшее. При неизменном давлении воды, скорость потока увеличивается пропорционально разнице в диаметрах отверстий. Давление на входе составляет 2000-5000 атмосфер.
2. Штуцер для подачи абразивного материала. В качестве рабочего элемента применяются мелкие фракции песка. Он может быть обычным, силикатным, либо состоять из дробленых твердых минералов: например, граната.
3. Узел смешивания. В этой камере, поток воды увлекает за собой частицы абразива, формируя основу гидроабразивной резки: водно-песчаную взвесь. Регулируя давление воды и скорость подачи абразива, можно устанавливать различную мощность резака. Принцип работы камеры смешивания напоминает пескоструйную машину, только параметры намного мощнее, и в качестве носителя абразива выступает не воздух, а вода.

Гидроабразивная резка металла и алюминия представляет собой такой способ их обработки, при котором рабочим инструментом является смесь абразива и воды, подаваемая под высоким давлением с высокой скоростью.

1 Суть и технология гидроабразивной резки

Базируется данная технология на принципе влияния эрозионного плана абразивных твердых элементов и водяного направленного высокоскоростного потока на материал, подвергаемый резке. С точки зрения физики процесс обработки заключается в отрыве частиц материала из полости реза скоростной струей частиц, находящихся в твердой фазе.
Эффективность данной операции, а также стабильность ее протекания зависят от грамотного подобранных значений:

• размера и расхода абразивных элементов;
• расхода и давления воды.

При сжатии обычной воды под нагрузкой примерно 4 тысячи атмосфер и последующем ее пропускании через малое по сечению сопло (до 1 миллиметра), ее скорость в 3–4 раза превысит скорость звука. Если направить такой поток сжатой воды на какую-либо поверхность, он будет представлять собой мощнейшее режущее приспособление. А если еще дополнительно добавить в поток специально подобранные абразивы, он сможет без труда разрезать изделия из прочного металла толщиной от 10 и выше сантиметров.

Гидроабразивная резка своими руками ничем не отличается от процесса, предлагаемого в наши дни многими фирмами и предприятиями. Для обработки материала нужно приобрести специальное оборудование, которое функционирует по следующему принципу:

• в режущую головку агрегата при помощи нагнетательного механизма подается вода под давлением от 1000 до 1600 атмосфер;
• через дюзу малого сечения (от 0,08 до 0,5 мм) вода на сверхзвуковой либо близкой к ней скорости (около 1200 м/с) идет в устройство, где происходит ее смешивание с карбидами кремния, частицами электрокорунда или песка, иного материала с высокой твердостью;
• из смесительного отсека, который имеет диаметр (внутренний) сопла, полученная смесь подается на материал и разрезает его.

Остаточная энергия режущего потока гасится 70–100-сантиметровым слоем воды. Стоит отметить, что в некоторых агрегатах для резки абразивный материал смешивается с водой не в отдельной камере, а непосредственно в трубке, откуда он поступает на обрабатываемое изделие. При обычной гидрорезке абразивных частичек нет, и вода сразу направляется на поверхность, которую планируется разрезать.

2 Особенности резки изделий водой с абразивами

Струя при описываемой технологии обретает свой разрушительный потенциал в основном за счет абразивных составляющих потока. А уже сугубо транспортная функция ложится на воду. Частицы абразива при этом по размеру подбираются таким образом, чтобы быть не более 10–30 процентов от показателя сечения струи. Именно при таких условиях гарантируется стабильный поток и высокий эффект обработки.

В тех случаях, когда требуется получить малую шероховатость поверхности реза, используют частицы размером от 75 до 100 мкм, в остальных – от 150 до 250 мкм. В целом же, "идеальный" показатель абразива высчитывают как разницу между внутренними сечениями трубки для смешивания агрегата и водяного сопла, разделенную на два.

Выбор твердости абразивных элементов производят с учетом твердости детали, которая подвергается обработке, и вида материала, из которого она сделана. Не рекомендуется применять абразивы твердостью менее 6,5 единиц по шкале Мооса. При этом следует помнить, что режущая головка и ее отдельные компоненты изнашиваются намного быстрее, если используется очень твердый абразив.

Интересующий нас вид резки дает возможность обрабатывать:

• гранит, прочный камень, мрамор и аналогичные материалы;
• металлические, стальные, ;
• армированные пластики;
• используемые в космической и авиационной сфере титановые, композитные и алюминиевые сплавы, пластмассы с особо толстыми стенками;
• деревянные изделия;
• керамические конструкции;
• любые стройматериалы, включая высокотвердую дорожную брусчатку, железобетон и бетон, блоки из гипсовых композиций;
• изделия со специальными покрытиями;
• бронированное и обычное стекло;
• шестерни и аналогичные детали из металла.

Как правило, разные материалы режутся струей, содержащей определенные виды абразива:

• армированный углеродными либо стеклянными волокнами пластик обрабатывают потоком с силикатным шлаком;
• гранит, железобетон, стальные поверхности и прочие высокотвердые материалы – черным либо зеленым кремниевым карбидом, а также частицами электрокорунда;
• сплавы на основе титана и высоколегированные стали – гранатовым песком.

Большую часть трубок для смешения воды и абразива выпускают из специальных сплавов, которые характеризуются высоким уровнем прочности. Эксплуатироваться без замены они могут до 200 часов непрерывной работы. А сопла производят, как правило, из драгоценных камней – рубина, сапфира, алмаза. Алмазные конструкции без проблем выдерживают до 1,5–2 тысяч часов использования, остальные рассчитаны на 150–200 часов.

3 Гидроабразивная резка металла и других материалов – плюсы и минусы технологии

К самым важным достоинствам процесса резки с применением струи воды и абразива относят:

• отличное качество реза, обеспечивающее показатель 1,6 Ra (средняя величина шероховатости обработанной кромки материала);
• абсолютная взрыво- и пожаробезопасность операции;
• малые потери материалов при обработке;
• отсутствие в легированных и и сплавах на их основе явления выгорания легирующих добавок;
• отсутствие выделений газов при резке, как следствие, экологическая "безупречность" процесса;
• в зоне обработки нет термовоздействия (материал в данной области нагревается максимум до 90 градусов по Цельсию);
• большой спектр толщин материалов, которые можно разрезать (до 30 сантиметров включительно);
• высокая производительность (допускается упаковывать материалы небольшой толщины в общую связку и производить их разрезание за один проход потока);
• нет пригорания и плавления металлов в прилегающей к зоне реза областях, как, впрочем, и непосредственно в месте обработки;
• режущая головка делает минимум холостых ходов, что увеличивает общую эффективность применения технологии.

Описываемая резка признается оптимальной для изделий из меди, алюминия, латунных сплавов, которые имеют высокую теплопроводность. При других вариантах их обработки необходимо применять мощные нагревающие источники, что влечет за собой повышение стоимости работ. Даже лазерная резка медных и алюминиевых конструкций не так эффективна, как гидроабразивная.

Кроме того, такая обработка подходит для:

• выполнения скосов на обрабатываемых изделиях;
• резки объемных конструкций и высокоточного разрезания деталей по сложному контуру.

К недостаткам использования гидроабразивного оборудования относят:

• обусловленный огромной скоростью высокий уровень шума во время работы агрегата;
• малая (по сравнению с лазерной и плазменной технологиями) скорость резки тонколистовой стали;
• недолговечность головки для резания и иных компонентов оборудования;
• высокие затраты на эксплуатацию установки.

Уникальность технологии гидроабразивной резки заключается в том, что с ее помощью можно раскроить практически любые виды материалов. Важно отметить, что гидроабразивная резка является альтернативой не только механической, но и лазерной, плазменной, а также ультразвуковой резке, и в некоторых случаях является единственно возможной.

При гидроабразивной резке материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды. Для увеличения разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала – абразива. Иногда гидроабразивное оборудование называют «гидрорезка», «водоструйная резка», «водорезка», «ГАР» или «waterjet». В промышленности такие станки используются с 1982 года, а их прототипы, появились еще в 1970 году.

В чем же суть процесса гидроабразивной резки? 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 околозвуковой 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.

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. 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 (dс.т.- dв.с.)/2, где dс.т.- внутренний диаметр смесительной трубки, dв.с.- внутренний диаметр водяного сопла.

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

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

Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика

С помощью гидроабразивной 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.

Гидроабразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше. 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).

Почему не все пользуются станками ГАР?

Если у станков ГАР столько очевидных преимуществ, почему далеко не все применяют их на своем предприятии? Ответ скрывается не в самом процессе резки струёй воды с абразивным материалом, а в возможности контролировать этот процесс. До сих пор применение установок требовало от пользователя одновременно умения программировать и навыков опытного оператора.

Линейная скорость сопла станка ГАР должна изменяться в зависимости от изменений формы деталей. Слишком высокая скорость или ее резкое изменение может привести к снижению качества обработки. В прошлом применение гидроабразивной обработки требовало ручной установки программ для того, чтобы контролировать скорость передвижения режущей головки.

Однако даже самая лучшая программа требовала для обслуживания установок опытных операторов, которые могли бы контролировать их скорость. Когда струя абразивного материала продвигалась вдоль линии реза, оператор подбирал скорость движения сопла и таким образом оптимизировал процесс.

Слишком высокая скорость отрицательно сказывалась на качестве кромок и точности. При слишком низкой снижалась точность и повышались затраты времени. Если сопло установки ГАР проходило угол слишком быстро, это могло плохо повлиять на форму и качество резки.

В результате станки гидроабразивной резки применялись в массовом производстве, не требующем высокой точности обработки, например, для изготовления сотней деталей с помощью хорошо проверенной программы либо для резки материалов, не поддающихся обработке с помощью иных технологий. Появившиеся станки компании «WaterJet Corp.» (Италия) значительно упростили этот процесс. Гидроабразивная обработка стала гораздо более доступной, а оборудование - простым в эксплуатации.

Кроме того, компания выпускает установки с 4-мя и 5-тью управляемыми осями (рисунок №1), позволяющими осуществлять сложную резку деталей из листового материала. Например: вырезку деталей с внутренними и наружными фасками по любым криволинейным поверхностям, вырезку наклонных отверстий любого профиля с прямолинейной образующей и обработку сложных криволинейных пазов.

Помимо 4-х и 5-ти координатной резки деталей из листового материала, реализуемых с помощью режущей головки, Water Jet выпускает станки для объёмной 5-ти координатной гидроабразивной резки, имеющей возможность направлять гидроабразивную струю под любым углом к поверхности стола, в том числе горизонтально.

Примеры обработки

7 основных причин, по которым стоит выбрать установку гидроабразивной резки:

Установки гидроабразивной резки - долгое время считались оборудованием, предназначенным лишь для высококвалифицированных специалистов. Однако за несколько последних лет это оборудование сильно изменилось. Благодаря новым технологиям практически каждая механическая мастерская или производственное предприятие может позволить себе приобрести и эффективно использовать высокоточную систему гидроабразивной резки, даже обладая небольшим опытом или вообще не имея такой практики. Компания «WaterJet Corp.» совершила переворот в промышленности, предложив первую действительно доступную систему, сочетающую в себе возможности струи абразивного материала и высокоточной обработки.

• 1. Широкий спектр обрабатываемых материалов

Гидроабразивная резка подходит для различных материалов, в том числе металлов, керамики, композита, стекла, мрамора и гранита.

• 2. Высокое качество обработки краёв

После резки на установках гидроабразивной резки «WaterJet Corp.» края материала получаются такие же гладкие, как при пескоструйной обработке. Нет острых кромок, заусенцев, неровных краёв.

• 3. Отсутствие нагревания в процессе обработки

В связи с тем, что станки гидроабразивной резки используют воду и абразив, в процессе резки обрабатываемый материал почти не нагревается. Поэтому она идеальна для материалов, которые под влиянием высокой температуры деформируются или реагируют на тепло каким-либо иным образом (например, титан).

• 4. Безопасность для окружающей среды