Энергия воды под давлением использовалась еще в начале прошлого века как один из способов механического воздействия на твердые поверхности, в частности, в угольных шахтах – для размельчения пластов угля струей воды (при помощи брандспойтов), и на золотых приисках – для вымывали породы из шурфов.
В 60-е годы ХХ века данная технология использовалась в США при обработке оптоволоконных материалов для авиастроения.
Но прорыв в практическом применении гидрорезки состоялся в 1979 году, когда к водной струе, подающейся под сверхвысоким давлением, стали добавлять мелкие твердые частицы (абразив, гранатовый песок). Суть процесса заключается в отрыве и удалении из полости реза микрочастиц обрабатываемого материала высокоскоростным потоком гидроабразива. Проще говоря, резка производится посредством воздействия на обрабатываемый материал водяной струи с твердыми частицами, под сверхвысоким давлением. Эффективность действия двухкомпонентной струи, состоящей из воды и абразива, достигается путем оптимального подбора множества параметров резки: давления и расхода воды; расхода и размера частиц абразива и т.д.
Преимущества гидроабразивной резки
Указанная технология позволила резко увеличить режущие свойства струи воды и существенно расширить область применения и перечень обрабатываемых материалов (таких, как: металлы и их сплавы, камень, композитные и многослойные материалы и др.), и уже в начале 1980-х годов было начато промышленное производство оборудования и комплектующих для гидроабразивной резки.
Гидроабразивная резка – это естественный процесс эрозии без использования химически активных веществ и тепловой энергии. Именно поэтому исключается деформация и искажение, часто сопровождающие лазерную, плазменную и газокислородную резку, что сводит к минимуму необходимость вторичной обработки деталей.
Гидроабразивная резка является экологически чистым и абсолютно пожаробезопасным процессом, т.к. полностью исключает вероятность плавления материала и выделения вредных испарений. При этом, для обработки многих типов материалов, таких, как композиты, керамика, сотовые и многослойные конструкции, просто не существует альтернативы гидроабразивной резке.
При гидроабразивной резке размер пропила (ширина материала, удаляемого в процессе резки) составляет от 0,5 до 1,5 мм. Как правило, чем меньше пропил, тем точнее режущий инструмент. По сравнению с другими технологиями резки – газокислородной и плазменной – гидроабразивный пропил очень тонкий, что существенно повышает точность резки и позволяет максимально эффективно использовать материал для производства необходимых деталей. С помощью струйной гидроабразивной резки можно изготавливать детали с очень жесткими допусками, некоторые системы могут обрабатывать детали с допуском до 0,025 мм. При этом диапазон толщин обрабатываемых материалов составляет от 0,5 до 200 мм, благодаря чему технология гидроабразивной резки существенно превосходит другие современные технологии резки материалов.
Обрабатываемые материалы и сферы применения гидроабразивной резки
Впечатляет и спектр обрабатываемых материалов, а именно:
- металлы любой твердости (черные и цветные)
- керамика
- камень
- плитка
- резина, пластик, оргстекло
- пеноматериалы
- ткани
- дерево, фанера
- полиуретан, полипропилен.
Этим и объясняется высокая востребованность гидроабразивной резки в различных сферах хозяйственной деятельности и отраслях промышленности.
В частности, гидроабразивная резка применяется при изготовления деталей и элементов для:
- машиностроения и металлургии
- оборонной промышленности
- инструментального производства
- электротехнической промышленности
- рекламы
- нестандартных конструкций
- торгового оборудования
- текстильной промышленности
- пищевой промышленности
- авиационно-космической промышленности
- сельского хозяйства
- медицины
- строительства и архитектуры
- дизайна интерьеров и экстерьеров, ландшафтного дизайна.
Станок для водоструйной резки
Станок для 3d-гидроабразивной резки управляет режущей головкой одновременно по 5 осям: 2 из них – оси перемещения портала, остальные три отвечают за вертикальное перемещение режущей головки, ось наклона и ось вращения. Также станок оснащен системой компенсации конусности и системой поддержания высоты режущей головы. При этом угол наклона находится в диапазоне от -60° до +60°, угол поворота – в диапазоне от -270° до +450 °.
Система компенсации конусности реза обеспечивает наклон режущей головки и поддержание заданного угла подачи гидроабразивной струи по периметру обрабатываемой детали. Это позволяет полностью компенсировать конусность на торце вырезаемой детали.
Система поддержания высоты режущей головки обеспечивает равномерный зазор между соплом и поверхностью заготовки в любой точке обрабатываемого материала, что особенно важно при резке материалов с неровной поверхностью.
5-осевая обработка деталей
Пожалуй, наиболее уникальной характеристикой гидроабразивной резки является способность выполнять 5-осевую обработку деталей под углом до 60 ° без уменьшения рабочей области 2D.
5-осевая гидроабразивная машина позволяет выполнять 3d резку деталей любой сложности и конфигурации практически из любого материала: от лопаток (лопастей) турбин до фигурной резки кондитерских изделий.
Насосы, используемые в комплексах гидроабразивной резки
Гидроабразивная резка осуществляется посредством воздействия на обрабатываемый материал водяной струи с твердыми частицами, под сверхвысоким давлением. Эффективность действия двухкомпонентной струи, состоящей из воды и абразива, достигается путем оптимального подбора множества параметров резки: давления и расхода воды; расхода и размера частиц абразива и т.д. Заданное давление и расход воды обеспечивает насос высокого давления.
Насос – это фактически сердце системы гидравлической резки, которое создает давление, необходимое и достаточное для непрерывной подачи воды к режущей головке, в которой создается сверхзвуковая струя. В настоящее время в комплексах гидроабразивной резки используются, как правило, насосы двух типов: насосы с линейным усилителем и насосы с прямым приводом.
И те, и другие насосы способны надежно перекачивать воду сверхвысокого давления, и успешно используются в промышленности. У этих двух типов насосов есть определенные общие компоненты. Они имеют мотор, фильтры для воды, систему управления и датчики. При этом у каждого типа насосов есть свои преимущества. Так, насосы с прямым приводом более энергоэффективны, компактны, имеют меньшую стоимость и не требуют дополнительной охлаждающей воды. Насосы-усилители (интенсификаторы) имеют улучшенные интервалы обслуживания; лучше подходят для программ с большим количеством циклов включения/выключения; отличаются более быстрыми и простыми перенастройками; показывают меньше сбоев в работе и, соответственно, простоев; а также нагнетают гипердавление до 650 МПа.
Насос с линейным усилителем является оригинальной и наиболее распространенной технологией, используемой при гидроабразивной резке. В насосах-усилителях для повышения давления воды используется «принцип усиления». А именно: гидравлическое масло находится под давлением 20 Мпа, и под низким давлением воздействует на поршень, поверхность которого в 20 раз больше, чем поверхность плунжера высокого давления, который толкает воду. Следовательно, давление масла «усиливается» в двадцать раз, в результате чего давление воды составляет 400 МПа. «Принцип усиления» использует разницу в площади поршня/плунжера для увеличения давления.
Роторный насос с прямым приводом впервые был использован в полевых условиях в горнодобывающей промышленности, для удаления краски и промышленной очистки. Насосы с прямым приводом используются в 20% гидроабразивных систем, установленных во всем мире. В отличие от насосов с усилителем, роторный насос с прямым приводом не имеет гидравлического насоса. Электродвигатель, называемый насосом-триплексом, вращает коленвал с тремя поршнями для создания сверхвысокого давления воды.
