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 – гидроабразивная резка 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
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 (dс.т. – dв.с. )/2, где dс.т. – внутренний диаметр смесительной трубки, dв.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 Al2O3, кварцевого песка SiO2, оксида железа Fe2O3 и других компонентов)
Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al2O3, 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 (SiO2)
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
Внутренний диаметр водяного сопла (мм)
Внутренний диаметр смесительной трубки (мм)
Расход абразива (г/мин)
0,25
0,76
270–360
0,36
1,02
500–640
0,46
1,27
800–1100
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)
