Ріжучий інструмент – вода: особливості технології, класифікація

Современная промышленность ХХІ века нуждается в новых наукоемких материалах и технологиях, например технологии механической обработки металлов и сплавов.

За последние десятилетия появились новые способы резания металла, такие как лазерная резка, плазменная резка, электроискровая и ультразвуковая резка. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Тем не менее, непрерывное расширение номенклатуры и сортамента конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует все новых технологий их обработки. Наряду с указанными, одной из таких технологий является резка высокоскоростной струей воды под большим давлением – водоструйная резка.

Сущность этого метода заключается в том, что режущим инструментом становится вода, сжатая до давления 4000 МПа и более, которая при пропускании через специальное сопло диаметром 0,08-0,5 мм развивает скорость 1000 м/с и более, а при расстоянии от среза сопла до поверхности материала в несколько миллиметров, обеспечивает тем самым давление на заготовку, превышающее предел прочности материала – за счет этого и осуществляется резка.

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

На сегодняшний день существует два способа водоструйной резки: непосредственная резка водой (гидрорезка – waterjet cutting ) и гидроабразивная резка (в струю воды добавляется абразив – abrasive waterjet cutting ). Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности - жидкостно-абразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины. Примеры этих двух способов представлены на рисунке 1. 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.

а б

Рисунок 1. Гидрорезка (а) и гидроабразивная (б) резка материалов.

Технология гидрорезания позволяет производить как продольную, так и поперечную резку металла. Оборудование позволяет нагнетать давление для резания и раскроя материалов до 4200 атмосфер, а также раскраивать материал габаритами до 2250 мм × 4000 мм используя трехкоординатную систему.

Подкупает видимая дешевизна режущего инструмента, т.к. запасы воды неисчерпаемы. Кроме того, водоструйная резка обеспечивает высокую точность резания и чистоту обрабатываемой поверхности (см. рисунок 2).

а б

Рисунок 2. Точность работы стана (а) и схема резки сложных деталей (б).

Водоструйная резка является альтернативой не только механической, но и лазерной, пламенной, ультразвуковой и электроискровой резке, а в некоторых случаях и вовсе единственно возможным видом обработки. Например, при резании хрупкого материала – стекла – гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры. И если водоструйная резка уступает алмазу при прямолинейных резах стекла, то никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

Области применения высокоскоростной струи жидкости не ограничиваются только гидрорезанием (в ряде случаев импульсная струя жидкости используется для упрочнения труднодоступных поверхностей сложной формы).

Используя технологию резки водой можно с высокой точностью и производительностью обрабатывать самые твердые материалы и различные их комбинации, а также: 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, твердые и титановые сплавы и т.д.

Однако, компоненты оборудования и установки для создания струи с высоким давлением (см. рисунки 4 и 5) достаточно дороги, и поэтому у водоструйной резки все-таки есть конкурирующие технологии. В частности, лазерная резка, поскольку лазерное излучение более универсально (резка, маркировка, упрочнение и т.п.).

Рис.4. Стан для обработки металла при помощи воды.

Рис.5. Аппарат гидроабразивной резки в действии.

Суммируя, можно сформулировать группы материалов, которые возможно успешно обрабатывать с помощью данной технологии:

- все виды металлов и сплавов, в том числе труднообрабатываемые и нержавеющие;

- твердые и титановые сплавы;

- жаропрочные стали и сплавы;

- композиционные материалы;

- стекло, керамика и металлокерамика;

- гранит, мрамор, бетон и железобетон;

- все виды полимеров.

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):

Оборонная промышленность – утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ. Авиастроительная и аэрокосмическая промышленность – сплавы алюминия, титана, на хромо-никель-кобальтовой основе, а также композитные материалы, используемые для комплектующих самолетов и двигателей.

Автомобильная промышленность – резание фальш-потолков, ковриков и приборных досок, бамперов из пластика, различных элементов тюнинга и сложных элементов двигателя. Так как сложная форма этих изделий создается с применением высоких температур, обрезка контура их осуществляется с помощью режущей головки с 6-тью степенями свободы, которые позволяют головке выполнить сложный контур реза.

Электронная промышленность – резание электронных плат для цепей (применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, что сделало технологию резки водой победителем в этой области). Применение технологии гидрорезки также снизило проблему расслоения материала.

Жилое и промышленное строительство – мозаика, плиты, плитка, твердая брусчатка, бетон, гипсовые блоки, изоляционные материалы, минеральные волокна. резка бетонных конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов и т. д. Гидроабразивная резка часто используется для производства сложных контуров в мраморе и граните (узкий пропил позволяет создавать инкрустации при изготовлении декора).

Камнеобрабатывающая промышленность – резка камня (резка гранита и мрамора), резка стекла и резка плитки. В этой области водоструйная резка часто используется для производства сложных контуров из плоских плит. Благодаря очень узкому пропилу, можно создавать инкрустации для производства декоративных и отделочных материалов. Прежде всего, промышленным способом можно производить то, что раньше могло быть сделано только при помощи техники оператора.

Стекольная промышленность – композиционное стекло, армированное стекло, оргстекло. Стекло – один из наиболее интересных материалов для применения гидроабразивной резки. Даже при хорошо известных трудностях, из-за хрупкости материала, гидроабразивная резка позволяет создавать немыслимые формы и контуры. Эта технология применяется в области мебельных компонентов, т.к. она позволяет вырезать даже очень сложные контуры. Применение, в котором гидроабразивная резка является абсолютным лидером, это резка специального стекла, как например, многослойного армированного стекла толщиной до 40 мм.

Кожаная и обувная промышленность – резание подошв, передков ботинок и других форм.

Пищевая промышленность – резка продуктов глубокой заморозки, различных видов плотных пищевых продуктов, шоколада. Деревообрабатывающая промышленность – ламинированные деревянные панели, шпон, твердая древесина.

Машиностроение, производство оборудования – шестерни, отливки, компоненты, сделанные из высококачественной стали, меди, алюминия, титана и коррозионноустойчивых металлов, изготовление сложных конфигураций по компьютерной программе (см. рисунки 6 и 7).

Рис. 6. Раскрой сложной детали

Рис.7. Гаечные ключи, изготовленные при помощи водоструйной резки.

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^oС) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. 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 у последних не создается разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции.

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 1,0-3,0 мм.

4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью R_a 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).

Таблица. Скорость водоструйной резки, м/мин

Толщина материала, мм
Мрамор	4,5-6,0	2,0-2,7	0,9-1,2	0,3-0,45	0,1-0,15
Гранит	3,2-4,0	1,5-1,8	0,7-0,8	0,2-0,3	0,06-0,1
Стекло	5,8-6,5	2,5-3,0	1,1-1,4	0,35-0,5	0,1-0,16
Алюминий	2,1-2,8	1,0-1,2	0,4-0,5	0,12-0,2	0,04-0,07
Титан	1,0-1,3	0,5-0,6	0,2-0,3	0,07-0,1	0,01-0,03
Нержавеющая сталь	0,7-1,2	0,3-0,5	0,12-0,22	0,04-0,07	0,01-0,25

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.

Как в любой технологии, у водоструйной резки имеются и недостатки. К ним можно отнести:

- сложность создания высокого давления жидкости;

- относительно низкая стойкость сопла и сложность его изготовления;

- довольно высокая стоимость оборудования;

- высокая энергоемкость;

- необходимость масштабного производства.

Дата добавления: 2014-01-04