Гідроабразивне різання металу установки, обладнання, тиск

Технологія гідроабразивного різання матеріалів

Настільки широко поширені процеси плазмово-дугового поділу матеріалів мають свої обмеження. Наприклад, електрична дуга дуже нестабільна: під час роботи з металами підвищеної електропровідності (міді, латуні) операція у часто характеризується оплавленням бічних країв. Наявність газів – побічних продуктів плазмового різання – змушує проводити додаткові заходи щодо екологічного захисту ділянки такого різання. Плазмовий розкрій матеріалів – діелектриків (скла, каменю тощо) взагалі неможливий. У подібних ситуаціях немає альтернативи процесам гідрорізання. Найбільшу популярність серед такої групи методів набула гідроабразивна різка.

Сутність способу та варіанти його практичної реалізації

Роз'єднання матеріалів при гідравлічному різанні відбувається внаслідок впливу на поверхню розділу вузькоспрямованого потоку рідини – води – високого тиску. При цьому для інтенсифікації процесу в технологічну зону може одночасно подаватися дрібнодисперсне абразивне середовище (найчастіше з цією метою застосовують різні види піску). З'єднуючись, ці два потоки утворюють надзвичайно жорсткий струмінь, тиск в якому (завдяки підвищеній швидкості руху) локально перевищує межу міцності матеріалу, що розрізається. Якщо переміщати інструментальну головку, в якій відбуваються всі вищеописані механічні процеси, за певною траєкторією, то можна з необхідною якістю і точністю отримувати складні конфігурації контуру.

Гідроабразивне різання металу із застосуванням води зазвичай проводиться за наступних робочих характеристик:

Тиск - 2000 ... 5000 ат (менші значення - для більш м'яких переважнотонколистових матеріалів).
Швидкість водяного потоку – до 1000…1200 м/с.
Витрата абразиву – до 50 г/с
Середній розмір абразивної частки у плані – 100…600 мкм (зі збільшенням цього параметра точність роз'єднання матеріалів знижується).
Витрата води – до 4 л/хв.
Гідроабразивна обробка здійснюється у наступній послідовності. Матеріал, що розрізається, укладається у ванну, заповнену водою, і фіксується за трьома координатами щодо інструментальної головки. Це може виконуватися своїми руками на неавтоматизованій установці, а на обладнанні з ЧПУ – за допомогою попередньо набраної програми роз'єднання матеріалу.

Далі інструментальна головка занурюється у ванну, після чого включається інтенсивна подача води відповідних значень швидкості та тиску. Рідина, проходячи через сопло різака, змішується там з потоком абразиву, що тангенціально подається. Обидві струмені змішуються, і через отвір в нижньому торці сопла направляються на поверхню матеріалу, що роз'єднується. Вручну або програмно відбувається зближення сопла, внаслідок чого результуючий тиск струменя різко збільшується, виробляючи розмірне руйнування країв.

Частинки матеріалу захоплюються в зазор, що утворився, після чого, втрачаючи свою швидкість, потрапляють на дно ванни, звідки відкачуються спеціальним насосом, передбаченим конструкцією робочої установки. В процесі відкачування відбувається відділення фракцій абразиву від води, з подальшою його фільтрацією та сушінням. Зважаючи на достатню ємність баків для води, гідроабразивне різання може проводитися безперервно, і зі збільшеними швидкостями струменя.

Приклад різання металу на установці ГАР

Ванна обладнання, в якій проводиться гідроабразивна обробка, виконує двіфункції:

Знижує рівень шуму при розрізанні (до 78...80 дБ проти 130...140 дБ у разі обробки поза водяним середовищем);
Гасить енергію та швидкість струменя води.

Технологічні можливості способу

Технологія, що розглядається, найбільш ефективна в наступних випадках:

Для матеріалів-діелектриків, а також струмопровідних виробів, виготовлених із кольорових металів та сплавів на основі міді. Це тим, що параметри електропровідності мідних сплавів неможливо застосовувати для різання електричну дугу чи лазер.
При необхідності роз'єднання деталей дуже великої товщини – до 250...300 мм: у цьому випадку при плазмово-дуговому різанні завжди відбувається оплавлення краю.
Для забезпечення належної точності поверхні розділу: при правильному доборі режиму шорсткість кромки знаходиться в межах Ra 0,5...Ra 1,25, що помітно перевищує можливості будь-якого високоенергетичного методу.
При неприпустимості короблення готового виробу, що неминуче за будь-якого з варіантів технології термічного різання.

Гідроабразивне різання металу має свої обмеження, тому технологія розробляється з урахуванням наступних можливостей, зокрема, за товщиною:

Для кольорових металів та сплавів, а також нержавіючої сталі – не більше 120...150 мм;
Для вуглепластиків, композитних матеріалів – трохи більше 150…200 мм;
Для штучного та природного каменю (мармуру, граніту, базальту тощо) – не більше 270…300 мм.

При розробці технології слід враховувати, що струмопровідні матеріали відносно невеликої товщини (до 5...10 мм) струмінь, що виробляється робочою установкою, ріже погано: позначається помітна енергоємність, при продуктивності, порівнянній зплазмово-дугової або лазерної обробки. Однак це не означає, що технологія, що розглядається, не застосовна для поділу тонких пластин або листів: в цьому випадку абразивний потік відключається, і відділення виконується безпосередньо водяним струменем. В результаті поверхня не нагрівається, що унеможливлює окалиноутворення, високотемпературне оплавлення лінії розділу та інші недоліки, характерні для всіх технологій термічного поділу матеріалів.

Устаткування гідроабразивного різання

Верстат гідроабразивного різання – складне та енергоємне обладнання, що містить такі вузли:

Інструментальну головку, що оснащується функцією повороту різака під певним кутом, що дозволяє обробляти із заданою швидкістю поверхні складної конфігурації.
Насосну установку для прокачування води із системою її фільтрації.
Компресорну станцію подачі абразивних фракцій під тиском.
Робочий стіл із пристроєм трикоординатного позиціонування (для невеликого обладнання цю роботу виконує своїми руками оператор установки).
Ванну з водою, що конструктивно пов'язана зі станиною обладнання.
Робочі ємності для води та абразиву.
Керуючий пристрій ЧПУ або пульт для ручного позиціонування заготовки своїми руками.

Приклад продукції, яку виготовляють на устаткуванні ГАР

Найбільшою популярністю користуються апарати гідроабразивного різання італійської фірми WaterJet Corp. Inc., яка випускає обладнання консольного та портального типів. Перше призначене для різання відносно невеликої за розмірами продукції, друге, що відрізняється підвищеними точністю і жорсткістю, підходить для виробів, що обробляються, більшої товщини.

WaterJet Corp. Incвиробляє як самі силові установки, а й насосне устаткування до них. Ходовий портал апаратів фірми оснащується автоматизованим позиціонуванням, і дозволяє одночасно виконувати поділ матеріалів, різних не лише за своїм хімічним складом, а й за товщиною - якість, неможлива в принципі для обладнання термічного різання.

Гідроабразивне різання в багатьох випадках вважається єдиним способом отримання просторових деталей. Наприклад, тільки розглянутою технологією можливо виробляти поділ практично без нагрівання заготовки (максимальне підвищення температури кромки становить 600 ° С, а при обробці у водяному баку - менше). Подібним обладнанням можна виконати поділ товстолистового скла, кераміки, твердих сплавів – матеріалів, які дуже чутливі до підвищених температур. Хороша якість кінцевого результату виключає потребу в наступних переходах, а малу товщину струменя – до 0,8 мм – мінімізує втрати матеріалу. Високі тиски, створювані в зоні роз'єднання, не викликають появу залишкових напруг у заготівлі, і сприяють подальшому підвищенню її експлуатаційної довговічності.