Резка водяной струей

Основные характеристики:

• Температура луча: 5-90°С
• Давление луча: 100-600 МПа
• Разрезаемые материалы: любой твёрдый материал (включая труднообрабатываемые)
• Толщины: 0,5-300 мм (в зависимости от материала)
• Расходные материалы: вода, абразив

Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует новых технологий их обработки. Одной из таких технологий является резка высокоскоростной струей воды под большим давлением - водоструйная резка.

Возможность использования струи жидкости под сверхвысоким давлением в качестве режущего инструмента для обработки различных материалов впервые была описана в СССР. Произошло это в 1957 году. Но запатентован такой способ обработки материалов был только через четыре года, и не в Союзе, а в США.

Природный инструмент

Инструментом водоструйной резки материалов является определенным образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,08-0,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала - за счет этого и осуществляется резка.

Существуют два способа водоструйной резки материалов:

• резка водой, или гидрорезка - waterjet cutting;
• гидроабразивная резка (вода плюс абразив) - abrasive waterjet cutting.

Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности - жидкостно-абразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины.

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.

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

Материалы и области применения

С помощью водоструйной резки могут обрабатываться практически все материалы: 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, включая труднообрабатываемые - нержавеющие и жаропрочные стали, твердые и титановые сплавы.

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):

• в оборонной промышленности - утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ;
• в электронной промышленности - резание электронных плат (применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, а также решить проблему расслоения материала), снятие облоя с корпусов микросхем;
• в автомобильной промышленности - резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бамперов из пластика и пр.;
• в строительстве - резка бетонных конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов и т. д. Водоструйная резка часто используется для производства сложных контуров в мраморе и граните (узкий пропил позволяет создавать инкрустации при изготовлении декора);
• в пищевой промышленности - резка продуктов глубокой заморозки, различных плотных пищевых продуктов, шоколада.

Плюсы и минусы

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-+90oС) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Заметим, что ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.
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 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 0,5-2,0 мм. При резании хрупкого материала - стекла - гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; хотя водоструйная технология и уступает алмазу, когда делаются прямые резы стекла, зато никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.
4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 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). 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.

Вырезание окон сложного профиля в готовой детали





Разрезание титановой поковки толщиной 250 мм