VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Гидроабразивная резка — вид обработки материалов резанием, где в качестве режущего инструмента вместо резца используется струя воды или смеси воды и абразивного материала, испускаемая с высокой скоростью и под высоким давлением. Метод гидроабразивной резки металлов и материалов существует уже 20 лет. Суть метода проста. Основой принципа гидроабразивной резки является способ разделения металлов и материалов с помощью водяной струи высокого давления. Вода, сжатая первым основным компонентом системы, насосом – мультипликатором, до давления более 4000 атм, проходит через водяное сопло, образующее струю диаметром около 0.5 мм, которая попадает в т.н. смесительную камеру. В смесительной камере струя вода «подсасывает» абразив (например, гранатовый песок с частицами размером около 0.4 мм) и далее проходит через второе, твердосплавное сопло с внутренним диаметром 1 мм. Из этого сопла струя воды с абразивом выходит со скоростью около 3М (порядка 1200 м/с) и направляется на поверхность разрезаемого материала. После резки этого материала остаточная энергия струи гасится специальной водяной ловушкой.

Материал для резки (металл, камень, стекло, резина, поролон и т.д.), как правило, располагается на координатном столе. Координатный стол является второй составной частью установки гидроабразивной резки и позволяет перемещать режущую головку с высокой точностью в трех координатах. Над столом в направлении оси Х движется портал, на котором в свою очередь установлена тележка, двигающая в направлении оси Y, а на этой тележке установлена рабочая головка с режущим соплом, способная двигаться в направлении оси Z. Таким образом, режущее сопло может резать материал в трех координатах - Х, Y и Z, что позволяет обрабатывать с высокой точностью как плоские, так и объемные заготовки. Мы ведем разработки по увеличения возможности оборудования для резки водой в разных направлениях, например, создания пяти-координатной системы управления, возможности резания по кругу, например, трубы.

Технологию резки металла водой часто сравнивают с такими способами резки металлов, как лазерная резка металла и плазменная резка металла. В этой связи необходимо сказать, что плазменные и лазерные резки и методика гидроабразивной резки различаются принципиально, т.е. не только количественно, но в первую очередь качественно. Обеспечиваемые при резке водой точности реза в сочетании с холодным характером реза и полным отсутствием как механического, так и термического влияния на зону резки (что особенно важно при резке титана) дают уникальные возможности по шаблонной резке материалов. Методом гидроабразивной резки мы способны обработать с высокой точностью и производительностью самые твердые материалы, а также самые различные их комбинации.

Программное обеспечение для резки водой дает возможность использования самых современных способов обработки материалов сразу «под размер», с минимальными отходами и без какой-либо последующей механической или термической обработки.

Метод гидроабразивной резки в высшей степени универсален в том смысле, что позволяет обрабатывать с одинаковой точностью и большие и малые детали с различной не плоскостностью.

Диапазон возможных скоростей гидроабразивной резки (т.е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) колеблется от 1 до 30000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке деталей самых разных размеров и толщин.

Компьютерное обеспечение технологии резки водой позволяет программировать резку любых контуров, задаваемых в системах AutoCAD, CorelDraw и др. Области применения гидрорезки и гидроабразивной резки.С помощью водоструйной резки (гидроабразивная резка и гидрорезка) 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.

Гидроабразивная резка: резка стекла: 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. резка металла: гидроабразивная резка предлагает огромное преимущество, заключающееся в том, что она не изменяет материал термически вблизи пропила; никакие другие инновационные технологии такого уровня, как лазерная резка, не имеют этого свойства.

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.

Резка композитных материалов: гидроабразивная резка не создает разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои свойства. Так что сейчас, водоструйная резка - это единственно возможное решение для резания некоторых из этих материалов.

Резка водой (без применения абразива - гидрорезка): Кожаная и обувная промышленность (резание подошв, передков ботинок т.д.). 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.

Автомобильная промышленность: резание фальш-потолков, ковриков и приборных досок, бамперов из пластика и др. 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.

Пищевая промышленность, в особенности, резка продуктов глубокой заморозки, различных видов плотных пищевых продуктов, шоколада.

Резка бумаги, картона, тканей. Наибольшее применение гидроабразивная резка и гидрорезка находит в следующих областях промышленности:

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.

Стекольная промышленность – композиционное стекло, армированное стекло, оргстекло.

Металлолистовое производство.

Производство оборудования – шестерни, отливки, компоненты, сделанные из высококачественной стали, меди, алюминия, титана и коррозиеустойчивых металлов.

Авиастроительная и аэрокосмическая промышленность – сплавы алюминия, титана, на хромо-никель-кобальтовой основе, а также композитные материалы, используемые для комплектующих самолетов и двигателей.

Резинотехническая промышленность.

Оборонная промышленность - утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ.

Деревообрабатывающая промышленность – ламинированные деревянные панели, шпон, твердая древесина.

Промышленность по производству пластмасс.

Тестильная промышленность - картон, бумага для печати, гофрированный картон.

Транспорт - внутренняя обшивка, выполненная из композитных материалов, диспетчерские щиты, пластиковая обшивка, защитное покрытие, зеркала заднего вида, прокладки.

Обработка композиционных материалов.

Электропромышленность - слюда, целлюлоза, композитная смола, печатные платы.

Пищевая промышленность - выпеченные изделия, фрукты, быстрозамороженные продукты и рыба.

Эти примеры показывают лишь часть бесконечно широкого диапазона применения технологии водоструйной резки (гидроабразивной резки и гидрорезки), наиболее универсальной среди существующих методов обработки резанием.

Преимущества резки водой (гидроабразивной резки и гидрорезки). Основными преимуществами метода гидроабразивной резки перед подобными методами (лазерная резка, плазменная резка, механическая резка) являются:Низкая температура реза. 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. Ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.

Кромки среза не требуют дополнительной обработки. Т.к. область термовлияния на кромках обработанных деталей отсутствует, гидроабразивная резка позволяет вырезать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности реза и достаточно высокой производительностью.

Универсальность обработки. Возможность резать на одной установке самые разнообразные материалы;

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.

Возможность резки самых разнообразных, в том числе и сверхтвердых материалов (высокопрочные сплавы, стекло, керамика, углепластики и другие композитные материалы и т.п.) с высокой скоростью.

Возможность фасонной резки достаточно толстых материалов: резка метала, резка бетона, в том числе с арматурой. При этом достигается достаточно высокая точность обработки - 0,1 мм при резке металлов больших толщин.

Возможность резки и обработки более широкого спектра материалов, и не только твердых. Так же легко и без деформации кромок среза режутся пористые и прозрачные материалы, пищевые продукты.

Возможность резки самых разнообразных сэндвич-конструкций, так называемых "сэндвичей", которые иными способами не режутся в принципе;

Возможность резки (без абразива) разнообразных мягких материалов - полиуретан, поролон, пластмассы и т. п.;

Возможность обработки сразу "под размер" достаточно больших деталей (до 2,2х4,0 м и даже более) с высокой точностью, что исключает необходимость последующей мехобработки;

Способность воспроизводить сложные контуры и профили.

Возможность резки криволинейных поверхностей с высокой точностью с использованием системы САD-CAM;

Резка может осуществляться в любых направлениях, по линии любой кривизны и сложности.

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.

При резании хрупкого материала - стекла - гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; водоструйная технология не уступает алмазной резке, когда делаются прямые резы стекла, и тем более никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

Оборудование гидроабразивной резки особенно эффективно при выполнении фасонных резов, то есть при резке как минимум в двух осях - Х и Y.

Хорошее качество поверхности. Обеспечение достаточно высокого качества разрезаемой поверхности.

Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 0,5-1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.

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;

Низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали.

Существует возможность выполнения различных операций (например, сверления и резки) одним и тем же инструментом;

Возможность установки на одном столе и гидроабразивной и лазерной резки; Возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя режущими головками на одном столе или несколькими головками на нескольких столах;

Экономичность процесса.

Скорость резания - высокая. Резка осуществляется с самыми разными скоростями - от 1 мм/мин до 30000 мм/мин, в зависимости от типа и толщины разрезаемого материала. 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.

Малое количество потребляемой при резке воды. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико - около 3-4 л/мин, несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более).

Автоматизация процесса. Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.

Доступность. Использование таких относительно недорогих компонентов, как вода, и, например, кварцевый песок в качестве абразива, делает процесс доступным.

Безопасность.

Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Это позволяет резать взрывчатые вещества, нефте- и гозосодержащие емкости и трубопроводы и т.п. Отсутствует радиационное излучение. Отсутствует опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц.

Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.

Заключение

Гидроабразивная обработка материалов является прогрессивным способом в наше время. Оборудование для резки с помощью воды с абразивным порошком помогает решить важные проблемы, связанные с некачественной обработкой деталей, а также сократить время необходимое для производства. Расходные материалы полностью компенсируются экономичностью данного оборудования.

Код для цитирования: Скопировать