Разновидности и принцип работы гидроабразивных станков

Применения в различных отраслях

Применение обработки с помощью воды практически не имеет границ. Но изготовить такие аппараты своими руками чрезвычайно сложно, поэтому использование в домашних условиях маловероятно.

В оборонной промышленности

Гидроабразивное оборудование обеспечивают высокую точность резки при работе со сложными композитными материалами, пуленепробиваемым стеклом, бронированными листами, титаном, сплавами. Для разрезания утилизируемых старых снарядов и работы со взрывчатыми веществами такая технология является наиболее безопасной.

В стекольной промышленности

Для резки зеркального, простого, ламинированного, узорчатого, ударопрочного, бронированного и армированного стекла гидроабразивные станки являются оптимальными. Они позволяют изготавливать стеклянные изделия всевозможных форм. Из этих элементов создаются витражи, панно, элементы декора и другие предметы.

В строительстве

В строительной отрасли гидроабразивная технология применяется для решения следующих задач:

• демонтаж различных конструкций;
• резка материалов (керамогранита, натурального камня, плитки и пр.);
• производство декоративных инкрустированных элементов;
• создание фигурных и сложных резов на трубах.

В машиностроении

Станки гидроабразивной обработки применяют в машиностроении для выполнения следующих операций:

• резка листового металла, пластика, композитных материалов и сверхпрочных сплавов;
• снятие фасок на обрабатываемых деталях перед выполнением сварочных работ;
• изготовление с высочайшей точностью элементов и деталей сложной конфигурации;
• удаление дефектов термической обработки (окалины, наплывов и др.).

В автомобильной промышленности

Гидроабразивное оборудование в автомобилестроении применяется в следующих целях:

• изготовление различных пластмассовых деталей (приборных панелей, бамперов и др.);
• раскрой элементов декора салона автомобиля (фальшпотолков, ковриков и пр.);
• вырезка кузовных элементов из тонкого металла;
• производство трехмерных деталей со сложным конструктивом;
• раскрой многослойных стекол для автомобилей (триплекс).

В резинотехнической промышленности

Технология гидроабразивной обработки является отличным решением для работы с резиной разной плотности и толщины (до 300 мм). Резка происходит при достаточно низких температурных показателях (не более 90°C), поэтому не меняется структура самого материала и края не оплавляются.

В электротехнической промышленности

В электротехнической области станки для гидроабразивной резки находят применение для:

• производства деталей из слюды и композитных материалов;
• резки электротехнической стали, трансформаторного железа, меди и всевозможных сплавов;
• раскроя аморфных металлов;
• работы с резиной, пластиком, целлюлозой.

В авиационной и аэрокосмической промышленности

Гидроабразивные станки стали незаменимы для выполнения следующих задач:

• изготовление пространственно сложных деталей из титана, алюминия, циркония и разных сплавов;
• раскрой композитных материалов без нарушения структуры и расслоения;
• производство элементов со сложным контуром;
• выполнение замкнутых сложных вырезов в листовых заготовках.

В инструментальном производстве

Использование гидроабразивной технологии в инструментальном производстве позволяет осуществлять обработку стали, сплавов, а также материалов, обладающих повышенной твердостью. С помощью такого оборудования изготавливаются элементы пресс-форм, штампы, различный монолитный мелкий инструмент, сложные детали и технологическая оснастка.

Виды гидроабразивных станков и особенности их применения

Принцип действия гидроабразивного оборудования для резки металла и других материалов заключается в эрозийном воздействии состава на обрабатываемую заготовку путем выработки аппаратом высокоскоростной абразивной струи.

Механическая сила струи позволяет отрывать и уносить скоростным потоком твердофазных микрочастиц частицы материала.

Эффективность и стабильность воздействия струи обеспечивают конкретно подобранные параметры резки, такие как расход жидкости, давление и величина абразивной крошки.

Существующие виды станков для водно-абразивной резки отличает конструкция, рабочая мощность, назначение и цена.

Вмешательство оператора в работу станка гидроабразивной резки с системой ЧПУ минимально, все, что ему необходимо сделать, это своими руками загрузить в компьютерную программу нужный чертеж и указать тип материала, его толщину и скорость резки.

Второй вид станков, который заслуживает отдельного внимания, – портативный.

Обычно их применяют для резки в опасных местах – в нефтяной и противопожарной сфере.

Портативный станок незаменим для водно-абразивной резки металла при строительстве подземных тоннелей и колодцев, а также для резки опасных трубопроводов.

Видео:

Рассматриваемое переносное устройство отличает скорость резки и высокая точность проводимых работ, за счет чего может применяться не только для резки металла, но и камня.

Кроме того, на сегодняшний день различают два метода водоструйной резки материалов: гидрорезка и гидроабразивная резка.

При этом две указанных технологии между собой имеют минимальные отличия.

В первом случае резка материала выполняется без использования абразивного состава – механическое воздействие на заготовку оказывает водная сверхзвуковая струя.

При этом гидроабразивная резка имеет в тысячи раз большее механическое воздействие, чем высокоскоростная струя без абразивной крошки.

Поэтому каждый метод водоструйной резки имеет свое назначение.

Например, гидрорезке найдено применение в обработке мягких материалов, включая цветные металлы, а резку с абразивом используют для обработки твердого металла, керамических и композитных материалов.

Видео:

В промышленной сфере чаще всего практикуется использование станков гидроабразивной резки, оснащенных системой ЧПУ. Их применение позволяет обрабатывать нержавеющую сталь с толщиной листа до 200 мм.

Для таких станков не играет большой роли твердость материала, который может быть как сверхпрочным, так и с повышенным показателем мягкости, это может быть цветной или черный металл.

С помощью интенсивной 1мм водной струи можно добиться четко очерченных контуров углов с высоким допуском.

С их помощью стеклянная отрасль производит пуленепробиваемые изделия с микронной прочностью, тонкий хрусталь.

Гидроабразивное оборудование позволяет осуществлять резку всех без исключения материалов, от пружинных каленых сталей до капризных цветных металлов и их сплавов, а также графита, бумаги, ткани и резины.

Добиться качественного плотного раскроя материалов позволяет тонкая струя, а увеличить производительность удается, благодаря автоматизации процесса и наличию в системе станков ЧПУ.

Применение станков с ЧПУ

Возможности использования станков с ЧПУ для гидроабразивной порезки меди, алюминия, нержавеющей стали, других видов цветных и черных металлов различной прочности, позволили значительно расширить и увеличить сферы использования оборудования.

За счет станков с ЧПУ обеспечивается изготовление точных деталей без отклонения от требуемых размеров, что почти невозможно добиться традиционными методами резки. Принцип работы сводится к следующему:

1. Задается программное обеспечение, при этом для каждого материала существует свое ПО, которое автоматически подбирает давление струи, состав режущей смеси и другие параметры. Программа дает возможность предусмотреть фигурную порезку материала.
2. Дополнительная обработка, как правило, после обработки материала при помощи станка не требуется. Но во время неправильного выбора состава режущей струи отмечается некоторая шероховатость поверхности. Шероховатость реза исключается повторной обработкой.
3. Кроме разрезания материала, станок с ЧПУ позволяет делать отверстия требуемого диаметра. Некоторые модели станков имеют дополнительное оборудование для выполнения узконаправленных операций.

Технология выполнения гидроабразивной резки

Операция по выполнению гидроабразивной резки заключается в обработке заготовки водяной струей под большим давлением с добавлением в воду режущего вещества в виде мелких частиц твердых горных пород. Для точного позиционирования режущей струи используется лазер и специальная направляющая головка, выполненная из прочного сплава.

Рис. 1 Рабочая операция резки материала под большим давлением на гидроабразивном станке.

Операция резки протекает под воздействием абразивной смеси за счет использования специального насоса, от характеристик которого зависит толщина реза и скорость обработки заготовки. Для управления процессом на станке устанавливается регулятор мощности, который позволяет изменять толщину и скорость реза заготовки. При обработке наиболее прочных материалов применяют трехкомпонентный наполнитель, менее прочных – двухкомпонентную смесь (вода + абразив).

Большую роль в технологическом процессе играет напор воды, который должен иметь рабочие параметры не менее 4700 кг/см2 и скорость до 1200 м/сек.

Для точного позиционирования струи используются специальные сопла, которые имеют различный диаметр выходного отверстия, что позволяет за счет смены головки регулировать толщину реза. Ресурс работы водяных сопел обычно составляет 60 — 100 час. по истечении, которого производится их замена.

Для приготовления абразивной смеси на станке установлена специальная смесительная камера, где производится смешивание различных компонентов согласно заданной программе.

Для автоматизации операций обработки используется блок автоматики, который регулирует операцию резки и скорость подачи режущего вещества, а также осуществляет компенсацию конусности за счет использования технологии Flow Dynamic Waterjet. Система автоматически производит регулировку позиционирования головки со сменой направления угла сопла.

Гидроабразивные станки используются для разделки материалов:

1. нержавеющей стали;
2. алюминия;
3. титана;
4. гранита;
5. мрамора;
6. углепластика;
7. стекла

с образованием ровного реза необходимой толщины.

Конструкция станка для гидроабразивной резки

Независимо от цены и комплектации станок чаще всего включает в себя такие элементы:

• корпус;
• резервуар для воды от 2 квадратных метров в объеме;
• насос, способный прокачивать жидкость от резервуара до зоны резки под высоким давлением;
• шланги для транспортировки воды;
• заправочная емкость и система подачи и смешивания воды с абразивом;
• штуцер с форсункой в качестве водяного «резака». Его параметры регулируются посредством автоматики;
• рабочий стол для крепления обрабатываемой заготовки, он находится в специальной ванне;
• кожух для защиты;
• блок автоматического управления для координации движения рабочего стала и водяного резака, способный контролировать и задавать рабочие параметры.

Некоторые части станков для гидроабразивной резки тоже имеют свои особенности. Например, рабочая ванна, где происходит процесс резки, оснащена, в свою очередь, такими элементами, как:

• несущими опорами из нержавейки, которые можно быстро заменить при износе;
• быстросъемными ребрами, которые поддерживают разрезаемый материал. Их ставят на опоры;
• системой оперативного набора и выпуска воды, что обеспечивает обработку материалов, целиком погруженных в жидкость.

А абразивный бак позволяет даже в процессе работы пополнять запасы абразивных материалов и оснащен специальными датчиками, контролирующими объемы наличия абразивов.

• проверяют количество поступающего материала при обработке;
• помогают остановить станок, если в головку для резки попадает посторонний материал.

Насос высокого давления является ключевым узлом станка, он сжимает воду и доставляет ее в рабочую зону. А система ЧПУ позволяет управлять всеми параметрами резки в автоматическом режиме.

Также есть система поддержки постоянного зазора в виде контактного механизма, проходящего по листу, который поддерживает оптимальное расстояние между поверхностью обработки и фокусирующей трубкой. Это улучшает качество и точность резки и не позволяет трубке и поверхности столкнуться.

Угловая голова – тоже очень важный элемент конструкция гидроабразивного станка. Он нужен для следующих задач:

• обеспечения движения режущей головки в двух плоскостях с учетом поворотов на углы наклона. Благодаря этому станком можно обрабатывать фаски, кривые поверхности;
• обеспечения неизменности угла и высокой точности при фаске или компенсации конусности изделия;
• сложные поверхности можно обрабатывать сразу в пяти координатах.

Дополнительные элементы станка

Если есть необходимость, гидроабразивный станок дополнительно можно оснастить ультразвуковой или лазерной системой сканирования поверхности для выявления неровностей и поддержания зазора, а также обеспечения точности резки.

Также оборудование за дополнительную цену можно дополнить прибором для удаления отработанных абразивов. Его особенности такие:

• включает в себя бак-отстойник и насос;
• насос применяется мембранного типа, который может быть применен в агрессивной среде;
• бак оборудован быстросъемными разъемами для шлангов и может быть транспортирован посредством кран-балки или погрузчика.

Устройство гидроабразивного станка

Гидроабразивный станок (возможна установка ЧПУ) для выполнения операций по резке материалов состоит из следующих агрегатов:

Рис. 2 Гидроабразивное оборудование (оснащенное системой ЧПУ).

1. Насосной станции.
2. Подводящего трубопровода.
3. Стола координатного с охлаждающей ванной и системой приводов позиционирования головок.
4. Головок режущих.
5. Системного блока подачи рабочей смеси.
6. Емкости сбора для воды.
7. Блока управления операциями, ЧПУ.

Вода из системы водоснабжения подается в насос, где сжимается и под большим напором поступает к режущей головке по соединительному трубопроводу. Одновременно происходит смешивание абразивных компонентов и подача в специальную смесительную камеру с созданием запаса в мини бункере.

На координатном горизонтальном столе предварительно до начала операции резки с помощью зажимов производится фиксация заготовки и позиционирование режущих головок. В ходе процесса резки образуются отходы, состоящие из частиц материала, абразива и воды которые скапливаются в ванной.

Для осуществления высокой точности операции резки головки оснащаются механизмом координатной корректировки по 5 осям:

1. X (движение вперед и назад);
2. Y (смещение влево и право);
3. Z(смещение вверх и вниз);
4. A (смещение с изменением угла наклона);
5. С (круговое движение вокруг оси Z).

Уровень воды в охлаждающей ванне регулируется в зависимости от протекающих процессов при резке заготовок. Излишки удаляются в накопительный бак, где производится очистка от частиц абразива и шлама.

Одним из основных узлов станка является водяной насос. В насосе применена плунжерная система позволяющая, сжимать воду до высокого давления.

Плунжерные насосы используются 2 типов:

1. усиливающего (бустерные);
2. прямого действия.

Насос прямого действия работает по принципу создания низкого давления в цилиндре, откуда вода поступает в насос высокого давления, где с помощью воздействия системы камер и 3 поршней создается необходимый напор воды. Насосы прямого действия имеют невысокую цену и высокий показатель КПД, достигающий 95%, что позволяет создавать требуемый напор воды в системе до 3800 атм.

Для создания рабочего давления требуемого для процесса резки от 4150 до 6000 бар применяются бустерные насосы. В усиливающих насосах необходимый напор воды создается в камере, где поршень приводится в движение поочередно поступающим маслом под давлением 207 атм. В результате осуществления процесса создается напор воды, превышающий в 20 раз давление масла (за счет разности площадей).

Для выравнивания напора воды в системе используется специальный блок аттенюатор, обеспечивающий непрерывность поступления жидкости под большим давлением.

Насосы мультипликаторного типа конструктивно имеют более сложное устройство и требуют принудительной системы охлаждения механизмов.

Для осуществления процесса резки требуется чистая вода без примесей, которую обеспечивает система подготовки воды, осуществляющая процессы, связанные со смягчением воды и удалением элементов: марганца, железа, кремния.

Для предотвращения столкновения режущих головок и достижения высокой точности при обработке заготовки на станке устанавливается специальная система останавливающая процесс при обнаружении неровной поверхности. На подающем трубопроводе устанавливается защита, подключенная к датчику. При столкновении датчик подает сигнал предупреждения, и резак прекращает свое движение.

Для регулирования глубины реза материала используется система постоянного контроля, позволяющая в автоматическом режиме поддерживать необходимый точный зазор между головкой и обрабатываемой заготовкой.

Применяемое оборудование

Для осуществления гидроабразивной резки, как можно рассмотреть на видео, используется аппарат и рабочее основание, рассчитанное на расположение изделия и прием отработанной жидкости. В состав оборудование входит насос, который нагнетает высокое давление, от 1000 до 5000 атмосфер.

По коммуникациям вода переходит в режущую головку. Внутри последней находится сквозное отверстие, диаметром 0,08 до 0,5 мм. При прохождении жидкости под таким давлением через узкий канал ее скорость возрастает до 1000 м/с. На выходе из этого отверстия расположена смесительная камера, куда по другой трубке подается абразив. Это могут быть частицы кремния, гранатовый песок, или элементы синтезированного синтетического корунда. Смесь выходит из камеры через расширенное сопло 0,5 — 1,5 мм. Благодаря высокой твердости и скорости, эта струя способна разделять любые материалы, толщиной до 300 мм.

Сопло имеет защитный кожух снаружи, сохраняющий целостность конструкции. Внутренние частицы передвигаются в смесительной камере по спирали. Такая траектория не позволяет им повредить стенки самого оборудования.

На рабочем основании располагается обрабатываемое изделие. При необходимости его края фиксируются во избежание смещения. Пронизывающая струя воды сохраняет свою силу и после прохождения толщины материала, поэтому для ее гашения используется емкость с жидкостью, располагающаяся под изделием. Толщина воды в емкости может быть до 800 мм.

Сопла, взаимодействующие со струей, должны быть особо прочными, поэтому их производят из сапфира или алмаза. Последние могут служить до 2000 часов эксплуатации, но это зависит от твердости используемого абразива.

Сущность технологии

Гидроабразивная резка металла не является инновационной технологией, использовать ее начали еще в 1960-х годах. Первой станки для выполнения такой резки начала применять американская авиастроительная компания. Именно руководство этой компании сделало официальное заявление о данном методе, описав его преимущества и рекомендовав применять его для резки металла и других материалов, обладающих высокой твердостью. С этого момента абразивная резка металла с использованием воды стала активно применяться предприятиями и завоевывать все большую популярность.

Суть данной технологии заключается в том, что в зону реза под большим давлением подается вода, в состав которой включены абразивные вещества. Любая установка гидроабразивной резки работает по следующей схеме.

1. В смеситель аппарата из специальной емкости подаются вода и абразивный материал, в качестве которого преимущественно используется мелкий песок.
2. После смешивания вода с абразивом поступает в сопло установки.
3. В сопле формируется тонкая струя гидроабразивной смеси, которая под большим давлением подается в зону резки.

Принцип действия гидрообразивной резки

Технология, реализуемая по подобной схеме, позволяет не только выполнять резку быстро и с высоким качеством, но и значительно экономить на расходных материалах, самым дорогим из которых является обычный песок. Следует отметить, что по скорости выполнения абразивная резка с помощью воды сопоставима с плазменной технологией, а по качеству получаемого реза – с лазерной.

Процесс гидроабразивной резки

Собственно процесс гидроабразивной резки состоит из четырех фаз.

• Фаза № 1. Образования изогнутой фронтальной поверхности резания. Сфокусированный гидроабразивный струя прорезает в заготовке узкую щель – струя постепенно вводится в заготовку и с постоянной скоростью резания движется по ней.
• Фаза № 2. Начало образования ступеньки (обрыва). Угол между струей и поверхностью резания постепенно увеличивается.
• Фаза № 3. Завершение образования ступеньки (обрыва), смещение ее вниз. Снятие слоя материала происходит лишь на небольшом отрезке фронтальной поверхности резания.
• Фаза № 4. Восстановление исходного состояния. Ступенька довольно быстро «вдавливается» в заготовку. По мере смещения ступеньки вниз снова образуется ровная поверхность резания – начальное состояние резки восстанавливается.

Описанный выше процесс имеет циклический характер.

В процессе резки гидроабразивной струей вода выполняет лишь функцию носителя. Резки обусловлено съемом (скалыванием) определенного количества слоев материала, которое вызвано ударами твердых частиц абразива. Наличие абразива в струе увеличивает его технологические возможности, позволяет резать металл.

Наиболее распространенными абразивами являются кварцевый песок, гранатовый абразив, оливин, карбид кремния и электрокорунд. Широкое применение указанных выше абразивных материалов объясняется их относительной дешевизной, твердостью и высокими режущими свойствами. Например, гранатовый абразив является твердым и тяжелым; благодаря этому он является фактически устойчивым в течение всего цикла использования. Это дает возможность получать высокое качество среза с определенной глубиной шероховатости, в зависимости от размера зерна и скорости резки. На основе высокой вязкости такой абразив неоднократно может быть использован повторно. Отечественные предприятия в основном используют кварцевый песок.

Как и при любом виде обработки материалов, наиболее благоприятные условия для освоения процесса гидроабразивной резки могут быть достигнуты за счет выбора его оптимальных технологических параметров: давления рабочей жидкости, формы и диаметра отверстия водяного и абразивного сопел, количества абразива, подаваемого расстоянии от сопла к разрезающей поверхности, скорости подачи, качества поверхности резки. Анализ этих параметров требует детального изучения и имеет существенное значение при исследовании данной технологии.

Использование гидроабразивных станков и принцип работы

под большим давлением

Дополнительным элементом жидкости является абразив, добавляющийся в воду. Как правило, в роли абразивной добавки применяют микрочастицы песка. Вода и песок одновременно попадают в смеситель из отдельных емкостей, в котором тщательно смешиваются. Затем полученная смесь под высоким давлением подается в сопло станка.

После, рабочий водно-абразивный резак, в виде сильной струи с определенными характеристиками, подается на деталь и разрезает его.

В этом случае скорость гидроабразивной резки можно сравнить только что со скоростью плазмореза, но вот качество выполненного этим способом среза соответствует только качеству резки лазером.

Быстрое развитие современных технологий дало возможность усовершенствовать станки благодаря расширению их рабочих возможностей. За счет чего их сфера использования значительно увеличилась.

Сегодня водно-абразивные станки позволяют:

• Вырезать изделия любых геометрических форм с помощью числового программирования. В этом случае обработка происходит полностью в автоматизированном режиме и не требует наличия оператора. Станок управляется специально установленной компьютерной программой. Гидроабразивная порезка труб дает возможность сделать необходимую окружность без каких-либо погрешностей;
• Делать нестандартный рез любого материала, причем изменяющийся наклон разреза не сказывается негативно на качестве. Процесс работы, который выполняется под любым наклоном, позволяет на выходе получить абсолютно готовое изделие и не подвергать его финишной обработке;
• Гидроабразивный способ нашел свое применение и в области искусства. Оборудование дает возможность изготавливать различные украшения и предметы дизайна, как правило, обработка фигур делается с помощью ЧПУ;
• Установки для обработки гидроабразивом, применяемые в металлопрокате, позволяют делать разрезание максимальной толщины любого металла, это можно увидеть на видео. Так, обработка изделия из среднеуглеродистого металла может происходить с использованием материала, у которого максимальная толщина – 20 см. Наибольшая толщина титанового сплава составляет 16-18 мм; высокопрочные металлы могут быть толщиной 11 мм. Но вот толщина медного изделия достигает только 6 мм.