Резка металла водой под давлением какое давление

Гидрорезка (водоструйная резка) – вид резки, при котором материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды. При гидроабразивной резке для увеличения разрушительной силы водяной струи в нее добавляются частицы высокотвердого материала – абразива.

Общепринятые обозначения

ГАР – гидроабразивная резка
WJC – Water Jet Cutting – резка водяной (или водно-абразивной) струей
AWJC – Abrasive Water Jet Cutting – абразивная водоструйная резка

Сущность процесса

Если обычную воду сжать под давлением около 4000 атмосфер, а затем пропустить через отверстие диаметром меньше 1 мм, то она потечет со скоростью, превышающей скорость звука в 3–4 раза. Будучи направленной на обрабатываемое изделие, такая струя воды становится режущим инструментом. С добавлением частиц абразива ее режущая способность возрастает в сотни раз, и она способна разрезать почти любой материал.

Технология гидроабразивной резки основана на принципе эрозионного (истирающего) воздействия абразива и водяной струи. Их высокоскоростные твердофазные частицы выступают в качестве переносчиков энергии и, ударяясь о частицы изделия, отрывают и удаляют последние из полости реза. Скорость эрозии зависит от кинетической энергии воздействующих частиц, их массы, твердости, формы и угла удара, а также от механических свойств обрабатываемого материала.

Технология резки

Вода, нагнетаемая насосом до сверхвысокого давления порядка 1000–6000 атмосфер, подается в режущую головку. Вырываясь через узкое сопло (дюзу) обычно диаметром 0,08–0,5 мм с околозуковой или сверхзвуковой скоростью (до 900–1200 м/c и выше), струя воды поступает в смесительную камеру, где начинает смешиваться с частицами абразива – гранатовым песком, зернами электрокорунда, карбида кремния или другого высокотвердого материала. Смешанная струя выходит из смесительной (смешивающей) трубки с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм и разрезает материал. В некоторых моделях режущих головок абразив подается в смесительную трубку. Для гашения остаточной энергии струи используется слой воды толщиной, как правило, 70–100 сантиметров.

Рисунок. Схема гидроабразивной резки

Рисунок. Схема смешивания частицы абразива

При гидрорезке (без абразива) схема упрощена: вода под давлением вырывается через сопло и направляется на разрезаемое изделие.

Таблица. Характерная область применения технологий резки водой

При гидроабразивной резке разрушительная способность струи создается в гораздо большей степени за счет абразива, а вода выполняет преимущественно транспортную функцию. Размер абразивных частиц подбирается равным 10–30% диаметра режущей струи для обеспечения ее эффективного воздействия и стабильного истечения. Обычно размер зерен составляет 0,15–0,25 мм (150–250 мкм), а в ряде случаев – порядка 0,075–0,1 мм (75–100 мкм), если необходимо получение поверхности реза с низкой шероховатостью. Считается, что оптимальный размер абразива должен быть меньше величины (d_с.т. – d_в.с. )/2, где d_с.т. – внутренний диаметр смесительной трубки, d_в.с. – внутренний диаметр водяного сопла.

В качестве абразива применяются различные материалы с твердостью по Моосу от 6,5. Их выбор зависит от вида и твердости обрабатываемого изделия, а также следует учитывать, что более твердый абразив быстрее изнашивает узлы режущей головки.

Таблица. Типичная область применения некоторых абразивных материалов при резке

Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Срок службы сапфировых и рубиновых сопел составляет до 100–200 часов, алмазных сопел – до 1000–2000 часов. При гидрорезке не применяются рубиновые сопла, а сапфировые обычно служат в 2 раза дольше.

Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Срок службы – как правило, до 150–200 часов.

Технологические параметры

Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются:

• скорость резки;
• вид, свойства и толщина разрезаемого изделия;
• внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки;
• тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц;
• давление.

Скорость резки (скорость перемещения режущей головки вдоль поверхности обрабатываемого изделия) существенно влияет на качество реза. При высокой скорости происходит отклонение (занос) водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала. Как следствие, увеличиваются конусность реза и его шероховатость.

Рисунок. Типичная форма реза в зависимости от условий резки

Рисунок. Занос струи при резке со скоростью выше оптимальной

Разделительная резка может выполняться на скорости, составляющей 80–100% от максимальной. Качественной резке обычно соответствует скоростной диапазон в 33–65%, тонкой резке – в 25–33%, прецизионной резке – в 10–12,5% от максимальной скорости.

Фото. Вид поверхности реза в зависимости от скорости водно-абразивной резки

В некоторых моделях режущих головок используется технология автоматической компенсации конусности, например, Dynamic Waterjet компании Flow. Компенсация конусности достигается в результате программно управляемого динамического наклона режущей головки на определенный градус. Это позволяет повысить скорость резки при сохранении качества реза и, соответственно, сократить производственные расходы.

С уменьшением внутреннего диаметра смесительной трубки (при прочих равных условиях) возрастают производительность и точность резки, уменьшается ширина реза (она примерно на 10% больше внутреннего диаметра трубки). При этом снижается и срок службы трубки. В процессе эксплуатации смесительной трубки ее внутренний диаметр увеличивается примерно на 0,01–0,02 мм за каждые восемь часов работы.

Таблица. Примерные размеры абразива при различных режимах резки

Расход абразива зависит от диаметров смесительной трубки и водяного сопла, условий резки и т. д. Ориентировочные оптимальные значения приведены в таблице ниже.

Таблица. Оптимальный расход абразивного материала при некоторых соотношениях диаметров смесительной трубки и сопла

Максимальное рабочее давление обычно составляет 3000–3200, 3800, 4150 или 6000 бар. Чем выше давление, тем выше скорость и эффективность резки. В то же время требуется более частая замена прокладок в насосе.

Таблица. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 4100 бар (примерно 4046 атм)

Таблица. Зависимость скорости прямолинейной разделительной (черновой) резки от толщины материала при давлении насоса P = 6000 бар (около 5922 атм)

Фото. Детали, полученные гидроабразивной резкой: из нержавеющей стали толщиной 15 мм; из сплава алюминия толщиной 6 мм; из алюминия толщиной 30 мм; из пластика, армированного волокном, толщиной 20 мм; из инструментальной стали толщиной 60 мм

Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика

С помощью водно-абразивной или водной струи можно разрезать практически любые материалы. При этом не возникают ни механические деформации заготовки (так как сила воздействия струи составляет лишь 1–100 Н), ни ее термические деформации, поскольку температура в зоне реза составляет около 60–90°С. Таким образом, по сравнению с технологиями термической обработки (кислородной, плазменной, лазерной и др.) гидроабразивная резка обладает следующими отличительными преимуществами:

• более высокое качество реза из-за минимального термического влияния на заготовку (без плавления, оплавления или пригорания кромок);
• возможность резки термочувствительных материалов (ряда пожаро- и взрывоопасных, ламинированных, композитных и др.);
• экологическая чистота процесса, полное отсутствие вредных газовых выделений;
• взрыво- и пожаробезопасность процесса.

Водно-абразивная струя способна разрезать материалы толщиной до 300 мм и больше. Гидроабразивная резка может выполняться по сложному контуру с высокой точностью (до 0,025–0,1 мм), в том числе для обработки объемных изделий. С ее помощью можно делать скосы. Она эффективна по отношению к алюминиевым сплавам, меди и латуни, из-за высокой теплопроводности которых при термических способах резки требуются более мощные источники нагрева. Кроме того, эти металлы труднее разрезать лазером из-за их низкой способности поглощать лазерное излучение.

К недостаткам водно-абразивной резки относятся:

• существенно меньшая скорость разрезания стали малой толщины по сравнению с плазменной и лазерной резкой;
• высокая стоимость оборудования и высокие эксплуатационные затраты (характерно и для лазерной резки), обусловленные расходом абразива, электроэнергии, воды, заменами смесительных трубок, водяных сопел и уплотнителей, выдерживающих высокое давление, а также издержками по утилизации отходов;
• повышенный шум из-за истечения струи со сверхзвуковой скоростью (характерно и для плазменной резки).

Таблица. Сравнение гидроабразивной резки с кислородной, плазменной и лазерной резкой

Гидрорезка представляет собой уникальный метод обработки различных материалов. На сегодняшний день различают 2 вида гидрорезки: при помощи чистой воды и посредством водной струи с абразивом (гидроабразивный метод). Но принцип действия в обоих случаях одинаков – жидкость под очень высоким давлением проходит через миниатюрное отверстие режущей головки, которая находится над обрабатываемым материалом. При этом гидроабразивная смесь, выходящая из режущей головки, имеет скорость, превышающую скорость звука в три раза.

Размер отверстия головки, а также его диаметр, зависят от того, какова плотность материала. Если материал легкопроницаемый – то берутся головки с диаметром 0,08 мм, в случае более твердых материалов диаметр отверстия может достигать 0,8 мм.

Что же касается непосредственно давления мультипликатора, то максимальный показатель – 420 MPa. Согласно же практическим исследованиям, наиболее продуктивный и в то же время быстрый рез получается при давлении 380 MPa. Если же давление выше, то это приводит только к более частым промежуткам между заменами запасных частей.

В целях нормальной работы оборудования прокладки следует заменять своевременно. Так, при регулярном постоянном давлении рабочего процесса в 400 MPa замена прокладок осуществляется через 400 – 1200 часов резки.

Благодаря таким условиям, в которых происходит обработка заготовок, гидроабразивная резка становится альтернативным методом воздействия на материалы, по отношению к термическим способам, и даже выигрывает у последних по некоторым параметрам. Толька резка при помощи водной струи с абразивом не оставляет следов деформации на металле, следов оплавления на пластике, такни и прочих материалах. Промышленные и дизайнерские работы сегодня просто немыслимы без данного метода, ведь из любых заготовок различной толщины могут быть выполнены самые сложные элементы с великолепным качеством кромки.

Применение технологии разрушения породы для выемки полезных ископаемых под действием струи воды известно с 30 годов прошлого столетия, а вот промышленное использование струи воды под высоким давлением для резки различных материалов начали только в 80 годах того же века. Сегодня гидроабразивная резка металла является наиболее востребованным видом применения данной технологии в промышленном производстве.

Что такое гидроабразивная резка

Гидроабразивная резка представляет собой процесс абразивного воздействия струи гидравлической жидкости с добавлением особо твердых частиц на обрабатываемый материал для его раскроя по заданным размерам. С механической точки зрения — это процесс отрыва и уноса материала абразивными частицами, которые подаются на большой скорости в струе воды под высоким давлением. По физическим свойствам тонкий поток смеси воды и абразива на большой скорости является идеальным режущим инструментом.

Технология применения потока воды и абразива для разрезания практически любых материалов обеспечивается подбором необходимых условий и параметров, таких как:

• давление струи,
• расход воды,
• количество абразива в струе,
• размеры абразивных частиц.

Технологические возможности гидроабразивной резки ограничиваются только лишь толщиной обрабатываемой заготовки и физическими свойствами вещества, из которого она сделана. На что она способна хорошо показано на данном видео.

Область применения

Гидроабразивная резка способна работать со всеми материалами и структурами, которые существуют, исключение, разве что составляют только алмазы и каленое стекло. Одной из особенностей гидроабразивной технологии является возможность ее применения для обработки материалов способных изменять свои физико-химические свойства при воздействии высоких температур и сильном нагревании, а также для структур с легковоспламеняющимися и взрывоопасными веществами.

Областью промышленного использования этих особенностей стала абразивная резка различного металла водой под давлением, в основном таких как:

• нержавеющая сталь,
• инструментальные сплавы,
• титан,
• латунь,
• алюминий.

Также с ее помощью изготавливают художественные изделия из натурального и искусственного камня и применяют при обработке:

Незаменимой гидрорезка является для:

• изоляционных,
• огнеупорных,
• многослойных,
• и других композиционных материалов с особыми свойствами.

Преимущества и недостатки

На сегодняшний день существуют четыре основных промышленных способа для резки металлов. Если их расположить по количеству применяемого оборудования и востребованности на производстве, то получится следующая последовательность методик, а именно:

• механическая,
• плазменная,
• гидроабразивная,
• лазерная.

Все они значительно отличаются друг от друга качественными характеристиками, при этом каждая имеет свои особенности, достоинства и недостатки.

Основными преимуществами гидроабразивного метода обработки является:

• способность работать с любыми материалами,
• отсутствие термического воздействия на заготовку,
• исключение выделения пыли, дыма и ядовитых паров,
• возможность использовать для материалов со взрывоопасными и пожароопасными свойствами.

Но при неоспоримых достоинствах есть существенные недостатки:

• высокая стоимость замены быстроизнашиваемых деталей оборудования;
• более существенные энергозатраты, в сравнении с другими методами резки,
• требует постоянной настройки и наладки оборудования для соответствия заявленным характеристикам.

Промышленное применение

Наиболее широкое применение в промышленном производстве и точном машиностроении получила гидроабразивная технология для резки металла водой. Только она нивелирует основные характерные последствия, которые возникают при обработке другими способами. Так, к примеру:

• гидроабразивная резка нержавеющей стали позволяет учитывать особенности, которые возникают при обработке заготовок из сплавов металлов, таких как прочность, обусловленная легирующими добавками и высокая вязкость при механических или температурных воздействиях, приводящая к деформации готовых изделий;
• гидроабразивная резка титана дает возможность не достигать критической температуры в 600 °С, при которой титан способен гореть на открытом воздухе и химически соединяться с другими веществами;
• гидроабразивная резка алюминия сводит потери материала заковки к минимуму, несмотря на то, что металл является сравнительно непрочным и имеет низкую температуру плавления всего в 440 °С.

Такая обработка позволяет с должной эффективностью применять водяной резак по металлу, обеспечивая будущему изделию хорошие показатели качества:

• незначительная ширина шва — всего 0,7-1,4 мм,
• точность позиционирования до 0.1 мм,
• при толщине заготовки даже в 300 мм,
• получать безупречный край среза, не требующий дополнительной обработки.

Возможность начинать и вести раскрой в любом направлении позволяет минимизировать общие потери материала при раскрое заготовок металла.

Устройство оборудования гидроабразивной резки

Диапазон выпуска станков для гидроабразивной резки начинается от небольших, представляющих обычные металлообрабатывающие станки с ЧПУ и компактных с конструкцией стола для обработки листового материала с размерами 2 на 4 метра до огромных линий, способных работать, как прокатные станы.

Но по принципу устройства любой станок для резки металла водой имеет:

• корпус в виде ванны для воды, которая служит ловушкой для гидроабразивной струи, поглощая ее энергию,
• систему отстойников и фильтров, необходимых для очистки воды, а также для осаждения отработавших абразивных частиц,
• координатный стол с сервомоторами для перемещения режущей головки,
• блок насоса высокого давления с трубопроводами,
• пульт управления оператора на базе промышленного компьютера.

Современные станки с ЧПУ и приводами для перемещения режущей головки позволяют осуществлять обработку материала по технологии 2D, 2,5D и 3D, то есть с высокой точностью осуществлять художественную резку в нескольких плоскостях и обрабатывать кромку под любым углом. Возможности выполнения 3D деталей с помощью гидроабразивной резки хорошо показаны на видео.

Режущий инструмент

Главной частью всех гидроабразивных станков является режущая головка. Принцип ее работы на вид очень прост, но технологически весьма сложен. Так, сверхвысокое давление воды создает плунжерный или поршневой насос, который предает его по трубопроводам высокого давления в режущую головку. Здесь вода попадает в камеру, где происходит строго дозированное смешение с частицами абразива. Далее, смесь воды и абразива поступает в калиброванное сопло (дюзу), которое создает режущую струю. Струя, выходящая из сопла, развивает скорость превышающую скорость распространения звука примерно в три раза.

Размеры диаметра сопла и смесительной камеры определяют исходя из производительности рабочей насосной станции и материала абразивных частиц. В основном для абразива применяют гранатовый песок, который еще называется альмандином. Он обладает кристаллическим строением с крайней жесткостью и тяжелой плотностью в 4,1 — 4,3 г/см, что позволяет обеспечивать высокую абразивную способность. Он хорошо распространен в природе, так наибольшие его залежи находятся на юго-востоке Индии и Австралии.

Расходные материалы

Основными расходными частями оборудования для гидроабразивной резки являются сопла и фокусирующие трубки, которые изготавливаются из искусственных алмазов, сапфиров, рубинов и кристаллов корунда.

Так, время наработки фокусирующей трубки изготовленной из кристалла сапфира не превышает 60 часов. Такая же трубка, с наивысшим качеством выполненная из алмазного сырья работает гораздо дольше, но при этом стоит в 20 раз дороже. Сопла из искусственного керамокарбида прослужат до 120 часов, что примерно на 20% дольше, чем такие же детали, выполненные из других материалов.

Среднее время наработки расходных деталей и узлов приведено в таблице:

Эти цифры соответствуют работе гидроабразивного станка со средним давлением в 400 MPa. При применении давления режущей струи в 600 МРа скорость обработки увеличивается на 20-30 %, а износ основных расходных материалов происходит в два раза быстрее.

Своими руками

Применение гидроабразивного оборудования для резки в домашней мастерской вполне возможно. К примеру: в реализации авторских работ для художественной или декоративной обработки небольших и некрупных заготовок. А вот изготовить своими руками такой станок можно разве, что для резки дерева, пластмассы, ламината или других не очень прочных материалов.

При этом надо учитывать, что стоимость оборудования плюс периодическая замена расходных материалов и постоянная потребность в абразиве, делают прямые затраты на один рабочий час гидроабразивной резки минимум 1400 рублей. Но это отдельная тема и если у вас есть свой опыт в использовании гидроабразивного резака в домашних условиях, поделитесь им с остальными в блоке комментариев.