Технология гидроабразивной резки: что это и как работает

Что такое гидроабразивная резка

Процесс гидроабразивной обработки заключается в направлении струи суспензии, состоящей из воды и абразивных частиц материалов, на обрабатываемую поверхность заготовки.

Физическая сущность механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и выносе из полости реза частиц материала, разрезаемого скоростным потоком. Устойчивость течения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным выбором целого ряда параметров резки, включая давление и расход подаваемой воды, а также расход и размер частиц абразивного материала.

В основе гидроабразивной обработки лежит два разрушительных материала: вода и песок

В качестве абразива используется гранатовый песок. Также применяется электрокорунд, карбид кремния повышающий качество и скорость резки в 2-4 раза, но и повышающий стоимость процесса резки.

Оборудование ведущих производителей позволяет обрабатывать высокопрочные и закалённые стали, цветные металлы толщиной до 150 – 200 мм, ячеистые и композитные материалы до 300 мм.

Технология и принцип работы гидроабразивной резки

Если обычную воду сжать под давлением 1000 – 5000 атмосфер, а затем пропустить через отверстие диаметром 0,1-0,3 мм, то скорость течения будет достигать 400-1000 м/с. При ударе о поверхность абразивной частицы наблюдается процесс микрорезки материала. Микрорезка производится только вершинами абразивных зёрен и из-за быстротечности и направленности ударного воздействия оно носит очень специфический характер.

Резкая гранита. Виден ровный круглый рез с низкой шероховатостью

В установке гидроабразивной резки вода под давлением около 4000 атмосфер, создаваемым насосом высокого давления, подаётся в сопло с профилированным каналом, в котором формируется высокоскоростная водяная струя.

Затем водная струя попадает в смесительную камеру режущей головки, где захватывает поступающие туда абразивные частицы, в результате чего образуется смесь. Далее полученная смесь разгоняется в трубе диаметром около 1 мм до сверхзвуковой скорости порядка 900-1200 м/с.

Удар частицы о поверхность приводит к возникновению кратера. Вытесненный из кратера материал течёт в направлении падения частицы, пока он не растрескивается из-за значительных быстродействующих накопленных деформаций. Существует критическая скорость, после которой материал начинает вытесняться из кратера. Ниже критической скорости процесс резки не происходит.

Интересный факт. Количество ударов частиц при гидроабразивной обработке достигает 25 миллионов раз в секунду. 

Возможности и сферы использования

Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, позволяющему обрабатывать профиль любой сложности с заданным радиусом закругления. Ширина реза составляет от 1 до 1,5 мм. Есть возможность уменьшить ширину реза до 0,3мм.

Гидроабразивная резка даёт одну из самых качественных поверхностей среди всех методов резки. При необходимости возможно получение поверхности с шероховатостью Ra 1,5-2,5 мкм .

Температура в зоне резки не превышает 60-90°С. В результате не происходит заметного повышения температуры заготовки, что обеспечивает фактически холодный рез материалов. Это позволяет при использовании гидроабразивной технологии исключить оплавление и пригорание материала.

Текстиль, эластомеры, волокнистые материалы, тонкий пластик, бумага, термопласты иногда режутся струёй чистой воды, достигающей скорости до 200 м/мин.

С помощью гидроабразивной струи можно резать практически любые материалы:

• черные металлы и сплавы;
• тяжёлобрабатываемые легированные стали и сплавы, в том числе: жаропрочные и нержавеющие;
• цветные металлы и сплавы: медь, никель, алюминий, магний, титан и их сплавы;
• композиционные материалы;
• керамические материалы: керамогранит, керамическая плитка;
• природные и искусственные камни: гранит, мрамор и т.п.;
• стекло и композиционное стекло: триплекс, бронестекло, армированное стекло, стеклотекстолит и т.п.;
• ячеистые материалы;
• сотовые и сэндвич-конструкции;
• бетон и железобетон.

Гидроабразивная резка может применяться во многих областях.

• Ремонт фасадов зданий (удаление лакокрасочных покрытий, штукатурки и т.п.).
• Санация бетона и железобетона (в т.ч. полное удаление бетона).
• Беспылевое, пожаробезопасное удаление коррозии из металла.
• Отмывка речных и морских судов, подготовка к нанесению покрытий.
• Чистка высоковольтных изоляторов.
• Удаление любых покрытий, отложений с поверхностей.
• Пожаробезопасная утилизация вооружения.
• Внутренняя и наружная чистка теплообменного оборудования, труб и коллекторов разных диаметров и конфигураций.

Виды гидроабразивной резки

80% станков в мире это гидроабразивные станки с ЧПУ для 2D или 2,5D обработки. То есть резка плоских листов различных материалов. Головка движется только в плоскости X–Y (иногда с небольшим подъёмом по Z для прокалывания), а срез всегда перпендикулярный поверхности листа.

Самый распространённый вид гидроабразивной резки – контурная резка листов

Также существуют станки 3D-резки сложных трёхмерных деталей. Например, вырезание из толстых блоков, подрезка с любых сторон. Этим методом производятся лопатки турбин, корпуса, пресс-формы, автомобильные прототипы, скульптуры.

Гидроабразивная резка почти не нагружает заготовку 

Довольно распространена гидроабразивная чистка и удаление покрытий. Снимает краску, ржавчину, бетон, смолу без повреждения основания. Обычно выполняется ручным инструментом. Может работать под водой.

Очистка поверхности металла

Существует гидроабразивное текстурирование, создающее контролируемую шероховатость Ra 5–50 мкм. Применяется для создания поверхностей с направленными свойствами или подготовки поверхностей под склеивание, нанесение покрытий.

Отдельно стоит микрорезка. Оно даёт очень тонкий рез 0,2–0,4 мм с высокой точностью ±0,01 мм. Таким образом изготавливаются микрошестерни, электронные платы, ювелирные вставки, детали часовых механизмов.

Преимущества гидроабразивной резки

Гидроабразивная струя не изменяет физико-механические свойства материала и исключает деформацию, оплавление и пригорание материала. Она особенно эффективна при работе с труднообрабатываемыми материалами: титановые сплавы, различные виды высокопрочных керамик и сталей, а также композитные материалы. При этом не создаётся разрывов в структуре материала и он сохраняет свои первоначальные свойства.

Основные преимущества по сравнению с лазерной, плазменной, механической резкой:

• высокое качество получаемых кромок (не требующих дополнительной механической обработки);
• полная взрывобезопасность и пожар -безопасность процесса резки, кромки материала не подвергаются термической нагрузке;
• позволяет резать пакеты, состоящие из нескольких слоёв разных материалов, например композиционные материалы;
• отсутствие пыли и газов;
• низкое тангенциальное усилие резки на деталь (заготовка может не зажиматься);
• небольшая ширина реза.

Недостатки

Основным недостатком является невысокая скорость резки, особенно толстых материалов. По сравнению с плазмой или лазером при работе с тонким металлом (до 10-15 мм) гидроабразивная значительно медленнее.

Из-за рассеяния струи с глубиной рез имеет форму микроконуса — более широкий сверху и уже снизу. При изменении направления движения (например, на закруглениях) струя как бы отстаёт, оставляя на нижней части детали небольшие закруглённые следы-выемки.

Ограниченный ресурс имеют отдельных комплектующие. Дорогие смешивающие трубки (миксеры) имеют ограниченный ресурс и требуют регулярной замены.

Это достаточно сырой процесс, требующий специальных рабочих костюмов, повышенные требования к электробезопасности, сушку деталей.

Невозможность (или ограниченность) повторного использования абразивного материала. Даже при восстановлении теряется 30-50% песка.

Советы по использованию гидроабразивной резки от специалистов Abplanalp

Этот тип обработки незаменим при резке многослойных, сотовых и композиционных материалов. Его используют при обработке пожаро- и взрывоопасных материалов. К примеру, при утилизации боеприпасов.

Создайте комфорт своим работникам. Сырая среда не помогает здоровью. У вас должно быть сухое тёплое помещение для отдыха.

Чем ниже скорость резки, тем выше качество кромки, меньше конусность, лучше чистота поверхности. Нужно найти баланс.

Повышенное давление, например 3800 бар вместо 3000 бар обычно означает более высокую скорость резания и лучшее качество. Однако не превышайте заводские настройки насоса. Тем более они обычно защищены паролём, не нужно пытаться взломать его. Это небезопасно.

Для деталей сложной формы обязательно используйте программное замедление скорости до и после точек смены траектории струи. Тренируйтесь на разных материалах и сохраняйте свою базу найденных режимов.

Обычно листы металла или камней не закрепляют. Но лёгкие заготовки следует дополнительно фиксировать, чтобы избежать их смещения при резке.

Выводы

Гидроабразивная резка это высокоточная, универсальная и экологически чистая технология, позволяющая работать с материалами, которые сложно или невозможно обработать другими методами. От первых экспериментов до современных автоматизированных комплексов, она остаётся эффективным методом обработки сложных и тугоплавких материалов — от камня и металла до композитов и пищевых продуктов. В то же время, ею ключевые недостатки, такие как ограниченная скорость при работе с толстыми заготовками и затратность эксплуатации, определяют рациональные пределы применения.

Главная сила гидроабразивной технологии — её способности обеспечивать холодный рез без термических деформаций и структурных изменений материала. Успешность использования гидроабразивной резки зависит от точного выбора параметров и системного подхода к технологической подготовке.