Технологія гідроабразивного різання: що це і як працює

Що таке гідроабразивне різання

Процес гідроабразивної обробки полягає в напрямку струменя суспензії, що складається з води і частинок абразивних матеріалів, на оброблювану поверхню заготовки.

Фізична суть механізму гідроабразивного різання полягає у відриві та виносі з порожнини різу частинок матеріалу, що розрізається швидкісним потоком. Стійкість течії і ефективність впливу двофазного струменя забезпечуються оптимальним вибором цілого ряду параметрів різання, включаючи тиск і витрата води, що подається, а також витрата і розмір частинок абразивного матеріалу.

В основі гідроабразивної обробки лежить два руйнівні матеріали: вода і пісок

В якості абразиву використовується гранатовий пісок. Також застосовується електрокорунд, карбід кремнію що підвищує якість та швидкість різання у 2-4 рази, но і підвищує вартість процесу різання.

Обладнання провідних виробників дозволяє обробляти високоміцні і загартовані сталі, кольорові метали товщиною до 150 - 200 мм, пористі та композитні матеріали до 300 мм.

Технологія та принцип роботи гідроабразивної різки

Якщо звичайну воду стиснути під тиском 1000 - 5000 атмосфер, а потім пропустити через отвір діаметром 0,1-0,3 мм, то швидкість течії буде досягати 400-1000 м/с. При ударі об поверхню абразивної частинки спостерігається процес мікрорізання матеріалу. Мікрорізання проводиться тільки вершинами абразивних зерен і через швидкоплинність і спрямованість ударного впливу воно носить дуже специфічний характер.

Різка граніту. Видно рівний круглий різ з низькою шорсткістю

В установці гідроабразивного різання вода під тиском близько 4000 атмосфер, створюваним насосом високого тиску, подається в сопло з профільованим каналом, в якому формується високошвидкісний водяний струмінь.

Потім водний струмінь потрапляє в змішувальну камеру ріжучої головки, де захоплює абразивні частинки, що надходять туди, в результаті чого утворюється суміш. Далі отримана суміш розганяється в трубі діаметром близько 1 мм до надзвукової швидкості порядку 900-1200 м/с.

Удар частинки о поверхню призводить до виникнення кратера. Витіснений з кратера матеріал тече у напрямку падіння частки, поки він не розтріскується через значні швидкодіючі накопичені деформації. Існує критична швидкість, після якої матеріал починає витіснятися із кратера. Нижче критичної швидкості процес різання не відбувається.

Цікавий факт. Кількість ударів частинок під час гідроабразивній обробці сягає 25 мільйонів раз в секунду.

Можливості та сфери використання

Струмінь рідини за своїми технічними можливостями наближається до ідеального точкового інструменту, що дозволяє обробляти профіль будь-якої складності із заданим радіусом закруглення. Ширина різу становить від 1 до 1,5 мм. Існує можливість зменшити ширину різу до 0,3мм.

Гідроабразивне різання дає одну з найякісніших поверхонь серед усіх методів різання. При необхідності можливе отримання поверхні з шорсткістю Ra 1,5-2,5 мкм.

Температура у зоні різання не перевищує 60-90°С. В результаті не відбувається помітного підвищення температури заготовки, що забезпечує холодний різ матеріалів. Це дозволяє при використанні гідроабразивної технології виключити оплавлення і пригоряння матеріалу в прилеглій зоні.

Текстиль, еластомери, волокнисті матеріали, тонкий пластик, папір, термопласти та ін. матеріали інколи ріжуться струменем чистої води, що досягає швидкості до 200 м/хв.

За допомогою гідроабразивного струменя різати можна практично будь-які матеріали:

• чорні метали та сплави;
• важкооброблювані леговані сталі та сплави, у тому числі: жароміцні та нержавіючі;
• кольорові метали та сплави: мідь, нікель, алюміній, магній, титан та їх сплави;
• композиційні матеріали;
• керамічні матеріали: керамограніт, плитка;
• природне та штучне каміння: граніт, мармур тощо;
• скло та композиційне скло: триплекс, бронескло, армоване скло, склотекстоліт тощо;
• пористі матеріали;
• стільникові та сендвіч-конструкції;
• бетон та залізобетон.

Гідроабразивне різання може застосовуватися в багатьох сферах.

• Ремонт фасадів будівель (видалення лакофарбових покриттів, штукатурки тощо).
• Санація бетону та залізобетону (в т.ч. повне видалення бетону).
• Безпилове, пожежобезпечне видалення корозії з металу.
• Обмивка річкових та морських суден, підготовка до нанесення покриттів.
• Чищення високовольтних ізоляторів.
• Видалення будь-яких покриттів, відкладень із поверхонь.
• Пожежобезпечне утилізація озброєння.
• Внутрішнє та зовнішнє чищення теплообмінного обладнання, труб та колекторів різних діаметрів та конфігурацій.

Види гідроабразивного різання

80 % верстатів у світі це гідроабразивні верстати з ЧПК для 2D або 2,5D обробки. Тобто різка плоских листів різноманітних матеріалів. Головка рухається тільки в площині X–Y (іноді з невеликим підйомом по Z для проколювання), а зріз завжди перпендикулярний поверхні листа.

Найрозповсюдженіший вид гідроабразивного різання – контурне вирізання листів

Також існують верстати 3D-різання складних тривимірних деталей. Наприклад вирізання з товстих блоків, підрізання з будь-яких боків. Цим методом виготовляються лопатки турбін, корпуси, прес-форми, автомобільні прототипи, скульптури.

Гідроабразивне різання майже не навантажує заготовку 

Також розповсюджена гідроабразивна чистка та видалення покриттів. Знімає фарбу, іржу, бетон, смолу без пошкодження основи. Зазвичай виконується ручним інструментом. Може працювати під водою.

Очистка поверхні металу

Існує гідроабразивне текстурування, яке створює контрольовану шорсткість Ra 5–50 мкм. Застосовується для створення поверхонь з направленими властивостями або підготовка поверхонь під склеювання, нанесення покриттів.

Окремо стоїть мікрорізання. Воно дає дуже тонкий різ 0,2–0,4 мм з високою точністю ±0,01 мм. Таким чином виготовляються мікрошестерні, електронні плати, ювелірні вставки, деталі годинникових механізмів.

Переваги гідроабразивного різання

Гідроабразивний струмінь не змінює фізико-механічні властивості матеріалу і виключає деформацію, оплавлення та пригоряння матеріалу. Вона особливо ефективна при роботі з важкообробними матеріалами: титанові сплави, різні види високоміцних керамік і сталей, а також композитні матеріали. При цьому не створюється розривів у структурі матеріалу, і він зберігає свої первісні властивості. 

Основні переваги порівняння з лазерним, плазмовим, механічним різанням:

• висока якість одержуваних кромок (що не потребують додаткової механічної обробки);
• повна вибухобезпека та пожежо-безпека процесу різання, кромки матеріалу не піддаються термічному навантаженню;
• дозволяє різати пакети, що складаються з кількох шарів різних матеріалів, наприклад композиційні матеріали;
• відсутність пилу та газів;
• низьке тангенціальне зусилля різання на деталь (заготовка може не затискатися);
• невелика ширина різу.

Недоліки

Основним недоліком є невисока швидкість різання, особливо товстих матеріалів. У порівнянні з плазмою чи лазером при роботі з тонким металом (до 10-15 мм), гідроабразивна значно повільніший.

Через розсіювання струменя з глибиною різ має форму мікроконуса — ширший зверху і вужчий знизу. При зміні напрямку руху (наприклад, на закругленнях) струмінь як би відстає, залишаючи на нижній частині деталі невеликі закруглені сліди-виїмки.

Обмежений ресурс мають окремих комплектуючих. Дорогі трубки для змішування (міксери) мають обмежений ресурс і потребують регулярної заміни.

Це досить вогкий процес, що вимагає спеціальних робочих костюмів, підвищені вимоги до електробезпеки, сушку деталей.

Неможливість (або обмеженість) повторного використання абразивного матеріалу. Навіть при відновлені втрачається 30–50 % піску.

Поради щодо використання гідроабразивного різання від фахівців Abplanalp

Цей тип обробки незамінний при різанні багатошарових, стільникових та композиційних матеріалів. Його використовують при обробці пожежо- і вибухонебезпечних матеріалів. Наприклад, при утилізації боєприпасів.

Зробіть комфорт для своїх працівників. Вогке середовище зовсім не спряє здоров’ю. У вас повинне бути сухе тепле приміщення для відпочинку.

Чим нижча швидкість різання, тим вища якість кромки, менша конусність, краща чистота поверхні. Потрібно знайти баланс.

Підвищений тиск, наприклад, 3800бар замість 3000бар, зазвичай означає вищу швидкість різання та кращу якість. Однак, завищення тиску вище заводських налаштувань зазвичай обмежені паролем, і не треба намагатись обійти його. Це небезпечно.

Для деталей складної форми обов'язково використовуйте програмне уповільнення швидкості до і після точок зміни траєкторії струменя. Тренуйтесь на різних матеріалах і зберігайте свою базу знайдених режимів.

Зазвичай листи металу або каміння не закріплюють. Но легкі заготовки слід додатково фіксувати, щоб уникнути їх зсуву під час різання.

Висновки

Гідроабразивне різання це високоточна, універсальна та екологічно чиста технологія, що дозволяє працювати з матеріалами, які є складними або неможливими для обробки інших методів різання. Від перших експериментів до сучасних автоматизованих комплексів, вона залишається найефективнішим методом обробки складних і тугоплавких матеріалів — від каменю та металу до композитів та харчових продуктів. Водночас її ключові недоліки, такі як обмежена швидкість при роботі з товстими заготовками та витратність експлуатації, визначають раціональні межі застосування.

Головна сила гідроабразивної технології — її здатності забезпечувати холодний різ без термічних деформацій та структурних змін матеріалу. Успішне використання гідроабразивного різання залежить від точного вибору параметрів та системного підходу до технологічної підготовки.