Перспективный способ разрезания листовых и рулонированных неметаллических материалов высоконапорной водоледяной струей

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

УДК 622.236.5

М.А. Бурнашов, канд. техн. наук, доц.,

ПЕРСПЕКТИВНЫЙ СПОСОБ РАЗРЕЗАНИЯ ЛИСТОВЫХ И РУЛОНИРОВАННЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ВЫСОКОНАПОРНОЙ ВОДОЛЕДЯНОЙ СТРУЕЙ

Характеризуются прогрессивные гидроструйные способы разрезания материалов различного состава и назначения. Указывается на перспективность применения в качестве режущего инструмента водоледяной струи для резки рулонированных и листовых неметаллических материалов.

Ключевые слова: гидроструйные технологии, гидрорежущее оборудование, водяные струи.

Высокоскоростные струи, на использовании которых основаны гидроструйные технологии в различных отраслях промышленности и строительстве, являются универсальным инструментом и могут применяться для раскроя практически любых твердых и эластичных материалов, в том числе и для листовых и рулонированных неметаллических материалов (ЛРНМ). За последние 30 лет в мире было создано несколько тысяч единиц гидрорежущего оборудования (в основном зарубежного производства индустриально развитых стран) для раскроя различных материалов. При этом режущий инструмент можно классифицировать следующим образом:

водяные струи;

водополимерные струи - водяные струи с добавлением полимеров

для придания специальных свойств при течении и воздействии на

обрабатываемый материал;

гидроабразивные струи.

Основные отрасли промышленности, в которых высокоскоростные струи уже нашли свое широкое применение, представлены в табл. 1 [1]. При оценке уровня практической реализации той или иной гидроструйной

технологии принималось во внимание наличие на рынке гидрорезных станков, реализующих конкретный технологический процесс (рис. 1).

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что наибольшее распространение нашли технологии резания и обработки различных материалов водяными и гидроабразивными струями. Этому способствовал большой объем теоретических, экспериментальных и практических знаний, накопленный за последние 30-50 лет, который позволяет достаточно достоверно описывать процессы формирования водяных струй, их течения и взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Наиболее эффективное и экономически целесообразное применение той или иной гидроструйной технологии для разрезания различных материалов поясняется на графиках рис. 1, а и б. В табл. 2 представлены материалы, разрезание которых возможно с применением вышеуказанных гидроструйных технологий.

Признанными лидерами в области промышленного применения водоструйной резки являются фирмы «Hammelmann», «INGERSOLL-RAND», «UHDE» (Германия), «Bohler» (Австрия), «Autoclave France» (Франция), «National Liquid Blasting» (США), «Sandvik» (Швеция), «BHR Group Limited» (Великобритания), «Smetjet/jetinter» (Бельгия) и др , использующие водяные струи для быстрого и эффективного разрезания бумаги, ткани, дерева, пластиков и др.

Однако наиболее важными недостатками, сдерживающими тттиро-кое внедрение автоматизированных, экологически чистых технологий гидрорезания конструкционных материалов, в том числе и ЛРНМ, являются:

- большая стоимость оборудования и планового текущего ремонта (замена изношенных струеформирующих насадок, уплотнений высоконапорной системы источника воды высокого давления, вышедших из строя рабочих опор раскройного стола);

- большая мощность (40...50 кВт) приводных электродвигателей насосной станции для достижения высокого давления струи жидкости Р=400 МПа.

В результате исследований, активно проводимых в последние десятилетия, установлено, что эффективность резания резко повышается при введении в высокоскоростную водяную струю абразивных частиц [2, 3, 4].

Так, сравнительные экспериментальные исследования показали [5], что при одинаковых гидравлических параметрах введение абразивного компонента в высокоскоростную водяную струю позволяет увеличить глубину резания (производительность), например, в горных породах, в 5 - 8 и более раз.

139

Область применения Технологические операции

Резание (раскрой) Бурение Точение Фрезеро- вание Разделе- ние Г идро-механи-ческое резание Обра- ботка поверх- ности Вымы- вание

Машиностроение П* П П Р

Авиация и космонавтика П Р Р Р П

Оптика П Р п Р

Электроника п п Р

Атомная энергетика п П п Р п

Нефтяная и газовая промышленность п Р П

Создание новых материалов П

Разоружение п п Р

Кораблестроение и мореходство п п

Пищевая промышленность п П п П

Гражданское строительство п п п п п П

Нефтехимия п Р п Р

Экология п Р Р

Горное дело п р Р Р

Искусство и архитектура п р р р р

Медицина п п Р

*П промышленно освоенное оборудование * *Р - разрабатываемое оборудование

Г еотехнология

Относительная

производительность.

О

а) "мягкие" материалы Резание

гидроадразиднои струей (11

Ыоледяной струей (2);

• Ьодяной струей (31

Промышленное использование технологий | - гидрорезания,

- гидроадразидного резания,

- экономически целесообразное использование додоледяного резания,

б) "тбердые” материалы

Зоны стоимости придодной насосной станции: / зона - 5000 уел ед:

И зона - 25000 уел ед

Рис. 1. Сравнительная характеристика процессов разрезания: а - «.мягких» и б - «твердых» материалов

Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2010. Вып. 1

Р.А. Тихомировым и В.С. Гуенко [6] исследовался процесс резания листов винилпласта, стеклотекстолита, фольгированного пластика и стали с пределом прочности на растяжение от 55 до 450 МПа. При этом было установлено, что добавление абразива в высокоскоростную струю воды по сравнению со струей воды повышает производительность резки менее прочных материалов в 3 - 5 раз, а более прочных в 10 раз.

Таким образом, можно сделать вывод, что технология гидроабразивного резания имеет значительные преимущества перед технологией резания материалов обычными высокоскоростными водяными струями, не содержащими абразива. Наряду с увеличением производительности резки к основным преимуществам относятся следующие:

высокая эффективность резания твердых материалов; способность разрушать крепкие и весьма крепкие горные породы; повышение безопасности работ для обслуживающего персонала; снижение стоимости расходных материалов, оборудования и всего технологического процесса (из-за возможности резания при рабочем давлении Р=250 МПа, а не при 400 МПа как в случае гидрорезания);

обеспечение высокой надежности эксплуатации оборудования.

Таблица 2

Классификация материалов, обрабатываемых с помощью гидроструйных технологий

«Мягкие» материалы «Твердые» материалы

Рулонированные материалы Листовые материалы Металлы и сплавы Неметаллические материалы

Бумага и картон; прокладочные, уплотнительные и электроизоляционные материалы Техническая резина Конструкционные стали и сплавы

Техническая резина Ламинированные и композиционные материалы на основе дерева Инструментальные углеродистые и легированные стали Мрамор, гранит, керамогранит

Прорезиненные ткани Полимерные материалы (твердостью НВ 9...30) Быстрорежущие стали Г орные породы

Линоулемы, ковролины, рубероиды Цветные металлы и сплавы (НВ 4.50) Твердые сплавы Минералокерамика и сверхтвердые материалы

При этом, безусловно, технология гидроабразивного резания сохраняет и те преимущества, которые присущи и технологии резания различных материалов высокоскоростными струями воды.

Гидроабразивные струи уже стали стандартным режущим инструментом в высокотехнологичных отраслях и в машиностроении. Однако применение их оправдано только лишь при раскрое твердых (мрамор, гранит и керамогранит), труднообрабатываемых, жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов. Большая стоимость применяемого абразивного материала и его безвозвратный расход в случае неприобретения дорогостоящей системы вторичного использования и очистки от продуктов резания сделали недоступным применение способа раскроя гидроабразивной струей для большинства неметаллических конструкционных материалов, в том числе и ЛРНМ. Кроме того, ввиду специфики строения большинства рулонированных материалов (чаще всего прорезиненных и прошитых), использование для их резания в качестве инструмента - высокоскоростного потока абразивных зерен, также сдерживается из-за получения реза неудовлетворительного качества при установлении величины рабочей подачи как для большинства металлических заготовок одинаковой толщины. Это объясняется повышенными демпфирующими способностями резины при ударном воздействии на нее абразивных зерен и значительном коэффициенте трения «абразив - резина». Поэтому рез получается с непостоянным рельефом и, чаще всего, с местным вырыванием слишком широких припусков. Удовлетворительное качество реза гидроабразивным способом наблюдается только лишь при снижении величины рабочей подачи, что ведет к снижению производительности и удорожанию технологии для случая раскроя ЛРНМ.

Для снижения энергоемкости (и соответственно себестоимости) процесса раскроя ЛРНМ с применением энергии высокоскоростных струй необходимо найти такие способы воздействия на материал, которые бы при относительно «низких» давлениях в пределах 100...200 МПа (в отличие от гидрорезания - 400 МПа) обеспечивали приемлемое качество реза при одинаковых величинах рабочей подачи.

Поставленная цель научного исследования может быть решена с помощью применения нового способа резания ЛРНМ с использованием в качестве режущего инструмента водоледяной струи высокого давления;

Технологии на основе водоледяных струй в нашей стразе, до настоящего времени, из-за некоторых технических сложностей реализации, не исследовались. Однако за рубежом уже подтверждены их перспективы для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как машиностроение, медицина, авиация и космонавтика [1].

Водоледяной инструмент представляет собой устройство для формирования суспензионной водоледяной струи путем увлечения высокоскоростной водяной струей частиц потока жидкого азота.

Водоледяной инструмент (рис. 2) состоит из корпуса камеры смешивания 1, внутри которой на ее продольной оси располагается водяная струеформирующая насадка 2, питаемая водой высокого давления чрез штуцер 3 и трубопровод 4 от источника воды высокого давления. Кроме того, к камере смешения подходит трубопровод подачи жидкого азота. Истекая в камеру смешения из струеформирующей насадки, вода высокого давления увлекает с собой частицы жидкого азота и попадает в коллиматор, где и происходит образование ледяных частиц и окончательно формируется суспензионная водоледяная струя. Все элемент водоледяного инструмента, подверженные существенным динамическим и термическим нагрузкам (струеформирующая насадка, коллиматор) изготовлены из твердого сплава, а также имеют возможность быстрой замены.

Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса водоледяного резания ЛРНМ, была разработана специальная установка, состоящая из четырех основных частей: источника воды высокого давления, водоледяного инструмента, установки подачи жидкого азота и стола-податчика.

Рис. 2. Схема водоледяного инструмента

Источник воды высокого давления представляет собой агрегат, состоящий из масляной приводной насосной станции, повысителя давления мультипликаторного типа и системы подачи воды.

Масляная приводная насосная станция предназначена для питания потребителя - повысителя давления гидравлической энергией масляного потока и представляет собой смонтированные на общей раме асинхронный электродвигатель, приводящий во вращение аксиально-поршневой насос переменной подачи, маслобак, элементы гидроуправления и автоматики, объединенные между собой при помощи гидромагистралей. Конструкция приводной насосной станции обеспечивает подачу потока рабочей жидкости - гидравлического масла с давлением до 3 2 МПа и р входом до 90 л/мин. Повыситель давления представляет собой двухсторонний гидроцилиндр обеспечивающий преобразование низкого давления масла на входе в высокое давление воды на выходе. Коэффициент мультипликации используемого повысителя давления составляет 7 единиц. Реверсирование движения поршня-штока осуществляется при помощи гидроуправления.

Нагнетание высоконапорной воды осуществляется попеременно правой и левой полостью через напорные клапаны в общий трубопровод высокого давления. От повысителя давления высоконапорная вода поступает в аккумулятор высокого давления, предназначенный для сглаживания пульсации давления, и далее в водоледяной инструмент. Для питания по-высителя давления водой низкого давления, заполняющей полости повы-сителя через всасывающие клапаны, используется специальная насосная установка низкого давления или водопроводная сеть.

Установка подачи жидкого азота (рис. 3) состоит из сосуда Дюара, в котором находится запас жидкого азота, системы дозирования жидкого азота дроссельного типа, и соединительных трубопроводов, обеспечивающих подачу жидкого азота к водоледяному инструменту. Все элементы установки подачи жидкого азота имеют термоизолирующее покрытие, для уменьшения интенсивности теплообмена с окружающей средой и предотвращения обледенения трубопроводов и других элементов установки. Стол-податчик предназначен для размещения и перемещения по заданному В качестве образцов материалов, используемых в ходе проведения экспериментальных исследований, были приняты следующие материалы:

материал 1 - Резина техническая МБС, листовая с толщиной листа 5 мм, ГОСТ 7338-90;

материал 2 - Линолеум полихлоридный на теплозвукоизолирующей подоснове ПВХ-ПРП, ГОСТ 18108-80;

материал 3 - пластины ПВХ 100 мм, ТУ 5772-001-18757376-99. материал 4 - ПММА (оргстекло по ГОСТ 17622-72).

Все элементы экспериментальной стендовой установки были смонтированы в отдельном помещении, обеспечивающим надлежащие условия для проведения работ.

закону ЛРНМ, подвергаемых резанию при помощи водоледяной

струи.

Рис. 3. Установка подачи жидкого азота

Работа стендового оборудования осуществляется следующим образом:

- образец ЛРНМ располагается на столе - податчике;

- при помощи управляющей ПЭВМ задается закон перемещения стола - податчика;

- включается источник воды высокого давления;

- осуществляется дозированная подача жидкого азота;

- включается перемещение разрезаемого ЛРНМ относительно водоледяного инструмента (рис. 4.).

Рис. 4. Осуществление резания водоледяной струей

В результате анализа проведенных экспериментов по раскрою ЛРНМ различного состава был сделан вывод о целесообразности применения водоледяных струй. Главным образом, эффективность данной технологии достигается за счет пр шенения более дешевых и до сгупных для приобретения приводных насосных станций меньшего давления (до 200МПа в отличие от «классических» станций для гидрорезания давлением 400 МПа).

Список литературы

1. Hollinger R.H., Perry W.D., Swanson R.R. Proceedings of the 5th American Water Jet Conference, Toronto, Canada, August, 1989, P. 245 - 252.

2. Hashish M., Loscutoff M.V., Reich, P. Cutting with Abrasive Water-jets: 2nd U. S. Water Jet Conference, Rolla, Missouri, USA, 1983, P. 391 - 405.

3. Harris I.D. Abrasive Water Jet Cutting and its Applications at the Welding Institute, Welding Institute Research Bulletin. Vol.19. February. 1988. P.42 - 49.

4. Hunt D.C., Kim T.J., Sylvia J.G. A parametric study of abrasive wa-terjet processes by piercing experiment: 8th International Simposium on Jet Cutting Technology. Durham, England. 9-11 September, 1986.

5. Hessling M. Recent Examination Relating to the Effects of the Abrasive Material, Operating Parameters and Rock Properties on the Depth of Cut Obtainable with Abrasive High Presser Water Jets when Cutting Rock: 9th International Symposium on Jet Cutting Technology. Sendai, Japan. October, 1988. Paper G3, P. 357 - 376.

6. Тихомиров Р.А., Гуенко В.С. Гидрорезание неметаллических материалов. Киев: Техника, 1984. 149 с.

M. Burnashov

Perspective method of cutting sheet and roll nonmetallic materials by high-pressure water-ice jet

Progressive water-jet methods of cutting different composition and purpose materials are characterized. Availability of using high-pressure water-ice for cutting sheet and roll nonmetallic materials jet is shown.

Key words: jet technology, hydro-cutting equipment, water jet.

Получено 17.03.2010