Некоторые особенности водоструйной обработки материалов waterjet-технология

УДК 679.8 Е.Г. Коржов

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОДОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ “'^Л ТЕШЕ Т- ТЕХНОЛОГИЯ”

Семинар № 18

~П озможность использования .О струи жидкости под сверхвысоким давлением в качестве режущего инструмента для обработки различных материалов впервые была описана в СССР. Произошло это в 1957 году. Но запатентован такой способ обработки материалов был только через четыре года, и не в Союзе, а в США.

1. Рабочий инструмент и физика процесса

Инструментом водоструйной резки материалов является определенным образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,080,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Жидкость в виде струи с давлением действует на материал по площади, сжимает породу по направлению движения струи, в результате этого в материале образуется ядро уплотнения, расширяющееся перпендикулярно вектору скорости струи. Последнее может разрушить породу. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала - за счет этого и осуществляется резка.

Струя жидкости действует на породу аналогично твердому инструменту, но есть и существенные различия: жидкость растекается по породе размывает и уносит части ядра уплотнения. Твердый инструмент удерживает ядро уплотнения от разрушения до скола объема материала, окружающего ядро уплотнения. Размывание

и вынос ядра уплотнения приводит к тому, что оно заглубляется в материал, а выделяемая им работа из-за перегрузки окружающего материала уменьшается, поэтому отбойка как сколом, так и выколом становится невозможной. В этих условиях в материале образуется углубление, а если струю перемещать — то образуется щель определенной глубины, зависящей как от давления в струе, так и от прочности породы. Энергия струи уменьшается при увеличении ее длины из-за увеличения ее сечения, турбулентного движения, распада на части и т.п., поэтому стремятся приблизить сопло к обрабатываемому материалу.

Сегодня существуют два способа водоструйной резки материалов:

- резка водой, или гидрорезка - waterjet cutting;

- гидроабразивная резка (вода плюс абразив) - abrasive waterjet cutting.

Наличие абразива в струе увеличивает ее технологические возможности - жидкостно-абразивной суспензией можно резать твердые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины. Режимы водоструйной резки, осуществляемой

обоими способами, могут быть расширены за счет подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, которые придают ей абразивные свойства. При водоструйной резке учитывается и угол атаки - угол между направлением струи и обрабатываемой поверхностью. Максимальная режущая способность и производительность процесса достигаются при угле атаки в 900

2. Материалы и области применения

С помощью водоструйной резки могут обрабатываться практически все материалы: бумага и картон, ткани, кожа и резина, стекло и керамика, гранит и мрамор, бетон и железобетон, все виды полимерных материалов, в том числе композиционные, фольги-рованные и металлизированные пластики, все виды металлов и сплавов, включая труднообрабатываемые - нержавеющие и жаропрочные стали, твердые и титановые сплавы.

За рубежом спектр отраслей, в которых сегодня применяются технологии водоструйной резки, широчайший. Прежде всего это: космическая отрасль и ракетостроение, оборонная промышленность, авиа- , судо- , автомобиле- и приборостроение, электротехника и микроэлектроника, легкая (в том числе кожевенно -обувная) и пищевая промышленность, строительство, медицина.

Особенно часто водоструйная резка применяется для осуществления следующих технологических операций (здесь приводится далеко не полный перечень):

в оборонной промышленности - утилизация устаревших образцов вооружений (разрезание корпусов ракет, боевой техники, судов и подводных лодок), разрезание корпусов снарядов и вымывание взрывчатых веществ;

в электронной промышленности - ре-

Рис. 1

зание электронных плат (применение водоструйной резки позволило достичь размера пропила до 0,1 мм и обеспечить отсутствие пыли, а также решить проблему расслоения материала), снятие облоя с корпусов микросхем;

в автомобильной промышленности - резание фальш-потолков, ковриков, приборных досок, бамперов из пластика и пр.;

в строительстве - резка бетонных конструкций для их последующего демонтажа, расчистка швов и т. д. Водоструйная резка часто используется для производства сложных контуров в мраморе и граните (узкий пропил позволяет создавать инкрустации при изготовлении декора);

в пищевой промышленности - резка продуктов глубокой заморозки, различных плотных пищевых продуктов, шоколада. На рис. 1 приведены сложные формы, полученные с помощью Wateljet-технологии.

3. Плюсы и минусы технологии ’^а1ег]е1-технологии

Основные достоинства водоструйной обработки перед подобными методами (лазерная резка, плазменная резка, механическая резка) состоят в следующем. Низкая температура реза Генерируемое в процессе резания тепло практически мгновенно уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры в заготовке. Эта характеристика является решающей при обработке особо чувствительных к нагре-

ву материалов. Небольшие сила (1-100 Н) и температура (+60-+90 °С) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в прилегающей зоне. Ни одна технология, кроме гидроабразивной резки, не может обеспечить отсутствие термического влияния на металл вблизи пропила.

Кромки среза не требуют дополнительной обработки. Т.к. область термовлияния на кромках обработанных деталей отсутствует, гидроабразивная резка позволяет вырезать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности реза и достаточно высокой производительностью.

Универсальность обработки

• Возможность резать на одной установке самые разнообразные материалы;

• Жидкостно-абразивная струя особенно эффективна при обработке многих труднообрабатываемых материалов, таких как, например, титановые сплавы, различные виды высокопрочных керамик и сталей, а также композитных материалов. При гидроабразивной резке последних не создается разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства.

• Возможность резки самых разнообразных, в том числе и сверхтвердых материалов (высокопрочные сплавы, стекло, керамика, углепластики и другие композитные материалы и т.п.) с высокой скоростью.

• Возможность фасонной резки достаточно толстых материалов: резка метала, резка бетона, в том числе с арматурой. При этом достигается достаточно высокая точность обработки - 0,1 мм при резке металлов больших толщин.

• Возможность резки и обработки более широкого спектра материалов, и не только твердых. Так же легко и без деформации кромок среза режутся пористые и прозрачные материалы, пищевые продукты.

• Возможность резки самых разнообразных сэндвич-конструкций, так называе-

мых "сэндвичей", которые иными способами не режутся в принципе;

• Возможность резки (без абразива) разнообразных мягких материалов - полиуретан, поролон, пластмассы и т. п.;

• Возможность обработки сразу "под размер" достаточно больших деталей (до 2,2х4,0 м и даже более) с высокой точностью, что исключает необходимость последующей механообработки;

Способность воспроизводить сложные контуры и профили

• Возможность резки криволинейных поверхностей с высокой точностью с использованием системы САЭ-СЛМ.

• Резка может осуществляться в любых направлениях, по линии любой кривизны и сложности.

• С помощью водоструйной обработки можно воспроизводить очень сложные формы или скосы под любым углом.

• Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет 1,0-3,0 мм.

• При резании хрупкого материала -стекла - гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; водоструйная технология не уступает алмазной резке, когда делаются прямые резы стекла, (но надо понимать, что она не заменит стеклорез в своей сфере применения), и тем более никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

• Оборудование гидроабразивной резки особенно эффективно при выполнении фасонных резов, то есть при резке как минимум в двух осях - Х и У.

Хорошее качество поверхности.

• Обеспечение достаточно высокого качества разрезаемой поверхности.

• Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Яа 0,5-1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает

Толщина материала, мм 5 10 20 50 100

Мрамор 4,5-6,0 2,0-2,7 0,9-1,2 0,3-0,45 0,1-0,15

Гранит 3,2-4,0 1,5-1,8 0,7-0,8 0,2-0,3 0,06-0,1

Стекло 5,8-6,5 2,5-3,0 1,1-1,4 0,35-0,5 0,1-0,16

Алюминий 2,1-2,8 1,0-1,2 0,4-0,5 0,12-0,2 0,04-0,07

Титан 1,0-1,3 0,5-0,6 0,2-0,3 0,07-0,1 0,01-0,03

Нержавеющая сталь 0,7-1,2 0,3-0,5 0,12-0,22 0,04-0,07 0,01-0,25

• необходимость в дополнительной обработке.

Технологичность процесса.

• Инструмент резки (струя воды или вода плюс абразив) не нуждается в переточке.

• Ударная нагрузка на изделие минимальна, отсутствует обратная реакция на режущий инструмент, так как между изделием и инструментом нет непосредственного контакта.

• Низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали.

• Существует возможность выполнения различных операций (например, сверления и резки) одним и тем же инструментом.

• Возможность установки на одном столе и гидроабразивной и лазерной резки.

• Возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя режущими головками на одном столе или несколькими головками на нескольких столах.

Экономичность процесса

• Скорость резания - высокая. Резка осуществляется с самыми разными скоростями - от 1 мм/мин до 30000 мм/мин, в зависимости от типа и толщины разрезаемого материала Скорости резки различных материалов зависят от многих факторов, средние значения этих скоростей для различных материалов приведены в таблице.

• Рез можно начинать в любой точке заготовки и при этом не нужно предварительно делать отверстие.

• Малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое.

• Малое количество потребляемой при резке воды. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико - около 3-4 л/мин, несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более).

Автоматизация процесса

• Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.

Доступность

• Использование таких относительно недорогих компонентов, как вода, и, например, кварцевый песок в качестве абразива, делает процесс доступным.

Безопасность

• Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Это позволяет резать взрывчатые вещества, нефте- и газосодержащие емкости и трубопроводы и т. п.

• Отсутствует радиационное излучение.

• Отсутствует опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц.

• Переносимая по воздуху пыль фактически устранена.

• Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.

Возможность резки на определенную глубину

• Высоконапорной абразивножидкостной струей можно производить не только сквозную резку материалов, но и вы-

борку ограниченных определенным контуром массивов камня. Другими словами - абразивно-жидкостная струя может быть инструментом скульптора.

К недостаткам технологии гидрорезания можно отнести: конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, довольно низкую стойкость сопла и сложность его изготовления. Факторами, сдерживающими практическое внедрение водоструйной техники на предприятиях, являются:

• высокая энергоемкость по сравнению с рядом других типов резания;

• несоответствие реальных характеристик заявленным (например, меньшая скорость струи, не позволяющая выполнять процесс резания определенных материалов);

• отсутствие у некоторых потенциальных потребителей необходимого масштаба производства, что делает установку гидрорежущего оборудования нерентабельной;

• довольно высокая стоимость по сравнению с другим (например, электромеханическим) оборудованием для резки.

В таблице приведены средние значения скорости водоструйной резки наиболее распространенных материалов (м/мин).

4. Основные компоненты гидрорежущего оборудования

В комплекс для водоструйной резки входят: насос высокого давления; режущая головка; координатный стол и приводы перемещений режущей головки; разводка высокого давления; система подачи абразива (для гидроабразивной резки); система числового программного управления. Дополнительно комплекс может оснащаться: устройством для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой; системой из нескольких режущих головок; механической системой предварительного просверливания; ловушкой струи воды, гасящей ее энергию и служащей также для сбора отработанного абразива, и рядом других.

Гидрорежущее оборудование обладает разной степенью универсальности и автоматизации, в том числе изготавливается и в виде роботизированных комплексов.

Насос высокого давления обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная принципиальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двустороннего или одностороннего действия (рис. 2). Выбор компоновки зависит от конкретных условий обработки (например, от допустимой величины перепада давления, требуемого расхода жидкости), что позволяет достичь заданных результатов, как по производительности, так и по качеству. Кроме того, используются стандартные регулирующие, распределительные, контрольные и вспомогательные гидравлические устройства.

На рис. 2, а показана компрессорная установка фирмы Flow - пионера в создании установок гидрорезания.

Для обработки крупногабаритных или отдельно стоящих изделий в условиях завода, порта, полигона, для выполнения работ под водой насос высокого давления может монтироваться на любом транспортном средстве - электрокаре, автомобиле, судне. В этом случае подвод жидкостной струи к изделию, расположенному, как правило, на некотором расстоянии от насоса высокого давления, осуществляется с помощью гибкого шланга.

Режущая (струйная) головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента по своим геометрическим и энергетическим параметрам. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи, определяют качество и надежность ее работы.

Рис. 2

Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований и одновременно

- об отсутствии оптимальных конструкций. Существуют следующие классификации (источник: Латыпов Р. Р., Терегулов Н. Г., Харлов А. И. Некоторые сведения о гидрорезании материалов - Труды Уфимского

ГАТУ, 1999):

• струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов (снабжены специальными конструктивными элементами);

• жидкостно-абразивные струйные головки. Наиболее совершенными считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с мини-

Рис. 2, а 378

мальными нарушениями их гидродинамических характеристик; струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости. В конструкцию введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет не только усилить режущие возможности струи за счет образования льдинок в струе, но и повысить износостойкость сопла благодаря образованию замороженного слоя на его поверхности;

• комбинированные сопловые головки.

На рис. 3 показаны принципиальные схемы режущих головок как для гидро- , так и для гидроабразивной резки.

До четырех режущих головок, работающих одновременно, используется в конструкции систем водоструйных установок, выпускаемых практически всеми ведущими мировыми производителями оборудования.

Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла. Разработана универсальная методика анализа гидравлических характеристик сопел с различными профилями внутреннего канала. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее рацио-

Рис. 3

нальным внутренним профилем сопла, повышающим производительность водоструйной обработки различных материалов примерно на 20%, является катеноидальный профиль.

Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней - сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250-500 часов. На рис. 4 показана режущая головка модели Paser 3 американской компании Flow International Corporation.

Разводка высокого давления. Вода под высоким давлением подается от насоса высокого давления к режущей головке системой неподвижных и подвижных труб. Для обеспечения плотности соединений при движении портала и рабочей головки используются специальные шарниры высокого давления или спиральные трубки специальной формы.

Система подачи абразива. Используются две системы подачи абразива - вакуумная, работающая по принципу пульверизатора, и та, что работает под давлением. Абразив засыпается в бункер, находящийся рядом с рабочим столом, и подается к рабочей головке по гибким шлангам. В качестве абразива обычно используют порошки твердых сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и титановых сплавов применяют особо твердые частицы граната, для стекла - соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами, - частицы силикатного шлака.

5. Производители

Российский рынок оборудования для водоструйной резки материалов способен удовлетворить практически любые запросы. Представленная на нем продукция таких специализированных зарубежных фирм, как американской Flow International Corporation (с множеством филиалов во всем мире), шведской Water Jet Sweden AB, итальянской Wateijet Corporation, чешской PTV, а также таких известных в мире производителей оборудования для обработки листа,

Рис. 4

как швейцарского концерна Bystronic, германской компании Trumpf, позволяет решать практически любые задачи. Тем не менее, данный сегмент рынка оборудования развивается достаточно активно, о чем свидетельствует появление на нем в последнее время продукции еще целого ряда зарубежных производителей, среди которых компании: Sato Schneidsysteme (Германия), Aliko (Финляндия), Trenntec (Германия), ESAB Welding & Cutting Productions (Швеция), Digital Control (Франция).

Из производителей гидравлических устройств и, в первую очередь, насосов высокого давления следует отметить компанию Ingersoll Rand (США) - безусловного мирового лидера продукции этого класса. Естественно, что такие ведущие производители гидрорежущего оборудования, как, например, Water Jet Sweden AB, в качестве основных узлов, связанных с созданием самого потока струи, используют оборудование Ingersoll Rand. Например, насос высокого давления модели Strimline серий SL IV этой фирмы создает необходимое давление воды в 4000 бар, которое затем с помощью сапфира с диаметром проходного сечения 0,08-0,5 мм превращается в кинетическую энергию струи со скоростью 900 м/с.

Лидером российского гидрорезания является Владимир, где на базе разработок Владимирского госуниверситета в исследовательской лаборатории гидрорезания и ОАО СКТБ ПО "Вектор" создано несколько моделей ус-тановок для водоструйной резки. Промышленные установки выпускают ЗАО "Лазерные комплексы" (г. Шатура), ОАО "Туламашзавод", ОАО

ЭНИМС (Москва), белорусское СП ООО "СПожиток". Еще недавно некоторые специализированные системы водоструйной резки производились Институтом горного дела (г. Хабаровск), украинским НПП "Индрис", Московским университетом, АО "Пеллемаш", однако сегодня об этой продукции ничего не слышно. Так или иначе, какой-никакой выбор и среди отечественной продукции есть. Хотя положа руку на сердце следует признать, что до лучших мировых образцов наше оборудование пока не дотягивает.

Лидер

Группа Flow International в 1971 году выпустила первую в мире установку водоструйной резки, а в 1981-м разработала метод введения абразива в водную струю, что значительно расширило возможности резания. По оценкам специалистов, станки компании имеют наилучшую точность позиционирования (порядка 0,07-0,08 мм), а следовательно, и точность обработки.

Продукция компании позволяет осуществлять резку разных типов:

• система WMC Waterjet Machining Center предназначена для любой двумерной резки, в том числе в промышленных масштабах. Ее главная отличительная особенность - увеличение производительности, достигающееся за счет запатентованной быстроподъемной оси Quicklift Z со встроенным сенсором и противоударным устройством;

• для небольших работ по металлу и камню создана установка Inregratred Flaying Bridge;

• компактная установка Bengal предназначена для водоструйной и гидроабразивной резки и подходит для лабора-

торного применения, изготовления инструментов и выпуска небольших партий изделий;

• модульная система трехмерной резки Dragon применяется как для водоструйной резки мягких материалов, так и для гидроабразивной резки металла, камня, стекла, композитов.

Компания разработала новую технологию гидрорезания, позволяющую, как утверждают разработчики, увеличить скорость резки практически на 300%. Система Dynamic Waterjet, обеспечивающая активный контроль точности, создана на основе математической модели, используемой для управления положения "руки" с рабочей головкой. Эта система автоматически исключает образование скосов при резке и обеспечивает требуемую точность детали с учетом заданных допусков. Система исключает необходимость дополнительной обработки после водоструйной резки и позволяет сократить машинное время резки металлов и композиционных материалов толщиной 1,25-480 мм. Кроме того, благодаря повышению точности резки, сокращаются потери листового материала при раскрое.

Другие производители оборудования

Несмотря на признанный статус лидера, конкуренты у компании Flow есть, и весьма серьезные. Одним из них является шведская компания Water Jet Sweden AB. В качестве сопла фирма Water Jet применяет собственную запатентованную режущую головку, возможно и применение сопла Avtoline фирмы Ingersoll Rand. В настоящее время наибольшим спросом в механическом секторе пользуется установка NC 3015S с используемой поверхностью стола 3010 х 1510 м. Управляемая ось Z-стандарт для всех систем. А выпускаемые фирмой установки с четырьмя и пятью управляемыми осями позволяют осуществлять такую обработку, как, например, прорезание пазов с профилем притупленного конуса.

Начав работу как дилер фирмы Flow, компания PTV за прошедшее время освоила собственное производство большей части этого оборудования. В первую очередь это относится к координатным столам, которые сегодня проектируются и изготавливаются на фирме PTV. Кроме того, все вспомогательное оборудование также проектируется и производится в Чехии. Сейчас PTV закупает в США только гидравлическое оборудование высокого давления - насосы, аккумуляторы, трубки и т. п., что составляет менее 50% от общей стоимости системы. Компания PTV использует на своих установках разработанное чешскими фирмами программное обеспечение в сочетании с системами управления фирмы Siemens.

Диапазон возможных скоростей резки (т. е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) на установке фирмы PTV колеблется от 1 до 30000 мм в минуту, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке деталей самых разных размеров и толщин.

Универсальная установка итальянской компании Waterjet Corporation для гидроабразивной резки WJ 1630/50 портального типа создает давление струи в 4130 бар. Режущая головка способна вести пятикоординатную обработку. Другие портальные машины компании предназначены для резки труб с двойной рабочей областью (резка шестиметровых труб осуществляется с автоматическим вращением трубы и задним упором), а также для роботизированных операций (станок с двумя режущими головками и с автоматической загрузкой и выгрузкой).

Устройства гидроабразивной резки Byjet Bystronic имеют мощную специализированную систему ЧПУ, обеспечивающую автоматический выбор и оптимизацию параметров обработки при резке различных материалов по любому контуру, автоматическое управление подачей абразива и давлением воды в реальном времени в зависимости от особенностей

конфигурации обрабатываемого контура, а также свойств материала и толщины. Благодаря применению специального дозатора системы Byjet Bystronic могут использовать абразив практически любого типа с зернистостью от 0,05 до 0,3 мм. Применение специальной системы управления насосом высокого давления обеспечивает отсутствие пульсаций воды на выходе, что позволяет достичь наилучшего качества обработки.

Перспективные разработки

Установка Quickjet, созданная германской Trenntec, имеет жесткую сварную конструкцию, которая в сочетании с закаленными и шлифованными направляющими обеспечивает точность позиционирования 0,1 мм на 1 м длины и точность воспроизведения (повторяемости) в пределах 0,05 мм. Регулирование по оси Z можно осуществлять вручную на длине 150 мм. Имеется насос высокого давления, система воздушного охлаждения, резервуар с абразивом, вмещающий 50 кг, устройство автоматической подачи абразива в режущую головку. Расход воды - 2,6 л/мин под давлением 380 МПа.

Французская Digital Control представляет станок для водоструйной резки под давлением 380 МПа. Для мягких материалов предназначена резка водяной струей, а для твердых материалов - гидроабразивная резка. Площадь обработки - 1500 х 1000 мм. Станок оснащен насосом высокого давления мощностью 22 кВт, режущей головкой с системой подачи абразива и цифровой системой управления Cyborg 2000. В системе управления имеется постпроцессор для преобразования файлов, для обеспечения возможности подготовки программ вне станка, для обеспечения ручного или автоматического раскроя листов.

6. Отечественная продукция

Исследовательская лаборатория гидрорезания (г. Владимир) представляет полуавтоматический станок с ЧПУ для разрезки листовых трудно-обрабатываемых материалов (стекло-, угле-, боропластиков,

титана, керамики, стекла, магнитных и твердых сплавов), вырезки отверстий произвольной формы и деталей сложного контура. Станок состоит из двух модулей: привода главного движения - станции высокого давления и привода подач - двухкоординатного стола. Привод подач оснащен системой ЧПУ, обеспечивающей точное перемещение стола по двум взаимно перпендикулярным координатам и получение отверстий и деталей различной конфигурации по заданной программе.

Кроме того, владимирская лаборатория производит полуавтоматический станок с ЧПУ для обработки неметалл-лических материалов (кожи, картона, винила, резины и др.), полуавтоматический станок для снятия облоя с корпусов микросхем, полуавтоматический станок для очистки барабанов множительной техники, четырехпозиционный станок для очистки капиллярных отверстий наконечников, двухконтурный станок для расснаряжения военной техники.

ОАО "Туламашзавод" представляет технологическую установку гидроабразивного резания, предназначенную для резки сложнофасонных форм деталей толщиной до 150 мм из любых металлов и сплавов, раскроя неметаллических листовых материалов (мрамор, гранит, пластик, картон, стекло, керамика) со следующими габаритами рабочей поверхности стола -длиной до 4000 мм, шириной до 2000 мм.

Рабочая зона обработки установок ЗАО "Лазерные комплексы" ГЛ-250/5М и ГЛ-400/3М составляет от 1200 х 800 мм до 6000 х 1500 мм.

ОАО ЭНИМС принимает заказы на изготовление как отдельных узлов установок для водоструйной резки, так и всей установки в комплекте.

7. Цена успеха

На вопрос о стоимости подобного оборудования однозначный ответ получить не просто. Все зависит от модификации модели, комплектации, наличия-отсутствия отдельных функций и т. д., и т. д. Разброс может быть весьма значительным. Но в

любом случае стоить дешево такая техника не может. Например, в компании, представляющей интересы чешской фирмы PTV, называет такие цифры: от 5 до 10 миллионов рублей за установку. Представители компании утверждают, что при нормальной загрузке системы (в среднем 2500-3000 рабочих часов в год) время возврата инвестиций (как говорят в США, "payback time") составит полтора-два года. Отечественная продукция дешевле. В частности, ОАО ЭНИМС называет от 40 до 100 тысяч у. е. (читай: долларов или евро). В любом случае, делая выбор, стоит учесть информацию Water Jet: эксплуатационные расходы системы гидроабразивной резки типа NC 3015S составляют примерно 0,26 тех же условных единиц в минуту.

На рис. 5 приведена интересная связь между расходом абразива и стоимостью реза в условиях серийного производства.

Пунктирной линей отмечена стоимость реза единицы длины

Непрерывной линией отмечена скорость реза

Для любых системных значений (давление, диаметр сопла и т.д.), скорость реза увеличивается и стоимость реза уменьшается при увеличении потока абразива! И в итоге достигается пик производительности.

Т.е. выгоднее в единицу времени произ-

водить максимально возможный рез, а значит и производить большее количество деталей!

К настоящему времени на рынке машиностроения в сегменте производства оборудования и в сегменте потребления наблюдается большой интерес к оборудованию для водоструйной резки.

8. Резка камня водой

Применение абразивно-жидкостной

струи позволяет значительно расширить круг обрабатываемых материалов. Способ гидроабразивной резки материалов оказался ключом к решению многих технологических проблем при резке камня, в том числе при сложном фигурном раскрое плит из природного камня, гранита и мрамора. Это, в значительной степени, освобождает фантазию и расширяет возможности художников-дизайнеров и архитекторов.

Камень - сложный для обработки материал, требует от обработчика больших знаний, опыта, предельной аккуратности и внимания. Однако даже наличие всех перечисленных качеств не избавляет процесс резки камня от издержек, связанных с природной структурой камня, его строения. А это, в свою очередь, ведет к повышению расхода материала и, соответственно, к повышению стоимости изделия.

Технология резки камня водой позволяет с высокой точностью воспроизводить задуманное художником. Наличие координатного технологического стола и соответствующего программного обеспечения позволяют создавать композиции из различных материалов (например, флорентийские полы), и сложные элементы контуров одних из них будут с высокой степенью точности совмещаться с такими же сложными по форме другими контурами. Причем сделать это можно как с монтажным зазором (или как его еще называют "швом"), так

Рис. 6

и без него. Ценность подобной автоматизации заключается еще и в том, что информация об изделии (об его профиле) в виде управляющей программы (и исходного чертежа) может храниться сколь угодно долго. В случае разрушения изделия, оно может быть восстановлено. Кроме того, это позволяет тиражировать изделие. И быстро переходить к выпуску, как новых изделий путем модификации существующего каталога, так и изделий уже производившихся, но новых требуемых размеров.

Области применения гидрорезки камня:

• резка природного камня;

• резка гранита;

• резка мрамора;

• резка керамогранита (керамического гранита);

• резка поделочного камня.

На оборудовании для гидроабразивной резки камня возможно применение программного обеспечения для оптимального (в смысле минимизации отходов) раскроя листа, что позволяет в некоторых случаях значительно сократить количество отходов.

Все перечисленные в разделах выше свойства гидроабразивной резки положительно сказываются на процессе резки камня.

Еще раз перечислим их:

• Стало возможным получение очень тонких (до 0.3 мм) элементов конструкций из камня. Связано это с тем, что усилия резания при обработке и резке камня абразивно-жидкостными струями очень малы. Это же обстоятельство позволяет значительно упростить базирование заготовки на технологическом столе.

• Процесс резания жидкостными и абразивно-жидкостными струями протекает практически без нагрева (температура в зоне резания не превышает 90оС), что имеет большое значения для камня, как материала с низкой теплопроводностью.

• Абразивно-жидкостная струя - это универсальный инструмент. Незаменимо применение гидроабразивной технологии для резки пожароопасных и взрывоопасных материалов; материалов, выделяющих при применении термических, в частности лазерных, технологий ядовитые компоненты; материалов, имеющих неоднородную структуру, и разрушающихся, пусть частично, при нагревании. Это и стекло, и цветные металлы, и черные металлы большой толщины, и композитные материалы, и материалы из сложных органических соединений.

• Абразивно-жидкостная струя - это значительно более экономичный, в сравнении с традиционным режущим инструментом, элемент технологического процесса. Например, при обработке полимерных композиционных материалов, типа углепластиков, концевая фреза из твердого сплава имеет ресурс немногим более трех часов, а водное сопло для обработки этого же материала работает в несколько раз дольше.

• Процесс резки камня протекает без выделения пыли, так как ширина реза составляет от 0.6 до 1.2 мм, и продукты разрушения выносятся из зоны обработки отработавшим потоком жидкости. Отходы при этом минимальны.

Высоконапорной абразивно-жид-

костной струей можно производить не

только сквозную резку камня, но и выборку ограниченных определенным контуром массивов камня. Другими словами - абразивно-жидкостная струя может быть инструментом скульптора. Это направление художественной обработки еще очень молодо и только недавно стали появляться установки, позволяющие решать такие задачи. Гидрорезка часто используется для производства сложных контуров из плоских плит. Благодаря очень узкому пропилу, можно создавать инкрустации для производства декоративных и отделочных материалов. Прежде всего, промышленным способом можно производить то, что раньше могло быть сделано вручную.

На сегодняшний день к технологии гидроабразивной резки и обработки твердых материалов, и в первую очередь натурального камня и керамики, проявляют интерес строители, архитекторы, дизайнеры, реставраторы всего мира, потому что его возможности фантастически безграничны. Для этой технологии не существует линии, по которой нельзя было бы выполнить разрез, что особенно ценно для художественных работ с камнем, керамикой или стеклом, когда выполняется сложный мозаичный пол, панно, витраж.

9. Выбор параметров обработки

Как и при любом виде обработки материалов наиболее благоприятные условия для освоения процесса гидрорезания может быть достигнута за счет выбора его оптимальных параметров: давления рабочей жидкости, формы и диаметра отверстия сопла, расстояния сопла от разрезаемой поверхности, скорости подачи, числа проходов - (количество сопел, приходящихся на единицу длины реза), необходимых для разрезки материала. Давление жидкости Р оказывает наибольшее влияние на производительность гидрорезания. Процесс гидрорезания возможен в случае, когда давление струи жидкости на единицу площади поверхности реза превышает предел прочности обрабатываемого материала. При равных условиях дальнейшее повышение давления истекающей струи

жидкости (из-за возрастания ее кинетической энергии) приведет к увеличению толщины разрезаемого материала за один проход.

Давление рс, а затем и силы Рп которые создаются струей рабочей жидкости на поверхности контакта с обрабатываемой заготовкой, можно определить по формулам:

Рс =

Рс =

где рс - давление струи жидкости на обрабатываемой поверхности материала; е -коэффициент сжатия струи, зависящий от профиля отверстия сопла (при коноидном профиле е»1); г - плотность рабочей жидкости; Ус - скорость струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла (скорость реза); ] - коэффициент, учитывающий эффект растекания струи и изменения скорости струи по мере ее удаления от сопла ( = 0,92-0,96); й - площадь поперечного сечения выходного отверстия сопла.

Скорость струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла, Ус зависит от давления Ус = Др).

В [2] для определения Ус приводится формула, предложенная Л.Ф. Верещагиным:

V = 44^/Р

Она основывается на данных о сжимаемости жидкости и по Бриджмену, плотность для всех точек струи принята неизменной, равной плотности воды, а коэффициент скорости равный единице.

Там же даны зависимости, первая из которых может быть использована для определения максимальных значений силы воздействия струи на преграду Ртах при различных параметрах истечения, полученная в результате математической обработки экспериментальных данных:

Ртах = 120 • <75

^100) с

а вторая, полученная в результате исследований для определения влияния различных технологических параметров на силу резания Р2:

у-5

100

г

V100 )

где dс - диаметр отверстия сопла; И - толщина разрезаемого материала; Бр- предел прочности материала на растяжение; 8 -подача.

Форма и диаметр выходного отверстия сопла оказывают влияние на качество водяной струи и ее компактность. Из формулы (2) видно, что при равных условиях работы увеличение и, следовательно, диаметра выходного сечения сопла приводит к возрастанию Рп. Это обстоятельство позволяет констатировать, что при заданных условиях работы за счет увеличения диаметра выходного отверстия сопла можно разрезать и более толстые материалы, но в этом случае площадь контакта струи с металлом возрастает и увеличенная Рп воздействует на большую площадь и давление на единицу площади не изменится. Увеличение диаметра сопла приводит к повышенному расходу рабочей жидкости и. следовательно, к возрастанию энергетических затрат на формирование струи.

Обычно наибольший диаметр сопла при резании материалов не превышает 0,3 мм (0,5 мм). Изменение диаметра отверстия сопла в меньшую сторону приводит к формированию струи с меньшим диаметром истечения, а ниже 0,05 мм к распылению струи.

Высоконапорные струи уменьшенного диаметра при встрече с контактирующей поверхностью подвержены более быстрому распаду.

Однако эффективность сопел малого диаметра определяется тем, что на формирование струй малых диаметров требуются меньшие энергозатраты.

Скорость подачи

Непрерывность любого вида резания материалов связана со скоростью относительного перемещения заготовки и инструмента (струи рабочей жидкости), численное значение которой зависит от свойств обрабатываемого материала. При равных условиях работы снижение скорости подачи приведет к падению производительности обработки, а ее увеличение к сокращению величины энергии приходящей на единицу обрабатываемой поверхности и, следовательно, к уменьшению возможной глубины резания.

По результатам экспериментальных данных предложена зависимость для определения подачи, обеспечивающей максимальную производительность при качественной резке листовых полимерных материалов:

ч 2.7 / \ 0.75

5 = 0,106 [-^| ё-12^-1-35

100) с V100

Ниже дана следующая формула для окончательного определения силы резания Р2, которая в отличие от формулы (2) учитывает скорость Уп.

Р2 = (0.5 + е) • 10-6рр/сУс(1 - а)2 МПа,

где а = Уп/Ус; Уп - скорость перемещения обрабатываемой поверхности, контактирующей со струей рабочей жидкости.

Дистанция (1) между срезом сопла и поверхностью заготовки. Если учесть, что высоконапорная струя имеет наибольшую кинетическую энергию вблизи среза сопла, то чрезмерное удаление поверхности обработки от сопла может привести к исключению процесса гидрорезания.

На основании экспериментальных данных для определения 1 предлагается зависимость:

1 =

При этом меньшие значения 1 соответствуют меньшим диаметрам сопел и большим давлениям истечения струи и, наоборот, большие значения 1 - большим диа-

метрам сопел и меньшим давлениям истечения струи.

Число проходов определяется в зависимости от технических возможностей оборудования. При заданных условиях гидрорезание толстых материалов можно проводить за несколько проходов.

1. Латыпов Р.Р., Терегулов Н.Г., Харлов А.И. Технологические комплексы на базе гидроагрегата Усвд- 3500 для контурной резки камня, Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия.

2. Латыпов Р.Р., Терегулов Н.Г., Харлов А.И. Некоторые сведения о гидрорезании материалов. - Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия.

3. Протасов Ю. И. Разрушение горных пород, 3-е изд.,стер.- М.: Издательство Московского горного университета, 2002.

Рассмотренные технологические параметры, типичные для гидрорезания промышленных материалов, свойственны и для ряда других их видов, в том числе и биологических тканей.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород.-М.: Недра, 1985.

5. Полянский С.Н. Технология и оборудование гидроабразивной резки промышленного применения, - по материалам www.vodorezka.ru.

6. Заякин С. Резать водой. Журнал "Оборудование" № 8 (80), август 2003

7. Flow International Corporation, Waterjet White Paper .- www.flow.com, 2002.

— Коротко об авторах

Коржов Е.Г. - Московский государственный горный университет.

-А