Современная цивилизация не мыслит себя без повсеместного использования стали. Железо, которое всего 400-500 лет тому назад ценилось едва ли не на вес золота, сегодня тоннами может бездарно ржаветь на свалках. Сталь выплавляется миллионами тонн, используясь абсолютно везде. Основной проблемой зачастую является ее обработка, так как многие сорта этого материала достаточно твердые, а современные технологические нормы весьма жесткие и не допускают рваных и грубых «линий отреза». Чтобы повысить качество готовых изделий, учеными была изобретена резка водой металла.

Когда ее стали применять на практике?

Как ни удивительно, но эта технология довольно-таки широко использовалась еще в 60-х годах прошлого века. Впервые она применялась в достаточно специфичных отраслях, наподобие авиастроения и космической промышленности. Но вскоре компании стали подумывать о том, что резка водой металла - превосходное новшество, которое может дать широчайшие возможности для всей промышленности при ее более широком внедрении в производство.

С тех пор этот метод обработки металлов становится все более и более популярным. Может ли использоваться резка водой металла только для листового проката, или же ей подвластны и прочие металлоконструкции? Какие у этого метода существуют достоинства и недостатки? Обо всем этом мы постараемся рассказать в рамках данной статьи.

Области применения

Основным преимуществом такого способа резки является то обстоятельство, что на поверхность материала практически не оказывается значимого механического воздействия. Полностью отсутствует трение, механизмы не нагреваются. Это оказывает крайне положительное влияние на качество среза и всей готовой детали.

Обрабатываемые материалы

Во-первых, сразу хочется отметить, что область применения метода не ограничивается одними только металлами и их сплавами. Он используется и для таких материалов, как:

Гранит, природный камень, прочие минералы.
Керамика и стекло.
Все металлы, включая даже титан и его сплавы.
Железобетон и бетон.
Все виды пластика и прочих синтетических материалов.

Что еще лучше, при этом удается достичь крайне малого расхода как самого сырья, так и комплектующих. Более того, при работе с опасными материалами именно резка водой металла является единственно допустимым методом, так как при этом нет искр, нет образования вредной пыли, полностью отсутствует возможность самопроизвольного воспламенения образующихся отходов производства.

Как это работает на практике?

Как мы и говорили, металлопрокат - не единственная сфера применения метода, но все же 70% работ идет именно в этой области. Сама технология основана на подаче воды с мелкодисперсионным под давлением на поверхность материала. Так что конкретно происходит во время резки? Вот основные технологические процессы:

Вода под огромным давлением подается в особо прочный резервуар.
В тот же момент туда «заправляют» абразив, обычно представленный мельчайшей фракцией песка.
После этого получившаяся смесь подается в сопло.
Струйка направляется на необходимую область и начинает резать материал.

Качество и скорость разрезки при таком подходе возрастают многократно. Время от времени лишь требуется добавлять абразив. Процесс этот полностью автоматизирован, никакого вмешательства обслуживающего персонала обычно не требуется.

Стоит учесть, что гидроабразивная резка позволяет достичь такой скорости, которая обычно достижима только при материалов. Но! Качество среза при этом таково, что его можно повторить, лишь используя лазер. Стоимость этих видов работ, и сложность используемого при этом оборудования сложно сопоставить, так как это совершенно разные «весовые категории».

Какое для этого используется оборудование?

Еще во времена Древнего Египта люди заметили, что вода способна кардинально изменять свойства тех материалов, которые подвергались ее воздействию в течение достаточно длительного времени. Даже твердые камни обкатывались до состояния гладких голышей, а на поверхности гранита и мрамора сравнительно быстро появлялись видимые углубления.

Впоследствии тот же принцип взяла на вооружение современная промышленность. Конечно, с древних пор существенно изменился порядок использования возможностей «оксида водорода»: во-первых, требуется обеспечить приемлемое давление воды, во-вторых - толщину и направление ее струи. Достигается это следующим образом:

Специальный насос очень высокого давления не только аккумулирует некоторый запас жидкости, но и подает ее к обрабатываемому материалу. Именно от мощности этого механизма зависят толщина и плотность стали, которая может быть разрезана. К самому насосу вода подается из обычной системы водоснабжения, причем (для предотвращения перерывов) желательно осуществлять ее сразу из нескольких источников.
За толщину струи отвечает специальный регулятор мощности. Скорость разрезания и толщина обрабатываемого материала зависят не только от его настроек, но и от характеристик используемого абразивного материала. Чтобы «разделывать» что-то более вязкое, приходится использовать трехфазный наполнитель, для простой же стали достаточно лишь воды и наполнителя, в роли которого, как мы уже неоднократно указывали, может быть использован самый обычный песок. Разумеется, что можно регулировать не только состав смеси… Какими еще параметрами характеризуется резка металла водой? Давление и скорость жидкости. Имейте в виду, что минимально приемлемая скорость воды должна достигать 1200 м/с при давлении около 4,7 т/см!

Прочее оборудование

Очень важны сопла. Их диаметр, а также используемые материалы напрямую зависят как от абразива, так и от скорости струи. при обработке металлов настолько высоко, что для этого могут быть использованы только высоко прочные сплавы. Сопла требуется менять, частота этого зависит от многих факторов. Одной из важнейших составляющих любого станка для «водяной» резки является смеситель. Именно от него зависит гомогенность получаемой смеси, а также качество срезов, наличие или отсутствие сколов на кромках обработанных деталей.

Заметим, что гидроабразивная резка невозможна без использования высокоточной автоматики. Особенностью этого способа обработки металла является конусность кромки, обусловленная свойствами воды при столь специфичных условиях ее применения. Чем выше скорость, тем больше этот показатель. Но! При повышении конусности прямо пропорционально снижается итоговое качество обработки материала. Чтобы снизить столь негативный эффект, может быть использована запатентованная технология Flow Dynamic Waterjet и подобные ей способы управления качеством продукции.

В чем заключается принцип работы «умных» технологий? Все сравнительно просто: автоматика сама определяет тип, вязкость и плотность обрабатываемого материала, а затем самостоятельно изменяет угол наклона и диаметр сопла. Только после этого начинается постоянно корректируемая резка металла песком с водой.

Подготовительные операции

Наконец, не менее важна система предварительной подготовки жидкости для последующего использования последней в системе резки металла. Чтобы максимально продлить сроки эксплуатации оборудования, а также для обеспечения максимального качества обработки, жизненно важна буквально кристальная чистота воды. Достигается это путем фильтрации через «высокоточные» фильтры, посредством которых из жидкости убирают все относительно крупные примеси с большой молекулярной массой.

Важно понимать, что различные производители предлагают разное гидроабразивное оборудование, возможности оснащения которого дополнительными функциями прямо зависит от стоимости станков. Так, расширенный функционал позволит при необходимости выполнять даже сложную фигурную резку, не говоря уже о более простых операциях.

Функциональные возможности резки водой

Во многих сферах искусства резка металла водой, цена которой значительно ниже лазерной обработки (от 15 рублей за метр) также нашла широчайшее применение. Дело в том, что одним из преимуществ этого метода является полное отсутствие сколов, а также нагревания поверхности, отчего получаемое изображение или профиль выходят в точности такими, какими их хотел видеть дизайнер или художник. Вот основные возможности, которые предлагает этот метод обработки материалов:

Нестандартная резка металла. Важно то, что при любом наклоне сопла срез получается очень качественным. Точность такова, что готовые детали после их изготовления можно использовать практически без подготовки.
Современные станки могут работать при минимальном вмешательстве человека, или же вовсе не требовать присутствия обслуживающего персонала. При помощи этого же оборудования можно вырезать детали самой сложной конфигурации, причем делать это в кратчайшие сроки, но с сохранением максимально возможного качества.
Особенно распространена обработка металлопроката. Так, станок для резки металла водой может срезать до 20 сантиметров среднеуглеродистой стали. Для титана показатели скромнее - в пределах 15-17 мм. Особо прочные сплавы - около 12 мм. Минимальный коэффициент приходится на долю меди и составляет всего 4-5 мм.
Декоративные элементы и украшения при использовании этого метода получаются не только очень качественными, но и дешевыми. Кроме того, конфигурация готовых изделий зависят не от опыта работника и не от «твердости руки», а исключительно от настроек. Если отклонение при резке не может превышать 0,5%, используют водой с ЧПУ.

В последние годы так все чаще режут трубы. Для этого применяют специальные станки, при помощи которых срез трубы получается изначально отполированным и очень гладким. Таким образом, гидроабразивная резка, услуги по которой предлагаются в любом крупном городе, становится все более распространенным и популярным методом обработки самых разных материалов.

Гидроабразивные станки с ЧПУ

Особенно расширить сферу применения данного метода помогли станки с ЧПУ, которые позволяют обрабатывать самые разные материалы, гибко настраивая качество работы, максимальную и минимальную толщину резки, а также прочие параметры.

Отклонения от заданных параметров получаются минимальными, чего практически нереально достичь стандартными способами резки. Принцип работы такого класса оборудования сводится к следующим действиям:

Сперва устанавливается соответствующее программное обеспечение, которое может быть разным для каждого типа материала. Программа автоматически подберет состав смеси, вид абразива и требуемый объем воды, давление и прочие параметры. За фигурную резку материалов отвечают специальные программы.
Как правило, дополнительная обработка готовой детали уже не требуется. Если параметры резки были подобраны неправильно или неточно, может наблюдаться некоторая шероховатость готового изделия. Но! Если используется станок с ЧПУ, который может самостоятельно подбирать параметры резки, такого практически не случается. В этом случае оборудование автоматически выбирает необходимый режим, ориентируясь на толщину, вязкость и плотность металла.
Помимо резки, такие станки позволяют высверливать отверстия различного диаметра и конфигурации. При этом мы слова повторяем уже описанное выше: если от оборудования требуется что-то особенное, необходимо выбирать те его модели, у которых есть соответствующие дополнительные функции.
Иногда эти станки могут использоваться не только для резки, но и для полировки готовых изделий и деталей, которые были сделаны на другом оборудовании.

Ручная резка

В некоторых случаях станками может управлять квалифицированный оператор. В этом режиме все настройки приходится выставлять в ручном режиме, что не всегда особенно удобно. Но имеют ручные способы резки металла и немало преимуществ, к числу которых относятся следующее:

Стоимость такой работы обходится примерно в полтора раза дешевле.
Профильное образование оператора при этом, как ни странно, не имеет особого значения. Дело в том, что ручное управление такими станками довольно просто, и не имеет большого количества сложных функций. Это оборудование используется в тех случаях, когда необходимо вырезать детали, имеющие простую геометрическую форму.
Функциональность станков при этом остается на прежнем уровне. Ровный срез, просверливание отверстий и прочие простые операции - все это можно делать и при ручном управлении. Кроме того, есть возможность обработки не только металлопроката, но и прочих материалов.

Надеемся, что вы поняли, как происходит резка металла водой. Данный метод чрезвычайно распространен в современной промышленности, с его помощью можно изготовлять детали практически любой формы и конфигурации.

Станки гидроабразивной резки применяют для обработки металлов, камня, пластиков, стекла в военной, авиационной и инструментальной промышленностях, машиностроении. Резка по этой технологии — эффективный и быстрый процесс, позволяющий воспроизводить точные детали из практически любых материалов.

Возможности станков

При сравнении технических свойств гидроабразивных станков с ЧПУ в качестве эталона используют камень. Ведь он очень сложно обрабатывается и отличается высокой плотностью. Поэтому справившись с горными породами, оборудование без труда разрежет любые другие материалы.

Направленная тонкой струей под давлением на камень, вода разрезает горные породы. При этом линия реза может быть любой конфигурации, поэтому технология позволяет создавать сложные резные узоры и орнаменты.

Абразивная резка металлов способна справиться даже с одним из самых прочных металлов — титаном. Необходимо только вложить правильные координаты в электронный мозг и запустить процесс. Мощность воздействия определяется сочетанием следующих характеристик, задаваемых оператором:

давление струи;
подача абразива;
скорость и характер подачи воды;
количество абразивных частиц;
характеристики абразивных частиц.

В качестве режущих частиц можно применять самые разнообразные материалы, в том числе:

гранат для титановых сплавов и высокопрочных сталей;
агломерат для камня;
песок используют для резки стекла;
шлаки силикатного происхождения для пластиков.

Одним из наиболее популярных абразивных материалов является гранатовый песок, включающий разные части кварцевого песка, корунда, оксида железа.

Принцип работы и виды станков гидроабразивной резки

Станок гидроабразивной резки с ЧПУ работает следующим образом:

насос подает волу в рабочую головку, здесь создается струя воды необходимого диаметра. Поступает в смеситель, где образуется водно-песчаная смесь, оттуда направляемая непосредственно в сопло. Диаметр сопла может быть от 1 до 5 мм;
из сопла под давлением от 100 до 6000 бар выливается смесь, выбивающая частички материала. Скорость движения смеси в несколько раз превышает скорость звука. Головка поворачивается в большом диапазоне и контролируется автоматикой;
происходит процесс искусственной эрозии, позволяющий работать с каменными плитами до 300 мм толщиной.

Обработка мягких материалов, например, древесины, резины, некоторых пластиков проводится без абразивных частиц, чистой водой. Сопло надевается сапфировое или рубиновое, а дюза должна быть минимального поперечника. Такие сопла служат дольше, ведь чистая вода более мягко воздействует на расходники.

Оборудование для гидроабразивной резки различается устройством, назначением, мощностью и стоимостью:

станки с ЧПУ;
портативные.

Станки с ЧПУ выполняют резку в соответствии с загруженными параметрами и чертежами. Они выполняют сложные фигурные изделия практически без вмешательства оператора. Производственные цеха обычно оснащаются таким оборудованием.

Портативные аппараты хороши для резки любых материалов в труднодоступных и опасных местах, например, туннелях. Работа выполняется очень быстро и точно. Поэтому данный вид обработки очень экономичен.

Конструкция станка

Гидроабразивная резка представляет собой обработку твердых материалов плотностью около 2,5 т\кубометр с помощью смеси твердых частиц и воды по принципу эрозии. Режущая смесь подается на материал под мощным давлением, водным потоком малого диаметра через головку особой формы. Скорость обработки зависит от параметров материала.

Гидроабразивные станки с ЧПУ представляют собой комбинацию нескольких модулей, в том числе навесных:

механизм подачи твердых частиц;
стол в виде ванны;
насос для воды повышенного давления;
портал;
подвижная головка;
механизм распределения давления;
емкость для абразивной смеси.

Дополнительно установка гидроабразивной резки оснащается повышающими точность системами автоматического измерения и управления.

Головки выполняются из искусственных минеральных веществ, они достаточно дороги и требуют периодической замены. Также подлежат замене трубки смешения из прочных металлов.

Обработка проводится на столе специальной конструкции.

У метода гидроабразивной резки есть множество преимуществ:

при работе специализированного станка отходы минимальны;
поверхности камня не придается ненужная шероховатость;
металл не покрывается окалиной;
обработка происходит при комнатной температуре, исключается перегрев материала;
качество получаемых деталей высочайшее;
возможны самые разнообразные виды гидроабразивной резки, в том числе имитирующие ручную резьбу;
материал не деформируется;
можно полностью снять лицевой слой с обрабатываемой детали или снять фаску;
не выделяются вредные пары, газы, сажа;
обрабатывать можно плиты толщиной более 15 см.

Оборудование гидроабразивной резки с ЧПУ работают в автоматическом режиме, ручной труд не применяется. Все обрабатываемые материалы полностью сохраняют свои первичные качества.

Специальная оснастка станков с ЧПУ

Датчики высоты и предотвращения столкновений следят за расстоянием между поверхностью материала и соплом. Они предотвращают смещение головки под напором воды и столкновения с вертикальными поверхностями во время работы. Перед началом работы контроллер определяет толщину материала и необходимую глубину выработки. Периодически во время работы датчик вносит корректировки в работу в зависимости от уже проделанных операций.

Лазерная указка дает возможность точно «прицелиться» при размещении детали на рабочей столешнице, ускоренно позиционирует сопло. Функция применяется на малом и большом столах координат. Указатель надежно защищен от воды крепким водонепроницаемым корпусом.

Подложка используется для обработки мелких деталей, улучшения контакта водно-песчаной струи и материала. Подложки обладают специальной структурой, легко пропускающей воду и надежно удерживающей деталь.

Набор зажимов предоставляется с каждым станком. С его помощью на столешнице крепко фиксируются детали различных размеров и форм.

Система охлаждения насоса обязательна для эффективной работы. Она может быть замкнутой или проточной. Замкнутая более экономична.

Дозатор подачи абразива контролирует количество абразива для работы по материалу разной толщины. Исключает перебои с подачей абразива, что очень важно при резке ценных материалов, обработка которых чистой водой может их испортить.

Система очистки воды предотвращает появление минеральных отложений на клапанах, шарнирах и других элементах станка с ЧПУ. Вода очищается от кальция и железа. Допустимое количество железа в 1 литре воды составляет не более 10 миллиграмм. Система очистки повышает производительность и срок эксплуатации станка с ЧПУ.

Видеоролики демонстрируют гидроабразивную резку в трехмерном и двухмерном пространствах:

Гидроабразивная резка металла – технология, без которой не обходится машиностроительная и металлопрокатная отрасль.

Иногда достичь необходимого качества среза невозможно даже посредством плазменной резки, в связи с чем применяется оборудование для резки посредством гидроабразивной струи.

Впервые гидроабразивная резка металла была использована американской авиастроительной компанией, которая впоследствии представила данные о том, что такая технология является лучшим вариантом для обработки стали и прочих тугоплавких металлов.

С того времени водно-абразивный метод не перестает пользоваться спросом в разных производственных сферах. Сегодня станки, предназначение которых — обработка стали, труб и пр. гидроабразивной струей, очень популярны.

Оборудование, используемое для резки металла посредством гидроабразива, незаменимо в работе с толстостенными заготовками. Только эти станки способны обеспечить высокое качество линии реза стали во время прокладки труб.

После протачивания рабочего участка 200-мм металлического листа на поверхности линии реза стали нет ни окалин, ни заусениц.

Идеальное качество среза в сочетании со щадящим температурным режимом — это еще не все достоинства, которыми наделена водно-абразивная технология.

Высокая стоимость установок компенсируется экономией на крепежных элементах и узлах, которые не нужны даже при работе с тонкостенными заготовками.

Отсутствие дымовой завесы и пыли, а также других неприятных факторов – еще одно из многих достоинств гидроабразивной резки.

Помимо этого, нет надобности проводить замену изношенного режущего инструмента и контролировать остроту резака, так как, по сути, он отсутствует.

Вместо него функцию режущего инструмента выполняет струя воды в сочетании с абразивными компонентами.

Процесс начальной и финишной гидроабразивной обработки среза выполняется в один этап.

При этом скорость рабочего процесса проходит без замедлений, показатель скорости резки не понижается, даже если приходится обрабатывать толстостенные элементы, как, например, во время прокладки труб.

Универсальные характеристики станков для резки металла позволяют на одной установке проводить одновременную обработку разных материалов — это может быть пластик, стекло, резина или многослойное изделие.

Гидроабразивные установки для резки металла отличаются безопасностью эксплуатации, поэтому могут эксплуатироваться на заводах с вероятным риском взрывоопасности.

Принцип действия и применение гидроабразивных станков

Станки для обработки металла гидроабразивом универсальны в применении, ведь их возможности не заканчиваются на раскрое металлопроката. Принцип действия водно-абразивных установок можно посмотреть на видео.

Основывается технология на специально разработанной системе подачи воды под высоким давлением на обрабатываемую поверхность.

Вспомогательным компонентом жидкости является абразив, который добавляется в воду. Обычно в качестве абразивной добавки используют микрочастицы песка.

Вода и песчинки одновременно подаются в смеситель из отдельных резервуаров, где тщательно перемешиваются. В результате полученная взвесь под давлением попадает в сопло установки.

Затем рабочий водно-абразивный инструмент, в виде интенсивной с определенными параметрами струи, направляется на заготовку и разрезает ее.

В данном случае скорость гидроабразивной резки можно сравнить разве что со скоростью работы плазмореза, а вот качество выполненного таким методом среза может соответствовать только качеству разрезания лазером.

Стремительное развитие современных технологий позволило усовершенствовать станки путем расширения их эксплуатационных возможностей. Благодаря чему их сфера использования возросла.

На сегодняшний день водно-абразивное оборудование дает возможность:

Проводить нестандартное разрезание любого материала, при этом меняющийся наклон реза не сказывается отрицательно на качестве. Рабочий процесс, выполняемый под любым углом наклона, дает возможность на выходе получить полностью готовые заготовки и не подвергать их финишной обработке;
Вырезать детали самых сложных геометрических форм с помощью числового программного обеспечения. В данном случае обработка проходит полностью в автоматическом режиме и не требует человеческого участия. Оборудование управляется специально заданной компьютерной программой. Гидроабразивная резка (например, обработка труб) позволяет выполнить нужную окружность без допустимых погрешностей;
Станки для обработки металла (труб) гидроабразивом, используемые в металлопрокате, дают возможность проводить разрезание максимальной толщины разного металла, как показано в видео. Так, обработка заготовки из среднеуглеродистой стали может выполняться с использованием материала максимальной толщины – 200 мм. Максимальная толщина титанового материала может составлять 15-17 мм; высокопрочные сплавы могут иметь толщину 12 мм. А вот толщина медной заготовки достигает лишь 5 мм;
Гидроабразивная технология нашла свое применение также и в сфере искусства. Оборудование позволяет производить разнообразные предметы дизайна и украшения, чаще всего обработка фигур происходит с применением ЧПУ.

Особенности эксплуатации установок с ЧПУ

Гидроабразивное оборудование с компьютерным программным управлением — одна из возможностей расширить сферу использования станков, повысить эффективность работ и при этом увеличить производительность.

Больше подробностей можно почерпнуть из ниже предложенной информации и видео сюжета.

Станки с ЧПУ применяются для производства заготовок из стали, алюминиевых, медных и прочего типа металлов.

Строгая точность резки, которую обеспечивает водно-абразивное оборудование с ЧПУ, практически не имеет отклонений от поставленных задач.

Гидроабразивные установки с программным управлением, дают следующие преимущества:

Станки, оборудованные ЧПУ, функционируют в соответствии с заданной программой. При этом обработка каждой заготовки выполняется по индивидуальному программному обеспечению. С его помощью автоматом подбирается давление струи, состав рабочей режущей взвеси и прочие параметры;
Если на станках без ЧПУ подбор режущей струи может быть выбран неправильно, то в данной ситуации этот момент исключается. Оборудование самостоятельно контролирует качество среза, затем автоматически корректирует используемый режим;
Обработка металлов с помощью программного обеспечения также предусматривает возможность проделывания отверстий нужного диаметра;
Как можно судить по видео материалу, по завершению гидроабразивного процесса из заготовки выходит полностью готовая деталь, которую нет необходимости подвергать шлифовке или дополнительной обработке, в местах среза.

Ручные станки для водно-абразивной резки металла

Так как часть работы все же приходится делать своими руками, показатель удобства и комфорта использования такого оборудования далек от идеала.

Но в этом есть и свои плюсы, заключающиеся в нескольких простых факторах, которые в некотором смысле могут стать решающими при выборе оборудования:

Оборудование без программного обеспечения в несколько раз дешевле станков с ЧПУ;
Обработка на ручной гидроабразивной установке доступна для человека без специального образования;
Ручные установки отличаются простой управления и небольшим набором функций, с настройкой которых можно справиться своими руками;
При этом оборудование обеспечено всеми необходимыми техническими свойствами, которые позволяют получить заготовки с простыми геометрическими формами;
Ровный качественный рез, возможность проводить срез под углом, раскрой материала и получение простых фигур со строгими геометрическими формами – все эти функции могут быть применены на любых материалах, включая сталь, стекло и медь. В качестве примера можно провести работу для прокладки труб.

Рассмотреть процесс настройки своими руками ручного станка и его действия можно в видео в разделе.

Подробно о расходных материалах для гидроабразивных станков

Все, что требуется для восстановления полноценной работы гидроабразивных установок для резки металла — это регулярно проводить обновление расходных материалов и изношенных элементов, ведь станки со временем выходят из строя.

Расход абразива, даже на станках с программным обеспечением, иногда превышает 300 г в 1 минуту, так как при работе с материалом, имеющим максимальную толщину, показатель возрастает.

В качестве абразива применяют микрочастицы природного гранатового песка, который способен обеспечить резку тягучих и тугоплавких заготовок. Величина микропесчинки может составлять до 600 микрон.

Помимо абразива, гидроабразивная технология не обходится без воды, которая предварительно подготавливается и проходит фильтры.

Если использовать жидкость без специальной системы подготовки, то качество среза значительно снизится.

Из деталей гидроабразивного оборудования чаще всего подлежат замене: система подачи абразивной взвеси, сопло и направляющие трубки.

А также уплотнительные элементы насосной станции, без которых не будет нужного давления в системе.

Дополнить вышеизложенную информацию позволит тематическое видео в нашей статье.

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
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

Гидрорезка	Гидроабразивная резка
Кожа, текстиль, войлок (обувная, кожаная, текстильная промышленность)	Листы из сталей, металлов
Пластики, резиновые изделия (автомобильная промышленность)	Различные металлические детали (отливки, шестерни и др.)
Электронные платы	Сплавы алюминия, титана и др., композитные материалы, толстостенные пластмассы (авиационная и космическая промышленность)
Ламинированные материалы (авиационная и космическая промышленность)	Бетон, железобетон, гипсовые блоки, твердая брусчатка и др. строительные материалы
Теплоизоляционные, уплотнительные и шумопонижающие материалы	Камень, гранит, мрамор и др.
Продукты питания - замороженные продукты, плотные продукты, шоколад, выпечка и др.	Стекло, бронированное стекло, керамика
Бумага, картон	Комбинированные материалы, материалы с покрытием
Дерево	Дерево
Термо- и дуропласт	Армированные пластики

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

Наименование	Характерная область применения
Гранатовый песок (состоит из корунда Al 2 O 3 , кварцевого песка SiO 2 , оксида железа Fe 2 O 3 и других компонентов)	Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al 2 O 3 , а также примесей) или его разновидности	Искусственные материалы с очень высокой твердостью по Моосу. Используются для резки сталей, алюминия, титана, железобетона, гранита и др. материалов
Зерна карбида кремния (SiC) - зеленого или черного
Кварцевый песок (SiO 2)	Резка стекла
Частицы силикатного шлака	Резка пластика, армированного стекло- либо углеродными волокнами

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

Применение	Размер частиц гранатового песка (Garnet)		Внутр. диаметр водяного сопла		Внутр. диаметр смесительной трубки
	mesh (США)	микрон	дюймов	мм	дюймов	мм
Стандартная промышленная конфигурация	80	178 (300-150)	0,013-0,014"	0,330-0,356	0,04"	1,02
Высокоскоростная резка	60	249 (400-200)	0,014-0,018"	0,356-0,457	0,05"	1,27
	50	297 (600-200)
Точная резка	120	125 (200-100)	0,012-0,013"	0,305-0,330	0,036"	0,91
	80	178 (300-150)
Высокоточная резка	120	125 (200-100)	0,010-0,011"	0,254-0,279	0,03"	0,76

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)

Вид материала	*Скорость резки (м/ч) при толщине**
Вид материала	5 мм	10 мм	20 мм	50 мм	100 мм
Нержавеющая сталь	52,62	28,56	13,02	3,84	1,44
Титан	68,46	37,20	16,98	4,98	1,86
Алюминий	142,20	77,40	35,40	10,20	3,72
Гранит	251,40	137,10	62,76	18,00	6,60
Мрамор	295,20	160,80	73,50	21,24	7,80
Углепластик	247,20	134,70	61,74	17,70	6,60
Стекло	272,76	148,62	67,92	19,62	7,26
* : давление - 4100 бар; марка абразива - Kerfjet #80; расход абразива - 250-450 г/мин; внутренний диаметр сопла - 0,25 мм, 0,35 мм; внутренний диаметр смесительной трубки - 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet

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

Вид материала	*Скорость резки (м/ч) при толщине**
Вид материала	5 мм	10 мм	20 мм	50 мм	100 мм
Нержавеющая сталь	86,64	47,16	21,48	6,12	2,40
Титан	112,38	61,50	28,08	8,22	3,06
Алюминий	233,76	127,44	58,44	16,92	6,24
Гранит	413,46	225,42	103,08	29,70	10,92
Мрамор	485,28	264,60	121,02	34,80	12,84
Углепластик	406,56	221,88	101,40	29,22	10,86
Стекло	448,14	244,38	111,72	32,16	11,88
* : давление - 6000 бар; марка абразива - Kerfjet #80; расход абразива - 250-450 г/мин; внутренний диаметр сопла - 0,25 мм; внутренний диаметр смесительной трубки - 0,76 мм, 1,01 мм / данные ООО «ТехноАльянсГрупп», г. Москва, установки ГАР BarsJet

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

Наименование	Характеристика водно-абразивной резки по отношению к
Наименование	кислородной	плазменной	лазерной
Диапазон разрезаемых материалов	очень сильно превосходит	сильно превосходит	еще шире
Типичная ширина реза (мм)	гораздо меньше	меньше	больше (при резке водой - сопоставимая)
Качество	очень сильно превосходит	сильно превосходит	превосходит
Зона термического влияния	гораздо меньше	гораздо меньше	меньше
Ограничение по максимальной толщине металла	уступает	превосходит	значительно превосходит
Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки)	уступает	существенно уступает	существенно уступает
Стоимость оборудования	гораздо выше	выше	сопоставимая
Стоимость обслуживания	выше	сопоставимая	сопоставимая

Станки для резки металла представляют собой специальное электрооборудование высокой производительности, с помощью которого происходит резка (раскрой) различного металлопроката.

Наиболее часто они применяются для нарезки заготовок из металлических материалов таких как:

лист;
полоса;
уголок;
труба (круглая и профильная);
швеллер;
двутавр.

Станок для резки металла необходим производственным, монтажным и строительным предприятиям, металлобазам. Некоторые мастера, своими руками создают самодельный станок, рассчитанный исключительно под хозяйственные нужды.

1 Виды станков для резки металла

Для того чтобы разрезать металл применяются станки различного типа:

— режущим элементом является замкнутая зубчатая лента. Используются в большинстве случаев на крупных производствах для многосерийного изготовления однотипных заготовок;
ножовочные — рез проводится ножовочным полотном, которое закреплено в пильной раме. Привод у них ручной или электромеханический. Имеют небольшие габариты и просты в применении. Такими станками оборудованы цеха малых предприятий или небольшие мастерские;
дисковые — режущим инструментом является диск. Это наиболее распространенный вид, который может быть применен практически во всех областях деятельности по работе с металлом. К этой же категории относятся инструменты под общим названием «вулканит», так как в них используются абразивные круги, которые сделаны из этого материала;
гидроабразивные — материал разрезается водой под большим давлением, содержащей абразивную добавку (песок). Позволяет резать под любым углом в зависимости от направления форсунки;

1.1 Дисковые отрезные станки

Такие инструменты имеют жесткую металлическую раму или платформу с отверстием для углубления в него режущей кромки. Отрезной дисковый станок имеет приспособление для надежного закрепления материала под нужным углом в процессе его резки. Режущим элементом у таких станков является диск, который сделан из твердосплавной (быстрорежущей стали), или круг, покрытый абразивным материалом.

Вращательное движение диска (круга) задается электромотором посредством зубчатой или ременной передачи. В инструментах с малой мощностью возможна прямая насадка режущего элемента непосредственно на вал электродвигателя.

Дисковые станки могут иметь три вида подачи режущего инструмента:

фронтальную;
маятниковую;
нижнюю.

Существует также разделение по числу режущих кромок:

одноголовочные — имеют только один диск, и при смене операций требует переналадки под конкретную задачу;
двухголовочные — возможна работа сразу двумя инструментами, что значительно повышает производительность. В них одна головка зафиксирована и имеет постоянно стабильное положение, а другая может перемещаться. Такие станки могут работать в автоматическом режиме.

1.3 Гидроабразивная резка

Такой вид разделения металла на гидроабразивном режущем станке очень эффективен и действие его основано на эрозии, которая создается водой. Режущим инструментом является струя воды под очень высоким давлением, а ее разрушающее действие усиливается добавлением абразивного материала.

Смесь воды и абразива вылетает из рабочего сопла направленного на обрабатываемый материал под давлением в 600 атмосфер и со скоростью до 1000 метров в секунду.

Параметры резки таким способом задаются давлением, под которым находятся абразив с водой, и размером частиц абразива. Таким способом можно резать практически любой материал под любым нужным углом:

черные и цветные металлы, а также их сплавы;
сталь, которая тяжело поддается обработке (легированная, жаропрочная, нержавеющая);
композитные материалы;
камень (мрамор, гранит);
керамику (плитку, керамический гранит);
стекло, как обычное, так и композитное (включая бронестекло).

При резке мягких материалов, таких как поролон, картон, пластмасса и т.д. используется только вода (без абразивных добавок).

1.4 Принцип работы

В резервуаре с водой, при помощи насоса давления, создается высокое давление (от 400 до 600 атмосфер). Поток воды проходит через сопло, диаметр которого составляет 0,2-0,35 мм (что еще больше увеличивает давление) и попадает в смесительную камеру.

Там она смешивается с абразивным материалом (песком) и направляется в другое сопло с диаметром 0,6-1,2 мм. Выходя из него, смесь воды и абразива имеет скорость до 1000 м/с, что позволяет легко разрезать даже самые прочные материалы.

Такой процесс относится к категории холодного резания, так как при его выполнении не происходит выделения тепловой энергии, потому что она полностью поглощается потоком воды.

1.5 Классическая компоновка

Стандартный гидроабразивный станок состоит из следующих узлов и деталей:

корпус;
резервуар для воды (объем от 2 куб. метров);
насос высокого давления (обеспечивает подачу воды под давлением в зону резания);
высокопрочные шланги, которые способны выдержать очень высокое давление;
емкость для подачи абразива для смешивания с водой;
резак — штуцер с регулируемой форсункой (возможно изменение параметров по величине выпускного диаметра);
рабочий стол (ванна) — на нем крепится заготовка и собирается отработанная вода с абразивом);
защитный кожух;
блок ЧПУ — в промышленных образцах станков производит полное управление рабочим процессом.

Можно изготовить самодельный ручной гидроабразивный станок своими руками для личного пользования. Основная сложность заключается в приобретении оборудования для создания высокого давления и неоправданно высокие энергетические затраты по его использованию.

Принцип резки металла таким способом очень эффективен, но иметь такого класса оборудование в личном пользовании имеет смысл только лишь при его большой загрузке.

2 Самодельный станок

Как правило, это простые отрезные станки, сделанные своими руками с минимальными материальными затратами. Вариантов существует довольно много — от простого насаживания на вал электромотора режущего диска, до уже существенной рамной конструкции с вертикальной (маятниковой) ручной подачей.

При выборе варианта изготовления своими руками следует обратить внимание на то, насколько загружен работой будет инструмент, и какой сложности операции будут проводиться на нем.

2.1 Процесс изготовления

Станок сделанный своими руками, который имеет высокую производительность и позволяет отрезать заготовки под нужным углом, так как оборудован специальным креплением.

Последовательность сборки:

Сварить основание станка в виде рамы состоящей из двух взаимно соединенных частей на поворотных элементах.
Собрать режущий узел, который состоит из вала и шкива привода и отрезного диска.
Установить его на маятник (подвижную верхнюю раму) при помощи которого возможен подъем или опускание режущей части.
Установить электрический двигатель и соединить его со шкивом вала отрезного диска через приводной ремень.
Изготовить и присоединить защитные кожухи для приводного ремня и режущего диска.
Закрепить верхнюю раму на нижнем основании и оборудовать ее пружинами для облегчения подъема и плавного опускания.
Изготовить и установить устройство для надежного закрепления обрабатываемой детали в нужном положении.
Провести электропроводку.
Проверить правильность установки всех узлов и конструкционных элементов.
Выполнить пробный пуск.

Исходя из опыта мастеров, которые смогли сделать отрезной станок своими руками и получили опыт в процессе работы, следует обратить внимание на следующие моменты:

при установке отрезного диска диаметром 400 мм, станку потребуется электродвигатель мощностью не менее 3 кВт;
скорость вращения диска желательна в пределах 3000 оборотов в минуту;
на рабочем валу станка желательно размещать шкив привода слева, а режущий диск справа. Это не позволит гайке крепления режущего диска самопроизвольно отвинчиваться во время работы;
для вала, передающего через приводной ремень вращательный момент на режущую часть, наиболее подходят 204-е и 205-е подшипники.

Отрезной станок, сделанный своими руками, лучше оснащать 3-х фазным электромотором, рассчитанным на питание от 380 вольтовой сети. Если есть доступ только к электросети в 220 В, необходимо будет установить пусковые конденсаторы.

2.3 Альтернативная самоделка

Из вышеописанного устройства понадобится только рама, имеющая крепление для заготовок и позволяющая выполнять маятниковые движения. Вместо установки на ней вала с приводным шкивом делается крепление для установки стандартной .

Такое устройство позволит резать болгаркой металл с более высокой точностью и освободившейся одной руке, что не мало важно при выполнении сложных работ.

Другое