Гидроабразивная резка. Преимущества и недостатки, сравнение с другими технологиями

• Что такое гидроабразивная резка?
• Принцип работы гидроабразивной резки
• Виды гидроабразивной резки
• Преимущества гидроабразивной резки
• Недостатки метода
• Области применения гидроабразивной резки
• Гидроабразивная резка в сравнении с другими методами резки
• Гидроабразивная резка по сравнению с лазерной
• Сравнение гидроабразивной резки с плазменной
• Гидроабразивная резка по сравнению с кислородно-топливной резкой
• Заключение 

Что такое гидроабразивная резка? 

Гидроабразивная резка - это процесс механической резки, в ходе которого происходит удаление материала с помощью физического контакта. Это производственная технология, в которой для резки различных материалов используется струя воды под высоким давлением, иногда смешанная с абразивом. Для резки используется специализированный режущий инструмент, называемый гидроабразивным резцом, который направляет высокоскоростную струю воды через сопло на материал. Сила воды разрушает его, в результате чего получается чистый, точный срез.

Главное отличие от остальных способов обработки заключается в холодном (нетепловом) способе резки. В этой статье мы рассмотрим принцип работы гидроабразивной резки, преимущества, которые она дает, применение, сравнение с плазменной, кислородно-топливной и лазерной резкой.

Рис. 1. Процесс гидроабразивной резки 

Принцип работы гидроабразивной резки

В основе работы гидроабразивной резки лежит сила воды под огромным давлением. Резка начинается с подачи воды под давлением в 50 000-100 000 фунтов на квадратный дюйм. Затем этот поток под высоким давлением продавливается через небольшое отверстие, обычно сделанное из сапфира, рубина или алмаза, чтобы создать интенсивно сфокусированную струю воды.

Гидроабразивная резка основана на принципе использования потока воды под высоким давлением, а в некоторых случаях и абразивного материала, для разрушения и резки различных материалов. 

Работа заключается в преобразовании воды под давлением в высокоскоростную струю, которая может выполнять точные и чистые разрезы. Ниже приводится подробное объяснение принципа резки.

Давление воды: Работа начинается с нагнетания воды с помощью насоса высокого давления. Водяной насос повышает давление воды до уровня от 20 000 до 60 000 фунтов на квадратный дюйм или даже выше, в зависимости от условий применения и разрезаемого материала. При проектировании насосных станций их распределяют на две отдельные группы: мультипликативные и прямого действия. Первый тип производит возвратно-поступательное движение плунжеров водопровода за счет давления масла, подаваемого на центральный гидравлический поршень. При 20-кратной разнице в площадях поверхности между гидравлическим поршнем и поверхностью плунжера происходит соответствующее 20-кратное повышение давления. Если подача масла составляет 200 атмосфер, мы можем получить давление воды в 4000 атмосфер (бар).

Рис. 2. Схема установки гидроабразивной резки. 1 — подвод воды под высоким давлением, 2 — cопло, 3 — подача абразива, 4 — смеситель, 5 — кожух, 6 — режущая струя, 7 — разрезаемый материал.

Устройства для гидроабразивной резки состоят из 5 основных узлов: насосной станции, координатного стола, режущей головки, системы подачи абразива и стойки оператора.

Фильтрация и подача воды: Вода проходит через систему фильтрации для удаления любых примесей, которые могут негативно повлиять на процесс резки или повредить оборудование. Затем отфильтрованная вода направляется по трубкам высокого давления к головке. 

Отверстие: Режущая головка имеет небольшое, похожее на драгоценный камень отверстие, обычно изготовленное из таких материалов, как синтетический сапфир, алмаз или рубин. Вода проходит через это крошечное отверстие, преобразуя энергию давления в кинетическую энергию и создавая высокоскоростную струю.

Смешивание абразива (для абразивной резки): Если разрезаемый материал требует использования абразива, в режущую головку вставляется камера смешивания абразива. Когда высокоскоростная струя воды выходит из отверстия, в смесительной камере создается вакуум, который втягивает частицы абразива в поток воды. Затем смесь воды и абразива ускоряется через фокусирующую трубку или сопло, которое еще больше концентрирует и направляет насыщенную абразивом струю на материал.

Процесс резки: Высокоскоростная гидроабразивная струя с абразивными частицами или без них воздействует на поверхность материала, контролируемым образом разрушая и разрезая его. Процесс резки происходит по заранее запрограммированной траектории, которая обычно создается с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (CAD) и системы числового программного управления (ЧПУ). Система ЧПУ направляет движение режущей головки по заданной траектории, обеспечивая точные и аккуратные разрезы.

Удаление отходов: В процессе резки вода и абразивные частицы (если они используются) собираются в приемный резервуар, расположенный под зоной резки. Вода обычно фильтруется и перерабатывается, а абразивные частицы и отходы материала отделяются и утилизируются надлежащим образом.

Виды гидроабразивной резки 

Существует два основных типа гидрорезки:

Гидроабразивная резка: В этом методе струя воды под высоким давлением используется для резки относительно мягких материалов, таких как резина, пенопласт, войлок или текстиль. Поток воды настолько мощный, что может прорезать эти материалы с относительной легкостью, оставляя чистую кромку.

Рис. 3. Абразивы для гидроабразивной резки 

Резка с абразивом: Для резки более твердых материалов, таких как металл, камень или стекло, в поток воды добавляется абразивный материал (гранат, закаленное стекло, ставролит). Абразив эффективно разрезает даже самые твердые поверхности. 

Рис. 4. Наполнители для гидроабразивной резки 

Благодаря использованию абразивных материалов режущая способность воды многократно усиливается, позволяя ей раскраивать практически любую поверхность. Идеальным абразивом является гранатовый песок, добываемый преимущественно из аллювиальных (морских) месторождений. Этот песок обладает исключительной твердостью, средним размером частиц (от 0,25 до 0,45 мм) и позволяет избежать засорения фокусирующего сопла.

Преимущества гидроабразивной резки

Универсальность 

Гидроабразивная резка отличается высокой адаптивностью и способна разрезать такие разнообразные материалы, как пластмассы, металлы, камень, стекло и композиты. Универсальность этого метода делает его идеальным решением для широкого спектра отраслей промышленности, от аэрокосмической до медицинской.

Точность и аккуратность

Благодаря усовершенствованию систем управления движением станки могут достигать точности резки в пределах ±0,005 дюйма. Такая исключительная точность позволяет создавать сложные конструкции, обеспечивать жесткие допуски и минимальные потери материала.

Отсутствие зоны термического влияния

В отличие от лазерной, плазменной или кислородной резки, гидроабразивная не выделяет тепло. Это исключает риск термического искажения или теплового напряжения, в результате чего получается чистая, без заусенцев кромка, практически не требующая последующей обработки.

Экологичность

 Гидроабразивная резка является экологически чистым процессом, поскольку она не производит вредных испарений или газов. Кроме того, используемые вода и абразив могут быть переработаны, что минимизирует количество отходов и снижает общее воздействие на окружающую среду.

Недостатки метода

Хотя гидроабразивная резка обладает многочисленными преимуществами, необходимо учитывать и некоторые недостатки. К основным недостаткам относятся:

Низкая скорость резки: Данная технология медленнее, чем другие методы резки, особенно при резке толстых или твердых материалов. Добавление абразивов может еще больше замедлить работу. 

Ограниченность плоскими поверхностями: Резка струей подходит в основном для плоских материалов. Сложные и конусные 3D-формы или объекты с неровной поверхностью не могут быть обработаны данным методом.

Высокие первоначальные инвестиции: Станки гидроабразивной резки и сопутствующее оборудование, такое как насосы и системы фильтрации, могут быть дорогими для приобретения и установки. 

Рис. 5. Резка струей воды 

Шум: Это шумный процесс, особенно во время абразивной резки. Может потребоваться использование средств защиты органов слуха и мер по звукоизоляции рабочей среды.

Утилизация абразивных отходов: Образуются отходы в виде отработанных абразивных частиц и обломков материала. Правильная утилизация этих отходов может стать дополнительным расходом и может потребовать соблюдения экологических норм.

Техническое обслуживание и эксплуатационные расходы: Установки гидроабразивной резки требуют регулярного технического обслуживания - обслуживание насоса, замена сопел и фильтрация воды. Стоимость абразивов, запасных частей и технического обслуживания со временем может увеличиться.

Потребление воды: При резке используется значительное количество воды, что может быть проблемой в районах с ее нехваткой. Хотя некоторые системы используют воду повторно, потребление воды все равно является существенным фактором, который необходимо учитывать.

Рис. 6. Система гидроабразивной резки 

Области применения гидроабразивной резки

Благодаря своим преимуществам гидроабразивная резка используется в различных отраслях промышленности: 

Аэрокосмическая промышленность

Подходит для производства сложных компонентов и легких материалов, таких как алюминий, титан или композиты, используемых в аэрокосмической промышленности.

Автомобильная промышленность

Автомобильный сектор использует гидроабразивную резку для производства таких деталей, как прокладки, элементы внутренней отделки и заказные детали послепродажного обслуживания.

Рис. 7. Водоструйная резка керамики

Камень и плитка

Точность и мощность гидроабразивной резки позволяют создавать сложные узоры и инкрустации на каменных и плиточных материалах, что делает ее популярным выбором для архитектурных и декоративных проектов.

Электроника

Резка абразивом является подходящим методом для обработки печатных плат, электрических корпусов и других деликатных компонентов без термического напряжения или деформации.

Искусство и вывески

Художники и производители вывесок часто используют гидроабразивную резку для создания сложных конструкций из различных материалов, от металлических скульптур до произведений искусства из стекла и вывесок.

Гидроабразивная резка в сравнении с другими методами резки

Гидроабразивная резка по сравнению с лазерной

Лазерная и гидроабразивная резка - это две передовые и точные технологии резки, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Хотя обе технологии обладают многочисленными преимуществами, их применение и пригодность различаются в зависимости от материала, толщины и желаемой отделки. В этом сравнении мы рассмотрим ключевые различия и сильные стороны каждого метода.

Рис. 8. Лазерная резка алюминия

Совместимость материалов

Лазерная резка эффективна для таких материалов, как металлы (нержавеющая сталь, мягкая сталь, алюминий), пластмассы, дерево и некоторые композиты. Однако она может быть не очень эффективна при работе с отражающими материалами, толстыми металлами и материалами, чувствительными к нагреву, поскольку в процессе резки выделяется тепло, которое может вызвать деформацию или повреждение.

Гидроабразивная резка универсальна и может обрабатывать широкий спектр материалов, включая металлы, пластмассы, камень, стекло, керамику, резину и композиты. Нетепловая природа этого метода позволяет использовать его для термочувствительных материалов, а абразивная способность позволяет легко резать толстые и отражающие материалы.

Толщина резки

Лазерная резка наиболее эффективна на тонких и средних по толщине материалах, обычно до 1 дюйма (25,4 мм) для металлов и до 2 дюймов (50,8 мм) для неметаллических материалов. При превышении этой толщины процесс резки становится более медленным и менее точным.

Гидроабразивная резка позволяет обрабатывать более широкий диапазон толщины материалов, от тонких листов до материалов толщиной в несколько дюймов. Например, она может резать металлы толщиной до 6-8 дюймов (152-203 мм) и даже толще для более мягких материалов.

Таб. 1. Сравнение гидроабразивной и лазерной резки 

Точность и аккуратность

Резка лазером обеспечивает высокую точность, как правило, в пределах ±0,001 дюйма (±0,025 мм). Сфокусированный лазерный луч позволяет создавать сложные конструкции, жесткие допуски и острые углы.

Резка водой также обеспечивает высокую точность, обычно в пределах ±0,005 дюйма (±0,127 мм), но при работе с деликатными материалами, лучше использовать лазер. 

Зона термического воздействия 

Тепло, выделяемое при лазерной резке, направляется точно на заданный участок, поэтому практически не воздействует на окружающий материал. 

Гидроабразивная резка - это процесс холодной резки, при котором не образуется зона термического влияния, в результате чего получаются чистые, без заусенцев края без искажения или изменения материала. 

Рис. 9. Лазерная резка пластика 

Скорость резки

Лазерная резка обычно обеспечивает более высокую скорость резки по сравнению с гидроабразивной, особенно для тонких материалов. Преимущество в скорости уменьшается по мере увеличения толщины материала.

Гидроабразивная резка медленнее лазерной, однако она может поддерживать постоянную скорость резки в широком диапазоне материалов и толщин.

Сравнение гидроабразивной резки с плазменной 

Гидроабразивная резка и плазменная резка - эффективные и универсальные методы резки, но они различаются по нескольким аспектам. Гидроабразивная резка - это процесс резки, который позволяет обрабатывать широкий спектр материалов, включая металлы, пластмассы, камень, стекло и композиты, без высоких температур. 

Плазменная резка - это термический процесс, позволяющий быстро и экономично резать токопроводящие металлы, но при этом образуется зона термического воздействия, и требует дополнительных отделочных работ. Плазменная резка в целом быстрее гидроабразивной, но ограничена в плане совместимости материалов и толщины, которую она может разрезать.

Рис. 10. Плазменная резка металла 

Гидроабразивная резка по сравнению с кислородно-топливной резкой

Кислородно-топливная резка используется в основном для резки черных металлов, таких как мягкая сталь, низколегированная сталь и чугун. Этот метод основан на способности материала к окислению. Однако ее возможности ограничены окислительными свойствами материала, и она может оказаться неэффективной для резки тонколистовых изделий. Гидроабразивная резка обеспечивает более высокую точность, отсутствие зоны термического влияния и совместимость с более широким спектром материалов.

Рис. 11. Кислородно-топливная резка 

Заключение

Гидроабразивная резка - это эффективный и универсальный метод резки, обладающий многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными технологиями. Однако по сравнению с лазерной резкой гидроабразивная уступает в скорости и точности, особенно для тонких материалов. 

Каждый способ резки имеет свои сильные стороны и может быть более подходящим для определенных материалов, показателей требуемой толщины и вида покрытия.