Резка древесины водой под давлением

Технология и применение гидроабразивной резки

Метод гидроабразивной резки материалов применяется уже почти полвека в самых разных отраслях. В машиностроении, аэрокосмической и авиационной промышленностях, в инструментальном производстве этот способ стал незаменимым.

Технология резки

Смысл гидроабразивного метода заключается в подаче на обрабатываемый объект тонкой водной струи, смешанной с мелкими частичками абразива (зерна электрокорунда, карбид кремния, гранатовый песок и др.). Вода нагнетается насосом до чрезвычайно высокого давления (от 1000 до 6000 атмосфер), затем проходит через сопло установки со сверхвысокой скоростью (от 900 м/с) и вымывает частички обрабатываемого материала из зоны резки.

Скорость разрушения зависит от формы, размера, массы и твердости частиц абразива, угла удара, а также физико-технических свойств материала, подвергающегося обработке. Такой способ позволяет обрабатывать самые разные материалы: стекло, пластик, металл, камень, композитные составы, резину, дерево и др. Диапазон подвластных гидроабразивному резанию толщин достаточно широк — от 0,1 до 300 мм и даже больше. Благодаря наличию поворотной рабочей головки возможно осуществлять 3D-резку изделий. Основные принципы технологии на видео:

Станки и оборудование для гидроабразивной резки

Оборудованием для гидроабразивной резки является специальный станок, имеющий в составе несколько конструктивных элементов. Все они необходимы для обеспечения качественного, точного и быстрого раскроя в соответствии с имеющимся рабочим чертежом. Каждая рабочая установка комплектуется следующими устройствами:

1. Насос высокого давления. От него зависит скорость выходящей из сопла воды (скорость обработки).
2. Регулятор мощности. Широкие настройки позволяют применять абразивные смеси разного состава и подавать их под различным давлением. Это делает возможным обрабатывать заготовки разной твердости и толщины.
3. Различные сопла (дюзы). Заменяются в зависимости от состава смеси абразивного порошка с водой и характеристик обрабатываемого объекта (толщина и плотность).
4. Смеситель. Данное оборудование считается важнейшим узлом гидроабразивного станка, работа которого определяет равномерность пропорций и конечное качество подаваемой смеси. От этого зависит итог процесса резки (точность и отсутствие сколов).
5. Система водоподготовки. Свойства воды оказывают непосредственное влияние на качество абразивной смеси и конечный результат резки гидроабразивным методом. Жидкость предварительно фильтруют и очищают от примесей.
6. Автоматика. Благодаря автоматическим системам режущая рабочая головка самостоятельно меняет угол наклона дюзы в зависимости от качественных характеристик обрабатываемого предмета.

Установки для резки металла можно оснащать дополнительно: сверлильным узлом, лазерной системой позиционирования и высотного контроля, системой удаления шлама, подачи абразива и автоматической смазки.

Виды гидроабразивных станков и особенности их применения

Станки для водоструйной резки бывают 2 типов:

Стационарные гидроабразивные станки имеют разные принципы ручного или программного управления всеми параметрами.

В устройствах с ручным управлением вручную выставляются все параметры обработки (угол наклона, давление и пр.), они просты в управлении и обслуживании. На них можно производить качественную и точную резку изделий, имеющих простые геометрические формы.

На гидроабразивном оборудовании с ЧПУ с высочайшей точностью изготавливаются детали большой толщины и разных уровней сложности, имеющие качественную поверхность обрабатываемого среза. Расход материалов при этом будет минимальным. Для каждого изделия разрабатывается индивидуальное программное обеспечение, учитывающее параметры процесса резки: давление водной струи, состав абразивной смеси и пр.

Портативные устройства являются передвижными. Они применяются в пожароопасных отраслях (газовой, нефтяной), так как не дают искры во время работы. Такое оборудование незаменимо при строительстве колодцев, тоннелей, а также проведении работ с опасными трубопроводами.

Советы по эксплуатации станков ГАР

Применение гидроабразивного метода требует соблюдения нескольких правил эксплуатации и обслуживания:

• перед началом работ и включением оборудования необходимо осуществить его визуальный осмотр;
• работы производить только при плюсовых температурах;
• производить закупки запасных частей и абразивных материалов (гранатового песка) исключительно у проверенных и надежных производителей;
• внимательно контролировать рабочее давление;
• сохранять резервные копии всего ПО (программного обеспечения);
• при установке и замене сопла необходимо соблюдать особую аккуратность;
• запуская струю, убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне.

Безопасность при работе на гидроабразивном станке

Технология с использованием абразива и воды является практически самым безопасным способом обработки. Однако для исключения травматизации при абразивной резке металла струей воды необходимо соблюдать некоторые правила:

1. Беречь руки. Не приближаться к рабочей зоне во время резки.
2. Защищать глаза: надевать специальные пластиковые очки.
3. Использовать наушники или беруши.

Принцип действия и конструкция станков водно-абразивной резки

Оборудование для резки водой под давлением функционирует по следующему принципу:

• проходя через сопло, вода образует струю, имеющую диаметр около 0,3 мм, которая затем поступает в камеру смешивания;
• в смесительную камеру одновременно поступает абразив, где соединяется с водой;
• полученная смесь поступает в другое сопло, имеющее диаметр от 0,6 до 1,2 мм;
• из второго сопла струя может вырываться со скоростью до 1000 м/с;
• струя смеси ударяется об обрабатываемый объект и разрезает его.

На станине жестко закреплена ванна (наполненная водой), с расположенными на дне опорами для размещения и фиксации заготовки (сетка, штыри, ребра). Режущая головка способна перемещаться в 3 плоскостях, может смещаться с изменением угла наклона и вращаться вокруг оси.

В результате работы гидроабразивного станка образуются производственные отходы (абразив, частицы материала), которые оседают на дно ванны. Отсюда они удаляются в специальный накопительный бак, где вода фильтруется. Песок очищается от шлама и используется повторно.

Применения в различных отраслях

Применение обработки с помощью воды практически не имеет границ. Но изготовить такие аппараты своими руками чрезвычайно сложно, поэтому использование в домашних условиях маловероятно.

В оборонной промышленности

Гидроабразивное оборудование обеспечивают высокую точность резки при работе со сложными композитными материалами, пуленепробиваемым стеклом, бронированными листами, титаном, сплавами. Для разрезания утилизируемых старых снарядов и работы со взрывчатыми веществами такая технология является наиболее безопасной.

В стекольной промышленности

Для резки зеркального, простого, ламинированного, узорчатого, ударопрочного, бронированного и армированного стекла гидроабразивные станки являются оптимальными. Они позволяют изготавливать стеклянные изделия всевозможных форм. Из этих элементов создаются витражи, панно, элементы декора и другие предметы.

В строительстве

В строительной отрасли гидроабразивная технология применяется для решения следующих задач:

• демонтаж различных конструкций;
• резка материалов (керамогранита, натурального камня, плитки и пр.);
• производство декоративных инкрустированных элементов;
• создание фигурных и сложных резов на трубах.

В машиностроении

Станки гидроабразивной обработки применяют в машиностроении для выполнения следующих операций:

• резка листового металла, пластика, композитных материалов и сверхпрочных сплавов;
• снятие фасок на обрабатываемых деталях перед выполнением сварочных работ;
• изготовление с высочайшей точностью элементов и деталей сложной конфигурации;
• удаление дефектов термической обработки (окалины, наплывов и др.).

В автомобильной промышленности

Гидроабразивное оборудование в автомобилестроении применяется в следующих целях:

• изготовление различных пластмассовых деталей (приборных панелей, бамперов и др.);
• раскрой элементов декора салона автомобиля (фальшпотолков, ковриков и пр.);
• вырезка кузовных элементов из тонкого металла;
• производство трехмерных деталей со сложным конструктивом;
• раскрой многослойных стекол для автомобилей (триплекс).

В резинотехнической промышленности

Технология гидроабразивной обработки является отличным решением для работы с резиной разной плотности и толщины (до 300 мм). Резка происходит при достаточно низких температурных показателях (не более 90°C), поэтому не меняется структура самого материала и края не оплавляются.

В электротехнической промышленности

В электротехнической области станки для гидроабразивной резки находят применение для:

• производства деталей из слюды и композитных материалов;
• резки электротехнической стали, трансформаторного железа, меди и всевозможных сплавов;
• раскроя аморфных металлов;
• работы с резиной, пластиком, целлюлозой.

В авиационной и аэрокосмической промышленности

Гидроабразивные станки стали незаменимы для выполнения следующих задач:

• изготовление пространственно сложных деталей из титана, алюминия, циркония и разных сплавов;
• раскрой композитных материалов без нарушения структуры и расслоения;
• производство элементов со сложным контуром;
• выполнение замкнутых сложных вырезов в листовых заготовках.

В инструментальном производстве

Использование гидроабразивной технологии в инструментальном производстве позволяет осуществлять обработку стали, сплавов, а также материалов, обладающих повышенной твердостью. С помощью такого оборудования изготавливаются элементы пресс-форм, штампы, различный монолитный мелкий инструмент, сложные детали и технологическая оснастка.

Материалы для ГАР

Гидроабразивное оборудование позволяет обрабатывать самые разные материалы.

1. Дерево. Гидроабразивная резка дерева поможет создать элементы декора и интерьера из ценных пород дерева. При гидрорезке древесина не обугливается и не скалывается.
2. Керамогранит. Из прочного и твердого керамогранита с высокой точностью вырезаются элементы требуемой сложной формы без сколов и дефектов.
3. Керамика. Гидроабразивный метод позволяет разрезать керамическую плитку на детали различного размера (даже достаточно мелкие), с острыми углами или криволинейных форм без сколов и трещин, с ровными гладкими краями.
4. Бетон. Регулировка давления струи позволяет резать бетон даже без повреждения арматурного каркаса.
5. Мрамор и гранит. Гидроабразивная обработка используется для создания орнаментов, узоров и небольших элементов декора на граните, мраморе, кварце и других натуральных камнях.
6. Камень. Осуществляется резка каменных плит, которые могут иметь толщину до 150 мм.
7. Металл. Используя гидроабразивную технологию резки металла, раскраивают различные виды стали, цветные металлы и сплавы (бронза, алюминий и пр.), титан, цирконий, листы и трубы с полимерным покрытием.
8. Стекло. Метод позволяет работать с различными видами стекла: простым, армированным, закаленным, хрустальным, многослойным, зеркальным и др.

Преимущества и недостатки метода

Преимущества гидроабразивной обработки:

• отсутствие нагрева;
• универсальность, позволяющая работать с самыми разными материалами;
• отсутствие необходимости дополнительной шлифовки кромок;
• высокая точность;
• скорость;
• экономичность;
• отсутствие механической нагрузки;
• безопасность;
• экологичность.

Недостатки гидроабразивного метода:

• эффект конусности, возникающий вследствие инерционности струи воды;
• невысокая рентабельность при раскрое тонких заготовок.

Благодаря тому, что преимуществ у этого метода гораздо больше, области его применения неуклонно расширяются.

Источник

Резать водой

Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует новых технологий их обработки. Одной из таких технологий является резка высокоскоростной струей воды под большим давлением — водоструйная резка.

Возможность использования 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.

Инструментом водоструйной резки материалов является определенным образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,08-0,5 мм со сверхзвуковой скоростью (1000 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала — за счет этого и осуществляется резка.

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 90°.

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, фольгированные 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 — резание 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.

Основные достоинства водоструйной обработки состоят в следующем.

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

2. Универсальность обработки. 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. Именно при помощи струи воды режутся различные сэндвич-конструкции. Гидроабразивные системы способны резать металлы толщиной до 300 мм, камень и бетон — до 1000 мм. При этом достигается достаточно высокая точность обработки — 0,1 мм при резке металлов толщиной до 100 мм.

3. Способность воспроизводить сложные контуры и профили. При высокоструйной обработке 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 0,1-3,0 мм.

При резании хрупкого материала — стекла — гидроабразивная обработка позволяет создавать неповторимые другими технологиями формы и контуры; хотя водоструйная технология и уступает алмазу, когда делаются прямые резы стекла, зато никакая другая технология не позволяет получать сложные контуры непосредственно в процессе резания.

4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 0,5-1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке.

5. 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; различные операции (например, сверление и резку) можно выполнять одним и тем же инструментом; низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали; существует возможность резки на расстоянии около 200 метров от насоса, а также возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя и более режущими головками на одном столе или несколькими головками на разных столах; резку можно осуществлять на высоте и на глубине до нескольких сотен метров, в том числе и под водой.

6. Экономичность процесса. Скорость резания — высокая. (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. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико — около 3-4 л/мин, несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более).

7. Автоматизация процесса. Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.

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

9. Безопасность. Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Отсутствует радиационное излучение, опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц. Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.

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.

Скорость водоструйной резки, м/мин

Толщина материала, мм

Луч или струя?

Водоструйная резка — альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, ультразвуковой резке, а в некоторых случаях это, как уже говорилось, и вовсе единственно возможный вид обработки.

В настоящее время водоструйная и лазерная резка машиностроительных материалов, применяемых в сходных областях, являются конкурирующими технологиями. В том и в другом случаях режущий инструмент формируется в самой машине за счет конструктивных особенностей соответствующих узлов, а затем, перемещаясь по энергетическому каналу или трубопроводам, подходит к узлу, где процесс его формирования завершается. При применении обеих технологий отпадает необходимость в хранении, заточке и перестановке рабочего инструмента — он постоянно обновляется за счет непрерывности его образования во времени.

Не углубляясь в анализ достоинств и недостатков этих технологий, необходимо отметить, что лазерное излучение более универсально (резка, маркировка, упрочнение и т. п.), хотя и область применения высокоскоростной струи жидкости не ограничивается только гидрорезанием (в ряде случаев импульсная струя жидкости используется для упрочнения труднодоступных поверхностей сложной формы).

Определенное преимущество гидрорезания перед лазерной резкой состоит в отсутствии области термовлияния на кромках обработанных деталей, но не всегда это условие является определяющим. Так, установлено, что при лазерной резке деталей из конструкционных сталей типа 20, 30 ХГС и др. повышается их усталостная прочность и долговечность по сравнению с механически вырезанными деталями.

Возникает закономерный вопрос: а существуют ли какие-либо рекомендации по использованию той или иной технологий? Опыт производителей и пользователей говорит: да, существуют.

С точки зрения экономической целесообразности применение водоструйной технологии наиболее оправданно при резке хрупких (стекло, камень) заготовок толщиной 40-100 мм, фанеры, древесины, композиционных материалов во всем диапазоне допустимых толщин, при больших объемах раскроя: нержавеющей стали при толщине листа свыше 6-10 мм, меди — свыше 2-3 мм, алюминиевых сплавов — свыше 5-6 мм.

При контурном раскрое тонкого листа практически всегда более эффективны лазерные системы, поскольку себестоимость лазерной резки заготовок с малой толщиной значительно ниже, чем себестоимость резки гидроабразивной.

В конечном счете, области применения лазерной и водоструйной технологий резки в машиностроении будут разделены их технологическими и экономическими показателями. Бесспорно одно: при сегодняшнем уровне развития машиностроения объемы применения водоструйной резки (в США, Европе, странах АТР) постоянно увеличиваются.

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. 1). 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.

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.

Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований и одновременно — об отсутствии оптимальных конструкций. Приведем следующую классификацию:

• 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 минимальными 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. 2 показаны принципиальные схемы режущих головок как для гидро-, так и для гидроабразивной резки.

Кстати, опция — 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 рациональным 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. 3 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.

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 АВ, итальянской Waterjet Corporation, чешской PTV, а также таких известных в мире производителей оборудования для обработки листа, как швейцарский концерн Bystronic, германская компания 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 Schneid-systeme (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 АВ, 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 город Владимир, где на базе разработок Владимирского госуниверситета в исследовательской лаборатории гидрорезания и ОАО СКТБ ПО «Вектор» создано несколько моделей установок 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.

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 решать практически все проблемы резки:

• 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 лабораторного 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.

Несмотря на признанный статус лидера, конкуренты у компании Flow есть, и весьма серьезные.

Одним из них является шведская компания Water Jet Sweden АВ. В качестве сопла фирма Water Jet применяет собственную запатентованную режущую головку, а также использование сопла Avtoline фирмы Ingersoll Rand. В настоящее время наиболее популярна в механическом секторе установка NC3015S с используемой поверхностью стола 3010 x 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 притуплённого конуса.

Начав работу, как дилер фирмы Flow, компания PTV за прошедшее время освоила собственное (т. е. чешское) 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.

И еще несколько слов об установках, представляющих, по нашему мнению, потенциальный интерес для отечественных производителей.

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.

Исследовательская лаборатория гидрорезания (г. Владимир) представляет полуавтоматический станок с ЧПУ для разрезки листовых труднообрабатываемых 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 неметаллических 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/ЗМ 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.

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 NC3015S составляют примерно 0,26 тех же условных единиц в минуту.

А в заключение сказать, пожалуй, можно только одно. Если верить многочисленным организациям, анализирующим мировой рынок продукции машиностроения, производство оборудования для водоструйной резки — самый быстрорастущий сегмент станкостроительной промышленности.

Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», № 8, август 2003 г.

Источник