Лекция 19. Гидроабразивная резка

Возможность использования высо­конапорных водяных струй для обработки материалов была тео­ретически обоснована в 1957 году в СССР, а в 1961 году в США на этот метод был получен патент. В 1971 году компания Flow International - выпустила первую промышленную установку для водоструйной резки. В 1981 году эта же компания сделала принципиально важный шаг в развитии технологии резки, пред­ложила вводить в высоконапорную водяную струю абразивный порошок через специальную рабочую головку, что существенно повышает эффективность резки. В начале 90-х годов была создана установка гидроабразивной резки (ГАР) в том виде, в котором она используется сейчас, то есть с применением двух-координатного стола и управляющей ЭВМ для точного пере­мещения пятна контакта струи по заданному контуру.

К настоящему времени установки ГАР производятся рядом фирм и эффективно использу­ются, успешно конкурируя с лазерным, плазменным и электроэрозионным оборудованием. Гидроабразивная резка применяется:

а) в автомобильной промышленности ГАР используется: для изготовления автомобильных деталей из титана, алюминия и нержавеющей стали; для изготовления внутренней отделки автомобиля из слоистых материалов; для изготовления приборных панелей, внешних пластиковых покрытий, покрышек, зеркал заднего вида, уплотнительных элементов;

б) в аэрокосмической промышленности, благодаря возможности разрезать труднообрабатываемые материалы (титановые сплавы, хромо-никеле-кобальтовые сплавы) и инновационные слоистые материалы без изменения их микроструктуры;

в) в машиностроении методом ГАР изготавливаются: зубчатые колеса, литейные формы, детали из нержавеющей стали, меди, алюминииевых и титановых сплавов, уплотнений, пластмассовых деталей, литейных и изоляционных материалов;

г) в оборонной промышленности осуществляют ГАР стекло- и углеволокна, кевларового пластика, усиленного волокнами, слоистых материалов и других специальных материалов.

Примеры деталей, полученных ГАР приведены на слайде 1.

В основу технологий ГАР положена способность тонкой сверхзвуковой струи жидкости вызывать критическое нагружение материала и производить отрыв микрочастиц от его основной массы, что ведет к разрушению образца. Локализация струйного воздействия в малых объемах позволяет получить плотность кинетической энергии порядка 85 МВт/см², что обусловливает потенциально высокую энергетическую эффективность струйного резания по сравнению с другими методами обработки материалов.

Применение ГАР характеризуется незначительным стружкообразованием, что повышает коэффициент использования материала. При этом отсутствуют термические изменения и превращения в зоне резания, что особенно актуально при обработке заготовок, подверженных термической деструкции, или при ведении работ в зоне повышенной пожаро- и взрывоопасности (температура в зоне резания находится в пределах 600-800°С). Незначительные нагрузки на заготовку (20-80 H) практически не приводят к деформациям и не вызывают значительные остаточные напряжения в поверхностном слое.

При использовании рабочих сопел с отверстиями 0,1-0,25 мм давление жидкости перед соплом должно находиться в пределах 180-300 МПа. Именно поэтому большинство производителей насосов высокого давления предлагают технику, работающую с давлениями 200-400 МПа (реже – до 500 МПа). Примерная производительность установок ГАР приведена на слайде 2.

Основные функциональные элементы установки для ГАР показаны на слайде 3, на котором цифрами обозначены:

1. Станция высокого давления, которая сжимает рабочую жидкость до требуемого давления и передает ее в режущую головку.

2. Режущая головка, преобразующая статическое давление рабочей жидкости в кинетическую энергию струи, которая выполняет процесс резки.

3. Координатный стол, предназначенный для размещения заготовок, приема рабочей жидкости и отходов резки.

4. Система управления, которая через контроллер, обрабатывающий управляющие команды от персонального компьютера, перемещает режущую головку по заданной траектории при помощи приводов с ЧПУ.

5. Блок подачи абразива, предназначенный для хранения и выдачи абразива в смесительную камеру.

6. Бак – отстойник, предназначенный для очистки воды от абразива перед ее утилизацией.

7. Система водообеспечения, обеспечивающая требуемые характеристики воды.

Основными параметрами процесса ГАР, определяющими ее эффективность, являются скорость перемещения головки в направлении реза, вид, толщина и свойства обрабатываемого материала, тип и размер частиц абразивного материала, диаметры отверстий в сапфире и смесительной трубке, скорость потока абразивных частиц и их концентрация в водно-абразивной суспензии.

Зависимость скорости резания от толщины разрезаемой заготовки носит гиперболический характер, что подтверждают многочисленные эксперименты (Слайд 4).

Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10...30% диаметра режущей струи. Наиболее часто используют абразивные зерна размером 150...250мкм. В качестве материала абразивных частиц используется окись алюминия (электрокорунд), карбид бора, карбид кремния, а также природный гранат.

На слайде 5 показано устройство режущей головки. Средняя стойкость водяно­го сапфирового сопла составляет 60...100 часов, а стойкость твердосплавной трубки зависит от используемого абразивного материала и составляет 80...150 часов. Стойкость водя­ного сопла зависит от качества используемой воды, которое обеспечивается специальными устройствами для фильтрации и смягчения во­ды.

Алмазные сопла могут функционировать в течение 1000 час и обеспечивают получение точности порядка ±0,025 мм.

Существенным недостатком технологии ГАР является низкий коэффициент полезного действия (КПД), когда материал прорезается «насквозь», большая часть энергии струи гасится в ванне с водой.

Сравнение ГАР с другими способами резки приведено на слайде 6.