Аппараты для резки металла водой

В чем заключается принцип действия и технология резки металла водой?

Давайте рассмотрим технологию резки металла водой и принцип ее действия. Во время различных работ (как в промышленности, так и в быту) часто приходится разрезать металлические конструкции. Для этой цели применяется механическая, лазерная, кислородная, плазменная резки. То есть, для разрезания металлов используется в основном механическое воздействие или высокая температура.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Например, при механической резке происходит деформация металла, а при газокислородной или плазменной – к его окислению.

Преимущества и недостатки гидроабразивной резки

В современной промышленности активно используется новый вид резки металла с помощью воды. Такая резка называется водно-абразивной или гидроабразивной. Впервые этот метод был использован в авиастроительной промышленности.

У данной технологии отсутствуют недостатки, которые присущи разрезанию металла механическим воздействием или высокой температурой. Впервые такая технология была применена в 70-х годах прошлого века. В промышленности ее активно стали использовать в конце XX века.

Разрезание металла посредством воздействия воды и абразива имеет ряд преимуществ.

Обрабатываемое изделие не нагревается и не деформируется.
Высококачественный рез, поэтому нет необходимости в последующей обработке изделия.
Потери металла – минимальны.
Обрабатывать детали можно любого размера и в любом режиме – ручном или автоматическом (без участия человека).

Применяя водно-абразивную резку, можно получить детали различной формы – нужно только задать определенные параметры с помощью числового программного управления. Этот фактор позволяет активно применять данный метод для получения различных предметов, предназначенных для украшения интерьера, зданий и т. п.

Есть у водно-абразивной резки и недостатки. Во-первых, для металлов, подверженных коррозии, могут быть негативные последствия. И, во-вторых, этот вид резки требует больших финансовых затрат. Весь механизм нужно постоянно осматривать. Оборудование часто выходит из строя и требуют ремонта или замены.

Оборудование

Станок для гидроабразивной резки состоит из:

насоса высокого давления;
инструментальной головки;
рабочего стола;
системы перемещения, оснащенную ременным приводом или устройства управления с ЧПУ;
рабочей ванны (из нержавеющей стали);
емкости для подаваемой воды;
бака для абразивного материала;
компрессора для подачи абразивного материала;
датчика, предназначенного для контроля абразива;
смесительной камеры;
выносного пульта с маховиком, предназначенного для упрощения процедуры управления;
устройства, предназначенного для удаления останков обрабатываемого материала;
устройства, предназначенного для подачи обрабатываемых деталей.

Технология

Режущим инструментом при гидроабразивной резке является струя воды совместно с абразивным материалом. Струя воды подается на высокой скорости под большим давлением – от 2000 до 5000 атмосфер. В некоторых устройствах давление может достигать 6000 атмосфер.

Вода проходит через сопло, толщина которого составляет 0,1 мм. Скорость воды при этом увеличивается, и может достигать значения 1200 м/с и даже выше. Поток воды фокусируется, он может разрезать почти все металлы. Расход воды составляет до 4 л/мин.

После сопла вода попадает в смеситель. Сюда же подаются частицы абразивного материала. В этом месте происходит смешивание воды и абразивного материала. Абразив подается тангенциально. На заготовку попадает смесь воды и абразива. Под воздействием сфокусированного скоростного потока происходит отрыв частиц обрабатываемого материала из реза.

Принцип действия установки для гидроабразивной резки

Во время процесса резки важно придерживаться определенных параметров и соблюдать правила пользования станком. Здесь важно, какое давление воды используется, какой расход, скорость струи, количество подаваемого абразивного материала.

На схеме цифрами показаны:

1 – подача воды;
2 – сопло;
3 – абразивный материал;
4 – смесительное устройство;
5 – кожух;
6 – струя воды и абразива;
7 – обрабатываемый материал.

Процесс гидроабразивной резки металла включает в себя 4 этапа:

Заготовка помещается в ванну с водой и закрепляется. На неавтоматизированном устройстве это нужно делать своими руками, на станке с ЧПУ – с помощью программы.
В ванну помещается инструментальная головка, в которую подаются вода и абразив. При этом устанавливаются необходимые рабочие параметры (давление воды, расход и т. д.).
Инструментальная головка направляется на обрабатываемый материал.
Струя воды и абразива разрезает заготовку.
Абразивный материал после резки фильтруется и сушится.

Перечисленные этапы при работе устройства постоянно повторяются. Металл разрезается из-за удара частиц абразива. Вода, при этом выступает в качестве носителя режущих частиц (то есть, абразива). В качестве абразива используются:

кварцевый песок;
карбид кремния;
гранатовый абразив;
электрокорунд;
оливин.

Активно данный вид резки применяется для обработки заготовок из легированной стали. Это обусловлено тем, что струя воды и абразива не нарушает состав такой стали. Кроме металлов, можно обрабатывать стекло, камень (природный и искусственный), бетон и железобетон. Но, для каждого материала есть свои пределы по толщине:

Цветные металлы, сплавы и нержавеющая сталь – максимум 150 мм.
Композитные материалы, углепластики – максимум 200 мм.
Природный и искусственный камень – максимум 300 мм.

Видео: резка металла водой.

Техника безопасности

Процесс гидроабразивной резки не представляет особой опасности. Расстояние от трубки, из которой выходит струя, до обрабатываемой поверхности – всего 2,5 мм. Это исключает воздействие струи на руку. При превышении давления воды выше допустимого открывается сбросной клапан, который снижает давление до рабочего. Тем не менее при работе на станках следует соблюдать определенные меры безопасности.

Ни в коем случае не допускайте воздействия струи на тело. Такая струя способна разрезать металл толщиной 150 мм, что уж говорить про руку. Во время работы руки держите на максимально возможном расстоянии от зоны резки. Перед включением станка убедитесь в отсутствии посторонних предметов на пути резки.
Защищайте глаза и органы слуха. Обязательно используйте защитные очки и беруши (или наушники).
Не кладите руки на рабочий стол.

Лидерами в производстве аппаратов для гидроабразивной резки являются американские компании Jet Edge, Flow, OMAX, итальянские WaterJet Corp Inc. и Caretta Technology, голландская Resato, чешская PTV, шведская Waterjet Sweden, финская ALICO, швейцарская Bystronic.

Принцип действия и устройство станков водно-абразивной резки

Раскрой металла — обязательный этап в изготовлении любых металлоконструкций. Если не рассматривать механические способы резки тонкостенного листа или профиля, то остаются два вида технологии, которым под силу разрезать заготовки большой толщины. Это термические методы и гидроабразивная резка.

Принцип действия

Сам принцип действия заимствован у природы. Естественный аналог — это эрозия горных пород под воздействием воды. Даже струя с ускорением свободного падения, падающая с небольшой высоты, вымывает гранит и базальт. Вопрос только во времени.

Если под высоким давлением поток чистой воды в виде тонкой струи разогнать до сверхзвуковой скорости (800-1000 м/с), а затем добавить абразив, твердость которого выше, чем у стали, то получится режущий инструмент с уникальными возможностями.

По такому принципу и работает станок гидроабразивной резки, способный раскроить лист металла толщиной до 300 мм.

Суть метода заключается в способности высокоскоростной струи с абразивом «отрывать» частички материала в зоне резки, и вымывать их вместе с потоком. При этом вода, помимо функции «транспортировки», одновременно охлаждает рабочую зону, не позволяя измениться физико-химическим свойствам металла от перегрева.

Технологически схема работы выглядит так:

насос высокого давления с помощью труб связан с форсункой, диаметр сопла которой находится в пределах 0.1-0.4 мм;
вода под высоким давлением (до 6500 bar), проходя через сопло разгоняется до скорости 1000—1200 м/с и поступает в смесительную камеру;
в эту же камеру из резервуара дозирующего устройства подается абразив (кварцевый или гранатовый песок определенной фракции);
рабочая смесь из воды и абразива проходит через смесительную трубку диаметром 0.6-1.2 мм на выходе рабочей головки, соприкасается с поверхностью металла и режет его.

Устройство станка

Крупноблочная типовая схема гидроабразивного станка имеет следующий вид:

корпус, состоящий из станины и защитных кожухов;
рабочий координатный стол с системой крепления заготовки;
резервуар с чистой водой;
насос высокого давления;
шланги и трубопроводы низкого/высокого давления для транспортировки воды;
емкость с абразивом и устройство его подачи в резервуар дозатора;
система дозировки абразива;
режущая головка (или блок из нескольких головок);
привод перемещения режущих головок;
система поддержки постоянной величины зазора между заготовкой и режущей головкой;
датчики, система контроля и управления станком;
емкость с водой для гашения энергии отработанной струи, сбора воды с абразивом и частичками металла.

В качестве обязательного условия надежной работы установки должна быть еще система водоподготовки с механической фильтрацией, обезжелезиванием и умягчением (удалением сульфатов, поглощением ионов кальция, магния и солей тяжелых металлов).

Особенности устройства основных узлов

В современных установках гидроабразивной резки применяют насосы высокого давления двух видов:

Классический роторный насос прямого привода. Способен обеспечить рабочее давление до 4130 bar, которое создается путем вращения электродвигателем коленчатого вала с тремя поршнями. Второе название — насос триплекс;
Насос-мультипликатор. Использует принцип гидравлического усиления давления в замкнутой системе, состоящей из поршня с большой площадью и плунжера с маленьким диаметром. Принцип действия заключается в том, что масло в опрессованной системе давит на поршень, который передает усилие плунжеру, контактирующему с водой. И если соотношение площадей сечения будет равно 20 к 1, то чтобы создать давление воды 4130 bar, надо обеспечить давление масла около 210 bar (с учетом потерь на трение о стенки поршня и плунжера). Этим видом насоса оснащено около 80% существующего парка станков с рабочим давлением 2700—6500 bar.

Контурный раскрой листового материала осуществляется режущей головкой. Но трёхосевого управления движением головки над координатным столом с заготовкой недостаточно.

Чтобы обеспечить высокое качество вертикальность стенки реза у заготовок с большой толщиной, надо компенсировать конусность струи. Кроме того, во многих случая требуется дополнительное создание кромочных фасок по внешней и внутренней грани плоскости реза, а также вырезку пазов и наклонных отверстий. Поэтому станки оснащают четырех- или пятиосевым приводом движения рабочей головки, работу которого можно разложить на две составляющие:

перемещение над координатным столом по осям X, Y, Z с помощью линейных двигателей;
вращение вокруг оси Z за счет прецизионного сервопривода — в одной плоскости для отработки вертикали и создания фаски, в двух плоскостях для обработки сложных поверхностей.

Минимальный угол поворота режущей головки у такого станка составляет ±45°, но есть модели установок с возможностью поворота даже в горизонтальную плоскость.

Если для гидрорезки (без использования абразива) режущая головка оканчивается соплом из драгоценного камня, то для гидроабразивной резки устройство этого узла более сложное, и состоит следующих элементов:

Сопло из сапфира, рубина или алмаза. Чтобы поток воды высокого давления сделать максимально узким и разогнать до сверхзвуковой скорости, используют тончайшее сопло с диаметром не более 0.4 мм (чем больше диаметр, тем больше необходимая мощность насоса для достижения «рабочей» скорости струи). Кромка сопла должна иметь идеальную поверхность с острым краем — любая мельчайшая неровность, дефект или закругленность края создает зону турбулентности, что заканчивается практически мгновенным выходом головки из строя. Вторая причина разрушения — отложение кальция или воздействие твердой частицы, содержащейся в струе воды. Поэтому так важна водоподготовка. При соблюдении всех обязательных условий надежной работы, ресурс сопла из сапфира или рубина находится в пределах 50-200 часов, а из алмаза — на порядок больше.
Смесительная камера. Работа основана на эффекте Вентури — при переходе потока жидкости с высокой скоростью из трубки большого диаметра через сопло, в камере за ним возникает зона разрежения с низким давлением. Абразив буквально всасывается в смесительную камеру, и вместе с потоком воды на большой скорости поступает в смесительную трубку.
Смесительная трубка. Это конечная деталь режущей гидроабразивной головки. Внутренний диаметр трубки лежит в пределах 0.4-1.8 мм, а ее длина — 30-150 мм. Чтобы выдерживать воздействие скоростной струи воды с абразивом, трубку изготавливают из композитного карбида с предельно малым содержанием вяжущего. На входе из камеры отверстие трубки сделано в виде конуса, поэтому износ носит концентрический характер от входа к выходу. Износ (увеличение диаметра) происходит со скоростью 0.003-0.004 мм/час.

Управление

Управление может осуществляться через интерфейс самого станка, либо путем загрузки в систему подготовленных файлов-заданий в виде чертежей и технологических параметров, подготовленных в формате любого графического редактора, совместимого с ПО станка (CAD. COREL-DRAW или подобных).

Оператор, используя сервис интерфейса, может задавать координаты начала и окончания движения, корректировать скорость резки и направление.

Задание передается в систему автоматизированного управления для выполнения операций.

После этого надо установить режущую головку в начальную точку и запустить станок в работу. ПО станка преобразует данные файла-задания в команды управления насосом, дозатором абразива и двигателями привода головки.

Обратная связь САУ считывает показания датчиков, корректирует подачу воды и скорость движения головки, следит за выполнением задачи, обеспечивает плановое или аварийное отключение станка.

Кроме того, у оператора есть возможность в любой момент остановить работу устройства, отключить насос и сбросить давление в системе.

Цена гидроабразивной резки

Есть как минимум пять компонентов, которые определяют высокую цену оборудования:

насос и система трубопроводов высокого давления;
высокоточные приводы управления движения головкой;
интеллектуальная система управления;
сопло из драгоценных камней (пусть и искусственного происхождения);
смесительная трубка из композита с высокой твердостью.

А если учесть, что последних два компонента относятся к расходным деталям и добавить высокую цену абразива, то стоимость гидроабразивного раскроя получится самой дорогой среди всех видов. Но достоинства этого способа и качество обработки детали стоят этого.

Достоинства гидроабразивной резки

Если сравнивать с термическими и механическими методами раскроя, то у оборудования для гидроабразивной резки длинный список достоинств:

отсутствие термического воздействия на металл и изменения его физико-химических свойств;
у кромки практически идеальная поверхность;
большая толщина обрабатываемой заготовки;
контур раскроя может иметь любую кривизну и сложность;
высокая точность соответствия чертежу и технологических параметров;
повторяемость размеров с минимальными отклонениями у всего комплекта деталей;
возможность пакетной и параллельной обработки нескольких деталей сразу;
экологическая чистота;
тонкий разрез уменьшает отходы, которые нельзя пустить во вторичную переработку;
взрывобезопасность.

И в заключение. Во многих технологических процессах гидроабразивная резка — это единственный способ высокоточной и чистой обработки металла, камня, стекла. И альтернативы у него нет.

Гидроабразивная резка: плюсы и минусы технологии

Гидроабразивная резка – пожалуй, самая перспективная технология раскроя материалов. В этой статье вы познакомитесь с историей станков, функционалом современных моделей, а также узнаете, почему российские компании выбирают гидрорез, а не лазерные установки.

История появления гидроабразивной технологии

Прототипы современных водоструйных машин появились в начале 19 века. Шахтеры из Советского Союза и Новой Зеландии использовали воду под давлением для вымывания рыхлой угольной породы. Чуть позднее такую же концепцию стали применять золотодобытчики в США во время золотой лихорадки. Водяным потоком они вычленяли драгоценный металл и направляли его вниз по специальным каналам. И хотя сегодня гидравлическая добыча полезных ископаемых не является основной функцией гидроабразивных установок, она знаменует собой начало серии изобретений, которые привели к тому, что теперь вода является эффективным режущим средством.

В 30-ых годах прошлого столетия гидроабразивная резка стала применяться для раскроя бумаги. Процесс осуществлялся чистой водой. А в 1935 году американец Элмо Смит разработал инновационную идею добавлять в водяную струю абразив, что в свою очередь повысило качество реза и позволило работать с твердыми материалами.

Первый гидроабразивный станок американской компании KMT

Конструкция гидроабразивного станка и принцип его работы

Современные станки для гидроабразивной резки состоят из 5 основных узлов: насосной станции, координатного стола, режущей головки, системы подачи абразива и стойки оператора. Конструкция станков у разных производителей может незначительно отличаться и обрастать дополнительным оборудованием, однако в целом «скелет» установки выглядит именно так.

Насос – это «сердце» системы. Он отвечает за нагнетание давления воды. По степени мощности насосные станции гидроабразивных станков подразделяются на две подгруппы: на 4000 bar и 6000 bar. В последние годы производители стали выпускать насосы и большей мощности, однако они целесообразны на сверхсложных работах и не востребованы в условиях большинства металло- или камнеобрабатывающих предприятий.

Насосные станции также подразделяются на две группы и по конструктиву. Они бывают мультипликаторного типа и прямого действия. Первый вид создает возвратно-поступательные движения плунжеров подачи воды путём давления масла на центральный (гидравлический) поршень. Двадцатикратная разница площадей гидравлического поршня и торца плунжера обеспечивает повышение давления в 20 раз. То есть, при подаче масла под давлением 200 атмосфер мы получаем давление воды в 4000 атмосфер (бар).

Насосные станции прямого действия представляют собой три поршня для нагнетания воды, движение которых осуществляется через коленчатый вал.

Далее по трубкам высокого давления вода направляется в режущую головку. Одним из ее элементов является смесительная камера. В ней происходит перемешивание жидкости с абразивным материалом. Полученная смесь поступает в фокусирующую трубку и со скоростью ≈1000 метров в секунду врезается в заготовку, которая лежит на координатном столе. Миллионы частиц абразива выступают в качестве переносчиков энергии и, ударяясь об изделие, отрывают от него микроскопические куски.

С добавлением абразива режущая способность воды возрастает в сотни раз, и она способна раскраивать почти любой материал. Наиболее оптимальным абразивом является гранатовый песок фракции 80 mesh. Предпочтение отдается аллювиальному (океаническому) месторождению. Такой песок обладает высокой твёрдостью, средним размером песчинок (0,25÷0,45 мм) и не забивает фокусирующую трубку.

Преимущества гидроабразивной резки перед лазерным станком

Гидроабразивная резка имеет ряд неоспоримых преимуществ перед лазерными или ленточнопильными станками.

В первую очередь – это возможность резать любые материалы. Лазер или пила существенно ограничивают направления деятельности предприятия, а гидроабразивный станок легко раскраивает металл (включая титан), камень, резину, стекло, кожу, бумагу. При этом практически нет ограничений и по толщине изделия. Гидроабразивная установка способна раскраивать каменную или металлическую заготовку в десятки сантиметров. Вопрос лишь во времени, которое потребуется струе воды, чтобы «пробить» сверхбольшие толщины.

Второй важнейший аспект гидроабразивной технологии – это отсутствие высоких температур. При обработке металла на лазерном или ленточнопильном станке кромка реза подвергается нагреву, в результате чего образуется наплавка. Для ее удаления необходимо произвести дополнительные операции, например, шлифовку. Это увеличивает и стоимость, и время изготовления детали. Водяная струя выступает в качестве режущего и одновременно охлаждающего инструмента. Поэтому из под гидроабразивного станка выходит практически готовое изделие.

Третьим по списку, но не по степени важности идет экономический аспект. Поскольку струя воды, выходящая из фокусирующей трубки, может иметь толщину человеческого волоса, у предприятия сокращаются затраты на лом. В процессе гидроабразивной резки минимизируется количество металлической стружки, а сами заготовки можно вырезать максимально близко друг к другу. Это позволяет экономить на материале.

Помимо многофункциональности и экономической целесообразности гидроабразив является экологически чистой технологией. Станки данного типа не выделяют в атмосферу вредных газов, поэтому они абсолютно безопасны для человека, животных, растений и окружающей среды.

Основные минусы гидроабразивной резки

К ключевым недостаткам технологии гидроабразивной резки относятся три основных пункта.

Конусность. При прохождении через толщу материала водяная струя ослабевает, в результате чего на выходе ширина отверстия становится меньше, чем на входе. Этот недостаток традиционно решается снижением скорости реза.
Ресурс трубок. В зависимости от давления и количества абразива срок службы сопла не превышает сотни часов непрерывной резки. К счастью, сопла выпускаются массово, и стоимость их не превышает нескольких тысяч рублей за единицу.
Скорость реза тонколистной стали. Гидроабразивная резка уступает по этому параметру лазерным установкам.

Крупнейшие производители гидроабразивных станков в мире

Лидерами на рынке производства гидроабразивных установок являются США и ряд европейских государств. К числу лидирующих предприятий можно отнести Flow, KMT, OMAX, BFT, PTV, Waterjet Sweden, Resato, Hypertherm, WSI и ряд других компаний. В последние годы в данную нишу активно прорывается и Китай. Наиболее известными разработчиками waterjet-технологий в данной стране являются Teen King и Yongda.

Стоимость гидроабразивных станков

Цена нового станка зависит от его комплектации: размера координатного стола, типа режущей головки и их количества, мощности насосной станции. Важную роль в ценообразовании играет и бренд оборудования. Наиболее дорогостоящими моделями станков являются «американцы». Их стоимость составляет от 12-15 млн рублей и более. Самые бюджетные установки выпускаются в Китае. Станок достойного качества из Поднебесной можно приобрести за 6-7 млн рублей.

Затраты на обслуживание гидроабразивного станка

Как и любое промышленное оборудование, гидроабразивный станок нуждается в техническом обслуживании. Основными «расходниками» в гидрорезке являются гранатовый песок, смесительные трубки, водяные сопла и ремонтные комплекты.

По состоянию на осень 2021 года цена 1 тонны качественного абразива из ЮАР или Китая составляет 42000-45000 рублей, из Австралии – 60000-70000 рублей. Срок эксплуатации смесительных трубок и водяных сопел исчисляется в моточасах. Принято считать, что рабочий ресурс 1 трубки (она служит порядка 80-100 часов) = 2 соплам.

Рентабельность работы и конкуренция на рынке гидроабразивной резки

Рентабельность гидроабразивной резки варьируется от региона к региону. На нее влияют цена электроэнергии, водоснабжения, ставка заработной платы оператора. В среднем маржа составляет 40%-60% от стоимости минуты реза, которая, как правило, варьируется на уровне 100-150 рублей и включает все производственные затраты.

Стоит отметить, что количество гидроабразивных установок в России в сотни раз меньше числа лазерных станков. Как следствие, конкуренция в данной нише существенно ниже. В городе-миллионнике на гидроабразивных станках работает не более 5-10 предприятий, при этом возможности применения такого оборудования безграничны.