Резать водой
http://www.vodorezka.ru/rezat_vodoy.html
Сергей Заякин
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 сверхзвукой 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:
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 90ш.
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):
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-+90oС) 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.
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 1,0-3,0 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.
Таблица. Скорость водоструйной резки, м/мин
| Толщина материала, мм |
5 | 10 | 20 | 50 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|
| Мрамор | 4,5-6,0 | 2,0-2,7 | 0,9-1,2 | 0,3-0,45 | 0,1-0,15 |
| Гранит | 3,2-4,0 | 1,5-1,8 | 0,7-0,8 | 0,2-0,3 | 0,06-0,1 |
| Стекло | 5,8-6,5 | 2,5-3,0 | 1,1-1,4 | 0,35-0,5 | 0,1-0,16 |
| Алюминий | 2,1-2,8 | 1,0-1,2 | 0,4-0,5 | 0,12-0,2 | 0,04-0,07 |
| Титан | 1,0-1,3 | 0,5-0,6 | 0,2-0,3 | 0,07-0,1 | 0,01-0,03 |
| Нержавеющая сталь | 0,7-1,2 | 0,3-0,5 | 0,12-0,22 | 0,04-0,07 | 0,01-0,25 |
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, применяемые 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.
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.
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 (источник: Латыпов Р. Р., Терегулов Н. Г., Харлов А. И. Некоторые сведения о гидрорезании материалов - Труды Уфимского ГАТУ, 1999):
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 AB, итальянской Waterjet Corporation, чеoСкой PTV, а также таких известных в мире производителей оборудования для обработки листа, как швейцарского концерна Bystronic, германской компании 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 Schneidsysteme (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 AB, 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 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 осуществлять резку разных типов:
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 AB. В качестве сопла фирма Water Jet применяет собственную запатентованную режущую головку, возможно и применение сопла Avtoline фирмы Ingersoll Rand. В настоящее время наибольшим спросом в механическом секторе пользуется установка NC 3015S с используемой поверхностью стола 3010 х 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 притупленного 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-400/3М 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 NC 3015S 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.