Гидроабразивная разделительная резка

Непрерывное расширение номенклатуры конструкционных металлических, неметаллических и композитных материалов в промышленности и строительстве обуславливает необходимость создания принципиально новых технологий разделительной резки и обработки таких материалов. Сегодня к таким технологиям по праву может быть отнесен процесс резки высокоскоростной струей воды под большим давлением (гидрорезка и гидроабразивная резка).

Гидроабразивная резка является интересной технологической альтернативой традиционным методам разделительной резки - газокислородной (автогенной), плазменно-дуговой и лазерной резки. Гидроабразивная резка струей воды высокого давления с добавкой мелкого абразивного порошка имеет ряд принципиальных отличий, которые обеспечивают высокую универсальность процесса и значительно расширяют области ее рационального применения: материал, прилегающий к зоне реза, не подвергается перегреву выше 100 °С и структурным изменениям, не возникают термические деформации заготовок; одним и тем же оборудованием могут быть разрезаны или обработаны любые материалы с высокой прочностью и отличными физико-химическими свойствами (стали, сплавы цветных металлов, керамика, стекло, мрамор, железобетон и др.), что определяет универсальность процесса; процесс отличается высокой экологической чистотой (исключая шумовое воздействие), полной пожаро- и взрывобезопасностью.

В комплект оборудования для гидроабразивной резки обычно входят фильтр и промежуточный резервуар для воды, насос высокого давления (100-400 МПа), блок режущей головки (смеситель-сопло), устройство для подачи абразива, гибкий шланг длиной до 100 м от насоса до блока режущей головки, рассчитанный на высокое давление, механизм перемещения головки и устройство, управляющее (программирующее) процессом резки.

При гидроабразивной резке вода служит в первую очередь для транспортировки абразивных частиц, которые являются своеобразным режущим средством. Водяная суспензия с абразивом подается из специальной емкости в смесительную камеру режущей головки и затем вместе с напорной струей через сопло к месту резки. Основным элементом сопла, формирующего высокоскоростную водоабразивную струю заданного диаметра, является вставка из высокопрочного материала (керамика, сверхтвердые сплавы).

Ниже приведены значения производительности резки различных материалов в см2/мин для процесса гидроабразивной резки при давлении режущей струи 200-300 МПа, расходе воды 4,4 л/мин и абразива 0,3-0,7 кг/мин (скорость реза зависит от толщины обрабатываемого материала): Алюминий...20-50, Свинец...80-120, Медь...15-30, Титан... 10-25, Стекло....100-200, Оргстекло....120-300, Армированная пластмасса... 120-300, Керамика...100-200, Природный гранит...50-150

Физическая суть механизма гидроабразивной резки состоит в отрыве и уносе из полости реза частиц основного (разрезаемого) материала скоростным потоком ударяющихся и скользящих по поверхности реза твердофазных частиц. Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10-30% диаметра режущей струи. В качестве абразива обычно используют порошки твердосплавных сплавов, карбидов, окислов. Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и сплавов титана применяют особо твердые частицы граната, для стекла - соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных стекло- или углеродными волокнами, - частицы силикатного шлака. Благодаря особенностям процесса гидроабразивной резки обеспечивается очень малая ширина реза и незначительное количество материала, идущего в отходы, а также высокое качество поверхности реза, приближающееся к качеству грубого фрезерования.

Номенклатура материалов, для резки и обработки которых применима современная технология гидроабразивной резки, почти не ограничена. Эффективность гидроабразивной резки различных классов легированных сталей и сплавов значительно выше в сравнении с процессами лазерной и плазменной резки и практически сопоставима с газокислородной резкой низкоуглеродистых конструкционных сталей. Гидроабразивная струя успешно режет стали с упрочняющими покрытиями; при резке мягких металлов и композитов иногда требуется последующая очистка поверхности реза от застрявших частиц абразива.

Кроме резки, применение высоконапорных гидроабразивных струй в отдельных случаях целесообразно для снятия фасок на крупных машиностроительных деталях, для подготовки кромок под сварку и удаления дефектных участков швов под их последующую заварку. Прогрессивная технология гидроабразивной резки имеет несомненную перспективу применения в современном заготовительном и металлообрабатывающем производствах. Учитывая определенную сложность оборудования для гидроабразивной резки и условий его эксплуатации, данная технология в настоящее время получает растущее применение в основном, в таких отраслях, как авиастроение, судостроение, специальное машиностроение и производство листового стекла. Одновременно на базе данной технологии создают специализированные предприятия - своеобразные "центрорезы". Так, в конце 1999 г. в Ризе (Германия) открыт центр гидроабразивной резки, который обеспечивает выполнение заказов близлежащих предприятий на резку и вырезку заготовок из самых различных материалов. Центр оснащен двумя двухкоординатными установками ABB1-R для гидроабразивной резки фирмы "Natezjet System AB". Установки имеют рабочий стол размером 3x4 м и обеспечены компьютерным управлением профильной резки. Без абразива (водоструйная резка) производят резку таких мягких материалов, как пластмассовая пленка, кожа и текстильные ткани. С присадкой абразивов вырезают заготовки из твердых и хрупких материалов типа высоколегированных сталей, алюминия, керамики и стекла.

В.Н. Вернадский, канд. техн. наук, ИЭС им. Е. 0. Патона НАН Украины