Гидроабразивная резка

Содержание 

Введение…………………………………………………………………………...3

Краткая истории  и развитие установок………………………………………….4

Технология гидроабразивной  резки……………………………………………..7

Преимущества  метода…………………………………………………………...10

Заключение……………………………………………………………………….13

Список используемой литературы……………………………………………...14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Механическая обработка традиционных материалов классическими способами, как правило, многоступенчата, а поэтому продолжительна и недешева. Многие промышленные предприятия сегодня вынуждены расширять номенклатуру изделий и производить их малыми партиями. Для этого производственные мощности надо в короткие сроки переводить на новые виды продукции, создавать системы обработки новых материалов: при этом не всегда это возможно с технологической точки зрения, и экономичные затраты оправданы.

      Поэтому понятно желание предприятий, которые  пополняют свои производственные фонды  многофункциональными универсальными станками, позволяющими свести к минимуму количество операций, сократить время настройки на выпуск новой продукции и обрабатывать различные материалы. В связи с этим получили широкое распространение системы лазерной, плазменной и электроэрозионной резки, но и им присущ ряд недостатков и некоторая ограниченность в применении. В последние 2-3 года все больше набирает популярность технология гидроабразивной резки. Ее появление спровоцировано желанием получить дешевую, экологически безвредную технологию обработки материалов с максимальными возможностями по точности резания, толщине обрабатываемой заготовки, с возможностью обработки любого материала при минимальных энергозатратах.

      На  сегодня технология гидроабразивной  резки отвечает всем этим требованиям  и позволяет водой резать металл – титан, чугун, закаленные и легированные стали толщиной в сотни миллиметров, а также фольгу, бумагу, резину, пластик. 
 

      Краткая истории и развитие установок 
 

      Промышленное  применение машин для резки струёй воды со сверхвысоким давлением началось в начале семидесятых годов. Известно, что при давлении между 276 000 и 414 000 kPa струя воды с диаметром 0,12 мм могла всё отлично прорезать, начиная от картона до батончиков из мюсли. Чтобы развязать проблемы, связанные с материалами, разработано специальные станки для производственных линий, которые сначала резали ножами или механическими ножницами.

      Примеры раннего применения включают:

      • Картон

      • Материал, выстилаемый в пелёнки  разового употребления

      • Изолирующие материалы

      • Формы из пенной резины

      • Мягкие материалы на прокладки 

      • Ковровые покрытия, применяемые в автомобильной промышленности

      • Компоненты для создания обуви и  изделий из кожи

      Первые  системы для резки водой были дорогие и имели проблемы в  обслуживании. Однако альтернативы, такие  как ножи и механические ножницы  были ещё дороже и создавали больше проблем. В последствии, системы резки струёй воды быстро подошли как решение для резки трудных материалов. Дополнительно, кроме специальных систем для использования в производственных линиях, создано несколько специализированных предприятий для резки водой, только для того, чтобы они использовали эту технологию для выполнения порученных работ и всякого рода небольших заказов.

      Эти предприятия наиболее часто резали пенную резину, материалы для прокладок, и другие конкретных форм в создаваемых  изделиях, вывески на заказ и другие применения.

      Хотя  системы для резки водой были идеальным решением для резки  трудных, мягких материалов, хуже справлялись  с резкой технических материалов, таких как металлы и керамика. И тогда, в начале восьмидесятых, родилась система добавления абразивного материала в струю воды. Для стандартных машин резки водой под высоким давлением изобрели специальное сопло, которое не только создавало струю воды, но через засасывание оно также вводило в струю небольшое количество абразивного порошка. С помощью абразивных материалов, таких как : песок граната (абразив), можно использовать струю воды для обработки так трудных материалов как титан, инконел, стекло и керамика.

      Первые  установки, режущие струёй с абразивным материалом были дорогие в обслуживании и эксплуатации. Использовались только в специализированных производствах, таких как титановые плиты крыльев, для военных самолётов или вырезании специальных форм из стекла и керамики. Эти установки резали в воздушной среде. А обслуживающий работник видел струю, имея возможность вручную приспосабливать скорость хода, когда струя проходила вдоль дуг и острых углов. Однако эти системы были шумные и часто создавали тучу из опилок материала и абразивной пыли, покрывающую всё в мастерской. Это ограничивало применение первых систем режущих водой с абразивом только для специализированных предприятий, дающих работу высоко обученным операторам.

      В начале девяностых годов д-р Джон Ольсен, - пионер промышленности резки  водой, начал исследовать идею использования  резки струёй воды с абразивным материалом, как практическую альтернативу для традиционных предприятий обработки резкой. Целью было развитие системы резки струёй с абразивом, без всего этого шума, пыли и всей этой сложности, которая были мукой более ранних установок ограничивала их применение только на специализированных предприятиях.

      Новая установка должна была быть также  на только простой, но и чтобы можно  было её обслуживать без интенсивной  учёбы, или сноровки. Наконец, хотя это  самая, с уверенностью можно сказать, важная вещь, д-р Ольсен сказал себе, что создаст компьютеризируемую систему управления, которая бы исключила и упростила необходимость больших умений обслуживающего персонала и программирования резки методом испытаний и ошибок. Если бы такая машина могла дать возможность неквалифицированному оператору быстро и с первой попытки изготовить какую-то отдельную деталь в соответствии с точной документацией, то могла бы быть использованной тысячами маленьких предприятий, выполняющих небольшие заказы, а также предприятиями с малосерыйный производством изделий, или даже единичного производства напр. прототипов.

      Д-р  Ольсен связался с доктором Алексом  Слёцумом из Массачусецкого Института  Технологии, чтобы спроектировать механическую систему. Он пользовался результатами тестов резки и теоретической модели резки, оригинально разработанного научными работниками из Университета штата Роде Исланд, как гида в развитии уникальной системы управления.

      В результате, возникла система управления, основанная на персональном компьютере, соединённым с точным рабочим столом X-Y, на котором детали могут быть вырезаны под водой, чтобы удалить ненужный шум и пыль. Это была первая система резки водой с абразивным материалом, спроектированная специально для рынка предприятий механической обработки, занимающихся мелкосерийным производством.  
 
 
 
 
 
 

      Технология  гидроабразивной  резки 
 

      Технология  данной резки заключается в том, что вода разгоняет абразивные частицы (песок) до сверхзвуковых скоростей, а те в свою очередь рассекают обрабатываемый материал. Затем струя воды, начиненная абразивом, гасится водой, находящейся в ванной, расположенной на пути струи. Благодаря огромной энергии, которой обладает данная струя, появляется возможность резать материалы большой толщины (до 400 мм) и неоднородной структурой.

      Вода  также охлаждает зону резания, не дает материалу нагреваться выше 75-80 градусов и препятствует образованию пыли. Для резания материала используется сопло, формирующее водноабразивную струю толщиной 0,5-1.5 мм (регулируется диаметром сопла).

        
 
Затем гидроабразивная струя, управляемая, как правило, ЧПУ, повторяет контур желаемой детали с заданной скоростью. От скорости подачи зависит чистота получаемого реза (вплоть до шлифованной поверхности реза). Скорость гидроабразивной струи такова, что пористые материалы (войлок, бумага, ткань) не намокают, а тонкие материалы (фольга, резина и пр.) режутся, не заминаясь.

      На  сегодня самая востребованная комплектация установки гидроабразивной резки – портальный координатный стол с системой ЧПУ. Размеры рабочей поверхности производители предлагают от 1х1 м, до 6х15 м. Координатный стол комплектуется насосом высокого давления мощностью 19-90 кВт, развивающим давление воды до 4300 атмосфер. Наиболее универсальные установки имеют стол с рабочей поверхностью 2х3-6 метра и насос мощностью 37 кВт. Расход воды у таких установок около 3.5 литра в минуту. Расход абразива в среднем 0,22 кг в минуту. Толщина разрезаемого материала до 300 мм.

        
 
Скорости резки составляют в среднем: – Алюминий 10 мм – 1-1,2 м/мин. – Титан 10 мм – 0,4-0,65 м/мин. – Титан 300 мм – 0,005 м/мин. – Сталь 10 мм – 0,3-0,45 м/мин. – Медь 10 мм – 0,35-0,5 м/мин. – Мрамор 10 мм – 2-2,5 м/мин.

      Стоимость прямых затрат эксплуатации такой установки, приведенная к одной минуте машинного времени, составляет 5-7 рублей.

        
 
Также технология гидроабразивной резки характеризуется экологической чистотой и пожаро-взрывобезопасностью. В работе используется только вода, электричество и абразив (песок). После резки песок накапливается в ванне «ловушке», а вода из нее сливается в канализацию.

      На  сегодня производителями предлагаются установки гидроабразивной резки, укомплектованные системами, которые  позволяют снимать фаску как на прямых резах, так и на радиусах, проводить резку в пяти координатах. Предлагаются установки в мобильном варианте для демонтажа строительных конструкций. Возможно использование гидроабразивной технологии в качестве гидропескоструя высокого давления. Все отрасли промышленности, где можно применить гидроабразивную технологию, пока неизвестны даже разработчикам.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Преимущества  метода 

      Данный  метод обладает следующими преимуществами:

1. Отсутствие зоны термического или физико-механического влияния.

      При использовании данной технологии не образуется зона термовлияния. Это  особенно важно при обработке  чувствительных к нагреву материалов. Заготовка не деформируется из-за термического воздействия или из-за механического воздействия, поскольку сила воздействия также мала (1 - 100H). Кромки среза не требуют дополнительной обработки. Т.к. область термовлияния на кромках обработанных деталей отсутствует, гидроабразивная резка позволяет вырезать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности реза и достаточно высокой производительностью.

             2. Отсутствие термического или физико-механического изменения свойств материала позволяет обрабатывать материалы пакетами - в отличие от использования других технологий, не происходит приваривания, прилипания одного слоя к другому.

      Для сэндвич - материала, технология резки  водой часто является единственным решением.

      3. Технология гидроабразивной резки в отличие от лазерной или плазменной, позволяет резать любые материалы на одной установке. Она эффективна при обработке таких материалов, как титановые сплавы, различные виды высокопрочных керамик, композитные материалы. В отличие от лазерной или плазменной резки, гидроабразивная струя эффективно режет алюминий, медь большой толщины. Гидроабразивная струя имеет толщину около 1 мм.  и позволяет резать изделия любой формы и сложности, с любым радиусом закругления. Кроме того, может делать скосы. Можно вырезать довольно мелкие детали, поскольку толщина реза от 1,2 мм. Только гидроабразивная резка позволяет вырезать из любого материала, изделия любой формы с высокой степенью точности.

      4. Используя технологию гидроабразивной резки, можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 1,5 мкм, т. е. во многих случаях отпадает необходимость в дополнительной обработке. Также огромное значение имеет скорость резки. Чем ниже скорость, тем выше качество.

      Преимущества  оборудования гидроабразивной резки.

      1.      Инструмент резки не нуждается  в заточке.

      2.      Отсутствует ответная реакция  на режущий инструмент, так как  между изделием и инструментом  нет прямого контакта. Низкое  тангенциальное усилие на деталь  позволяет в ряде случаев отказаться от зажима этой детали.

      3.      При гидроабразивной резке тепло  практически не выделяется, благодаря  чему процесс взрыво-пожаробезопасен.  Это позволяет резать взрывчатые  вещества, нефте-газосодержащие емкости  и трубопроводы и так далее.  Отсутствует опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц.

      Традиционная  проблема гидроабразивной резки  заключается в том, что струя, проходя сквозь материал, теряет силу, в результате чего на выходе она  получается тоньше, чем на входе. Таким  образом, кромка среза получается неперпендикулярной поверхности заготовки и одновременно при резе происходит отставание реза нижней кромки от верхней . Ранее, устранить эту проблему, можно было, лишь замедляя скорость резки. Сегодня система компенсации  ±7º, компенсируют уклон струи и позволяют забыть данную проблему. Данная система позволила не только компенсировать уклон струи, но и увеличить скорости реза, не теряя в качестве.  

      Гидроабразивная резка:

      - резка стекла: стекло - один из  наиболее интересных материалов для применения гидроабразивной резки. Даже при хорошо известных трудностях, из-за хрупкости материала, гидроабразивная резка позволяет создавать немыслимые формы и контуры. Эта технология применяется в области мебельных компонентов, т.к. она позволяет вырезать даже очень сложные контуры. Применение, в котором гидроабразивная резка является абсолютным лидером, это резка специального стекла, как например, многослойного армированного стекла толщиной до 40 мм.

      - резка металла: гидроабразивная  резка предлагает огромное преимущество, заключающееся в том, что она не изменяет материал термически вблизи пропила; никакие другие инновационные технологии такого уровня, как лазерная резка, не имеют этого свойства.

      - резка камня: (резка гранита и  мрамора), резка стекла и резка плитки. В этой области водоструйная резка часто используется для производства сложных контуров из плоских плит. Благодаря очень узкому пропилу, можно создавать инкрустации для производства декоративных и отделочных материалов. Прежде всего, промышленным способом можно производить то, что раньше могло быть сделано только при помощи техники оператора.

      резка композитных материалов: гидроабразивная  резка не создает разрывов в структуре  материала, который, таким образом, сохраняет свои свойства. Так что сейчас, водоструйная резка - это единственно возможное решение для резания некоторых из этих материалов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Заключение 

      Гидроабразивная резка - альтернатива не только механической, но и лазерной, плазменной, электроискровой  и кислородной резки, а при необходимости обработки материалов не терпящих температурного воздействия, является единственно возможной. Струя воды не создает прямого давления на поверхность материала. Механическое воздействие происходит лишь на микроскопическом уровне. Таким образом, несмотря на большую кинетическую энергию струи воды, отсутствует какая-либо деформация материала и высокоточная резка выполняется без появления неровностей кромки.

      Применяя  технологию резки водой, Вы сможете  произвести качественно новые товары и услуги. А это, в частности:

      1. изготовление художественных мраморных и гранитных панно для отделки интерьеров и фасадов зданий состоящие из сложных элементов различных оттенков и формы, в том числе флорентийские полы;

      2. логотипы фирм, рекламная продукция из нетрадиционных на сегодня материалов (гранит, мрамор);

      3. быстрый и качественный раскрой и изготовление несерийных изделий из резины и линолеума;

      4. резка толстого стекла (10:20мм) для изготовления мебели;

      5. изготовление изделий из натурального гранита, мрамора, стекла, алюминия;

      Технология  гидроабразивной резки позволяет  отказаться от традиционных трудоемких и экономически малоэффективных  методов. Станки гидроабразивной резки  универсальны, так как могут обрабатывать различные материалы (стекла, камень, металл и др.) на одном станке без перенастройки. Применение станков гидроабразивной резки с ЧПУ позволяет сократить количество операций по изготовлению продукции, а в некоторых случаях получать сразу готовую продукцию.

      Список  используемой литературы 

      1. Журнал «Современное машиностроение», 2009г. №1

      2. Журнал «Тяжелое машиностроение», 2008г. №3

      3. http://www.teplor.net

      4. http://www.untek.ru/tehnolog.html

      5. http://www.vodorezka.ru