Технология гидроабразивной резки

Если обычную воду сжать под давлением около 4000 атмосфер, а затем пропустить через отверстие диаметром меньше 1 мм, то она потечет со скоростью, превышающей скорость звука в 3–4 раза. Будучи направленной на обрабатываемое изделие, такая струя воды становится режущим инструментом. С добавлением частиц абразива ее режущая способность возрастает в сотни раз, и она способна разрезать почти любой материал.

Технология гидроабразивной резки основана на принципе эрозионного (истирающего) воздействия абразива и водяной струи. Их высокоскоростные твердофазные частицы выступают в качестве переносчиков энергии и, ударяясь о частицы изделия, отрывают и удаляют последние из полости реза. Скорость эрозии зависит от кинетической энергии воздействующих частиц, их массы, твердости, формы и угла удара, а также от механических свойств обрабатываемого материала.

Вода, нагнетаемая насосом до сверхвысокого давления порядка 1000–6000 атмосфер, подается в режущую головку. Вырываясь через узкое сопло обычно диаметром 0,08–0,5 мм со скоростью до 900–1200 м/c и выше, струя воды поступает в смесительную камеру, где начинает смешиваться с частицами абразива – гранатовым песком, зернами электрокорунда, карбида кремния или другого высокотвердого материала (рис.143). Смешанная струя выходит из смесительной (смешивающей) трубки с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм и разрезает материал. В некоторых моделях режущих головок абразив подается в смесительную трубку. Для гашения остаточной энергии струи используется слой воды толщиной, как правило, 70–100 сантиметров.

Гидравлическая жидкость, прежде чем попасть в напорную магистраль, расположенную по нормали к камере высокого давления, проходит систему клапанов. Постепенно насос создает высокое давление в объеме напорной магистрали, выход из которой закрывается торцом гидроцилиндра. Гидроцилиндр (исполнительная часть) начинает давить на поршень, соединенный с камерой высокого давления, жидкость в которую подается из резервуара. Когда заканчивается свободный ход гидроцилиндра первый канал закрывается клапаном, чтобы в дальнейшем исполнять роль инициатора следующего цикла накачки. Параллельно открывается второй канал, гидравлическая жидкость из которого продолжает наращивать давление в напорной магистрали. Содержимое промежуточной камеры под гидроцилиндром продолжает сжиматься, оказывая через поршень все большее воздействие на камеру высокого давления.

По мере достижения определенного давления напорная магистраль за счет опускания гидроцилиндра соединяется с верхней частью этого клапана, заставляя его переключаться в положение изоляции камеры высокого давления. Промежуточная камера соединяется с самым первым каналом, за счет которого происходило начальное наполнение напорной магистрали. В результате, гидроцилиндр и поршень поднимаются вверх, после чего верхняя секция триггерного клапана временно изолируется, а затем снова соединяется с промежуточной камерой. Давление в ней сбрасывается, соответственно жидкость в камере высокого давления начинает давить на триггерный клапан и, он мгновенно переключается в исходное положение.

Цикл повторяется до тех пор, пока в напорной магистрали не создается необходимое давление, вычисляемое, как отношение рабочих площадей гидроцилиндра и поршня. Если же процесс накачки нарушается, триггер под действием разности давлений автоматически сбрасывается в исходное положение и цикл начинается сначала. Давление в магистрали может быть сброшено и в ручном режиме, посредством ее подключения к резервуару и одновременного переключения канала накачки с источника гидравлической жидкости на этот же резервуар.

Когда давление достигает необходимого уровня, открывается выходной клапан, и жидкость выходит через сопло, диаметром всего 500 микрон. Мультипликаторный насос опционально соединяется с резервуаром абразивного материала, в качестве которого выступает гранатный песок. Этот природный материал обладает твердостью, уступающей лишь алмазу и корундам. Абразив обычно диспергируется до размера 0,4 мм. В конечном счете, смесь выходит через сопло с диаметром 1 мм и скоростью в 3-4 скорости звука.

При гидрорезке (без абразива) схема упрощена: вода под давлением вырывается через сопло и направляется на разрезаемое изделие.

При гидроабразивной резке разрушительная способность струи создается в гораздо большей степени за счет абразива, а вода выполняет преимущественно транспортную функцию. Размер абразивных частиц подбирается равным 10–30% диаметра режущей струи для обеспечения ее эффективного воздействия и стабильного истечения. Обычно размер зерен составляет 0,15–0,25 мм, а в ряде случаев – порядка 0,075–0,1 мм, если необходимо получение поверхности реза с низкой шероховатостью.

Сопла обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза. Срок службы сапфировых и рубиновых сопел составляет до 100–200 часов, алмазных сопел – до 1000–2000 часов. При гидрорезке не применяются рубиновые сопла, а сапфировые обычно служат в 2 раза дольше. Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов. Срок службы – как правило, до 150–200 часов.

Выбор абразива зависит от вида и твердости обрабатываемого изделия, а также следует учитывать, что более твердый абразив быстрее изнашивает узлы режущей головки.

Таблица - Типичная область применения абразивных материалов при резке