Гидроабразивная резка может быть более простым методом обработки, но она оснащена мощным перфоратором и требует от оператора постоянного контроля износа и точности обработки многочисленных деталей.
Простейший метод гидроабразивной резки — это резка материалов струей воды под высоким давлением. Эта технология обычно дополняет другие методы обработки, такие как фрезерование, лазерная, электроэрозионная и плазменная обработка. При гидроабразивной резке не образуются вредные вещества и пар, а также не возникает зона термического влияния и механических напряжений. Струи воды позволяют резать сверхтонкие детали из камня, стекла и металла, быстро сверлить отверстия в титане, резать продукты питания и даже уничтожать патогены в напитках и соусах.
Все гидроабразивные станки оснащены насосом, который может создавать давление воды для подачи её в режущую головку, где она преобразуется в сверхзвуковой поток. Существует два основных типа насосов: насосы с прямым приводом и насосы с усилителем.
Функция насоса с прямым приводом аналогична функции очистителя высокого давления: трёхцилиндровый насос приводит в движение три плунжера напрямую от электродвигателя. Максимальное постоянное рабочее давление на 10–25% ниже, чем у аналогичных подкачивающих насосов, но всё же находится в пределах от 20 000 до 50 000 фунтов на кв. дюйм.
Насосы с усилителем давления составляют большинство насосов сверхвысокого давления (то есть насосов с давлением более 30 000 фунтов на кв. дюйм). Эти насосы содержат два гидравлических контура: один для воды, а другой для гидравлики. Входной фильтр для воды сначала проходит через фильтр с фильтрующим элементом 1 мкм, а затем через фильтр с фильтрующим элементом 0,45 мкм для всасывания обычной водопроводной воды. Эта вода поступает в подкачивающий насос. Перед поступлением в подкачивающий насос давление в подкачивающем насосе поддерживается на уровне около 90 фунтов на кв. дюйм. Здесь давление повышается до 60 000 фунтов на кв. дюйм. Прежде чем вода наконец покидает насосный агрегат и по трубопроводу попадает в режущую головку, она проходит через амортизатор. Устройство подавляет колебания давления, обеспечивая стабильность и устраняя пульсации, оставляющие следы на заготовке.
В гидравлическом контуре электродвигатель, расположенный между электродвигателями, забирает масло из масляного бака и нагнетает в него давление. Масло под давлением поступает в коллектор, а клапан коллектора попеременно впрыскивает гидравлическое масло по обе стороны узла «бисквит-плунжер», обеспечивая ход усилителя. Поскольку площадь поверхности плунжера меньше площади поверхности «бисквита», давление масла «усиливает» давление воды.
Бустер представляет собой поршневой насос, что означает, что узел плунжера и вала подает воду под высоким давлением с одной стороны бустера, в то время как вода низкого давления заполняет другую сторону. Рециркуляция также позволяет гидравлическому маслу охлаждаться при его возврате в бак. Обратный клапан обеспечивает движение воды низкого и высокого давления только в одном направлении. Цилиндры высокого давления и торцевые крышки, охватывающие плунжер и фланец, должны соответствовать особым требованиям, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие в процессе работы, и постоянные циклы изменения давления. Вся система спроектирована таким образом, чтобы постепенно выходить из строя, а утечки стекали через специальные «сливные отверстия», которые оператор может контролировать для более точного планирования регулярного технического обслуживания.
Специальная труба высокого давления транспортирует воду к режущей головке. Труба также может обеспечивать свободу движения режущей головки, в зависимости от размера трубы. Нержавеющая сталь является предпочтительным материалом для этих труб, и существует три распространенных размера. Стальные трубы диаметром 1/4 дюйма достаточно гибкие для подключения к спортивному инвентарю, но не рекомендуются для транспортировки воды под высоким давлением на большие расстояния. Поскольку эта труба легко гнется, даже в рулон, длина от 10 до 20 футов может обеспечить перемещение по осям X, Y и Z. Более крупные трубы диаметром 3/8 дюйма обычно транспортируют воду от насоса к нижней части движущегося оборудования. Хотя ее можно сгибать, она, как правило, не подходит для оборудования перемещения трубопровода. Самая большая труба размером 9/16 дюйма лучше всего подходит для транспортировки воды под высоким давлением на большие расстояния. Больший диаметр помогает снизить потерю давления. Трубы такого размера хорошо совместимы с большими насосами, поскольку большой объём воды под высоким давлением также повышает риск потери давления. Однако трубы такого размера нельзя сгибать, поэтому на углах необходимо установить фитинги.
Станок для резки чистой струей воды является одним из первых в мире, и его история восходит к началу 1970-х годов. По сравнению с контактом или вдыханием материалов, они выделяют меньше воды на материал, поэтому подходят для производства таких изделий, как автомобильные салоны и одноразовые подгузники. Струя жидкости очень жидкая – диаметром от 0,004 до 0,010 дюйма – и обеспечивает чрезвычайно точную геометрию с минимальными потерями материала. Усилие резки крайне низкое, а крепление обычно простое. Эти станки оптимально подходят для круглосуточной работы.
При выборе режущей головки для гидроабразивной установки важно помнить, что скорость потока определяется микроскопическими фрагментами или частицами материала, а не давлением. Для достижения такой высокой скорости вода под давлением поступает через небольшое отверстие в драгоценном камне (обычно сапфире, рубине или алмазе), закреплённом на конце сопла. Для обычной резки используется отверстие диаметром от 0,004 до 0,010 дюйма (0,004–0,010 дюйма), в то время как для специальных применений (например, для набрызгивания бетона) могут использоваться отверстия диаметром до 0,10 дюйма (0,10 дюйма). При давлении 40 000 фунтов на квадратный дюйм (40 000 фунтов на квадратный дюйм) поток из отверстия движется со скоростью около 2 Маха, а при 60 000 фунтов на квадратный дюйм (60 000 фунтов на квадратный дюйм) — более 3 Маха.
Разные ювелиры обладают разным опытом в гидроабразивной резке. Сапфир — наиболее распространённый материал общего назначения. Срок его службы составляет примерно от 50 до 100 часов, хотя применение абразивной гидроабразивной резки сокращает этот срок вдвое. Рубины не подходят для гидроабразивной резки, но создаваемый ими поток воды очень подходит для абразивной резки. При абразивной резке время резки рубинов составляет от 50 до 100 часов. Алмазы значительно дороже сапфиров и рубинов, но время их резки составляет от 800 до 2000 часов. Это делает алмаз особенно подходящим для круглосуточной работы. В некоторых случаях отверстие алмаза можно очищать ультразвуком и использовать повторно.
В гидроабразивных станках для резки материал удаляется не потоком воды, а, наоборот, потоком, который разгоняет абразивные частицы, вызывая коррозию материала. Эти станки в тысячи раз мощнее станков гидроабразивной резки и способны резать твердые материалы, такие как металл, камень, композитные материалы и керамика.
Диаметр абразивной струи больше диаметра струи чистой воды, от 0,020 до 0,050 дюйма. Они способны резать пакеты и материалы толщиной до 10 дюймов, не создавая зон термического воздействия или механических напряжений. Несмотря на повышение прочности, режущее усилие абразивной струи по-прежнему составляет менее одного фунта. Практически все операции по абразивной струе выполняются с использованием струйного устройства, которое можно легко переключить с использования одной головки на использование нескольких головок, и даже абразивную струю воды можно преобразовать в струю чистой воды.
Абразивный материал — это твёрдый, специально подобранный и просеянный песок, обычно гранатовый. Для разных задач подходят различные размеры зерен. Гладкую поверхность можно получить с помощью абразива зернистостью 120, в то время как абразивы зернистостью 80 более подходят для общего применения. Абразив зернистостью 50 обеспечивает более высокую скорость резки, но поверхность получается немного шероховатой.
Хотя гидроабразивные станки проще в эксплуатации, чем многие другие, смесительная трубка требует внимания оператора. Потенциал ускорения этой трубки сравним с винтовочным стволом, поскольку она имеет разные размеры и срок службы. Долговечная смесительная трубка — революционное новшество в области гидроабразивной резки, но трубка по-прежнему очень хрупкая: при контакте режущей головки с приспособлением, тяжёлым предметом или обрабатываемым материалом трубка может сломаться. Повреждённые трубки не подлежат ремонту, поэтому для снижения затрат необходимо минимизировать количество замен. Современные станки обычно оснащены функцией автоматического обнаружения столкновений, предотвращающей столкновения со смесительной трубкой.
Расстояние между смесительной трубкой и обрабатываемым материалом обычно составляет от 0,010 до 0,200 дюйма (0,010–0,200 дюйма), но оператору следует помнить, что расстояние более 0,080 дюйма (0,080 дюйма) приведёт к образованию инея на верхней части резаемой кромки детали. Подводная резка и другие методы позволяют уменьшить или полностью устранить это образование инея.
Изначально смесительная трубка изготавливалась из карбида вольфрама и имела срок службы всего от четырёх до шести часов резки. Современные недорогие композитные трубы могут достигать срока службы от 35 до 60 часов и рекомендуются для черновой резки или обучения новых операторов. Срок службы композитной трубы из цементированного карбида увеличивается до 80–90 часов резки. Высококачественная композитная труба из цементированного карбида имеет срок службы от 100 до 150 часов резки, подходит для точной и ежедневной работы и демонстрирует наиболее предсказуемый концентрический износ.
Помимо обеспечения движения, станки для гидроабразивной резки также должны включать в себя способ закрепления заготовки и систему сбора и удаления воды и мусора, образующихся в процессе обработки.
Стационарные и одномерные машины являются простейшими гидроабразивными станками. Стационарные гидроабразивные станки обычно используются в аэрокосмической промышленности для резки композитных материалов. Оператор подает материал в ручей, как ленточная пила, в то время как улавливатель собирает ручей и мусор. Большинство стационарных гидроабразивных станков являются чисто гидроабразивными, но не все. Продольно-резательный станок является разновидностью стационарного станка, в котором такие продукты, как бумага, подаются через машину, и струя воды разрезает продукт на определенную ширину. Поперечно-резательный станок — это станок, движущийся вдоль оси. Они часто работают с продольно-резательными станками для создания сетчатых узоров на продуктах, таких как торговые автоматы, например, для пирожных. Продольно-резательный станок режет продукт на определенную ширину, в то время как поперечно-резательный станок поперечно режет продукт, подаваемый под ним.
Операторам не следует вручную использовать этот тип гидроабразивной резки. Поддерживать заданную и постоянную скорость перемещения разрезаемого объекта сложно, и это крайне опасно. Многие производители даже не указывают характеристики аппаратов с такими настройками.
XY-стол, также называемый станком для горизонтальной резки, является наиболее распространённым станком для двухмерной гидроабразивной резки. Струи чистой воды режут прокладки, пластик, резину и пенопласт, а абразивные модели – металлы, композиты, стекло, камень и керамику. Размер рабочего стола может быть от 2 × 4 футов (0,6 × 1,2 м) до 30 × 100 футов (0,9 × 30 м). Обычно управление этими станками осуществляется с помощью ЧПУ или ПК. Серводвигатели, как правило, с обратной связью, обеспечивают стабильность положения и скорости. Базовый блок включает линейные направляющие, корпуса подшипников и шарико-винтовые приводы, мостовой блок также включает эти технологии, а сборный резервуар включает в себя поддержку материала.
Верстаки XY обычно выпускаются двух типов: портальный верстак с рельсовым механизмом, оснащенный двумя направляющими и мостом, а консольный верстак — основанием и жестким мостом. Оба типа станков оснащены регулировкой высоты головки. Регулировка по оси Z может осуществляться с помощью ручного привода, электрического винта или полностью программируемого сервовинта.
Поддон на верстаке XY обычно представляет собой резервуар с водой, оснащенный решетками или планками для поддержки заготовки. В процессе резки эти опоры медленно расходуются. Очистка ловушки может осуществляться автоматически, отходы складируются в контейнере, или вручную, и оператор регулярно очищает бак.
По мере увеличения доли изделий с практически гладкими поверхностями, для современной гидроабразивной резки становится необходимым использование пятикоординатной (или более) обработки. К счастью, лёгкая режущая головка и низкая сила отдачи при резке предоставляют инженерам-конструкторам свободу, которой лишено фрезерование с высокой нагрузкой. Изначально для пятикоординатной гидроабразивной резки использовалась система шаблонов, но вскоре пользователи перешли на программируемую пятикоординатную обработку, чтобы избавиться от стоимости шаблонов.
Однако даже при использовании специального программного обеспечения 3D-резка сложнее, чем 2D-резка. Композитная хвостовая часть Boeing 777 является ярким примером. Сначала оператор загружает программу и программирует гибкий шест «погостик». Мостовой кран транспортирует материал деталей, пружинный стержень откручивается на нужную высоту, и детали фиксируются. Специальная нережущая ось Z использует контактный датчик для точного позиционирования детали в пространстве и контрольные точки для получения правильной высоты и направления детали. После этого программа перенаправляется в фактическое положение детали; датчик втягивается, чтобы освободить место для оси Z режущей головки; программа запускается для управления всеми пятью осями, чтобы удерживать режущую головку перпендикулярно разрезаемой поверхности и работать так, как требуется Движение с точной скоростью.
Для резки композитных материалов или любого металла толщиной более 0,05 дюйма требуются абразивы, а это значит, что необходимо предотвратить порез эжектором пружинного стержня и станины инструмента после резки. Специальный точечный захват — лучший способ добиться пятикоординатной гидроабразивной резки. Испытания показали, что эта технология может остановить 50-сильный реактивный самолет на глубине менее 6 дюймов. С-образная рама соединяет улавливатель с запястьем оси Z для правильного захвата шарика, когда головка обрабатывает всю окружность детали. Точечный улавливатель также останавливает абразивный износ и потребляет стальные шарики со скоростью примерно от 0,5 до 1 фунта в час. В этой системе струя останавливается за счет рассеивания кинетической энергии: после того, как струя попадает в ловушку, она сталкивается с удерживаемым стальным шариком, и стальной шарик вращается, поглощая энергию струи. Даже в горизонтальном положении и (в некоторых случаях) вверх дном, точечный улавливатель может работать.
Не все пятикоординатные детали одинаково сложны. С увеличением размера детали настройка программы, проверка её положения и точности резки усложняются. Многие предприятия ежедневно используют 3D-станки для простой 2D-резки и сложной 3D-резки.
Операторам следует помнить о большой разнице между точностью детали и точностью движения станка. Даже станок с почти идеальной точностью, динамичным движением, контролем скорости и превосходной повторяемостью может не производить «идеальные» детали. Точность готовой детали определяется сочетанием погрешности процесса, погрешности станка (координатные характеристики XY) и стабильности заготовки (стабильность крепления, плоскостность и температурная стабильность).
При резке материалов толщиной менее 1 дюйма точность гидроструйной резки обычно составляет от ±0,003 до 0,015 дюйма (от 0,07 до 0,4 мм). Точность резки материалов толщиной более 1 дюйма составляет от ±0,005 до 0,100 дюйма (от 0,12 до 2,5 мм). Высокопроизводительный координатный стол XY обеспечивает точность линейного позиционирования 0,005 дюйма и выше.
К потенциальным ошибкам, влияющим на точность, относятся ошибки компенсации инструмента, ошибки программирования и перемещение станка. Компенсация инструмента — это значение, которое вводится в систему управления для учета ширины реза струи, то есть длины траектории реза, которую необходимо расширить для получения готовой детали нужного размера. Чтобы избежать потенциальных ошибок при высокоточной обработке, операторам следует выполнять пробные резы и понимать, что компенсация инструмента должна быть скорректирована с учетом частоты износа смесительной трубки.
Ошибки программирования чаще всего возникают из-за того, что некоторые элементы управления XY не отображают размеры в программе обработки детали, что затрудняет обнаружение несоответствия размеров между программой обработки детали и чертежом САПР. Важными аспектами движения станка, которые могут привести к ошибкам, являются зазоры и повторяемость в механическом блоке. Регулировка сервопривода также важна, поскольку неправильная настройка сервопривода может привести к ошибкам в зазорах, повторяемости, вертикальности и вибрации. Для небольших деталей длиной и шириной менее 12 дюймов (30 см) требуется меньше столов XY, чем для крупных деталей, поэтому вероятность ошибок движения станка меньше.
Абразивные материалы составляют две трети эксплуатационных расходов гидроабразивных систем. К ним также относятся электроэнергия, вода, воздух, уплотнения, обратные клапаны, диафрагмы, смесительные трубы, фильтры подачи воды и запасные части для гидравлических насосов и цилиндров высокого давления.
Работа на полной мощности поначалу казалась более затратной, но рост производительности превзошёл затраты. По мере увеличения расхода абразива скорость резания будет увеличиваться, а стоимость за дюйм снижаться, пока не достигнет оптимального значения. Для достижения максимальной производительности оператор должен использовать режущую головку на максимальной скорости резания и максимальной мощности. Если система мощностью 100 лошадиных сил может работать только с головкой мощностью 50 лошадиных сил, то использование двух головок в системе позволит достичь той же эффективности.
Оптимизация абразивно-гидроабразивной резки требует внимания к конкретной ситуации, но может обеспечить значительный рост производительности.
Нецелесообразно делать зазор более 0,020 дюйма, так как струя расширяется в зазоре и грубо режет нижние слои. Для предотвращения этого можно уложить листы материала вплотную друг к другу.
Измеряйте производительность по стоимости за дюйм (то есть по количеству деталей, изготовленных системой), а не по стоимости за час. Фактически, быстрое производство необходимо для амортизации косвенных затрат.
Гидроабразивные станки, которые часто прокалывают композитные материалы, стекло и камни, должны быть оснащены контроллером, который может уменьшать и увеличивать давление воды. Вакуумный усилитель и другие технологии повышают вероятность успешного прокалывания хрупких или ламинированных материалов без повреждения целевого материала.
Автоматизация обработки материалов имеет смысл только в тех случаях, когда обработка материалов составляет значительную часть себестоимости деталей. В станках гидроабразивной резки обычно используется ручная выгрузка, тогда как при резке листов используется преимущественно автоматизация.
Большинство систем гидроабразивной очистки используют обычную водопроводную воду, и 90% операторов гидроабразивных установок не выполняют никаких подготовительных работ, кроме умягчения воды перед подачей её на входной фильтр. Использование обратного осмоса и деионизаторов для очистки воды может показаться заманчивым, но удаление ионов облегчает поглощение водой ионов из металлов в насосах и трубах высокого давления. Это может продлить срок службы сопла, но стоимость замены цилиндра высокого давления, обратного клапана и торцевой крышки значительно выше.
Подводная резка уменьшает образование наледи (также известного как «запотевание») на верхней кромке гидроабразивной резки, а также значительно снижает шум струи и создает хаос на рабочем месте. Однако это снижает видимость струи, поэтому рекомендуется использовать электронные системы контроля производительности для выявления отклонений от пиковых значений и остановки системы до повреждения каких-либо компонентов.
Для систем, использующих абразивные сита разных размеров для разных задач, используйте дополнительные накопители и дозаторы для стандартных размеров. Транспортировка небольших (100 фунтов) или больших (500–2000 фунтов) сыпучих материалов и соответствующие дозирующие клапаны позволяют быстро переключаться между размерами ячеек сита, сокращая время простоя и трудности, а также повышая производительность.
Сепаратор эффективно режет материалы толщиной менее 0,3 дюйма. Хотя эти выступы обычно обеспечивают повторную заточку метчика, они обеспечивают более быструю обработку материала. Более твердые материалы будут иметь более мелкие метки.
Обработка абразивно-струйным аппаратом с контролем глубины реза. Для деталей, требующих особого ухода, этот новый процесс может стать привлекательной альтернативой.
Компания Sunlight-Tech Inc. использовала лазерные микрообрабатывающие и микрофрезерные центры Microlution компании GF Machining Solutions для изготовления деталей с допусками менее 1 микрона.
Гидроабразивная резка занимает важное место в сфере производства материалов. В этой статье мы рассмотрим, как гидроабразивная резка работает в вашем магазине, и рассмотрим сам процесс.
Время публикации: 04 сентября 2021 г.