Технология резки водяной струей

В гонке за экономическими показателями производства резка водяной струей в большинстве аспектов занимает лидирующее положение. Кроме того, что данный метод резки очень сильно снижает себестоимость производства, он еще очень универсален и быстро совершенствуется. Резка водяной струей широко используется в различных отраслях промышленности во всем мире. Во время резки не выделяются вредные газы или жидкости, окружающая среда на засоряется вредными веществами или запахами. В области прореза материал не подвергается термическому воздействию или влиянию повышенных внутренних напряжений. Это действительно универсальный и эффективный метод резки.

Резка водяной струей может использоваться там, где другие способы резки зачастую нельзя применять. Этот метод доказал, что он универсален и может применяться для резки тонких деталей из камня, стекла и металла, для вырезки отверстий в изделиях из титана, а также использоваться в производстве тары для консервации пищевых продуктов.

Каким образом достигается высокое давление воды?

Принцип данной технологии очень прост и одновременно сложен. Объяснить сущность данного процесса, понять его и контролировать очень легко – вода течет по трубам от насоса к рабочей головке и образованная струя режет материал. Однако для создания такого оборудования используются современные материалы, сложные технологии и конструкции.
Получить и контролировать давление 60 000 psi можно только при наличии знаний об таких технологиях. При таком давлении малейшая утечка может вызвать эрозию элементов оборудования, что может привести к драматическим последствиям.
Существуют два вида резки водяной струей: 1) чистой водой и 2) абразивная резка. Установки для резки водяной струей производятся также либо для резки водяной струей либо с добавками абразива, либо для обоих методов. Для установок любого сорта необходима вода высокого давления.

Резка чистой водяной струей

Резка чистой водяной струей появилась первой. Впервые этот метод в промышленности был применен для резки картона в середине восьмидесятых годов. Позже водяной струей резали заготовки для детских ползунков, мягкую бумагу, и детали интерьера машин. Интересно, что при резке бумаги или детских ползунков воздействие водяной струи значительно ниже, нежели попросту касаясь продукции руками или дыша.

Доктор Норман Франз считается создателем технологии резки водяной струей. Он впервые использовал водяную струю высокого давления (UHP) в качестве режущего инструмента. Определение термина UHP – это давление выше чем 30 000 фунтов на один квадратный дюйм (psi).

Док, Франз, инженер лесоводства, искал новые способы резки древесины. В конце шестидесятых – начале семидесятых годов прошлого века Франз сжимал воду в емкостях с помощью грузов и пропускал ее через трубки малого диаметра. Ему удалось получить водяную струю высокого давления, однако только на короткие промежутки времени. Хотя Франзу удалось резать древесину и другие материалы, постоянного высокого давления

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РЕЗКИ ВОДЯНОЙ СТРУЕЙ

и процесса ему получить не удалось. Кроме того срок службы рабочих наконечников, через которые текла вода. Был очень коротким. Ресурс их работы не превышал минуты, а современные головки используют в течении нескольких недель или месяцев.
Иронично, но сейчас резка древесины составляет только небольшую долю в общем объеме областей применения технологии UHP. Однако доктор Франз доказал, что концентрированная водяная струя, имеющая высокую скорость, обладает большой резательной способностью. Эта способность может использоваться значительно шире нежели мог вообразить себе доктор Франз.

Особенности резки чистой водяной струей

• Очень тонкая водяная струя (диаметр 0,0016 - 0,004 мм)
• Вырезаемые детали очень сложной формы
• Мало отходов материала в процессе резки
• Нет термического воздействия
• Режутся очень тонкие детали
• Режутся очень толстые детали
• Резка выполняется быстро
• Можно резать мягкие и легкие материалы (например органическое стекло)
• Небольшие нагрузки
• Бесперебойная работа 24 часа в сутки

Рабочая головка, используемая при резке чистой водяной струей

Как уже упоминалось, процесс резки водяной струей – это течение воды по трубам от насоса к и сквозь рабочую головку. Резку материала в этом случае можно охарактеризовать как эрозию со сверхзвуковой скоростью. Не давление, а скорость потока воды разрушают микроскопические частицы материала. Давление и скорость воды – это две необходимые формы передачи энергии для процесса резка. Однако каким образом создаваемое давление воды превращается в скорость потока? Ответ кроется в небольшом драгоценном камне. Драгоценный камень с небольшим отверстием крепится в конце трубопровода и когда вода под высоким давлением протекает сквозь это отверстие она ускоряется, таким образом давление превращается в скорость течения потока. Для резки чистой водяной струей диаметр отверстия в рабочей головке бывает от 0,0016 мм до 0,004 мм.

При производстве рабочих головок используются драгоценные камни трех сортов - это сапфир, рубин и алмаз. Самым популярным является искусственный сапфир. В этом случае получается водяная струя достаточно хорошего качества, и при таком качестве рабочая головка служит около 50 – 100 часов резки. А при использовании абразива срок службы сапфира укорачивается вдвое. Рубин тоже используется при производстве рабочих головок, но он лучше подходит для процесса резки водяной струей с абразивом. Его стоимость подобна стоимости сапфира. Срок службы алмазной рабочей головки значительно длиннее (800-2 000 часов резки), но его стоимость в 10 20 раз дороже. Алмазы незаменимы в случае бесперебойной работы оборудования все 24 часа в сутки.

Резка водяной струей с абразивом

Водяная струя с абразивом отличается от обычной водяной струи несколькими аспектами. При резке обычной водяной струей материал режется за счет сверзвуковой скорости струи. При резке с абразивом, струя воды ускоряет абразивные частицы и уже они, а не вода выполняют функцию режущего инструмента. Водяная струя с абразивом в сотни и даже тысячи раз мощнее обычной воды. Однако и резка обычной водяной струей и водяной струей с абразивом находят области своего применения. Для резки мягких материалов чаще используется обычная водяная струя, а для твердых материалов, таких как металл, камень, керамика и др. чаще годится водяная струя с абразивом. Водяной струей с абразивом можно резать даже такие твердые материалы как алюмооксидную керамику (Alumina, AD 99,9).

Особенности резки водяной струей с абразивом

• Очень универсальный процесс
• Нет внутренних напряжений
• Нет термического воздействия
• Легко программируемый процесс
• Тонкая водяная струя (диаметр 0,0080,02 мм)
• Вырезаемые детали очень сложной формы
• Режутся очень тонкие детали
• Режутся толстые около 4см детали
• Мало отходов материала в процессе резки
• Небольшие нагрузки
• Можно резать очень разные материалы

Легко перейти от процесса резки с помощью одной головки к процессу резки несколькими головками

Рабочая головка, используемая при резке водяной струей с абразивом Используя метод резки водяной струей с абразивом в воду добавляется абразивный материал, который словно пуля выпущенная из ствола оружия с быстрой скоростью летит в цель.
Абразивным материалом используемым в процессе резки служит твердый песок, который специально просеивается для получения частиц определенной величины. Чаще всего используется в качестве абразива – гранат. Гранат очень тверд, прочен и недорог. Как и при использовании для производства наждачной бумаги, частицы граната в этом случае тоже могут быть разной величины и предназначены для различных работ. 120 размер – для получения ровной поверхности 80 размер – самый популярный, предназначен для различных работ 50 размер – режет немного быстрее нежели 80-тый, но поверхность прореза будет немного грубее.

Мощность

Чаще всего повторяющейся ошибкой является мнение, что при резке водяной струей нужно использовать самую небольшую мощность, давление и количество абразива. Большей ошибки быть не может. Нужно делать как раз наоборот – резать надо как можно быстрее. Чем быстрее процесс резки тем меньшими будут затраты. Чтобы можно было резать с наибольшей возможной скоростью, нужно использовать максимальные нагрузки.

Стоимость абразива составляет около 2/3 расходов на техническое обслуживание, которые составляют: используемая энергия, вода, воздух, сменные и запасные части, фильтры.

Поэтому иногда считается , что уменьшив количество абразива, уменьшатся и производственные расходы. Это неправильно. Подсчитав все расходы можно увидеть, что самым дешевым вариантом резки будет резка с наибольшей возможной скоростью вне зависимости от толщины разрезаемого материала. При подборе мощности насоса важно учитывать объемы производства. Если резка не очень интенсивна, если будут резаться только единичные детали, то и покупка мощного насоса была бы нерациональной. Однако если проводятся интенсивные работы, то нужно иметь как можно мощный насос. В таблице приведены данные насосов различной мощности, которые на данный момент предлагают различные производители.