4.6. Струйно-абразивная резка

Струйно-абразивная резка успешно применяется для резки металлических материалов, включая титановые и жаропрочные никелевые сплавы, стекла, композиты, графит, керамику, получения в них отверстий и окон сложной формы.

При струйно-абразивной резке разрушение материала происходит в результате комбинированного воздействия водной струи и движущихся со сверхзвуковой скоростью абразивных частиц.

Устойчивость истечения и эффективность воздействия двухфазной струи обеспечиваются оптимальным размером частиц, равным 10...30 % диаметра режущей струи. Наиболее часто используют абразивные зерна размером 150...250 мкм, для низкой шероховатости поверхностей реза — абразивы зернистостью 75... 100 мкм.

Рис. 4.109. Отверстия в стальной пластине, полученные ЭЛО с использованием плазменного окна

Рис. 4.110. Конструкция (а) и внешний вид (б) головки для струйно-абразивной резки:

1 — вода под давлением; 2 — сапфировое сопло; 3 — подача абразива; 4 — смесительная трубка

В качестве абразивов служат частицы оксида алюминия (электрокорунда), карбида бора, карбида кремния, песка, а также других природных и искусственных материалов с твердостью по Моосу от 6,5 до 7,5.

Конструкция типовой головки для гидроабразивной резки приведена на рис. 4.110. Вода под давлением 150... 1000 МПа выходит из сапфирового сопла со скоростью 600... 1400 м/с. В нее потоком воздуха дозированно подается абразив. Струя воды, абразива и воздуха, режущая материал, выходит из сопла металлокерамической смесительной трубки со скоростью порядка 300 м/с. Ширина реза обычно составляет 0,7... 1,5 мм. Расход воды — 0,5...5 л/мин. Срок службы смесительной трубки — наиболее подверженного износу элемента головки — 50... 100 ч.

В одной из установок фирмы ОМАХ JetMachining® используют водяные сопла диаметром 0,254; 0,356; 0,381 мм и сопла смесительных трубок диаметром 0,51; 0,76 и 1,02 мм соответственно.

Основными параметрами процесса струйно-абразивной резки, определяющими эффективность, являются:

• скорость перемещения головки в направлении реза;

• вид, толщина и свойства обрабатываемого материала;

• тип и размер частиц абразивного материала;

• диаметры отверстий в сапфире и смесительной трубке;

• скорость потока абразивных частиц и их концентрация в водноабразивной режущей смеси.

Следует отметить, что при прочих равных условиях уменьшение диаметра смесительной трубки приводит к росту производительности и точности обработки, снижению ширины реза. Срок службы смесительной трубки уменьшается.

Длина смесительной трубки определяет ее фокусирующую способность и должна быть достаточной для обеспечения минимального конуса распыления абразивной смеси.

Процесс разрушение (эрозии) материала при воздействии твердых частиц весьма сложен и зависит от формы, массы и твердости абразивных частиц, пластических и прочностных свойств обрабатываемого материала, условий контактного взаимодействия, в частности угла, под которым частицы бомбардируют поверхность, параметров абразивной струи (диаметра, концентрации частиц в режущей струе и скорости). Концентрация частиц в режущей струе С (шт/мм3) может быть рассчитана по формуле

где Q — массовый расход абразивного материала, г/мин; δ — средний диаметр частиц, мкм; d — диаметр водно-абразивной струи, мм; v — скорость частиц, м/с; ρ — плотность абразивного материала, г/см3.

Скорость резания V может быть определена по эмпирической формуле:

где v скорость абразивной струи; HV — твердость материала; К — эмпирически коэффициент; m — средняя масса частицы; h — толщина обрабатываемого мл сериала; х, у, z,w — степенные коэффициенты.

На рис. 4.111 показаны характерные зависимости скорости эрозии материала от угла падения струи к обрабатываемой поверхности, а на рис. 4.112 приведены экспериментальные результаты по влиянию скорости струи на относительную эрозию различных материалов.

Основными преимуществами обработки водно-абразивной струей являются:

• широкий диапазон обрабатываемых материалов;

• высокое качество обработки. Резы, получаемые водно-абразивной струей, имеют шероховатость Ra = 3,2...6,3 мкм. Точность обработки до ±0,025 мм;

• вследствие незначительного нагрева (не выше 100 °С) отсутствуют изменения структуры материала, характерные для методов термической резки. Водноабразивной струей могут эффективно обрабатываться как твердые тугоплавкие материалы, так и материалы с низкой температурой плавления;

Рис. 4.111. Схематическое представление зависимостей скорости эрозии от угла падения струи:

1 — пластичный материал; 2 — хрупкий материал

ис. 4.112. Влияние скорости струи на относительную эрозию различных материалов:

1 — стекловолокно; 2 — полипропилен; 3 — алюминиевый сплав; 4 — титановый сплав; 5 — сталь; 6 — никелевый сплав. Наклон прямых α = 2,3

• экологическая чистота процесса. Не образуется вредных веществ. Уровень шума колеблется в пределах 85...95 дБ;

• отсутствие необходимости в специальном инструменте. Различные операции, такие как прошивка отверстий, резка, вырезка окон, образование пазов и щелей, выполняют одним инструментом — головкой для струйно-абразивной обработки;

• минимальные заусенцы. Обычно не требуется снятия заусенцев;

• возможность обработки сложных контуров и поверхностей. Можно обрабатывать очень сложные формы или скосы под любым углом.

Недостатками струйно-абразивной резки являются:

• сравнительно малый срок службы смесительных трубок и сапфировых сопел;

• сложность и малый ресурс систем создания высокого давления (ремонт и текущее обслуживание проводится через каждые 300...500 ч);

• сложность управления резкой вследствие заноса абразивной струи.

Современные установки для струйной резки оснащены устройствами

ЧПУ, имеющими от трех до шести управляемых координат, что позволяет осуществлять вырезку и прошивку отверстий в сложных пространственных оболочках с обеспечением требуемых форм кромок. Рабочие столы установок могут иметь значительные размеры, например 3x12 м. Установки могут работать как одной режущей головкой, так и несколькими (параллельно 2...4 шт.) (рис. 4.1 13). Сравнительно тонкие листы режут пакетом (рис. 4.114). Для вырезки отверстий и окон в деталях типа оболочек используют 4-, 5-координатные станки (рис. 4.115).

Рис. 4.113. Деталь, вырезанная из титанового листа толщиной 35 мм

Рис. 4.114. Многопозиционная струйно-абразивная вырезка заготовок из пакета листов

Рис. 4.115. Установка для струйно-абразивной обработки WJ-155 фирмы Huffman Corporation

Рис. 4.116. Конструкция интенсивера:

1 — плунжеры; 2 — ресивер; 3 — режущая головка; 4 — поршень; 5 — гидроцилиндр; 6 — распределитель; 7 — пилотный распределитель; 8, 9 — клапаны; 10, 11 — управляющие упоры; 12 — обратные клапаны

Важным элементом, определяющим технологические возможности, надежность и эффективность установок струйной резки, является система создания высокого давления воды. Ключевым элементом этой системы служит гидроусилитель (интенсивер). Упрощенная схема интенсивера приведена на рис. 4.116. Два плунжера 1 засасывают фильтрованную воду и нагнетают ее в ресивер (накопитель) 2 и далее в режущую головку 3. Возвратно-поступательное движение плунжеров 1 обеспечивается поршнем 4, перемещающимся в гидроцилиндре 5. Движением поршня 4 управляет распределитель 6, подающий масло последовательно в правую и левую полости гидроцилиндра 5. Для управления распределителем 6 используется пилотный распределитель 7, который, в свою очередь, переключается в необходимые позиции клапанами 8 и 9, срабатывающими от воздействия поршня 4 на упоры 10, 11 в крайних его положениях. Для однонаправленного течения масла и воды используют обратные клапаны 12. Интенсиверы позволяют создать давление воды, в 10 и более раз превышающее давление масла в гидроцилиндре.

Высокое давление воды создают также несколькими (двумя и более) последовательно подключенными насосами. Например, гидравлические системы некоторых станков фирмы ОМАХ содержат насос для создания предварительного давления, фильтр и насос высокого давления (рис. 4.117).

Рис. 4.117. Система создания высокого давления рабочей жидкости

Эффективность обработки зависит от мощности установки. В табл. 4.19 приведены данные по скорости резки различных материалов толщиной 12,5 мм на установках фирмы ОМАХ разной мощности. В примечаниях к таблице указаны значения давления воды р, расхода абразива Q, диаметры водяного сопла d_w и сопла смесительной трубки d_mt.

Одной из важных особенностей струйно-абразивной резки считается зависимость требуемой скорости перемещения режущей струи от геометрии траектории и толщины материала. Причиной этого является нарушение прямолинейности струи при резании (занос струи А) (рис. 4.118).

Таблица 4.19

	Мощность насоса, кВт
Обрабатываемый материал	7,3*	14,72**	22***	29 4****
	Скорость резки, мм/мин
Закаленные инструментальные стали	32	82	138	183
Коррозионно-стойкие стали	33	84	140	187
Алюминиевые сплавы	98	251	423	562
Титановые сплавы	48	124	208	276
Медь	46	117	198	263

* р = 240 МПа; Q = 0,22 кг/мин; d_w = 0,25 мм; d_mt = 0,75 мм.

** р = 270 МПа; Q = 0,34 кг/мин; d_K = 0,35 мм; d_m, = 0,75 мм.

*** р = 340 МПа; Q = 0,5 кг/мин; d_w = 0,35 мм; d_m, = 0,75 мм.

**** р = 380 МПа; Q = 0,45 кг/мин; d_w = 0,38 мм; d_mt = 0,75 мм.

Рис. 4.118. Нарушение прямолинейности струи при перемещении режущей головки с большой скоростью

При высоких скоростях водно-абразивная струя прорезает в материале паз криволинейной формы, обусловленной спецификой взаимодействия струи с материалом. Если головка перемещается очень быстро и не по прямой, рез получается неровным. Для устранения этого явления линейная скорость перемещения режущей головки должна меняться в соответствии с траекторией. Следует отметить, что различия в скорости могут приводить к изменению формы реза и его ширины (рис. 4.119). При резке заготовок толщиной более 50 мм точность обработки резко снижается.

На современных установках для струйноабразивной резки используют специализированные системы ЧПУ, выполняющие расчет скорости резки в зависимости от кривизны траектории и учитывающие изменения направления движения на угловых участках.

Современные установки для струйно-абразивной обработки оснащают специальными устройствами и дополнительным оборудованием, в частности оптическими локаторами и системами автоматической подачи нового и удаления отработанного абразива.

Оптический локатор представляет собой миниатюрную видеокамеру, позволяющую определять с высокой точностью координаты любой точки (угол, отверстие, след керна) поверхности обрабатываемых заготовок и вносить эти координаты в программу управления струей. Водостойкая конструкция оптического локатора не требует его удаления в процессе резки. Для подсветки места определения координат используют встроенный источник света.

Перед началом обработки оптический локатор снимает координаты двух базовых точек разрезаемой заготовки, например вершин двух острых углов или кернений. Заготовка с незаконченным резом может быть передвинута произвольным образом, после чего оптический локатор находит координаты тех же двух точек. Система ЧПУ перерасчитывает и изменяет положение абсолютной системы координат, в которых производится обработка. Таким образом, можно продолжать рез по тому же контуру. Это позволяет на небольших установках резать детали, значительно превосходящие рабочую зону станка. Поскольку точность позиционирования оптического локатора высока (±0,03 мм), эту операцию можно повторять несколько раз без значительного ущерба для общей точности обработки.

Рис. 4.119. Влияние условий обработки на форму получаемых резов:

1 — скорость резки выше оптимальной; 2 — оптимальная скорость резки; 3 — скорость меньше оптимальной; 4 — резка заготовок большой толщины (больше 30 мм)

Системы автоматической подачи абразива могут располагаться в нескольких метрах от рабочего стола и обеспечивать непрерывную работу установки в течение смены. В процессе работы достаточно быстро скапливается большое количество отработанного абразива, который необходимо периодически удалять. Для этих целей используют системы автоматического удаления абразива.

Качество воды сильно влияет на время службы многих компонентов: плунжеров, интенсиверов, уплотнений, клапанов и др. Наиболее значительно качество воды влияет на износ водяных сопел. В водяном сопле вода ускоряется до скоростей между числами Маха 2 и 3, поэтому любые примеси вызывают интенсификацию износа. Примеси могут быть разделены на два вида — растворимые и нерастворимые. Нерастворимые примеси, взаимодействуя с поверхностями водяного сопла, вызывают их абразивный износ и растрескивание. Растворимые могут откладываться на входе в сопло, вызывая его засорение. Поэтому используемая для резки вода тщательно очищается и фильтруется.

Установки струйно-абразивной резки имеют устройства для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой, ловушки водно-абразивной струи, гасящие ее энергию и служащие для сбора отработанного абразива.

В табл. 4.20 приведены сравнительные данные о производительности струйно-абразивной резки ряда материалов при различных условиях.

Мировыми лидерами в создании и применении технологий водной резки признаны фирмы ОМАХ JetMachining®, Belotti, Huffman Corporation. В табл. 4.21 приведены характеристики 3- и 5-координатных обрабатывающих центров струй-но-абразивной резки фирмы Belotti.

Одно из новых достижений фирмы ОМАХ JetMachining® — создание технологии и оборудования Abrazive Waterjet Drilling (AWD) для обработки отверстий малого диаметра (рис. 4.120) в материале толщиной до 250 мм. Диаметр получаемого отверстия зависит от глубины. Например, отверстия, получаемые AWD в материале толщиной 25 мм, имеют минимальный диаметр 0,5 мм. Минимальный размер отверстий, полученных вводно-абразивным методом, составляет 0,4 с точностью ±0,03 мм. Обычно при сверлении отверстий первоначально давление в системе составляет около 30 % от рабочего. При достижении определенной глубины отверстия давление увеличивается до 100 %. Варьируя давление в процессе прошивки отверстия, можно изменять его форму, добиваясь прямой и обратной конусности, бочкообразности или корсетно-сти, а также обеспечивать минимальные отклонения от цилиндричности. Станки для AWD оснащают акустическими датчиками, фиксирующими момент окончания прошивки отверстия.

Фирмой Huffman Corporation выпускается специализированное оборудование для струйно-абразивной вырезки межлопаточных каналов моноколес компрессоров ГТД (рис. 4.121).

Струйно-абразивную резку используют для обработки пазов и окон в кольцевых деталях ГТД, а также предварительной обработки пазов в дисках (рис. 4.122).

Таблица 4.20

Примечание. В таблице указаны максимальные значения скорости резки. При необходимости получения качественного реза приведенные значения умножаются на 0,4. Данные фирмы Flow International Corporation, полученные на установках Flow’s PASER® 3 System и PASER Plus Garnet.

Рис. 4.120. Плита с отверстиями, полученными по технологии AWD

Рис. 4.121. Межлопаточные каналы моноколеса, выполненные струйно-абразивной резкой на 6-координатном станке WJ-156

Рис. 4.122. Элемент кольцевой детали с пазами, выполненными струйно-абразивной резкой на станке фирмы Huffman Corporation (а), и обработка пазов диска (б)

Таблица 4.21

Модель станка	Продольное перемеще­ние X, мм	Поперечное перемеще­ние Y, мм	Вертикаль­ное пере­мещение Z, мм	Скорость перемеще­ния, м/мин	Мощность, кВт
РА 1510	1500	1000	180	0...50	5,5
РА 3410	3400	1000	180	0…50	5,5
СРТ 2030	2000	3000	180	0...100	5,5
СРТ 3015 GM	3000	1500	150	0...100	85
5-осевой	1600...3200	1000...2500	700	0...60	25...50
FR4025	4000	2500	350	50	12
FR7225	7200	2500	350	50	12

Примечание. Угол поворота головки составляет -30…+60˚, точность обработки – 0,1 мм.

1 Блиск - от англ. blisk (bladed disk), блинг - от англ. bling (bladed disk)

3