6.7 Плазменная и газовая резка

Плазменная резка – это процесс в основе которого лежит электрическая проводимость. Высокоскоростная струя ионизированного газа (плазмы) подается через сопло, в результате чего материал обрабатываемой поверхности нагревается и плавится. Высокоскоростной плазменный поток ионизированного газа механически выдувает расплавленный металл из зоны реза. Технология резки такова, что поток плазмы настраивается и может быть сфокусирован для резки любого проводящего материала, причем процесс резки остается точным и экономичным. Скорость резки достигает до 20 м/мин, толщина материала заготовки от 1 мм до 32 мм, точность ±0.25 мм.

На рис.139 изображена плазменная режущая головка.

Одним из старейших методов термической резки является газовая. На сегодняшний день при помощи газовой резки можно осуществлять обработку стали толщиной от 1 мм до 1м. Процесс газовой резки мягкой стали возможен благодаря химическим свойствам материала. В конструкции резака струя кислорода – направленная. На рис.140 изображены газовые резаки.

Газовая резка является экономичным методом резки листового материала большой толщины. Резка тонкой стали вызывает проблемы. Зона теплового воздействия весьма велика по сравнению с лазерной и плазменной резкой, что может вызвать термическую усадку.

6.8 Гидроабразивная резка

Гидроабразивная резка представляет собой отдельное направление в металлообработке, в основе которой лежит разделение материалов водяной струей высокого давления смешанной с гранатовым песком. Вода, сжатая насосом высокого давления до 4000 атм., проходит через сопло, попадает в смесительную камеру, в которую, в свою очередь, из системы подачи абразива подается гранатовый песок с размером частиц 0,08-0,2 мм. Далее, смесь воды и абразива проходит через фокусирующую трубку со скоростью около 1200 м/с, и попадая на поверхность разрезаемого материала, производит его резку. После резки, остаточная энергия струи гасится водой, которой предварительно заполнен водосборник (бак под решеткой рабочего стола).

Гидрорезка (водоструйная резка) – вид резки, при котором материал обрабатывается тонкой сверхскоростной струей воды.

Благодаря использованию ресурсов, воды и камня при гидроабразивной резки можно резать практически любой материал толщиной до 200 мм.

Резак гидроабразивной резки изображен на рис.141.

Для снижения шума, возникающего при работе гидроабразивного потока, применяют обработку под водой (рис.142). Типовой гидроабразивный поток с абразивом по мере его прохождения через воздух создает уровни шума 100-120 дБ. Благодаря тому, что водный поток высокого давления находится под водой, создается минимальный уровень шума менее 78 дБ.

Гидроабразивная резка может быть использована для обработки любых материалов: картона, кожи, ткани, резины, керамики, натурального камня, железобетона, полимеров, металлопласта, металлов, сплавов.

Области применения распространяется прежде всего на обработку твердых материалов, а также на изготовление усложненных контуров:

- обработка высококачественных сталей, в частности сплавов на основе никеля;

- обработка легких и цветных металлов, а также любых толстолистовых металлов (до 100 мм);

- резка стекла, бронированного стекла, акрилового стекла;

- нарезка декоративных деталей из натурального камня, например гранита или мрамора;

- обработка материалов для авиационной и космической промышленности, таких, как толстостенные, волокнисто-усиленные пластмассы и сплавы титана;

- обработка любого типа пластмасс, пеноматериалов;

- обработка комбинированных материалов, материалов с покрытием;

- обработка высокопроизводительной керамики;

- обработка дерева;

- применение в рамках производства единичной или мелкосерийной продукции.

Современное развитие в технологии гидроабразивной резки, программном обеспечении делает гидроабразивную резку самой быстрой, самым универсальным процессом резания и экономичным в машиностроительной индустрии.

Преимущества технологии гидроабразивной резки

- Универсальность. Водно-абразивная струя с легкостью режет мягкие и твердые материалы, даже такие, как сплавы титана, сталь, керамику, композиты. При этом не наблюдается разрывов в структуре и изменения физико-механических характеристик. Высокая гибкость, способность резать любые материалы, в том числе термочувствительные, а также большой толщины.

-Отсутствие теплового воздействия. Возникающее в процессе резки тепло уносится струей воды, и заготовка не нагревается. Это преимущество имеет особое значение при обработке материалов, восприимчивых к нагреву. Температура в зоне резания не превышает 90`С и не влечет за собой пригорания и оплавления. Отсутствует термическая деформация или структурное изменение материала в процессе резки.

-Возможность обрабатывать сложные профили и контуры, работать под любым углом к поверхности. Это весьма важная характеристика гидроабразивной резки, позволяющая использовать ее при обработке хрупких материалов.

-Высокая технологичность процесса. Роль режущего инструмента выполняет струя воды, и это снижает ударную нагрузку на заготовку. Также сам «инструмент» не нуждается в регулярной заточке. Гидроабразивная резка осуществляется без непосредственного контакта установки с материалом. Деталь может находиться на расстоянии до 200 м от насоса, и это не снижает тангенциальное усилие, производимое на нее гидроабразивной струей. В некоторых случаях от одного насоса могут работать две и более режущих головки. Гидроабразивную резку можно вести на земле, на большой высоте и даже на глубине 200-300 м под водой. Процесс резки можно начать в любой точке изделия, т.е. не требуется начального сверления.

-Полная автоматизация процесса. Аппараты гидроабразивной резки предусматривают компьютерный контроль над соблюдением технологии. Специальные оптические устройства слежения позволяют минимизировать участие человеческого фактора.

-Приемлемое качество разреза. Степень шероховатости финишной поверхности очень низкая и находится в пределах Ra 0,5-1,5 мкм. Это означает, что необходимость в дополнительной обработке возникает редко. Не образуются заусенцы или окалина, которые необходимо удалять на последующих операциях. Очень узкий шов разреза, что дает экономию материала (около 0,8-1,2 мм).

-Экономичность и доступность. Компонентами гидроабразивной резки являются вода и абразивные частицы. И то, и другое обходится недорого, расход воды низок - 3-4 л в минуту. Высокая скорость процесса позволяет экономить время и повысить производительность. Нет необходимости в пресс-формах и в хранении моделей. Нет необходимости в заточке инструмента.

-Безопасность. Процесс гидроабразивной резки не может стать источником взрыва или возгорания ввиду отсутствия накопленного тепла. Также процесс не образует шлака, пыли, радиоактивных выбросов. Уровень шума составляет 80-95 дБ. Отсутствует образование пыли или ядовитых газов.

-Высокая производительность с минимальным перемещением материала.

-Программирование резки с использованием системы CAD/CAM (автоматизированного проектирования и производства). Возможность встраивания в системы гибкого производства.

Возможно как двухмерное, так и пространственное ведение резки. Инструмент – водная струя – работает в любом направлении.

Недостатки

- Одними из узких мест технологии гидрорезания считаются недолговечность сопла и трудности его изготовления. Оно довольно быстро изнашивается из-за высокого давления жидкости.

- высокая, по сравнению с другими технологиями, энергоемкость;

- дороговизна оборудования для гидроабразивной резки;

- несоответствие фактических характеристик и установок заявленным, что является помехой при резке некоторых материалов;

-малые масштабы производства у потенциальных потребителей, не позволяющие окупить стоимость гидрорежущего оборудования.

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

Наименование	Характерная область применения
Гранатовый песок (состоит из корунда Al2O3, кварцевого песка SiO2, оксида железа Fe2O3 и других компонентов)	Широко распространен для резки различных материалов, в особенности высоколегированных сталей и титановых сплавов
Зерна электрокорунда (состоит преимущественно из корунда Al2O3, а также примесей) или его разновидности	Искусственные материалы с очень высокой твердостью. Используются для резки сталей, алюминия, титана, железобетона, гранита и др. материалов
Зерна карбида кремния (SiC) – зеленого или черного
Кварцевый песок (SiO2)	Резка стекла
Частицы силикатного шлака	Резка пластика, армированного стекло- либо углеродными волокнами

Технологические параметры

Основными технологическими параметрами процесса гидроабразивной резки являются: скорость резки; вид, свойства и толщина разрезаемого изделия; внутренние диаметры водяного сопла и смесительной трубки; тип, размер, скорость потока и концентрация в режущей смеси абразивных частиц; давление.

Скорость резки (скорость перемещения режущей головки вдоль поверхности обрабатываемого изделия) существенно влияет на качество реза. При высокой скорости происходит отклонение (занос) водно-абразивной струи от прямолинейности, а также заметно проявляется ослабевание струи по мере разрезания материала. Как следствие, увеличиваются конусность реза и его шероховатость.

В основе данного метода находится механическая сила герметизированной воды, смешанной с абразивным порошком и выбрасывающейся под высоким давлением из узкого сопла аппарата. При гидроабразивной резке исключаются пригорание и оплавление материала в области разреза, а также деформация заготовки.

Важно, что под воздействием водно-абразивной струи свойства обрабатываемого материала не меняются. Струя действует как оптимальный точечный инструмент, и с ее помощью можно вести обработку сложных профилей. Ширина разреза при этом варьируется от 0,6 мм до 2,0 мм, а количество отходов минимально по сравнению с резкой другими методами. Технология позволяет начинать разрез в любом месте детали, без предварительно сделанного отверстия.

Существует четыре вида качества резки:

- Разделительная резка. Максимальная скорость резки. Заготовка обрабатывается быстро, насколько можно. Для металлов зона гладкого реза в этом случае составляет примерно одну треть.

- Качественная резка. Половина скорости разделительной резки. При довольно экономичных затратах времени достигается хорошее качество кромки и углов.

- Тонкая резка. Четверть скорости разделительной резки. Кромки почти прямоугольные. Качество кромок и углов очень хорошее, с максимальной областью гладкого реза.

- Прецизионная резка. В восемь раз или еще ниже скорости разделительной резки. Кромки прямоугольные, с качеством, приближающимся к качеству индустриальной шлифовки. Скорость обработки при использовании гидроабразивной резки значительно быстрее.