Новые технологии гидроабразивной резки. Теория обработки.

22 August 2015

Раздел:

Новые технологии гидроабразивной резки. Теория обработки.

Создание новых конструкционных материалов, усложнение форм изделий и ужесточение требований к качеству обработки ведут к появлению все более производительных и эффективных технологий, в частности технологий резания. Сравнительно недавно возникший способ гидроабразивной резки стремительно завоевывает популярность в самых различных отраслях промышленности: от авиакосмической до строительной.

Основные преимущества технологии гидроабразивной резки (ГАР) — отсутствие теплового и механического воздействия на обрабатываемые изделия, сравнительно небольшой объем материала, идущего в отходы.

Эти черты ГАР делают ее исключительно привлекательной в случае изготовления деталей из дорогостоящих и чувствительных к температуре материалов (например, титановых сплавов).

Для некоторых видов материалов — многослойных и сотовых, а также керамики и композитов — реальной альтернативы гидроабразивной резке сегодня просто нет. Универсальность и технологическая гибкость позволяют легко совместить ГАР с существующими производственными процессами. Важным достоинством технологии также является ее экологичность.

Физическая природа процесса и влияние его параметров на качество обработки

Процесс резания состоит в эрозионном воздействии высокоскоростной водяной струи и твердых абразивных частиц на обрабатываемый материал. Правда, вода при этом выполняет лишь функцию носителя. В основе гидроабразивного метода лежит комбинированный механизм резки, хрупкого и усталостного разрушения и местного оплавления. Резка осуществляется за счет определенного количества отдельных «съемов» материала, вызываемых ударением в него твердых частиц. Скорость процесса эрозии зависит от кинетической энергии и формы частиц, угла атаки потока, механических свойств разрезаемого материала. Сфокусированная водяная струя с абразивом постепенно и с постоянной скоростью вводится в заготовку и прорезает в ней узкую щель. В направлении, противоположном направлению резки, постепенно образуется изогнутая фронтальная поверхность резания.

Угол между неискаженной водяной струей с абразивом и поверхностью резания постепенно увеличивается. В результате этого водяная струя с абразивом все больше и больше отклоняется в направлении, противоположном направлению резки.

Вследствие своей более ярко выраженной инертности твердые частицы более не способны перемещаться вместе с несущей струей. Таким образом, происходит разделение струи и обеспечивается локализация процесса съема материала.

Съем производится лишь на небольшом отрезке фронтальной поверхности резания, при этом на поверхности резания образуется первая ступень. Угол отклонения на поверхности ступени постепенно увеличивается, под ступенью удаляется все меньше и меньше материала. Ступень довольно быстро «вдавливается» в заготовку до тех пор, пока ударяющиеся частицы больше не смогут производить съем материала. По мере смещения ступени вниз снова образуется ровная фронтальная поверхность резания. Первоначальное состояние снова восстановлено. Затем выше процесс повторяется с самого начала.

При изменении толщины материала, а также при регулировании качества резания меняют скорость резки при заданных значениях давления и количества абразива.

Принятые за рубежом стандарты регламентируют показатели качества плоскости реза применительно к готовым изделиям. На поверхности отсутствуют, заусенцы, следы локальной задержки струи, большого количества абразивных царапин и размыва поверхности.

Контроль качества поверхности производят визуально при семикратном оптическом увеличении. Исходя из показателей качества, определяют оптимальную производительность процесса.

Виды резов выполняемых при гидроабразивной обработке

Делительный рез образуется при обработке с максимальной скоростью, при которой материал еще подлежит разрезанию (так называемая «скорость разрезания»). Такой рез дает грубо обработанную поверхность с большой шероховатостью и неровностями. Качественный рез образуется при резке со скоростью, составляющей 3/4 от «скорости разрезания», и представляет собой рез с заданным допуском на ширину щели, угол кромок и глубину шероховатости. При резке со скоростью в 1/3 от «скорости разрезания» образуются поверхности резания высшего качества. При высококачественном резе доля гладкой зоны в общей толщине резания очень высока.

Поскольку водяная струя с абразивом является инструментом, изменяющим свою форму, нужно учитывать, что выход к уже имеющимся щелям или отверстиям вызывает некоторые проблемы. Гидроабразивный поток на нижней стороне заготовки совершает «прыжок» в уже имеющееся отверстие, а на нижней кромке поверхности резания образуется «наплыв».

Водяную струю следует подводить к уже имеющимся щелям, отверстиям и наружным кромкам по возможности под прямым углом и с уменьшенной скоростью, а точка врезания не должна находиться слишком близко к уже обработанному контуру.

Обрабатываемые материалы и параметры их обработки

Резке водяной струей с абразивом подвергаются почти все материалы: металлы, стекло, горные породы, техническая керамика, высокопрочные и плохо поддающиеся обработке резанием сплавы (например, никелевые сплавы, титан), пластмассы, композиционные материалы, многослойные материалы, ламинаты.

Типовая комплектация комплекса для гидроабразивной резки

В комплекс для ГАР обычно входят такие узлы и системы:

  • насос высокого давления
  • режущая головка (система из нескольких режущих головок)
  • координатный стол и приводы перемещений режущей головки
  • разводка высокого давления; система подачи абразива
  • система ЧПУ

Дополнительно комплекс может оснащаться устройством для предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой, механической системой предварительного просверливания, ловушкой струи воды, гасящей ее энергию и служащей также для сбора отработанного абразива. В итоге оборудование обладает разной степенью универсальности и автоматизации, в том числе оно может изготавливаться и в виде роботизированныx комплексов. Насос высокого давления обеспечивает создание сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента. Разработана универсальная принципиальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя давления используется специальный мультипликатор двустороннего или одностороннего действия. Выбор компоновки зависит от конкретных условий обработки (например, от допустимой величины перепада давления, требуемого расхода жидкости), что позволяет достичь заданных результатов как по производительности, так и по качеству.

Кроме того, используются стандартные регулирующие, вспомогательные гидравлические устройства. Для обработки крупногабаритных или отдельно стоящих изделий, для выполнения работ под водой насос высокого давления может монтироваться на любом транспортном средстве — электрокаре, автомобиле, судне. В этом случае подвод жидкостной струи к изделию, расположенному, как правило, на некотором расстоянии от насоса высокого давления, осуществляется с помощью гибкого шланга. Режущая струйная головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента со своими геометрическими и энергетическими пара? метрами. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи, определяют качество и надежность ее работы.

Существует множество конструкций струйных головок для ГАР, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований и одновременно об отсутствии оптимальных конструкций.

Приведем следующую классификацию:

  • струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов (снабжены специальными конструктивными элементами);
  • жидкостно?абразивные струйные головки. Наиболее совершенными из них считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с минимальными нарушениями их гидродинамических характеристик;
  • струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости. В их конструкцию введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет не только усилить режущие возможности струи за счет образования в ней льдинок, но и повысить износостойкость сопла благодаря образованию замороженного слоя на его поверхности;
  • комбинированные сопловые головки.

Обычно сопла изготавливаются из искусственных кристаллических материалов — сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 500—1500 часов непрерывной работы.

Координатный стол с ЧПУ имеет покрытие, полностью защищающее его от воздействия воды и абразивного материала.

Жесткая сварная конструкция формирует раму стола. На основной раме установлены оси для линейного перемещения, выполненные из алюминиевых полос. Асинхронные серводвигатели посредством зубчатой передачи приводят в движение шасси. Оси Х и У покрыты защитными гофрированными чехлами. Такой способ защиты гарантирует длительный срок эксплуатации даже в неблагоприятных условиях.

Каждая ось снабжена своим собственным приводом. Положение измеряется преобразователями координат или магнитной линейной системой. Все кабели помещены в кapeтки для кабелей. Перемещения по осям ограничиваются с помощью концевых датчиков. Опорные датчики гарантируют повторяемость установки в требуемую позицию с точность ±0,1 мм даже при сбоях в системе электропитания. Режущая головка смонтирована на фланце оси Z. Возможна установка дополнительной оси Z со второй параллельной режущей головкой и датчиком высоты. Под рабочей площадью стола находится уловитель остаточной энергии (ловушка струи). Как дополнительный вариант, возможна установка оборудования для автоматической регулировки уровня воды, барботирования и откачки пульпы (шлама и использованных абразивных материалов) во внешний отстойный резервуар.

Движение осей Х и У управляется программно (на основе линейной или круговой интерполяции). Перемещение оси Z может осуществляться вручную с панели управления.

Некоторыми фирмами производителями создано оборудование трехмерной резки с возможностью перемещения режущей головки даже по 5—8 осям.

Управление процессом выполняется с использованием промышленного ПК со встроенной картой CNC. Все необходимые рабочие параметры могут устанавливаться и регулироваться.

Файлы данных могут передаваться через интерфейс RS 232 или RS 485 с токовой петлей, либо по сети, либо с помощью дискет 3,5».

Разводка высокого давления, как следует из названия, используется для подачи воды от насоса высокого давления к режущей головке системой неподвижных и подвижных труб.

Для обеспечения плотности соединений при движении портала и рабочей головки используются специальные шарниры высокого давления или спиральные трубки специальной формы.

В установках ГАР используются две системы подачи абразива — вакуумная, работающая по принципу пульверизатора, и та, что работает под давлением.

Абразив засыпается в бункер, находящийся рядом с рабочим столом, и подается к рабочей головке по гибким шлангам. В качестве абразива обычно используют порошки твердых сплавов, карбидов, окислов.

Выбор абразива зависит от вида и твердости разрезаемого материала. Так, для высоколегированных сталей и титановых сплавов применяют особо твердые частицы граната, для стекла — соответствующие фракции обычного песка, для пластмасс, армированных углеродными или стекловолокнами, частицы силикатного шлака.

Примеры реализации, оценка эффективности и качество ГАР

Общепринятым в мире критерием оценки экономической эффективности ГАР является ее сравнение с технологией лазерной резки, поскольку обе эти технологии имеют много общего как с точки зрения назначения, так и принципов компоновки оборудования. Лазерная технология уступает ГАР при резке материалов с большой толщиной разрезаемого сечения и полностью неэффективна в случае обработки материалов с высокой отражающей способностью.

Капитальные затраты на приобретение установки лазерной резки (лазер СО 2 , мощностью 2 кВт; общая мощность 50 кВт) в два раза превышают затраты на аналогичную по функциональным возможностям установку ГАР (общая мощность 35 кВт). Впрочем, технологии гидроабразивной и лазерной резки не исключают одна другую. Основным недостатком обоих методов считают наличие уклона плоскости реза.

Сфера применения технологии гидроабразивнной резки металлических и неметаллических материалов начала быстро расширяться, начиная с 1985 года. В «передовиках» оказались авиационная и авиакосмическая отрасли, связанные с обработкой алюминиевых и титановых сплавов, а также разнообразных спецсплавов, причем нуждающиеся в оборудовании, способном резать эти материалы в непрерывном режиме.

Одной из первых в мире освоила гидроабразивную резку листа из вышеприведенных материалов толщиной более 0,5 мм фирма Lockheed Аеron. Sys. Со (США). Сегодня на ее заводах с помощью ГАР изготавливают детали из алюминиевых и титановых сплавов, а также графитового композита на осевой машине с ЧПУ Streamline фирмы IngersollRand Со.

Композитные материалы и тонкие металлические листы режут пакетом со скоростью 750 мм/мин, толстые титановые листы — 12 мм/мин. Характерно, что после вырезки детали не требуют дополнительной обработки.

Фирма GECA1sthom (Франция) использует технологию ГАР для резки деталей из высокотвердого термически обработанного титанового сплава толщиной 300 мм. Продолжительность операции детали составляет 3 часа вместо 40 часов, требовавшихся ранее при использовании дисковой пилы на фрезерном станке с ЧПУ. Точность получаемых размеров — 1 мм. Затраты на операцию гидроабразивной резки полностью компенсируются меньшей продолжительностью и трудоемкостью процесса.

Опыт фирмы Ray and John Соnnеlу (США) также показал, что обработка титана, бронзы, никельсодержащих сплавов, стали толщиной до 100 мм с использованием ГАР оказывается более дешевой и производительной, по сравнению с ранее применявшимся фрезерованием на станке с ЧПУ и электроэрозионной обработкой.

Причем точность резки на многоцелевом гидроабразивном станке Bengal фирмы Flow составляет ±0,15 мм.

На заводах фирмы LAI Mid. Inc, являющейся отделением компании Laser Арр. Inc (США), на установках ГАР выполняют резание титана, алюминия, меди, стали толщиной до 380 мм, а на установках лазерной резки — до 16 мм. Фирма разработала оригинальные технологии изготовления титановых сеточных фильтров, что потребовало, в частности, создания программы ЧПУ для перемещения режущей головки по пяти осям и вырезки 28 000 отверстий с шагом изменения угла 450.

Станки оснащены устройством измерения координат и оптическим компаратором. LAI Mid. Inc также освоена технология обработки по контуру турбинных лопаток авиационных двигателей, обеспечивающих точность изготовления с допуском 0,2 мм, а производительность процесса составляет 6 шт./мин.

Уникальные возможности технологии ГАР — способность начать рез в любой точке, резка толстых сечений при отсутствии термического и механического воздействия — наиболее ярко проявляются в операциях вырезки образцов «свидетелей» из штамповок.

При проведении сертификационных работ в среднем от штамповки отбирают около 15 образцов для определения механических свойств и структуры металла в различных сечениях. Обрезка облоя крупногабаритных штамповок на установке ГАР также имеет значительно более низкую трудоемкость по сравнению с обработкой на фрезерном станке с ЧПУ.

Сравнение результатов резки материалов с титановой основой (ТiI5Mo2, 7Si3Al и Ti6Al4V), упрочненной карбидом кремния, в частности, резки механическими ножницами, алмазной пилой, электроимпульсной резки и ГАР, с помощью растровой электронной микроскопии показало, что только технология ГАР обеспечивает хорошее качество поверхности реза без дополнительной обработки.

Относительная величина наклепа на плоскости реза изделий из сплава титана составляет 131% на входе и 137% на выходе режущей струи, глубина наклепа — до 0,12 мм.

Полученные значения наклепа совпадают с аналогичными показателями измерений после операции ленточного шлифования. Измеренные геометрические параметры плоскости реза при толщине металла 10—140 мм и различных параметрах процесса резки составили: шероховатость — Ra 2,54—4,45 мкм; уклон плоскости — 0,2—1,53 град.; высота волны — 0,03—0,62 мм; длина волны — 0,08—1,96 мм.

Разработчики систем высокого давления во всем мире постоянно совершенствуют оборудование, инструмент установок гидроабразивной резки и применяемые в них материалы. Фирма Flow, например, заявила о выпуске новой серии силовых установок с величиной давления воды 4130 бар, 6000 бар, 8000 бар, причем за счет пульсации струи воды высокого давления появляется возможность резки металла без использования абразива.

Особое внимание ведущие разработчики уделяют системе формирования и контроля за постоянством параметров режущей струи. Сенсорное устройство позволяет оптическим и звуковым способами оповещать оператора о работе режущей головки и о возможных дефектах сопла.

Конструкция головки обеспечивает автоматическую фокусировку струи. При вырезке точных деталей с допуском ± 0,05 мм предусматривается система коррекции ширины прореза для обеспечения его постоянства по мере износа инструмента.