Н заре 70-х годов господин Олдсен впервые предложил схему инновационного мультипликаторного насоса, положив начало целой эпохе гидроабразивной резки. Современное оборудование позволяет вырезать любые формы даже из титановых и высоколегированных жаропрочных заготовок, не говоря уже о широко распространенных металлах, пластиках, резине, железобетоне и природных камнях. Сегодня гидроабразивная резка является памятником инженерному усердию и универсальности.
Протекание процесса
Гидроабразивная резка представляет собой отдельное направление в металлообработке, в основе которой лежит разделение материалов водяной струей с опциональным добавлением абразивов. Основным элементом оборудования является вышеназванный насос-мультипликатор, создающий давление в 4000 атмосфер. Загадочный мультипликатор – это результат необычного подхода и недюжинной силы инженерной мысли. Насос предназначен для создания высокого давления жидкости, изначально поступающей с силой меньшей на несколько порядков. Мультипликатор работает циклично, постоянно поддерживая заданное давление, несмотря на потребление и утечки в результате повреждения конструкции. Пиковое энергетическое потребление приходится после включения, далее потребление резко снижается, делая гидроабразивную резку относительно дешевой.
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 или, как его иногда называют, 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 в российском оборудовании 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.
Резка в трех измерениях
Оборудование для гидроабразивной резки работает в трех пространственных измерениях. Координатный стол, на котором располагается заготовка, соединяется с механизмом подачи, похожим на тележку. На ее вершине располагается мультипликаторный насос, сопло которого в начальном положении перпендикулярно координатного стола. Механизм подачи перемещает заготовку в горизонтальном направлении, создавая двумерную плоскость. Третья координата для объемной резки обеспечивается использованием трехмерных программ для проектирования деталей.
Сегодня ведется активная разработка универсальных аппаратов для гидроабразивной резки в пяти координатах за счет поворотного координатного стола и отклоняющегося сопла с точностью до 0,001˚. Её внедрение позволит вырезать контур произвольной кривизны со скосом, делая оборудование чрезвычайно универсальным. Установки гидроабразивной резки металлов обеспечивают производительность вплоть до 30 метров в минуту при ширине разреза не более 3000 микрон.
Преимущества технологии
Во-первых, низкое термическое и механическое воздействие. Трение абразива и материала заготовки становится причиной сильного тепловыделения, однако водяная струя мгновенно уносит тепло к водяной ловушке. Температура редко поднимается выше 90°С. При этом давление струи на материал находится в пределе 100 Ньютон. Гидроабразивная резка является единственной технологией, исключающей локальное термическое воздействие на зону реза. Никакого оплавления, перегрева, пластической деформации. Низкое давление на заготовку позволяет работать с чрезвычайно хрупкими материалами, а отсутствие перегрева исключает из техпроцесса дополнительную обработку кромки.
Во-вторых, экономическая выгода. Ширина реза, как уже было сказано, не превышает несколько миллиметров, что позволяет экономить дорогие материалы, а резка может начинаться в любом месте без предварительного сверления. Оборудование для гидроабразивной резки использует для работы не более 4 литров гидравлической жидкости, несмотря на производительность и высокое рабочее давление.
В-третьих, технологичность и универсальность процесса. Гидроабразивная резка осуществляется без непосредственного контакта установки с материалом. Это значит, что нет нужды затачивать режущий инструмент, а изделие не дает обратную реакцию на ударную нагрузку, изнашивая механизм. Показатели тангенциального усилия настолько минимальны, что в большинстве случаев нет необходимости в креплениях для заготовки.
Гидроабразивная резка благодаря низкому термическому воздействию позволяет работать в условиях повышенной взрыво- и пожароопасности, а также непосредственно с взрывчатыми и горючими материалами. Оборудование совершенно безопасно, поскольку нет вредного излучения (лазерная технология), летучих соединений (резка механическими способами), постоянного воздействия ультразвука (плазменная обработка).
Однако стоит указать и на существенные недостатки. Оборудование при работе создает плотную шумовую завесу силой в среднем в 90дБ. Кроме того, производственникам постоянно необходимо решать проблему очистки сточных вод.
Дополнительно: режущий инструмент пятикоординатных прототипов управляется дорогими электронными блоками, работающими с изображениями, созданными в системах проектирования по типу AutoCAD и широко распространенных векторных редакторах, например CorelDraw. Минимальные отходы, отсутствие деформаций всех видов, высокая производительность, квалитет шероховатости 5 и стоимость от €150 000 против €40 000 за твердотельный лазер… Подавляющее большинство производств позволить себе такую роскошь не может, хотя стоимость расходных материалов на одну минуту работы всего-то 15 евроцентов.
