Словарь терминов гидрорезки

Dynamic Waterjet® — это запатентованная технология создания потока, позволяющая повысить скорость резки в 2 – 4 раза и одновременно обеспечивающая более высокую точность получаемых деталей.

При гидравлической резке струя приводит к двум погрешностям при резке с большой скоростью:  отставание и сужение струи. Отставание струи — это когда струя при выходе из материала «отстает» от точки входа. Сужение — это V-образная форма. За счет снижения скорости (обычно до 15 – 20 % максимальной скорости резки) отставание и сужение струи можно сделать минимальными, но устранить полностью невозможно.

Чтобы обеспечить возможность скоростной резки, система Dynamic Waterjet автоматически наклоняет головку в сторону, чтобы сужение полностью оказывалось со стороны обрезаемого материала, и немного наклоняет головку вперед, чтобы компенсировать отставание струи. Такая компенсация отставания и сужения струи выполняется автоматически и незаметно для оператора. Оператору или программисту не требуется программно задавать углы, это делает система управления.  Угол даже автоматически меняется при изменении скорости резки, поэтому точность углов и дуг обеспечивается и при изменении скорости движения режущей головки во время выполнения поворота.

HyperPressure™ — это насос гидрорезки, обеспечивающий давление не ниже 5 200 бар. Сверхвысоким давлением обычно считается давление от 2 700 до 5 200 бар, а насос HyperPressure обеспечивает давление 5 200 бар и выше. В целом, системы гидрорезки стандартного давления работают при сверхвысоком давлении 3 800 – 4 100 бар, а в более современных системах используются насосы с номинальным давлением 6 500 бар.

Абразивная гидрорезка (иногда называемая гидроабразивной резкой) посредством потока придает ускорение абразивным частицам, и эти частицы, не вода, разрушают материал. Абразивная гидрорезка обладает намного большей мощностью, чем гидрорезка без абразива, и способна резать такие твердые материалы, как металлы, стекло, камень и композитные материалы: которые гидрорезкой без абразива разрезать нельзя. При использовании стандартных параметров абразивной гидрорезки могут резать материалы твердостью до (и даже немного выше) твердости алюмооксидной керамики (часто называемой корундом, AD 99,9). 
 

Отличительные особенности систем абразивной гидрорезки

• Высокая универсальность процесса
• Отсутствие нагрева рабочей зоны
• Отсутствие механических нагрузок
• Удобство программирования
• Тонкая струя (диаметр от 0,020 до 0,050 дюйма)
• Очень точная и тонкая геометрия
• Резка тонких материалов
• Резка материалов толщиной более 30 см
• Пакетная резка
• Малая потеря материала в процессе резки
• Простота крепления
• Малое режущее усилие (в процессе резки создается усилие менее 0,5 кг)
• Резка любых материалов без переналадки
• Простой переход с использования одной головки на использование нескольких головок
• Быстрый переход с использования гидрорезки без абразива на абразивную гидрорезку
• Меньшее количество вспомогательных операций
• Малое количество или отсутствие заусенцев и шероховатостей

Функция аварийного останова позволяет оператору в любой момент остановить станок и перевести его в безопасный, не создающий угрозы режим. Кнопки аварийного останова всегда имеют красный цвет и хорошо заметны. В случае гидрорезки функция аварийного останова приводит к остановке процесса резки и движения детали и, если это предусмотрено конструкцией, также отключению насоса и сбросу давления в трубопроводах и патрубках высокого давления.

Технология гидравлической резки, чрезвычайно простая в настройке и эксплуатации, является холодным режущим процессом, который позволяет быстро производить малые и большие партии деталей даже для сложных проектов. Гидравлическая резка представляет собой сверхзвуковой эрозионный процесс.  Гидрорезка без абразива позволяет резать материалы, которые режутся ножом, а абразивная гидрорезка может резать любые более прочные материалы.

Первоначальной технологией обработки материала струей воды стала гидроструйная резка без абразива. Первое коммерческое применение технологии пришлось на начало 70-х годов прошлого века, когда гидроструйная резка без абразива стала использоваться для гофрированного картона. Наиболее широко гидрорезка без абразива применяется для резки одноразовых подгузников, санитарно-гигиенической бумаги и элементов салона автомобилей. В случае санитарно-гигиенической бумаги и одноразовых подгузников в процессе гидрорезки материал смачивается меньше, чем при прикосновении или дыхании на него.

Гидрорезка без абразива также может применяться для удаления покрытия, например краски с корпуса судна. Для получения дополнительной информации о подобном применении щелкните здесь.

Отличительные особенности систем гидрорезки без абразива

• Очень тонкая струя (обычно диаметр составляет от 0,076 до 0,254 мм)
• Очень точная и тонкая геометрия
• Очень малая потеря материала в процессе резки
• Отсутствие нагрева при резке
• Резка очень толстого материала
• Резка очень тонкого материала
• Обычно резка происходит очень быстро
• Возможность резки мягких, легких материалов
• (например, изоляции стекловолокна толщиной до 24 дюймов)
• Исключительно малое усилие при резке
• Простота крепления
• Возможность круглосуточной работы

Бумагорезальные системы на основе гидрорезки позволяют быстро и эффективно резать бумажные материалы. Эксплуатация бумагорезальных систем на основе гидрорезки обеспечивает прибыльность и экономию. При гидравлической резке не образуется взвешенная в воздухе пыль. Резка без образования пыли улучшает рабочие условия, безопасность и обеспечивает более высокое качество продукции. При выполнении многих задач по резке салфеток и бумажных полотенец бумагорезальные системы на основе гидрорезки позволяют устранить операцию перемотки, что обеспечивает экономию капитальных вложений в оборудование за счет линейной резки.  Нож на основе гидрорезки можно установить непосредственно на станок, а кромка отвечает всем требованиям к операциям разделки бумаги. 

Гранатовый абразив используется в 99 % систем гидрорезки в связи с его режущими свойствами, неизменностью, стоимостью, интенсивностью износа режущей головки и безопасностью. Зернистость гранатового абразива, обычно используемого в настоящее время в системах гидрорезки, находится в диапазоне от 50 до 220, и наиболее часто используется абразив с зернистостью 80. Чем выше значение зернистости, тем более мелкий размер частиц абразива. Зернистость 320 примерно соответствует пыли.

Значения зернистости не соответствуют точному размеру частиц, а означают то или иное распределение частиц различного размера. Абразив с зернистостью 80 будет включать какое-то количество более крупных и более мелких частиц, чем те, что точно соответствуют ситу с ячейками размером 80. Зернистость обычно определяется в результате прохождения абразива через ряд сит, размер ячеек которых уменьшается сверху вниз. При обработке материалов системами абразивной гидрорезки обычно используются абразивы с зернистостью от 220 до 50, чаще всего — 80 и 120. Чем больше значение зернистости (номер сита), тем мельче частицы.

Аббревиатура CFRP означает (Carbon Fiber Reinforced Plastic — пластик, армированный углеродным волокном). Армированные углеродным волокном композитные материалы используются для изготовления теннисных ракеток, клюшек для гольфа, протезов и современных самолетов. В данном определении используем пример коммерческого авиалайнера. Компании Boeing и Airbus используют композитные материалы при изготовлении крыльев, лонжеронов, стоек, хвостовой части фюзеляжа, так как их свойства превосходят свойства алюминия. Резка композитных материалов с использованием традиционных процессов механической обработки и подачи может приводить к расслоению, образованию микротрещин, заусенцев и вытянутых волокон. Резка с помощью гидрорезки позволяет избежать этих проблем.

Современные легкие, передовые композитные материалы могут быть твердыми и жесткими как сталь или гибкими как резина, но при этом выдерживать нагрузки, возникающие при полете на сверхзвуковых скоростях. Те же характеристики, которые делают эти материалы такими прочными, делают их и исключительно сложными для резки. Разработчики композитных материалов продолжают находить новые сочетания материалов, которые представляют сложность для традиционной механической обработки.

До недавнего времени для резки этих нетрадиционных материалов использовались традиционные методы резки, фрезы с алмазными и твердосплавными режущими кромками, ленточные, торцовочные пилы и абразивные диски. Из-за состава и направления волокон передовых композитных материалов их резка традиционными методами приводит к повреждению в результате нагрева, размочаливая или расслаивания кромок. Кроме того, эти методы часто являются медленными и нередко приводят к расслаиванию и другим проблемам, требующим дорогостоящей доработки.

Композитные материалы могут иметь различную форму. В высокотемпературных двигателях применяются металлы, армированные керамическими волокнами (композитные материалы с металлической матрицей). Обычно инженеры стремятся снизить вес, но при этом повысить прочность, гибкость или термостойкость. Эти материалы хорошо подходят производственным предприятиям, и при этом их можно быстро и точно резать с помощью систем гидрорезки, не повреждая материал.

Роторные насосы с прямым приводом используются в более чем 20 % установленных в мире систем гидрорезки. В отличие от насосов-мультипликторов, роторные насосы с прямым приводом не имеют гидравлического насоса. В этих насосах, иногда называемых насосами-триплексами, для создания сверхвысокого давления воды используется электрический мотор, который вращает коленчатый вал с тремя поршнями.

Линейный насос-мультипликатор изначально использовался для гидрорезки и является наиболее распространенной технологией. Насосы-мультипликаторы создают давление воды, используя принцип умножения давления.

Принцип умножения давления или соотношения реализуется за счет разницы площади сечения поршня и плунжера, позволяющей повышать давление. Гидравлическое масло опрессовывается и под низким давлением действует на поршень, площадь сечения которого в 20 раз больше, чем площадь сечения плунжера высокого давления, который создает давление воды. Следовательно, давление увеличивается (умножается) в двадцать раз. Например, в случае соотношения площади поперечного сечения поршня и плунжера 20:1 давление масла 207 бар обеспечивает давление воды 4 100 бар.

Обратные клапаны применяются в насосах систем гидрорезки. Они обеспечивают прохождение среды, в данном случае воды, только в одном направлении.

Например, вода под небольшим давлением поступает по обычному шлангу низкого давления в насос для создания давления. После создания давления обратный клапан низкого давления не позволяет воде проходить обратно, так как это сразу приведет к разрыву шланга низкого давления. Вместо этого открывается другой обратный клапан, позволяющий воде под большим давлением безопасно поступать по стальным патрубкам высокого давления к режущей головке.

При резании с помощью станка гидрорезки, обеспечивающего плавное и точное движение режущей головки, возможно получение гладкой кромки. Когда скорость резки превышает примерно 50 % максимальной скорости резки, в нижней части поверхности реза обычно наблюдается волнистость. Это явление называется бороздчатостью. Переходная зона — это глубина, на которой гладкая кромка становится бороздчатой. При 70 % максимальной скорости резки переходная зона начинается выше 60 % высоты поверхности реза.

В обеспечивающей перемещение системе на приводные двигатели от приводных усилителей ЧПУ поступает постоянное напряжение прямой или обратной полярности, чтобы обеспечить вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки. Это вращение приводит в движение станок.

Программное обеспечение для программирования также называется программным обеспечением CAM (системой автоматизированного управления производством). Программное обеспечение для программирования обычно выполняется на ПК, хотя оснастку станков обычно можно программировать непосредственно через интерфейс станка. Программист импортирует ранее созданный в системе CAD чертеж в виде файла формата DXF или DWG (либо другого формата) либо заново создает контуры детали в программном обеспечении CAM.

Программист использует программное обеспечение для программирования гидрорезки, чтобы добавить точки начала и окончания движения, указать направление резки, коррекцию на режущий инструмент и необходимую скорость подачи. Затем этот файл передается в систему управления для выполнения при вырезании детали.

Режущая головка гидрорезки преобразует давление воды в скорость при прохождении через сопло из драгоценного камня.  

В случае резки с помощью гидрорезки с абразивом режущая головка также имеет смесительную камеру и трубку.  Иногда говорят о наличии на режущей головке запорного клапана.  Этот клапан находится перед самым отверстием и позволяет оператору или контроллеру ЧПУ с помощью поплавка и седла определенного типа открывать или перекрывать поток воды гидрорезки.

В отрасли гидрорезки существуют разные определения интервалов уровней давления. Сверхвысокое давление соответствует интервалу от 276 МПа до 517 МПа. В системах гидрорезки большинство насосов работают под давлением 379 – 412 МПа.

Система обратной связи системы перемещения передает системе управления ЧПУ данные о положении и, возможно, скорости. Система управления получает информацию о том, что станок выполнил поставленную задачу.

Чем выше точность управляющего устройства, мотора и системы обратной связи, тем точнее движется режущая головка гидрорезки. Системами обратной связи могут служить установленные на моторах датчики положения, ленточные и стеклянные шкалы, закрепленные на раме станка в направлении движения, и другие средства.

В подвижной системе в систему управления поступают программа обработки детали, команды управления скоростью и включением (выключением) струи, которые она преобразует в понятный электрической системе язык. Обычно используется система ЧПУ (числового программного управления), система управления на основе компьютера или гибридная система, включающая элементы этих двух систем.  

Например, инженер или конструктор может начертить квадрат, который нужно вырезать гидрорезкой, в системе САПР (системе автоматизированного проектирования), например AutoCAD®. Затем программист (это может быть тот же специалист) берет чертеж квадрата в виде файла в формате DXF или DWG и загружает его в программное обеспечение CAM (систему автоматизированного управления производством).  

При этом программист добавляет точки начала и окончания движения гидрорезки, направление резки, коррекцию на режущий инструмент и необходимую скорость подачи. Затем этот файл передается системе управления, оператор которой (опять может быть тем же специалистом) открывает его в системе управления станка, устанавливает режущую головку в точку начала на заготовке и нажимает кнопку запуска цикла обработки, чтобы вырезать деталь.

Затем система управления преобразует файл резки в электрические сигналы, поступающие от управляющих элементов системы управления на электродвигатели станка для приведения станка в движение.  Кроме того, система управления подает цифровые выходные сигналы, автоматически запускающие или прекращающие подачу воды и абразива.  

При гидрорезке повышение давления повышает скорость потока гидрорезки.

При выходе потока из сопла все зависит от скорости. После прохождения водой сопла в потоке не остается давления.

В случае абразивной гидрорезки по мере повышения скорости потока ускоряется процесс резки. Чем меньше диаметр струи, тем меньше требуется абразивного материала. 

Используемая в абразивной гидрорезке смесительная трубка является конечным элементом режущей головки. При прохождении через сопло из драгоценного камня давление воды преобразуется в скорость.

Затем движущаяся со сверхзвуковой скоростью струя воды поступает в смесительную камеру, где абразив затягивается в головку за счет эффекта Вентури. Затем вода с абразивом проходит через смесительную трубку и выходит в виде смеси воды, абразива и некоторого количества воздуха.

Внутренний диаметр смесительной трубки может быть от 0,381 до 1,778 мм, а ее длина составляет от 30,81 до 150,24 мм. На входе отверстие трубки конусное. Наиболее часто используются смесительные трубки с внутренним диаметром 1,016 мм и длиной 101,60 мм. С такими трубками обычно используется абразив зернистостью 80. При обычной резке смесительная трубка из высококачественного материала (нанозернистый композитный карбид с очень малым количеством вяжущего вещества для обеспечения максимальной стойкости износу) изнашивается со скоростью увеличения диаметра примерно на 0,025 мм за 6 – 8 часов работы, при этом износ происходит концентрически.

Для создания потока воды без абразива для гидрорезки давление воды необходимо преобразовать в скорость. Это преобразование происходит при прохождении воды через мельчайшее сопло из драгоценного камня. Отверстие в сапфире, рубине или алмазе имеет диаметр от 0,08 до 0,51 мм (обычно 0,36 мм). Чем больше диаметр сопла, тем больше воды и энергии требуется для поддержания давления.

Диаметр сопла не определяет максимальное давление воды — максимальное давление определяется только мощностью и конструкцией насоса. 

Сопло может разрываться струей воды по двум основным причинам. Первая — на сопле может откладываться кальций, который скалывается и приводит к мгновенному выходу сопла из строя. Вторая — кромка сопла может стать скругленной или расколоться под действием частиц. В случае систем гидрорезки сопло либо находится в хорошем состоянии, либо выходит из строя. Постепенный износ встречается редко. Сопла из сапфира и рубина служат 40 – 200 часов, в зависимости от применения и давления, при условии хорошего качества воды. Алмазные сопла примерно в 8 – 10 раз дороже, но их срок службы тоже в 8 – 10 раз больше.

В гидрорезках по трубопроводам высокого давления вода безопасно поступает от создающего давление воды насоса гидрорезки к режущей головке. Трубопровод может состоять из обладающих некоторой гибкостью, изготовленных из нержавеющей стали трубок с наружным диаметром 6,4, 9,5 или 14,3 мм, тройников, уголков и шарнирных элементов. Конструкция и номинальные характеристики трубопровода HyperPressure™ и обычного трубопровода сверхвысокого давления различаются.

В случае гидрорезок удельная мощность резки показывает, какое количество энергии можно передать на определенную площадь. Меньший поток при более высоком давлении означает более высокую скорость потока и удельную мощность, чем более широкий поток при более низком давлении (скорости).  

Точность обработанной детали — это совокупность технологической погрешности (гидрорезка), погрешности станка (скорость, плавность и точность движения по координатам XY) и стабильности заготовки (крепление, ровность поверхности, однородность материала и неизменность температуры).

Струя воды не является жесткой и может изгибаться и смещаться в материале.  На точность могут оказывать влияние параметры и нежесткие характеристики струи гидрорезки, например отставание и конусность струи, скорость подачи абразива и т. д. Контролю этих характеристик уделяется основное внимание поставщиков систем гидрорезки на протяжении многих лет.

Гидрорезка Dynamic Waterjet® автоматически компенсирует отставание и конусность струи, позволяя резать в 2 – 4 раза быстрее и обеспечивая точность изготовления деталей с допуском от 0,025 до 0,076 мм.

Ширина реза — это ширина разреза, паза или выемки, полученной в результате резки. В случае гидрорезки с абразивом на значение ширины реза непосредственно влияет диаметр смесительной трубки. Ширина реза примерно на 10 % больше диаметра смесительной трубки.

Таким образом в случае смесительной трубки диаметром 0,76 мм ширина реза будет составлять 0,84 мм. Конечно, по мере увеличения диаметра трубки ширина реза увеличивается. За 8 часов прохождения струи диаметр трубки увеличивается примерно на 0,025 мм.

Малая ширина реза гидрорезки является ключевым показателем, позволяющим изготавливать сложные детали. Для гидрорезки без абразива ширина реза составляет от 0,076 до 0,381 мм, а для абразивной гидрорезки ширина реза составляет от 0,381 до 1,778 мм (обычно 1,016 мм).

Вакуум, возникающий при переходе жидкости или среды с высокой скоростью из трубы с большим сечением в трубу с меньшим сечением. При абразивной гидрорезке эффект Вентури создается потоком чистой воды, проходящим через смесительную камеру большего сечения и поступающим в смесительную трубку меньшего сечения.

Абразивный материал втягивается за счет эффекта Вентури в смесительную камеру, а затем ускоряется как пуля в ружейном стволе или заряд в пневматическом оружии, вылетая из смесительной трубки и создавая абразивную режущую струю.