Гидроабразивная резка: устройство, давление, абразив, конусность и качество кромки

Сравнение трёх способов раскроя — лазера, плазмы и гидроабразива — разобрано в статье «Лазерная, плазменная или гидроабразивная резка». Здесь — подробно про гидроабразивную резку: как устроен станок, какие параметры смотреть в паспорте и как задать кромку в заявке.

Как устроен станок: насос и режущая головка

Насос: мультипликатор или прямой привод

Flow разделяет насосы на два типа. Мультипликаторный (intensifier) работает на гидравлике: масло под давлением около 3000 psi давит на поршень, площадь которого примерно в 20 раз больше площади плунжера, толкающего воду. Давление умножается в 20 раз и получается 60 000 psi. Насос с прямым приводом (direct drive, триплекс) создаёт давление коленвалом с тремя плунжерами без промежуточной гидравлики.

Пример из описания Flow: pв = 3000 · 20 = 60 000 psi, то есть около 4137 бар.

Сравнение Flow: мультипликатор достигает более высоких давлений и реже требует обслуживания, прямой привод электрически экономичнее и компактнее. Flow относит к сверхвысокому давлению диапазон 40 000–75 000 psi, большинство систем работает на 55 000–60 000 psi, выше 75 000 psi — область HyperPressure.

Диаметр сопла и мощность насоса связаны: у OMAX 160X насос 30 HP работает с соплом 0,012″ (0,30 мм) при расходе воды 0,67 галлона в минуту, насос 100 HP — с соплом 0,022″ (0,56 мм) и 2,25 галлона в минуту (около 8,5 л/мин). Больше мощности — больше воды через большее сопло и быстрее рез.

OMAX отмечает, что при давлении выше 60 000 psi обслуживания требуется больше. Высокое давление режет быстрее, но уплотнения и трубки изнашиваются активнее — это надо учитывать в стоимости часа.

Режущая головка

По описанию OMAX, вода под высоким давлением проходит через сопло (orifice — отверстие в камне) и попадает в более широкую смесительную камеру. Струя затягивает туда абразив из подающей трубки. Смесь разгоняется в смесительной трубке (её ещё называют фокусирующей) и выходит на деталь.

У ProtoMAX сопло 0,008″ (0,20 мм), смесительная трубка — внутренний диаметр 0,030″ (0,76 мм), длина 2,25″ (57 мм). Трубку делают из износостойкого материала: смесительные трубки OMAX ROCTEC — на основе карбида вольфрама.

Абразив и расход

Стандартный абразив — гранат (альмандин). OMAX объясняет выбор сочетанием твёрдости 7,5–8 по Моосу и высокой плотности (удельный вес 4,1), доступностью и ценой. Бывает аллювиальный гранат с окатанными зёрнами и дроблёный горный — с острыми гранями.

Расход абразива зависит от насоса и сопла. OMAX называет типичный порядок около 1 фунта в минуту (около 0,45 кг/мин), у ProtoMAX — 0,25 фунта в минуту (около 0,11 кг/мин). Для стекла OMAX рекомендует 120 mesh при подаче около 0,4 фунта в минуту — чтобы меньше скалывалась кромка.

Абразив — одна из основных статей расходов гидроабразива наряду с износом трубок и уплотнений насоса. Поэтому при сравнении с лазером считают не только скорость, но и расход граната на метр реза.

Смесительная трубка: износ, ширина реза и компенсация

Абразив изнашивает трубку изнутри: отверстие расширяется, струя становится шире и менее точной. Износ бывает неравномерным — струя приобретает эллиптическое сечение, и смещение инструмента начинает зависеть от направления реза.

С трубкой 0,030″ (0,76 мм) ширина реза, по данным OMAX, бывает от 0,015″ до 0,060″ (0,38–1,52 мм) — в зависимости от сопла, толщины материала и износа трубки. Поэтому:

• ширину реза регулярно измеряют на пробном резе и вводят в программу как смещение инструмента — половину ширины реза;
• трубку поворачивают на четверть оборота каждые 8 часов резки (рекомендация OMAX), чтобы она изнашивалась равномернее;
• трубку меняют, когда размеры деталей выходят за допуск, либо при засоре — чаще всего из-за загрязнённого абразива.

Пример: на пробном резе ширина получилась 0,9 мм, значит смещение инструмента — 0,45 мм. Если через смену рез стал 1,0 мм, а смещение не поменяли, с каждой стороны снимется лишних 0,05 мм и наружный размер детали станет меньше на 0,1 мм.

Конусность и качество кромки

Струя по глубине теряет энергию, и рез получается неравномерной ширины. OMAX различает три вида конусности:

• V-образная — рез сверху шире, чем снизу, деталь сверху меньше, чем снизу;
• обратная — рез снизу шире;
• нулевая — ширина одинакова.

Конусность зависит от скорости, материала, геометрии и того, прямой это участок или дуга. Способы борьбы у OMAX: подбор скорости для минимальной конусности (медленнее), наклон режущей головки с автоматическим расчётом угла (SmartTAPER, с 1997 года) и расчёт угла в каждой точке траектории (IntelliTAPER). Для OMAX 160X производитель предлагает приспособление TiltaJet и заявляет с ним практически нулевую конусность.

Классы качества Q1–Q5

Гидроабразивная резка не входит в ГОСТ Р ИСО 9013, поэтому качество кромки задают классами производителя станка. У OMAX их пять:

Правило одно: чем быстрее рез, тем грубее кромка. Для заготовки под фрезеровку хватит Q1–Q2, для видимой кромки и посадки — Q4–Q5.

Точность станка производители указывают по столу: у линий OMAX — ±0,001″ (±0,025 мм), у ProtoMAX — ±0,005″ (±0,127 мм). OMAX подчёркивает, что точность готовой детали хуже: на неё влияют материал, закрепление и режим резки.

Какие материалы режет и где ограничения

Материалы. OMAX перечисляет алюминий, латунь, бронзу, медь, нержавеющую сталь, титан, вольфрам, углепластик, стеклопластик, кевлар, стекло, керамику, гранит, мрамор. Абразивная струя, по данным OMAX, режет большинство материалов толщиной до 12 дюймов (около 300 мм), но основная часть работ — до 3 дюймов (около 75 мм).

Нет ЗТВ. Процесс холодный: у кромки нет зоны термического влияния, свойства материала не меняются, нет закалённой кромки, которая мешает последующей мехобработке. Это главный аргумент для титана, закалённых сталей и деталей, которые нельзя перегревать.

Хрупкие и слоистые материалы. Опасный момент — пробивка. Для стекла OMAX советует пробивать на пониженном давлении, обычно 10 000–15 000 psi, включать щадящий режим пробивки (Brittle Mode) и класть лист на ровную сплошную опору. Вакуумная подача абразива повышает надёжность пробивки материалов, которые при ней трескаются или расслаиваются. Закалённое стекло резать нельзя — оно разрушится.

Ограничения:

• скорость: OMAX признаёт, что плазма обычно режет быстрее, хотя кромка у гидроабразива лучше;
• стоимость часа складывается из абразива, электроэнергии, воды, износа сопла, трубок и уплотнений насоса — на толстом листе расход абразива на деталь заметен;
• конусность и износ трубки требуют контроля размеров в течение смены;
• деталь мокрая: для чувствительных к коррозии материалов оговорите сушку и консервацию.

Когда выбирать гидроабразив вместо лазера и плазмы

Если деталь из обычной стали и кромку не нагружают, гидроабразив почти всегда проиграет по времени. Когда же нельзя греть или материал неметаллический, лазер и плазма обычно не подходят, и гидроабразив становится основным вариантом. Как выбрать ток и сопло, если выбор пал на плазму, — в статье «Плазменная резка: как выбрать ток и сопло».

Как задать требования в заявке

1. Материал, марка, толщина — от них зависят режим, расход абразива и время.
2. Допуски на размеры и где они важны: на гидроабразиве размеры сверху и снизу могут отличаться из-за конусности.
3. Класс кромки в терминах цеха (например, Q3 или Q5 у станков OMAX) — или «кромка под мехобработку», если потом её всё равно фрезеруют.
4. Конусность: допустима или нужна компенсация наклоном головки — не на каждом станке она есть.
5. Для стекла, композитов и хрупких материалов — предупредите цех: нужна пробивка на пониженном давлении или предварительное сверление точки врезки.
6. Файл — как для лазера: замкнутые контуры в масштабе 1:1, правила в статье «Как подготовить DXF для лазерной резки».

Массу заготовок для оценки стоимости металла посчитает калькулятор массы металла.