CC BY
176
УДК 621.924.93:621.92.02
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., зам. декана, (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Говорова, ассистент, (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ СОВРЕМЕННОГО ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
На основе анализа доступных данных процесса гидроабразивного резания различных материалов обосновывается целесообразность проведения исследований влияния износа проточной части струйного инструмента на эффективность его работы.
Ключевые слова: гидроабразивная резка, герметизированная вода, порошкообразный абразив, струя жидкости, инструмент.
Гидроабразивная резка использует принцип герметизированной воды, предварительно смешанной с порошкообразным абразивом и вытекающей под высоким давлением через очень малое отверстие, выполненное в твердом материале. Этот вид резки является альтернативой механической, лазерной, плазменной, а в некоторых случаях единственно возможной.
Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет 0,6...2,0 мм, отход материала меньше, чем при традиционных методах обработки, рез можно начинать в любой точке заготовки без предварительного выполнения отверстия.
Небольшие сила (1.100 Н) и температура +60.+90°С в зоне резания, исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в зоне реза. Струя не изменяет физико-механические свойства обрабатываемого материала.
Способ гидроабразивной резки материалов позволяет решать многие технологические проблемы при сложном фигурном раскрое металлов, пластмасс, стекла и плит из природного камня.
Камень - особенно сложный для обработки материал, требует от обработчика больших знаний, опыта, предельной аккуратности и внимания. Однако даже наличие всех перечисленных качеств не избавляет процесс от издержек, связанных с природной структурой камня. А это, в свою очередь, ведет к повышению расхода материала и, соответственно, к повышению стоимости изделия. Гидрорезное оборудование позволяет с высокой точностью воспроизводить задуманное художником. Наличие координатного технологического стола и соответствующего программного обеспечения позволяют создавать композиции из различных материалов и сложные элементы контуров. Одни из них будут с высокой степенью точ-
ности совмещаться с такими же сложными по форме другими контурами. Причем сделать это можно как с монтажным зазором (или как его еще называют "швом"), так и без него. Ценность подобной автоматизации заключается еще и в том, что информация об изделии (об его профиле) в виде управляющей программы (и исходного чертежа) может храниться сколь угодно долго. В случае разрушения изделия, оно может быть точно восстановлено. Кроме того, это позволяет тиражировать изделие, быстро переходить к выпуску, как новых изделий путем модификации существующего каталога, так и изделий уже производившихся, но новых требуемых размеров.
На оборудовании для гидроабразивной резки возможно применение программного обеспечения для оптимального (в смысле минимизации отходов) раскроя листа, что позволяет во многих случаях значительно сократить количество отходов.
Открываются новые возможности, связанные с применением гидрорезного оборудования, например, получение очень тонких (до 0.3мм) элементов конструкций из камня, резка пожаро- и взрывоопасных материалов, материалов, выделяющих при применении термических, в частности лазерных, технологий ядовитые компоненты; материалов, имеющих неоднородную структуру, и разрушающихся, пусть частично, при нагревании (стекло, цветные металлы, черные металлы большой толщины, композитные материалы, материалы из сложных органических соединений).
Гидроабразивная струя - это значительно более экономичный, в сравнении с традиционным режущим инструментом, элемент технологического процесса. Например, при обработке полимерных композиционных материалов, типа углепластиков, концевая фреза из твердого сплава имеет ресурс немногим более трех часов, а водное сопло для обработки этого же материала работает нескольких сотен часов и более, процесс протекает без выделения пыли.
Хотя технология гидравлической резки применяется уже много лет, гидроабразивное оборудование только недавно вышло на рынки сбыта и стало самым динамичным сегментом роста станкостроительной промышленности в мире. Имея среднегодовые темпы роста около 9 %, оно успешно конкурирует с механической и лазерной обработкой материалов.
Гидроабразивной струей можно резать многие материалы: бумага, картон, ткани, кожа, резина, древесина, полимерные материалы (винипласт, фторопласт, органическое стекло, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит), фольгированная и металлизированная пластмасса, металлы и сплавы, в том числе труднообрабатываемые (твердые и магнитные сплавы, титан, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали), композиционные материалы, керамика, натуральный и искусственный гранит и мрамор, стекло и др.
Преимущества гидроабразивной резки:
метод гидроабразивной резки может быть применён абсолютно к любым материалам
разрезаемый материал не подвергается термическому воздействию (холодное резание);
отсутствие пыли и вредных газов (поток струи воды уносит пыль с
собой);
инструмент резки (струя воды или вода + абразив) не нуждается в переточке;
низкое тангенциальное усилие резания на деталь (в общем случае даже не требуется зажима разрезаемого материала);
небольшая, порядка 1 мм, ширина реза (уменьшение отходов и улучшение экономичности раскроя); высокая скорость резания;
возможность резки сложных контуров по фасонным поверхностям;
рациональный расход материалов;
быстрое реагирование на нужды производства.
Разработанный ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского совместно с фирмой НИТЕП способ гидроабразивного резания заключается в одновременном воздействии на горные породы и твердые материалы водноабразивной суспензии, подаваемой под давлением к месту их обработки.
Принципиальная схема способа представлена на рис. 1, а, где 1 -гидроабразивный режущий инструмент, 2 - шланг для подачи воды, 3 -шланг для подачи сухого порошкообразного абразива.
С помощью новой гидроабразивной технологии резания могут производиться следующие виды работ:
- холодная резка металлов и сплавов толщиной до 300 мм;
- резание металлоконструкций, бронированного кабеля и прочих твердых материалов при монтаже и демонтаже оборудования и в экстремальных условиях при проведении спасательных работ;
- утилизация боеприпасов и военной техники;
- резание бетона и железобетона при выполнении строительных работ, ремонте теплотрасс, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений;
- ослабление горного массива нарезанием разгрузочных щелей;
- ремонт горных выработок, восстановление их сечения, оконтури-вание забоев подготовительных выработок;
- резание резины, стекла, керамики и других труднообрабатываемых материалов;
- очистка металлических поверхностей (конструкций мостов и эстакад, шахтных копров, корпусов морских и речных судов и др.) от ржавчины, краски и различных загрязнений;
- полировка металлических поверхностей с использованием различных типов абразивов; очистка литейных форм и отливок;
- очистка транспортных средств (шахтных вагонеток, думпкаров и др.) от налипающих материалов;
- очистка тоннелей, зданий и сооружений от различного рода покрытий и загрязнений.
Рис. 1. Принципиальная схема гидроабразивного резания
При выполнении указанных работ обеспечивается низкая стоимость расходных материалов и высокая эксплуатационная надежность оборудования.
Для гидроабразивного резания твердых материалов создана стационарная установка (рис. 1, б), состоящая из рамы 1, суппорта 2. гидроабразивного режущего инструмента 3, стабилизатора 4, каретки 5, привода 6, винтовой передачи 7, грузовой тележки 8, на которой устанавливается обрабатываемый материал 9, поддона 10, бункера 11, эжекционного дозатора 12, стойки бункера 13, компрессора 14.
Для механизации различных видов вспомогательных работ создан мобильный орган гидроабразивного резания, который в зависимости от выполняемых работ может быть укомплектован источником высокого давления мощностью 17-140 кВт. Дистанционная подача абразива в гидроабразивный режущий инструмент на расстояние до 20 м обеспечивается из бункера вместимостью 50-200 кг сухого абразива.
Схема мобильного агрегата представлена на рис. 2, а, где 1 - гидроабразивный инструмент, 2 - ручной манипулятор, 3 - шасси, 4 - источник высокого давления, 5 - бак-питатель абразива.
Гидроабразивный агрегат комплектуется источником гидравлической энергии из разработанного параметрического ряда, генерирующим давление воды до 300 МПа, а также может быть укомплектован ручным резаком для гидроабразивного резания твердых материалов и очистки технологического оборудования от старых покрытий и загрязнений.
Схема ручного резака для гидроабразивного резания показана,на рис. 2, б, где 1 -гидроабразивный инструмент, 2 - защитный экран, 3 -ствол, 4 - рукоятка, 5 - запорный механизм, 6 - приклад.
Рис. 2. Стационарная установка для гидроабразивного резания
Оригинальные конструктивные решения, использованные при разработке и создании оборудования для гидроабразивного резания, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и патентами РФ.
Преимущества гидроабразивного способа резания горных пород и твердых материалов:
- отсутствие контакта инструмента с разрезаемым материалом;
- высокая эффективность резания твердых абразивных материалов;
- произвольная конфигурация нарезаемых щелей;
- не вызывает расслоения композиционных материалов;
- отсутствие остаточных напряжений в разрабатываемых материалах;
- возможность удаленного расположения энергетического оборудования;
- возможность одновременного нарезания нескольких щелей;
- пожаро-взрывобезопасность ведения работ в загазованной среде и других экстремальных условиях вследствие искрения, а также выделений пыли и газов.
Water Jet Sweden AB (Швеция) является европейским лидером по производству высокотехнологичных прецизионных установок гидроабразивной/водной резки. Специалисты компании имеют более чем 30-летний опыт в проектировании и производстве таких станков с применением ЧПУ.
Чрезвычайно высокая механическая точность приводов, использующих прецизионные шарико-винтовые пары BOSCH или линейные двигатели, собственный всемирно известный патент на встроенную систему направляющих, а также совместная работа с ведущим поставщиком систем управления FANUC, позволила Water Jet Sweden производить установки гидроабразивной резки с крупногабаритной поперечной балкой, которая быстро и легко перемещается и работает с максимальной точностью.
Разработан и с успехом применяется уникальный метод гидроабразивной обработки любых поверхностей произвольной формы от органических и неорганических загрязнений, а так же от различных видов покрытий. Данный метод позволяет заменить устаревшие способы очистки пескоструйную, дробеструйную, водоструйную и механическую на более качественную и экологичную гидроабразивную.
Суть данной технологии заключается в гидроабразивной обработке поверхности воздушными струями наполненными мелкодисперсными частицами воды с абразивом (низконапорная струя пульпы смешивается с высоконапорной воздушной струей и разгоняется в смесительной камере до звуковой скорости).
Данный метод позволяет выполнять операции очистки поверхности металлов и неметаллов от органических и неорганических загрязнений, удалять покрытия, в том числе послойно, придавать поверхности новые адгезионные свойства, производить декоративную отделку поверхности изделий.
Преимущества технологии гидроабразивной обработки поверхностей:
• сохранение формы и шероховатости обрабатываемой поверхности (от Ra 0,5 мкм);
• отсутствие контролируемой степени наклепа обрабатываемых поверхностей позволяет обрабатывать тонкие и ажурные поверхности;
• отсутствие съема основного металла, унос основного материала на порядок меньше других способов обработки (пескоструйная и дро-беметная очистка);
возможность обработки тонколистовых, хрупких, полированных материалов;
возможность проведения последующей дефектоскопии поверхности
- ГАО проявляет микротрещины, микропоры, свищи, что крайне важно в дефектоскопии;
взрывобезопасность, пожаробезопасность;
ликвидация центров коррозии (на металлах);
экологичность метода (работа по замкнутому циклу - возможность многократного использования пульпы), абразив (гранат) имеет гигиенический сертификат, разрешен к применению в Европе.
Разработкой оборудования и инструмента для гидроабразивной резки материалов в настоящее время занимается много отечественных и зарубежных фирм.
Не смотря на разнообразие конструктивных решений и гидравлических параметров, принципиальных отличий инструменты для гидроабразивной резки различных фирм не имеют.
Гидроабразивный инструмент (рис. 3), предложенный специалистами кафедры горных машин и комплексов Тульского государственного
университета (ныне входящей в состав кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений) [1, 2], состоит из несущего корпуса 1, к которому подведены трубопроводы подачи воды и угля. В конце центрального канала подачи высоконапорной воды в расточке, при помощи гайки 2, закреплена струеформирующая насадка 3. Трубопровод подачи абразива диаметром 16 мм присоединяется к штуцеру 4, под которым располагается дроссельная шайба 5.
Рис. 3. Гидроабразивный инструмент:
1 - корпус; 2 - гайка; 3 - струеформирующая насадка; 4 - штуцер;
5 - дроссельная шайба; 6 - камера смешения; 7 - конфузор;
8 - коллиматор
Внутри корпуса 1 выполнена полость - камера смешения 6 имеющая внутренний диаметр D = 20 мм и длину L = 20 мм, ограничиваемая снизу съемной частью корпуса с конфузором 7 и коллиматором 8.
Высоконапорная вода от преобразователя давления по трубопроводу подается к гидроабразивному инструменту. В гидравлическом инструменте по центральному каналу вода поступает к струеформирующей насадке 3, проходя которую, попадает в камеру смешения 6.
Туда же, в камеру смешения 6, через штуцер 4 и дроссельную шайбу 5 поступает абразив.
В камере смешения 6 происходит насыщение водяной струи абразивными частицами. Далее водо-абразивная струя, проходя через конфузор 7 и коллиматор 8, попадает непосредственно на подложку-катализатор. В коллиматоре 8 происходит успокоение потока, устранение завихрений, возникших в камере смешения.
С этим инструментом были проведены экспериментальные исследования влияния гидравлических параметров, а также диаметров коллиматоров и насадок на эффективность щелеобразования.
Для проведения исследований применялась сруеформирующая насадка, коэффициент расхода которой* = 0,75.Диаметр струеформиру ю-
щей насадки составлял 0,4 мм, а диаметр коллиматора и выходной диаметр конфузора изменялся в пределах 2 - 5,5 мм.
Исследования [1, 2] показали, что влияние диаметров коллиматора и насадок весьма существенно. Так, при диаметре струеформирующей на-садк d0 = 0,4 мм для разных величинах давления воды от 60 до 180 МПа оптимальным является диаметр коллиматора dH = 3,5 мм. Увеличение этого диаметра до 4,5, 5 и 5,5 мм приводит к уменьшению глубины прорезаемой щели придлине коллиматора Ьк = 65 мм соответственно на 21,4, 28,5 и 42,9 %, а при длине коллиматора L к = 95 мм - соответственно на 13,8, 31 и 69 %.
Все детали гидроабразивного инструмента подвергаются сильному абразивному износу, приводящему к увеличению диаметров насадок и коллиматоров, поэтому струеформирующая насадка, конфузор и коллиматор выполнены сменными и изготавливаются из пластифицированного твердого сплава ВК8, но в порядке эксперимента материал коллиматора заменялся на Ст-3.
Возможны два подхода к решению вопроса повышения эффективности использования инструмента для гидромеханического разрушения материалов.
В тех случаях, когда при резании требуется высокое качество поверхности, зависящее от параметров струи, целесообразно повышение стойкости инструмента за счет применения для изготовления коллиматоров и насадок более износостойких (а, следовательно, более дорогих и, зачастую, труднообрабатываемых) материалов.
При разрушении горных пород не предъявляется повышенных требований к обрабатываемой поверхности, поэтому в этом случае представляется более предпочтительным обеспечить более частую замену инструмента или его струеформирующих элементов.
Список литературы
1. Гидроструйные технологии обработки горных пород / В.А. Бреннер [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 176 с.
K. Golovin, E. Govorova
About creating modern hydro-abrasive tool
Appropriateness of researching influence of flow part wearing jet tool to efficiency there using is based. Available date base on hydro-abrasive cutting process of different materials was analyzed.
Key words: hydroabrasive cutting, hermetically sealed water, powder-like abrasive, water jet, tool.
Получено 17.03.2010
