Водоструйный резак , также известный как водоструйный или гидроабразивный резак , представляет собой промышленный инструмент, способный резать самые разнообразные материалы с помощью струи воды чрезвычайно высокого давления или смеси воды и абразивного вещества. Термин «абразивная струя» относится конкретно к использованию смеси воды и абразива для резки твердых материалов, таких как металл, камень или стекло, тогда как термины « чистая гидроабразивная резка » и «резка только водой» относятся к гидроабразивной резке без использования добавленных абразивов. часто используется для более мягких материалов, таких как дерево или резина. [1]
Гидроабразивная резка часто применяется при изготовлении деталей машин. Это предпочтительный метод, когда разрезаемые материалы чувствительны к высоким температурам, создаваемым другими методами; примеры таких материалов включают пластик и алюминий . Гидроабразивная резка используется в различных отраслях промышленности, включая горнодобывающую и аэрокосмическую , для резки, придания формы и расширения . [2]
Хотя использование воды под высоким давлением для эрозии началось еще в середине 1800-х годов при гидравлической добыче полезных ископаемых , только в 1930-х годах узкие струи воды начали использоваться в качестве промышленного режущего устройства. В 1933 году компания Paper Patents в Висконсине разработала машину для измерения, резки и намотки бумаги, в которой использовалось диагонально движущееся водоструйное сопло для резки горизонтально движущегося листа непрерывной бумаги. [3] Эти ранние применения применялись при низком давлении и ограничивались мягкими материалами, такими как бумага.
Технология гидроабразивной резки развивалась в послевоенную эпоху, когда исследователи по всему миру искали новые методы эффективных систем резки. В 1956 году Карл Джонсон из Durox International в Люксембурге разработал метод резки пластиковых форм с использованием тонкой струи воды под высоким давлением, но эти материалы, такие как бумага, были мягкими. [4] В 1958 году Билли Швача из North American Aviation разработал систему, использующую жидкость сверхвысокого давления для резки твердых материалов. [5] В этой системе использовался насос с давлением 100 000 фунтов на квадратный дюйм (690 МПа) для подачи гиперзвуковой струи жидкости, которая могла резать высокопрочные сплавы, такие как нержавеющая сталь PH15-7-MO. Этот метод резки, используемый для резки сотового ламината для самолета North American XB-70 Valkyrie со скоростью 3 Маха , приводил к расслоению на высокой скорости, что требовало внесения изменений в производственный процесс. [6]
Хотя эта концепция не эффективна для проекта XB-70, она оказалась верной, и дальнейшие исследования в области гидроабразивной резки продолжились. В 1962 году Филип Райс из Union Carbide исследовал использование пульсирующей гидроабразивной струи с давлением до 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа) для резки металлов, камня и других материалов. [7] Исследования С. Дж. Лича и Г. Л. Уокера в середине 1960-х годов расширили традиционную гидроабразивную резку угля, чтобы определить идеальную форму сопла для гидроабразивной резки камня под высоким давлением, [8] и Нормана Франца в конце 1960-х сосредоточились на гидроабразивной резке. мягких материалов путем растворения длинноцепочечных полимеров в воде для улучшения сцепления струи. [9] В начале 1970-х годов желание повысить долговечность водоструйного сопла привело Рэя Чедвика, Майкла Курко и Джозефа Корриво из Bendix Corporation к идее использования кристалла корунда для формирования водоструйного отверстия, [10] ] , в то время как Норман Франц расширил эту тему и создал водоструйное сопло с отверстием всего 0,002 дюйма (0,051 мм), которое работало при давлении до 70 000 фунтов на квадратный дюйм (480 МПа). [11] Джон Олсен вместе с Джорджем Херлбертом и Луи Капсанди из компании Flow Research (позже Flow Industries) еще больше улучшили коммерческий потенциал водомета, показав, что предварительная обработка воды может увеличить срок службы сопла. [12]
Сосуды и насосы высокого давления стали доступными и надежными с появлением паровой энергии. К середине 1800-х годов паровозы были обычным явлением, и первая эффективная пожарная машина с паровым приводом была введена в эксплуатацию. [13] На рубеже веков надежность работы при высоком давлении улучшилась: исследования локомотивов привели к шестикратному увеличению давления в котле, некоторые из которых достигли 1600 фунтов на квадратный дюйм (11 МПа). Однако большинство насосов высокого давления в то время работали при давлении около 500–800 фунтов на квадратный дюйм (3,4–5,5 МПа).
Системы высокого давления получили дальнейшее развитие в авиационной, автомобильной и нефтяной промышленности. Производители самолетов, такие как Boeing, разработали уплотнения для систем управления с гидравлическим усилителем в 1940-х годах [14], в то время как конструкторы автомобилей провели аналогичные исследования для систем гидравлической подвески. [15] Более высокие давления в гидравлических системах нефтяной промышленности также привели к разработке современных уплотнений и набивок для предотвращения утечек. [16]
Эти достижения в технологии уплотнений, а также рост использования пластмасс в послевоенные годы привели к разработке первого надежного насоса высокого давления. Изобретение Марлекса Робертом Бэнксом и Джоном Полом Хоганом из Phillips Petroleum Company потребовало введения катализатора в полиэтилен. [17] Производственная компания McCartney в Бакстер-Спрингс, штат Канзас, начала производство этих насосов высокого давления в 1960 году для полиэтиленовой промышленности. [18] Компания Flow Industries в Кенте, штат Вашингтон, заложила основу для коммерческой жизнеспособности водоструйных систем, разработав Джоном Олсеном гидроусилитель высокого давления в 1973 году, [19] конструкция, которая была дополнительно усовершенствована в 1976 году. [20] Затем компания Flow Industries объединилась. исследования насосов высокого давления с их исследованием сопел для гидроабразивной резки и внедрение гидроабразивной резки в производственный мир. [ нужна цитата ]
Хотя резка водой возможна и для мягких материалов, добавление абразива превратило водоструйную машину в современный обрабатывающий инструмент для всех материалов. Это началось в 1935 году, когда Элмо Смит разработал идею добавления абразива в поток воды для струйной очистки жидким абразивом. [21] Конструкция Смита была усовершенствована Лесли Тирреллом из Hydroblast Corporation в 1937 году, в результате чего была создана конструкция сопла, создающая смесь воды под высоким давлением и абразива для влажной струйной очистки. [22]
Первые публикации о современной абразивной гидроабразивной резке (AWJ) были опубликованы Мохамедом Хашишем в ходе слушаний BHR 1982 года, впервые показавших, что гидроабразивная резка с относительно небольшим количеством абразива способна резать твердые материалы, такие как сталь и бетон. В мартовском выпуске журнала «Машиностроение» за 1984 год было представлено больше деталей и материалов, вырезанных с помощью AWJ, таких как титан, алюминий, стекло и камень. Мохамед Хашиш получил патент на создание AWJ в 1987 году. [23] Хашиш, который также ввел новый термин « абразивная гидроабразивная резка» , и его команда продолжали развивать и совершенствовать технологию AWJ и ее оборудование для многих применений. Важнейшим достижением стало создание прочной смесительной трубки, которая могла бы выдерживать мощность высокого давления AWJ, и именно компания Boride Products (теперь Kennametal) разработала линейку керамических композитных трубок из карбида вольфрама ROCTEC , которая значительно увеличила срок службы AWJ. насадка. [24] В настоящее время работа над соплами AWJ ведется над микроабразивными гидроабразивными струями, так что резка струями диаметром менее 0,015 дюйма (0,38 мм) может быть коммерциализирована.
Работая с Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Майкл Диксон внедрил первые практические средства резки титановых листов — абразивную систему гидроабразивной резки, очень похожую на те, которые широко используются сегодня. [23] К январю 1989 года эта система работала 24 часа в сутки, производя титановые детали для B-1B, в основном на заводе Rockwell North American Aviation в Ньюарке, штат Огайо.
Сегодня существует два различных типа абразивных водоструйных машин:
Абразивная водоструйная струя (AWSJ), которую часто называют «Slurry Jet» или «Water Abrasive Suspension Jet» (WAS), представляет собой особый тип абразивной водоструйной резки, который используется для гидроабразивной резки. В отличие от абразивно-водоструйного инжектора (AWIJ), абразивно-водоструйный (AWSJ) [25] характеризуется тем, что смешение абразива и воды происходит перед соплом. Это приводит к тому, что, в отличие от AWIJ, струя состоит всего из двух компонентов: воды и абразива.
Поскольку в AWSJ всего 2 компонента (вода и абразив), ускорение абразивных зерен водой происходит со значительно повышенной эффективностью по сравнению с AWIJ. [26] Абразивные зерна работают быстрее при использовании WASS, чем при использовании WAIS при той же гидравлической мощности системы. Таким образом, с помощью AWSJ можно выполнять сравнительно более глубокие и быстрые разрезы.
Резка AWSJ, в отличие от процесса резки AWIJ, описанного ниже, может также использоваться для мобильной резки и резки под водой, а также для обработки сложных материалов. [27] [28] [25] Примеры включают обезвреживание бомб, [29], а также демонтаж морских установок [30] или демонтаж корпусов реакторов на атомных электростанциях. [31]
АВПС [32] создается струей воды, которая проходит через камеру смешения (полость) после выхода из водяного сопла и попадает в фокусирующую трубку на выходе из камеры смешения. Взаимодействие струи воды в камере смешения с воздухом внутри создает отрицательное давление, струя воды увлекает частицы воздуха. Это отрицательное давление используется для пневмотранспорта абразива в камеру (абразив подается к боковому отверстию (отверстию) смесительной камеры с помощью шланга).
После контакта с абразивным материалом в смесительной камере струей воды отдельные абразивные зерна ускоряются и увлекаются в направлении фокусирующей трубки. Воздух, используемый в качестве несущей среды для транспортировки абразива в камеру смешивания, также становится частью AWIJ, который теперь состоит из трех компонентов (вода – абразив – воздух). В фокусирующей трубке, длина которой (должна быть) оптимизирована для этой цели, происходит дальнейшее ускорение абразива (передача энергии от воды к абразивному зерну), и AWIJ в идеале покидает фокусирующую трубку с максимально возможной скоростью абразивного зерна. .
Поскольку гидроабразивная резка проникла в традиционные производственные цеха, надежное и точное управление резаком стало важным. Ранние системы гидроабразивной резки адаптировали традиционные системы, такие как механические пантографы и системы ЧПУ , основанные на фрезерном станке с ЧПУ Джона Парсонса 1952 года и работающем с G-кодом . [33] Проблемы, присущие технологии гидроабразивной резки, выявили недостатки традиционного G-кода. Точность зависит от изменения скорости сопла по мере приближения к углам и деталям. [34] Создание систем управления движением с учетом этих переменных стало важной инновацией для ведущих производителей водоструйной резки в начале 1990-х годов, когда Джон Олсен из OMAX Corporation разработал системы для точного позиционирования водоструйного сопла [35] с точным указанием скорости в каждой точке. путь [36] , а также использование обычных ПК в качестве контроллера. Крупнейший производитель гидроабразивной резки Flow International (дочерняя компания Flow Industries) осознал преимущества этой системы и лицензировал программное обеспечение OMAX, в результате чего подавляющее большинство станков гидроабразивной резки во всем мире просты в использовании, быстры и точны. [37]
Все водоструйные аппараты работают по одному и тому же принципу: используют воду под высоким давлением, сфокусированную в луч с помощью сопла. В большинстве машин это достигается путем пропускания воды через насос высокого давления . Для создания такого высокого давления используются два типа насосов; насос-усилитель и насос с прямым приводом или коленчатый вал. Насос с прямым приводом работает так же, как автомобильный двигатель, прогоняя воду через трубки высокого давления с помощью плунжеров, прикрепленных к коленчатому валу . Насос-усилитель создает давление, используя гидравлическое масло для перемещения поршня, проталкивающего воду через крошечное отверстие. [38] [39] Затем вода поступает по трубке высокого давления к соплу водоструйной установки. В сопле вода фокусируется в тонкий луч с помощью отверстия из драгоценного камня. Этот луч воды выбрасывается из сопла, прорезая материал, распыляя его струей со скоростью порядка 3 Маха , около 2500 футов/с (760 м/с). [40] Процесс тот же, что и для абразивной гидроабразивной струи, пока вода не достигнет сопла. Здесь абразивы, такие как гранат и оксид алюминия , подаются в сопло через впускное отверстие для абразива. Затем абразив смешивается с водой в смесительной трубке и вытесняется из ее конца под высоким давлением. [41] [42]
Важным преимуществом водоструйной резки является возможность резать материал, не нарушая присущую ему структуру, поскольку отсутствует зона термического влияния (ЗТВ). Сведение к минимуму воздействия тепла позволяет резать металлы без деформации, воздействия на состояние или изменения внутренних свойств. [43] Возможны острые углы, фаски, проколы и формы с минимальным внутренним радиусом. [44]
Гидроабразивные резаки также способны выполнять сложные разрезы материалов. С помощью специализированного программного обеспечения и трехмерных обрабатывающих головок можно изготавливать сложные формы. [45]
Ширина реза, или ширина реза, может регулироваться путем замены деталей в насадке, а также путем изменения типа и размера абразива. Типичные абразивные резы имеют пропил в диапазоне от 0,04 до 0,05 дюйма (1,0–1,3 мм), но могут быть узкими до 0,02 дюйма (0,51 мм). Неабразивные порезы обычно составляют от 0,007 до 0,013 дюйма (0,18–0,33 мм), но могут достигать и 0,003 дюйма (0,076 мм), что примерно равно размеру человеческого волоса. Эти небольшие форсунки позволяют обрабатывать мелкие детали в широком диапазоне применений.
Водяные струи способны достигать точности до 0,005 дюйма (0,13 мм) и повторяемости до 0,001 дюйма (0,025 мм). [45]
Благодаря относительно узкому пропилу водоструйная резка может уменьшить количество образующегося лома, позволяя располагать неразрезанные детали более близко друг к другу, чем традиционные методы резки. Водяные струи расходуют примерно от 0,5 до 1 галлона США (1,9–3,8 л) в минуту (в зависимости от размера отверстия режущей головки), а воду можно перерабатывать с помощью системы с замкнутым контуром. Сточные воды обычно достаточно чисты, чтобы их можно было фильтровать и сбрасывать в канализацию. Гранатовый абразив представляет собой нетоксичный материал, который в большинстве случаев может быть переработан для повторного использования; в противном случае его обычно можно выбросить на свалку. Водяные струи также производят меньше частиц пыли, дыма, дыма и загрязнений в воздухе, [45] снижая воздействие на оператора опасных материалов. [46]
Разделка мяса с использованием гидроабразивной технологии исключает риск перекрестного загрязнения , поскольку контактная среда выбрасывается. [ нужна цитата ]
Поскольку характер режущей струи можно легко изменить, водоструйную очистку можно использовать практически во всех отраслях промышленности; Существует множество различных материалов, которые можно разрезать струей воды. Некоторые из них обладают уникальными характеристиками, требующими особого внимания при огранке.
К материалам, которые обычно режутся струей воды, относятся текстиль, резина, пенопласт, пластик, кожа, композиты, камень, плитка, стекло, металлы, продукты питания, бумага и многое другое. [47] «Большую часть керамики можно также резать струей воды с абразивом, если материал мягче используемого абразива (между 7,5 и 8,5 по шкале Мооса)». [48] Примерами материалов, которые нельзя разрезать струей воды, являются закаленное стекло и алмазы. [46] Водоструи способны резать до 6 дюймов (150 мм) металлов и 18 дюймов (460 мм) большинства материалов, [49] хотя в специализированных условиях добычи угля [50] водяные струи способны резать до 100 футов (30 м) с использованием насадки диаметром 1 дюйм (25 мм). [51]
Специально разработанные водоструйные резаки обычно используются для удаления излишков битума с дорожных покрытий, которые стали предметом смывания вяжущего. Смыв — это естественное явление, возникающее в жаркую погоду, когда заполнитель выравнивается со слоем битумного связующего, создавая опасно гладкую поверхность дороги во влажную погоду. [ нужна цитата ]
Коммерческие системы водоструйной резки доступны от производителей по всему миру, в различных размерах и с водяными насосами, способными работать в широком диапазоне давлений. Типичные машины для гидроабразивной резки имеют рабочую зону размером от нескольких квадратных футов до сотен квадратных футов. Доступны водяные насосы сверхвысокого давления от 40 000 фунтов на квадратный дюйм (280 МПа) до 100 000 фунтов на квадратный дюйм (690 МПа). [45]
Существует шесть основных характеристик процесса гидроабразивной резки:
Температура не имеет большого значения, поскольку используемая вода также действует как охлаждающая жидкость .
Качество кромки деталей, полученных гидроабразивной резкой, определяется номерами качества от Q1 до Q5. Меньшие цифры указывают на более грубую обработку кромки; более высокие числа более плавные. Для тонких материалов разница в скорости резания для Q1 может быть в 3 раза выше, чем скорость для Q5. Для более толстых материалов Q1 может быть в 6 раз быстрее, чем Q5. Например, алюминий Q5 толщиной 4 дюйма (100 мм) будет иметь скорость 0,72 дюйма/мин (18 мм/мин), а Q1 — 4,2 дюйма/мин (110 мм/мин), что в 5,8 раза быстрее. [54]
В 1987 году компания Ingersoll-Rand Waterjet Systems предложила 5-осевую систему гидроабразивной резки чистой водой, названную Robotic Waterjet System. Система представляла собой подвесную портальную конструкцию, по габаритам аналогичную HS-1000.
С недавними достижениями [ когда? ] в области технологий управления и перемещения 5-осевая гидроабразивная резка (абразивная и чистая) стала реальностью. Если обычные оси водомета называются Y (назад/вперед), X (влево/вправо) и Z (вверх/вниз), в 5-осевой системе обычно добавляются ось A (угол от перпендикуляра) и ось C. (вращение вокруг оси Z). В зависимости от режущей головки максимальный угол резания по оси А может составлять 55, 60, а в некоторых случаях даже 90 градусов от вертикали. Таким образом, 5-осевая резка открывает широкий спектр применений, которые можно обрабатывать на станке водоструйной резки.
5-осевую режущую головку можно использовать для резки 4-осных деталей, при которых геометрия нижней поверхности смещается на определенную величину для получения соответствующего угла, а ось Z остается на одной высоте. Это может быть полезно для таких применений, как подготовка сварного шва, когда необходимо срезать угол фаски со всех сторон детали, которая позже будет сварена, или для целей компенсации конусности, когда угол реза переносится на отходный материал, что обычно устраняет конусность. Встречается на деталях, обработанных гидроабразивной резкой. 5-осевая головка может резать детали, в которых ось Z также движется вместе со всеми остальными осями. Полная 5-осевая резка может использоваться для резки контуров на различных поверхностях формованных деталей.
Из-за углов, которые можно разрезать, в программах обработки детали могут потребоваться дополнительные разрезы, чтобы освободить деталь от листа. Попытка сдвинуть сложную деталь с пластины под большим углом может оказаться затруднительной без соответствующих затылочных надрезов.
{{cite web}}
: Внешняя ссылка |periodical=
( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )