Водоструйный резак , также известный как водоструйный или водоструйный , представляет собой промышленный инструмент, способный резать широкий спектр материалов с использованием струи воды под чрезвычайно высоким давлением 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, в то время как термины чистая водоструйная резка и резка только водой относятся к водоструйной резке без использования дополнительных абразивов, часто используемой для более мягких материалов, таких как дерево или резина. [1]
Гидроабразивная резка часто используется при изготовлении деталей машин. Это предпочтительный метод, когда разрезаемые материалы чувствительны к высоким температурам, создаваемым другими методами; примерами таких материалов являются пластик и алюминий . Гидроабразивная резка используется в различных отраслях промышленности, включая горнодобывающую и аэрокосмическую , для резки, формовки и развертывания . [2]
Хотя использование воды под высоким давлением для эрозии восходит к середине 1800-х годов с гидравлической добычей , только в 1930-х годах узкие струи воды начали появляться как промышленное режущее устройство. В 1933 году компания Paper Patents Company в Висконсине разработала машину для измерения, резки и намотки бумаги, которая использовала диагонально движущееся сопло для струи воды для резки горизонтально движущегося листа непрерывной бумаги. [3] Эти ранние приложения работали 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, как и бумага, были мягкими материалами. [4] В 1958 году Билли Швача из North American Aviation разработала систему, использующую жидкость сверхвысокого давления для резки твердых материалов. [5] Эта система использовала насос 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. Используемый для резки сотового ламината для Mach 3 North American XB-70 Valkyrie , этот метод резки привел к расслоению на высокой скорости, что потребовало внесения изменений в производственный процесс. [6]
Хотя эта концепция не была эффективна для проекта XB-70, она была обоснована, и дальнейшие исследования продолжили развивать гидроабразивную резку. В 1962 году Филип Райс из Union Carbide исследовал использование пульсирующей гидроабразивной резки под давлением до 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа) для резки металлов, камня и других материалов. [7] Исследования SJ Leach и GL Walker в середине 1960-х годов расширили традиционную гидроабразивную резку угля, чтобы определить идеальную форму сопла для гидроабразивной резки камня под высоким давлением, [8] а Норман Франц в конце 1960-х годов сосредоточился на гидроабразивной резке мягких материалов путем растворения длинноцепочечных полимеров в воде для улучшения когезионности струи. [9] В начале 1970-х годов желание улучшить долговечность водоструйного сопла привело Рэя Чедвика, Майкла Курко и Джозефа Корриво из Bendix Corporation к идее использования кристалла корунда для формирования водоструйного сопла, [10] в то время как Норман Франц расширил это и создал водоструйное сопло с отверстием размером 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 Луисом Капсэнди из Flow Research (позже Flow Industries) еще больше улучшили коммерческий потенциал водоструйного сопла, 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 стали обычным явлением, и первая эффективная паровая пожарная машина была введена в эксплуатацию. [13] К началу века надежность высокого давления повысилась, а 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 были дополнительно сформированы авиационной, автомобильной и нефтяной промышленностью. Производители самолетов, такие как Boeing, разработали уплотнения для систем управления с гидравлическим усилением в 1940-х годах, [14] в то время как автомобильные конструкторы следовали аналогичным исследованиям для систем гидравлической подвески. [15] Более высокие давления в гидравлических системах в нефтяной промышленности также привели к разработке усовершенствованных уплотнений и набивок для предотвращения утечек. [16]
Эти достижения в технологии уплотнений, а также рост популярности пластмасс в послевоенные годы привели к разработке первого надежного насоса высокого давления. Изобретение Marlex Робертом Бэнксом и Джоном Полом Хоганом из Phillips Petroleum Company потребовало введения катализатора в полиэтилен. [17] McCartney Manufacturing Company в Бакстер-Спрингс, штат Канзас, начала производство этих насосов высокого давления в 1960 году для полиэтиленовой промышленности. [18] Flow Industries в Кенте, штат Вашингтон, заложила основу для коммерческой жизнеспособности гидроабразивных установок с разработкой Джоном Олсеном усилителя жидкости высокого давления в 1973 году, [19] конструкция которого была дополнительно усовершенствована в 1976 году. [20] Затем Flow Industries объединила исследования насосов высокого давления со своими исследованиями сопел для гидроабразивной резки и вывела гидроабразивную резку в мир производства. [ необходима цитата ]
Хотя резка водой возможна для мягких материалов, добавление абразива превратило водяную струю в современный инструмент обработки для всех материалов. Это началось в 1935 году, когда Элмо Смит разработал идею добавления абразива в поток воды для жидкой абразивной струйной обработки. [21] Конструкция Смита была дополнительно усовершенствована Лесли Тирреллом из Hydroblast Corporation в 1937 году, в результате чего была создана конструкция сопла, которая создавала смесь воды под высоким давлением и абразива для мокрой струйной обработки. [22]
Первые публикации о современной абразивной гидроабразивной резке (AWJ) были опубликованы Мохамедом Хашишем в 1982 году в трудах BHR, впервые показывающих, что гидроабразивные струи с относительно небольшим количеством абразивов способны резать твердые материалы, такие как сталь и бетон. В выпуске журнала Mechanical Engineering за март 1984 года было показано больше деталей и материалов, разрезаемых с помощью AWJ, таких как титан, алюминий, стекло и камень. Мохамед Хашиш получил патент на формирование AWJ в 1987 году. [23] Хашиш, который также придумал новый термин абразивная гидроабразивная резка , и его команда продолжали разрабатывать и совершенствовать технологию AWJ и ее оборудование для многих приложений. Важнейшей разработкой стало создание прочной смесительной трубки, которая могла бы выдерживать мощность AWJ высокого давления, и именно разработка Boride Products (теперь Kennametal) их линейки керамических композитных трубок из карбида вольфрама ROCTEC значительно увеличила срок службы сопла AWJ. [24] Текущая работа над соплами AWJ ведется с использованием микроабразивных гидроструй, что позволяет коммерциализировать резку струями диаметром менее 0,015 дюйма (0,38 мм).
Работая с Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Майкл Диксон реализовал первый практический способ резки титановых листов — систему абразивной гидроструйной 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's North American Aviation в Ньюарке, штат Огайо.
На сегодняшний день существует два различных типа установок гидроабразивной резки:
Абразивно-водная суспензионная струя (AWSJ) — часто называемая «струей суспензии» или «струей водной абразивной суспензии (WAS)» — это особый тип абразивной водной струи, которая используется для гидроабразивной резки. В отличие от абразивно-водной инжекторной струи (AWIJ), абразивно-водная суспензионная струя (AWSJ) [25] характеризуется тем, что смешивание абразива и воды происходит перед соплом. Это приводит к тому, что, в отличие от AWIJ, струя состоит только из двух компонентов: воды и абразива.
Поскольку в AWSJ всего 2 компонента (вода и абразив), ускорение абразивных зерен водой происходит со значительно большей эффективностью по сравнению с AWIJ. [26] Абразивные зерна становятся быстрее с WASS, чем с WAIS при той же гидравлической мощности системы. Поэтому с AWSJ можно делать сравнительно более глубокие или более быстрые разрезы.
Резка AWSJ, в отличие от процесса резки AWIJ, описанного ниже, может также использоваться для мобильной резки и резки под водой, в дополнение к обработке сложных материалов. [27] [28] [25] Примерами являются обезвреживание бомб, [29] а также демонтаж морских установок [30] или демонтаж установок корпуса реактора под давлением на атомных электростанциях. [31]
AWIJ [32] генерируется струей воды, которая проходит через смесительную камеру (полость) после выхода из водяного сопла и попадает в фокусирующую трубку на выходе из смесительной камеры. Взаимодействие струи воды в смесительной камере с воздухом внутри создает отрицательное давление, струя воды увлекает за собой частицы воздуха. Это отрицательное давление используется для пневматической транспортировки абразива в камеру (абразив подается в боковое отверстие (отверстие) смесительной камеры с помощью шланга).
После контакта абразивного материала в смесительной камере с водяной струей отдельные абразивные зерна ускоряются и увлекаются в направлении фокусирующей трубки. Воздух, используемый в качестве несущей среды для транспортировки абразива в смесительную камеру, также становится частью AWIJ, которая теперь состоит из трех компонентов (вода - абразив - воздух). В фокусирующей трубке, которая (должна быть) оптимизирована по своей длине для этой цели, абразив дополнительно ускоряется (передача энергии от воды к абразивному зерну), и AWIJ в идеале покидает фокусирующую трубку с максимально возможной скоростью абразивного зерна.
По мере того, как гидроабразивная резка проникала в традиционные производственные цеха, управление резаком было надежным и точным. Ранние системы гидроабразивной резки адаптировали традиционные системы, такие как механические пантографы и системы ЧПУ на основе фрезерного станка с ЧПУ Джона Парсонса 1952 года и работающего G-кода . [33] Проблемы, присущие технологии гидроабразивной резки, выявили несостоятельность традиционного G-кода. Точность зависит от изменения скорости сопла по мере приближения к углам и деталям. [34] Создание систем управления движением для включения этих переменных стало важным нововведением для ведущих производителей гидроабразивной резки в начале 1990-х годов, когда Джон Олсен из корпорации OMAX разработал системы для точного позиционирования сопла гидроабразивной резки [35] при точном указании скорости в каждой точке вдоль траектории, [36] а также с использованием обычных ПК в качестве контроллера. Крупнейший производитель оборудования для гидроабразивной резки, Flow International (дочерняя компания Flow Industries), осознал преимущества этой системы и лицензировал программное обеспечение OMAX, в результате чего подавляющее большинство станков для гидроабразивной резки во всем мире стали простыми в использовании, быстрыми и точными. [37]
Все водоструйные установки следуют одному и тому же принципу использования воды высокого давления, сфокусированной в пучок соплом. Большинство машин достигают этого, сначала пропуская воду через насос высокого давления . Существует два типа насосов, используемых для создания этого высокого давления: насос-усилитель и насос с прямым приводом или коленчатым валом. Насос с прямым приводом работает во многом как двигатель автомобиля, нагнетая воду через трубку высокого давления с помощью плунжеров, прикрепленных к коленчатому валу . Насос-усилитель создает давление, используя гидравлическое масло для перемещения поршня, нагнетающего воду через крошечное отверстие. [38] [39] Затем вода перемещается по трубке высокого давления к соплу водоструйной установки. В сопле вода фокусируется в тонкий пучок с помощью отверстия в виде драгоценного камня. Этот пучок воды выбрасывается из сопла, разрезая материал, распыляя его струей со скоростью порядка 3 Маха , около 2500 футов/с (760 м/с). [40] Процесс такой же, как и для абразивных водоструйных установок, пока вода не достигнет сопла. Здесь абразивы, такие как гранат и оксид алюминия , подаются в сопло через абразивный вход. Затем абразив смешивается с водой в смесительной трубке и выталкивается из конца под высоким давлением. [41] [42]
Важным преимуществом струи воды является возможность резать материал, не нарушая его внутреннюю структуру, поскольку нет зоны термического влияния (ЗТВ). Минимизация воздействия тепла позволяет резать металлы без деформации, влияния на закалку или изменения внутренних свойств. [43] Возможны острые углы, скосы, проколы и формы с минимальными внутренними радиусами. [44]
Водоструйные резаки также способны производить сложные разрезы в материале. С помощью специализированного программного обеспечения и 3-D обрабатывающих головок можно производить сложные формы. [45]
Ширина реза, или ширина, может регулироваться путем замены деталей в сопле, а также путем изменения типа и размера абразива. Типичные абразивные разрезы имеют пропил в диапазоне от 0,04 до 0,05 дюйма (1,0–1,3 мм), но могут быть такими узкими, как 0,02 дюйма (0,51 мм). Неабразивные разрезы обычно составляют от 0,007 до 0,013 дюйма (0,18–0,33 мм), но могут быть такими маленькими, как 0,003 дюйма (0,076 мм), что примерно соответствует толщине человеческого волоса. Эти небольшие струи могут обеспечить мелкие детали в широком диапазоне применений.
Водоструйные аппараты способны достигать точности до 0,005 дюйма (0,13 мм) и повторяемости до 0,001 дюйма (0,025 мм). [45]
Благодаря относительно узкому пропилу резка струей воды может сократить количество образующегося брака, позволяя размещать неразрезанные детали более плотно друг к другу, чем традиционные методы резки. Струи воды используют приблизительно от 0,5 до 1 галлона США (1,9–3,8 л) в минуту (в зависимости от размера отверстия режущей головки), и вода может быть переработана с использованием замкнутой системы. Сточные воды обычно достаточно чисты, чтобы фильтровать и утилизировать их в канализацию. Гранатовый абразив является нетоксичным материалом, который в основном может быть переработан для повторного использования; в противном случае его обычно можно утилизировать на свалке. Струи воды также производят меньше частиц пыли, дыма, паров и загрязняющих веществ, [45] уменьшая воздействие на оператора опасных материалов. [46]
Разделка мяса с использованием технологии гидроструйной обработки исключает риск перекрестного заражения , поскольку контактная среда выбрасывается. [ необходима цитата ]
Поскольку характер режущего потока можно легко изменить, струя воды может использоваться практически в любой отрасли; существует множество различных материалов, которые может резать струя воды. Некоторые из них обладают уникальными характеристиками, требующими особого внимания при резке.
Материалы, которые обычно режут струей воды, включают текстиль, резину, пену, пластик, кожу, композиты, камень, плитку, стекло, металлы, продукты питания, бумагу и многое другое. [47] «Большинство керамики также можно резать абразивной струей воды, если материал мягче используемого абразива (между 7,5 и 8,5 по шкале Мооса)». [48] Примерами материалов, которые нельзя резать струей воды, являются закаленное стекло и алмазы. [46] Струи воды способны резать до 6 дюймов (150 мм) металлов и 18 дюймов (460 мм) большинства материалов, [49] хотя в специализированных приложениях по добыче угля, [50] струи воды способны резать до 100 футов (30 м) с использованием сопла 1 дюйм (25 мм). [51]
Специально разработанные водоструйные резаки обычно используются для удаления излишков битума с дорожных поверхностей, которые стали предметом промывки связующего. Промывка — это естественное явление, возникающее в жаркую погоду, когда заполнитель становится на одном уровне со слоем битумного связующего, создавая опасно гладкую поверхность дороги в сырую погоду. [ необходима цитата ]
Коммерческие системы водоструйной резки доступны от производителей по всему миру, в диапазоне размеров и с водяными насосами, способными работать в диапазоне давлений. Типичные машины для водоструйной резки имеют рабочую зону размером от нескольких квадратных футов до сотен квадратных футов. Водяные насосы сверхвысокого давления доступны от 40 000 фунтов на квадратный дюйм (280 МПа) до 100 000 фунтов на квадратный дюйм (690 МПа). [45]
Также наблюдается рост в области небольших настольных машин, работающих при давлении ниже 10kpsi. Новый производитель, "The Hydroblade", предлагает сенсорное управление с точностью менее 0,003" в машине с небольшими габаритами.
Существует шесть основных технологических характеристик гидроабразивной резки:
Температура не имеет большого значения, поскольку используемая вода также действует как охлаждающая жидкость .
Качество кромки для деталей, вырезанных водоструйной резкой, определяется показателями качества от Q1 до Q5. Более низкие показатели указывают на более грубую отделку кромки, более высокие показатели — на более гладкую. Для тонких материалов разница в скорости резки для Q1 может быть в 3 раза выше, чем для Q5. Для более толстых материалов Q1 может быть в 6 раз выше, чем Q5. Например, для алюминия толщиной 4 дюйма (100 мм) скорость Q5 составит 0,72 дюйма/мин (18 мм/мин), а Q1 — 4,2 дюйма/мин (110 мм/мин), что в 5,8 раза выше. [54]
В 1987 году компания Ingersoll-Rand Waterjet Systems предложила 5-осевую систему резки чистой водой под названием Robotic Waterjet System. Система имела конструкцию верхнего портала, схожую по общим размерам с HS-1000.
С недавними достижениями [ когда? ] в области технологий управления и движения 5-осевая водоструйная резка (абразивная и чистая) стала реальностью. В то время как обычные оси на водоструйной установке называются Y (назад/вперед), X (влево/вправо) и Z (вверх/вниз), 5-осевая система обычно добавляет ось A (угол от перпендикуляра) и ось C (вращение вокруг оси Z). В зависимости от режущей головки максимальный угол резки для оси A может составлять от 55, 60 или в некоторых случаях даже 90 градусов от вертикали. Таким образом, 5-осевая резка открывает широкий спектр применений, которые можно обрабатывать на станке для водоструйной резки.
5-осевая режущая головка может использоваться для резки 4-осевых деталей, где нижняя геометрия 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 к сварке, где угол скоса необходимо срезать со всех сторон детали, которая позже будет сварена, или для целей компенсации конусности, когда угол пропила переносится на отходный материал, тем самым устраняя конусность, обычно встречающуюся на деталях, вырезанных струей воды. 5-осевая головка может резать детали, где ось Z также движется вместе со всеми другими осями. Эта полная 5-осевая резка может использоваться для резки контуров на различных поверхностях формованных деталей.
Из-за углов, которые можно резать, программам деталей могут потребоваться дополнительные разрезы, чтобы освободить деталь от листа. Попытка сдвинуть сложную деталь под острым углом с пластины может быть сложной без соответствующих рельефных разрезов.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Corp разрабатывает сопла для абразивной гидроабразивной резки из керамического карбида вольфрама.