Машини за водно рязане

Водното рязане е широко използвана технология за рязане, оформяне, гравиране на голямо разнообразие от материали. През годините то търпи непрекъснато развитие, поради което се приема за един от най-гъвкавите, бързо развиващи се и високо ефективни процеси. Намира приложение в редица отрасли от индустрията, включително в космическата и самолетната индустрии. С водното рязане се осигурява високо качество и прецизност на рязането, като в същото време не се използват вредни течности или газове и не се отделят вредни вещества. То е предпочитан метод при рязане на материали чувствителни към високи температури, каквито температури са характерни за някои други методи на рязане. Намаляването на въздействието на топлината, позволява рязане и обработване на материалите без това да води до промяна в техните свойства. Подходящо е за изработване на детайли с много сложни форми. Използването на специализиран софтуер и 3D оборудване, позволява материалите да бъдат оформени триизмерно.

Същност на процеса

Често същността на технологията на водно-струйно рязане се обяснява с добре познатия природен процес на ерозия на материалите под действието на водна струя. Разликата е, че при водното рязане този процес е много по-ускорен и концентриран. Използва се водна струя, преминаваща, с много висока скорост и налягане, през малък отвор с диаметър обикновено вариращ в границите от 0,1 до 0,3 mm. В резултат се получава бързо и точно рязане на различни по дебелина и структура материали като черни и цветни метали, мрамор, гранит, керамика, стъкла, кварц и др. За осигуряването на непрекъснато подаване на постоянно количество вода, с високо налягане се използват водни помпи. Налягането на водата обикновено варира в диапазона около 1300 – 4000 bar.

Принципно, водното рязане може да бъде класифицирано като
рязане с чиста водна струя и абразивно водно рязане

Рязането с чиста водна струя се приема за първоизточника на водното рязане. Използва се чиста водна струя без допълнителни примеси. Подходящо е предимно за рязане на по-меки материали или на материали с естествени малки пукнатини. Скоростта, с която водната струя преминава през режещата глава обикновено е по-голяма от скоростта на звука. Добре е да се има предвид, че за да се предотврати възможността от настъпването на повреди е необходимо да се осигури висококачествено филтриране на водата. Сред основните характеристики на рязането с чиста водна струя са: режеща струя с диаметър от 0,1 до 0,25 mm, много малки загуби на материал по време на рязането, рязане без повишаване на температурата, възможност за непрекъснатост на процеса, както и голяма бързина на рязане, в повечето случаи.
Основната разлика между абразивното водно рязане и рязането с чиста водна струя е, че при абразивното водно рязане се използва вода, смесена с абразивни частици. И двата процеса протичат по един и същ начин до момента на формирането на водната струя. След този етап при абразивното водно рязане водната струя се смесва с абразивни частици. Смесването е благодарение на създаването на подналягане следствие от високата скорост на водната струя.
На практика водната струя се използва, за да предаде достатъчно скорост на абразивните частици, което позволява рязане на твърди материали, включително материали с по-голяма твърдост от използваните абразиви. Това е възможно благодарение на факта, че когато частиците влязат в контакт с материала, това се случва върху много малка контактна повърхност, в която е съсредоточено голямо количество енергия. Тъй като рязането се осъществява чрез няколко ерозионни механизма, е възможно рязане на широк кръг от материали. Абразивното рязане е в пъти по-мощно от рязането с чиста водна струя, поради което то може да се използва за рязане на компактни и твърди материали, като всички метали, твърди камъни, бронирани стъкла, керамика и др.
Абразивното рязане се характеризира с голяма гъвкавост, липса на механични напрежения и загряване на материала, малки загуби на материал при рязане и други. Режещата струя обикновено е с диаметър от около 0,5 до към 1,3 mm.

Особености на режещата глава

Както вече бе споменато, водната струя, при водното рязане се движи със скорост по-висока от скоростта на звука. За да се постигне тази висока скорост на водната струя, обикновено се използва скъпоценен камък, с малък отвор, при преминаването през които високото налягане на подаваната вода се превръща във висока скорост. Диаметърът на отвора обикновено варира в диапазона от 0,10 mm до 0,25 mm. Скъпоценните камъни, които се използват, обикновено са сапфир, рубин и диамант. От тях сапфирът намира най-широко приложение днес. Експлоатационният му срок обикновено е приблизително 50 – 100 работни часа. При използването му за абразивно рязане, този срок обикновено се скъсява на половина. Рубинът се препоръчва предимно за абразивно водно рязане, а диамантът се характеризира с най-дълъг експлоатационен срок, многократно превишаващ този на рубина и сапфира.

Използвани абразивни материали

При абразивното рязане, като абразив обикновено се използва твърд пясък, с определена едрина на частиците. Сред широко използваните абразиви е гранатът, който се счита за достатъчно твърд и издръжлив. Сред използваните абразивни материали е и корундът. Колкото частиците са по-твърди, толкова по-добро рязане се извършва. Тръбата, в която се извършва смесването на водата с абразивните частици, може да бъде с различни размери и експлоатационен срок. Сред често срещаните тръби са такива с дължина около 76 mm, с външен диаметър около 6,4 mm и вътрешен диаметър, вариращ в диапазона от около 0,5 до около 1,5 mm, като често срещан размер е 1 mm. Обикновено се приема, че машините за абразивно рязане са лесни за обслужване и поддръжка, но специалистите препоръчват смесителните тръби да бъдат под наблюдение. При допир с обработвания материал, например, тя лесно може да бъде повредена. Разстоянието между обработвания материал и смесителната тръба обикновено варира в диапазона от около 0,5 mm до към 5 mm.
Машините за водно рязане могат да бъдат конструирани за работа с чиста водна струя, с водна струя, съдържаща абразивни частици или и за двете. Широчината на сряза може да бъде контролирана, чрез промяна на части в дюзата или в зависимост от използвания абразив като добавка, при абразивното водно рязане. Обикновено, при стандартно абразивно рязане широчината на среза е в рамките на 1,016 до 1,27 mm. Посочва се обаче, че в някои случаи може да се достигне и широчина от 0,508 mm. При неабразивното рязане посочваната широчината обикновено е около 0,178 до 0,33 mm, с възможност за достигане на широчина и до 0,076 mm. Това позволява изработването на много детайлни форми. По отношение на точността на машините за водно рязане обикновено се посочва, че те са способни да постигат точност до 0,13 mm, и повторяемост на 0,03 mm.

Предимства на водното рязане

Водното рязане има широка приложна област, а сред основните причини за това са немалкото му предимства в сравнение с други методи на рязане. Като едно от основните му предимства обикновено се посочва липсата на промяна в структурата на обработвания материал, поради отсъствието на загряване на материала. Обикновено температурата при рязане не превишава 60-80 °С. Генерираната в процеса на рязане топлина бива отведена от водната струя, поради което не се забелязва забележимо повишение на температурата в детайла. Така, освен, че се изключва термичното напрягане и деформации върху материала, се намалява и възможността от замърсяване с вредни изпарения и газове или прах. Тази характеристика е решаваща при обработка на особено чувствителни към нагряване материали.
Водното рязане може да се използва за рязане на материали със сравнително голяма дебелина, метали до 70 – 90 mm и пластмаси до 150 mm, както и за пробиване на отвори с малки диаметри. За листов метал, ламиниран с пластмаса, водното рязане често се оказва единственото решение, което не оказва негативно влияние на външното покритие.  Абразивното водно рязане се явява много добра алтернатива на традиционните механични методи при рязането на стъкло. Водното рязане също така е подходящо за рязане на композитни материали, включващи разнороден материал като например гранит и мрежа от неръждаема стомана, поцинкована ламарина и пожароустойчиви плоскости и други, рязане на силиконови и гумени листове. Добре е да се има предвид обаче, че то не е подходящо за рязане на хартия и иглолистна дървесина.
При водното рязане, водната струя не упражнява директен натиск върху повърхността на материала. Механичното въздействие е само на микроскопично ниво. По такъв начин, независимо от голямата кинетична енергия на водната струя, се избягва каквато и да е деформация на материала и срезът се изпълнява без появата на неравности върху рязаните материали. Технологията на водното рязане притежава и друго неоспоримо предимство – тънката като косъм струя съществено намалява загубите на материал в сравнение с традиционните процеси. Също така сложността на контурите при обработка на стъкло трудно би могла да се постигне с други технологии на рязане. Сред често посочваните предимства на водното рязане е й фактът, че то се счита за "зелена" технология
Процесът се приема за високоекологичен, тъй като при рязането не се отделят опасни отпадъци, което намалява разходите за обезвреждането им. С водно рязане могат да се обработват парчета материал, които стандартно биха били изхвърлени при друг вид рязане. Въпреки, че технологията се основава на рязане с вода, необходимата за процеса вода е около 2-3 литра в минута, в зависимост от режещата глава, което се приема за много малко количество, като също така използваната вода може да се използва отново. Получените отпадни води са достатъчно чисти, което позволява след тяхното филтриране те да се отведат в канализационната мрежа. При водното рязане се елиминира опасността от отделяне на прах, дим, отломки, стружки или химически замърсители на въздуха. Това значително подобрява работната среда и намалява опасността за работниците.

Недостатъци на водното рязане

Водното рязане е широко използвана технология, но естествено съществуват и някои ограничения по отношение на прилагането му. Един от недостатъците му е, че при обработването на тънки материали с дебелина от около 1 до 3 mm, себестойността е относително висока. Също така рязането на инструментална стомана и други твърди материали може да се окаже икономически неизгодно. Проблем може да възникне и при рязането на материали с много голяма дебелина.