Рязане с водна струя

Mетодът на рязане с водна струя води началото си от 80-те години на 20 век като алтернатива на "класическите" методи на рязане чрез инструменти с твърди режещи ръбове (стругарски ножове, свредла, фрези, шлифовъчни дискове и др.). При него рязането на много широка гама от материали се осъществява от водна струя под високо налягане, като ефектът се подсилва от добавен абразив.

Предимства и области на приложение
Съществено предимство на водното рязане е възможността да се обработват най-различни (практически без ограничение) материали: от изключително твърди, до изключително меки материали, които променят структурата и свойствата си от повишената температура, като черни и цветни метали (стомана, алуминий, мед, титан, месинг), сплави (магнитни и огнеустойчиви), силикатни материали (мрамор, гранит, гранитогрес), керамика, меки материали (гума, кожа, хартия, пенопласти, стиропор), композити с въглеродни, стъклени и др. влакна, PVC, стъкло (едно- и многослойно, бронирано), плексиглас, графит, силикон и др.

Водното рязане е приложимо и при материали, които изискват стерилност при тяхното обработване (хранителни продукти) и др. Традиционните инструменти за рязане чрез стружкоотнемане не могат да се използват при такива материали или приложението им е свързано с редица условности.

Методът има и други много съществени предимства:
• той е екологично чист и позволява обработване на почти всички изкуствени материали и композити без отделяне на вредни и отровни пари, прах, дим и т. н.;
• в стъкло и керамика могат да се изработват фигури, да се пробиват светли и глухи отвори и т.н., без да остават мустаци;
• чрез хидроабразивно рязане могат да се изпълняват художествени работи в мрамор, гранит, камък, керамика и т. н.;
• позволява обработване на естествени материали (дърво и дървесни плоскости), кожи, текстил (платове, килими);
• температурата в зоната на рязане е ниска (60-90 оС), което е особено подходящо за топлочувствителни материали, които променят свойствата си при загряване; ниските температури освен това не предизвикват топлинни деформации (измятане) на детайла;
• не се прогарят легиращите елементи в легираните стомани и сплави;
• инструментът не се износва;
• могат да се обработват както прости по геометрия, така и обемни детайли;
• това е единственият метод за рязане на многопластови материали от различна порода (сандвич-панели), например метални листове ламинирани с пластмаса и т. н.;
• не се налага довършващо обработване на срязваните повърхнини (Ra Ј 1,6);
• постига се високо качество на срязвания слой без необходимост от довършващо обработване;
• количеството отпадъчен материал и съответно енергията за рязане са малки;
• налице са незначителни сили на рязане, които не деформират детайла;
• налице е пълна пожаро- и взривна безопасност, и т. н.

Всички тези предимства обуславят широката област на приложение на метода в машиностроенето, в т.ч. автомобило- и самолетостроенето; в жилищното строителство; стъкларската промишленост; дървопреработването; текстилната промишленост; хартиената промишленост; електропромишленността; военната промишленост (напр. за утилизация на боеприпаси); хранително-вкусовата промишленост – хлебни изделия, замразени продукти, плодове и мн. др. (като абразив могат да се използват ледени кристали) и т. н.

Параметри на процеса на водно рязане при съвременните машини
Развитието на машините за водно рязане позволи в последните години достигането на следните параметри:

• налягане на водната струя: 400ё900 МРа;
• диаметър на дюзите: 0,1ё0,3 mm;
• скорост на струята при излизане от дюзата: 800ё1200 m/s (над два пъти по-голяма от скоростта на звука);
• широчина на среза: 0,1ё0,3 mm;
• подавателна скорост на рязане, която зависи от материала и дебелината на детайла: до 2000 mm/min (докладват се случаи от практиката за рязане със скорост до 20 000 mm/min);
• разход на вода: около 1,5 dm3/min (чрез пречистване през микрофилтър водата се използва отново);
• дебелина на среза: до 200 mm.

За усилване на ефекта от рязането във водата се поставят фини абразивни зърна. Те в общия случай са от твърд пясък (гранит или корунд). В последните години се използват и т. нар. "скъпоценни" камъни – сапфир, рубин, диамант и др. Така могат да се режат листове от твърди материали (стомана, титан, мрамор, стъкло и т. н.) с дебелина до 300 mm.

Съвременни компановки на машините за водно рязане
Първата генерация машини за водно рязане са с 3 CNC-управляеми оси – X, Y и Z. За по-производително рязане се създават и машини с две и повече режещи глави. Още по-висока производителност се постига, когато машините се съоръжат с два или три портала, на всеки от които има по няколко режещи глави (фиг. 1). При по-сложни повърхнини на срязване се използват вече и машини с 5 CNC-управляеми оси – праволинейните X, Y и Z и въртеливите около X и Y.

Новост в машините за водно рязане е вграждането на противоударен сензор, който автоматично регулира разстоянието между режещата глава и детайла. Така се избягва ударът на главата в детайла в случай, че той се отклони от нормалното си положение. Съвременните машини за рязане с водна струя притежават висока точност и скоростни параметри.

Така например, при достатъчно дебели детайли може да се достигне висока точност на среза с допуск ±0,04 mm; скоростта на подавателните движения може да достигне до 25 m/min, а на бързите установъчни ходове – до 35 m/min; точността на линейното преместване възлиза на ±0,05/500 mm; точността на позициониране достига до ±0,08 mm; повторяемостта при позициониране е ±0,025 mm. Съвременните машини за водно рязане задоволяват в пълна степен изискванията за екологичност на работната среда.

Нова стратегия за оценка на работната точност на машините
При производството на една металорежеща машина е необходимо да се оцени нейната работна точност. При "традиционните" металорежещи машини има приети стандарти, които регламентират отклоненията на работните им органи, напр. по отношение на радиално и челно биене на вретеното, отклоненията на праволинейността на оста на въртене на вретеното спрямо траекторията на супорта с инструмента и т.н. Но при машините с водно рязане тези проверки не са приложими, защото инструментът не е твърдотелен. Как тогава може да се оцени работната точност на една машина за водно рязане?

Това става с прилагането на една нова стратегия – не е важно каква точност обуславят работните органи на машината, а каква точност достига обработваният на нея детайл. На фиг. 2 е даден детайл-образец за оценка на работната точност на тези машини. Както е видно от една заготовка във вид на плоча се изрязват няколко достатъчно сложни по геометрия детайли, при което част от тях са еднакви.

Така разкроената заготовка наподобява детски пъзел, който може да се разглоби и след това отново да се сглоби, без изискването еднаквите елементи да заемат "старите" си места. Ако това се получи, има основание да се приеме, че машината за водно рязане притежава изискваната работна точност.

Проф. д.т.н. Георги Попов, ТУ-София