Как работает гидроабразивная резка: давление, абразив, сопло и что она режет

Из чего состоит станок

Снаружи гидроабразивный станок похож на портальный станок плазменной резки: рама, ванна с водой, портал с ЧПУ. Принципиальное отличие стоит рядом с ним, это насос высокого давления. Он сжимает воду в десятки раз сильнее, чем любой гидропривод цеха, и от него зависит всё остальное.

Узлов пять, и у каждого свой ресурс.

1. Насос. Чаще всего мультипликатор: масляный цилиндр большого диаметра толкает плунжер малого, и давление растёт примерно во столько раз, во сколько отличаются площади поршней. У линейки KMT Streamline SL-VI на 60 000 psi (4137 бар) насосы идут на 15, 50, 100 и 200 л. с. (11, 37, 75 и 149 кВт), максимальный расход при полном давлении у модели на 50 л. с. 3,78 л/мин.
2. Трубопровод. Тонкие трубки из нержавеющей стали с коническими соединениями. Обычные гидравлические шланги такое давление не держат.
3. Режущая головка. Водяное сопло (алмазная или сапфировая вставка), камера смешивания и смесительная трубка из карбида вольфрама.
4. Система подачи абразива. Бункер, дозатор и пневмотранспорт. Провал подачи сразу виден на кромке: рез не доходит до низа листа.
5. Ванна. Слой воды гасит струю после прохода сквозь заготовку. Отработанный гранат и шлам оседают на дне, их периодически откачивают.

Воду для насоса умягчают и фильтруют: соли жёсткости быстро убивают уплотнения плунжера и забивают сопло.

Что происходит в головке: расчёт на сопле 0,3 мм

Вода под давлением проходит через отверстие диаметром 0,2–0,35 мм. Дальше все цифры считаются по формуле истечения. Возьмём типичный вариант:

• Скорость струи: √(2·4·10⁸ / 1000) ≈ 894 м/с. В справочниках встречается около 1000 м/с на выходе из смесительной трубки, у производителей чаще 800–900 м/с. Все цифры в одном порядке, втрое выше скорости звука в воздухе.
• Расход воды: 0,65 · π/4 · (0,3·10⁻³)² · 894 ≈ 4,1·10⁻⁵ м³/с, то есть около 2,5 л/мин. Для рабочих голов обычно называют 1,9–3,8 л/мин, цеховые расчёты дают 3,7 л/мин на сопло покрупнее.
• Гидравлическая мощность струи: расход на давление, 4,1·10⁻⁵ · 4·10⁸ ≈ 16 кВт. Насос 37 кВт с таким соплом работает с запасом, а две головки с соплом 0,3 мм на него уже не поставить: воды не хватит.
• Доля абразива: при 0,35 кг граната в минуту на 2,5 кг воды его масса составляет около 14 % потока.

Из этого следует практический вывод: цена воды в расчёте ничтожна, а вот мощность насоса и абразив определяют, сколько головок можно запитать и сколько стоит час. Как эти цифры превращаются в рубли за метр, разобрано в статье о стоимости часа и метра гидроабразивной резки.

Ширина реза задаётся диаметром трубки, она на 0,1–0,2 мм уже реального пропила. Типичный рез шириной 1,0–1,3 мм, у цехов, которые указывают разброс сопел, 0,8–1,5 мм.

Абразив: почему гранат и сколько его уходит

В струе работает гранат (альмандин) твёрдостью около 7,5–8 по шкале Мооса и плотностью 4,1 г/см³. Он твёрже стали, при ударе раскалывается на острые зёрна и не рассыпается в пыль. Стандартная фракция 80 меш используется с 1980-х годов, по оценке OMAX в типичной работе уходит около фунта (0,45 кг) в минуту. Мелкий гранат 120 меш даёт более чистую кромку, но режет медленнее, крупный 50 меш быстрее и грубее.

Расход задаёт связка сопло плюс трубка. Для насоса на 60 000 psi производитель абразива приводит такие заводские значения:

Данные собраны по сайту поставщика граната и подтверждены только вторым источником по порядку величины (OMAX, около 0,45 кг/мин). Кварцевый песок вместо граната брать нельзя: он режет хуже, быстрее изнашивает трубку, а его пыль вызывает силикоз.

Что режет гидроабразив и с какой скоростью

Максимальная толщина: до 150 мм по металлу и до 460 мм по большинству материалов. Отечественные описания называют диапазон 0,1–300 мм. Скорости при давлении 2300–2500 бар и сопле 0,25 мм с трубкой 0,8 мм приводит российский поставщик оборудования, это ориентир для оценки времени:

Керамогранит режут по шаблонам для столешниц, подоконников и плитки с вырезами под розетки: ему хватает скорости на уровне камня, а стоимость метра у цехов начинается примерно с 270 рублей. Лазер такие материалы либо не режет, либо оставляет трещины от нагрева. Для металла выбор между лазером, плазмой и водой подробно разобран в статье о сравнении трёх способов резки, здесь отмечу главное: вода выигрывает у металла, который нельзя греть. Это закалённые стали после термообработки, титан, жаропрочные сплавы, толстая медь и алюминий.

Деталь выходит без окалины и без зоны термического влияния. Кромка матовая, слегка шероховатая, грата почти нет, она принимает краску и идёт под сварку без зачистки. Шероховатость зависит от скорости: на быстром разделительном режиме Ra заметно выше, чем на медленном чистовом.

Что нельзя или плохо резать

Отдельно бывают материалы, которые режутся, но с оговорками.

• Хрупкие и слоистые (стекло, камень, композиты, многослойные пакеты). Пробивка в теле детали сеет трещины и расслаивает слои, поэтому врезку выносят в отходы на подводе или делают на низком давлении. Это практика цехов, жёсткого числового правила здесь нет.
• Тонкая фольга и мягкие материалы, которые подхватывает вихрь струи: их прижимают, подкладывают жертвенную подложку.
• Сталь, которая после реза мокрая: без сушки на кромке за часы появляется ржавчина.
• Внутренние углы. Острый угол в 90° струёй не получить: останется радиус не меньше половины ширины реза, то есть около 0,5 мм.
• Мелкие отверстия. Практика цехов: диаметр не меньше толщины листа, надёжно от 1,5 толщины. Меньше отверстие либо не прорежется чисто, либо выйдет с сильным конусом.

Точность и конусность

Струя расходится и теряет энергию по мере углубления, поэтому рез получается V-образным: сверху шире, снизу уже. Скос на большинстве резов меньше 1°, и его можно уменьшить или убрать совсем: замедлить подачу или наклонить струю. Точность по описаниям станков 0,13 мм, повторяемость 0,025 мм, российские каталоги называют ±0,1 мм на раскрое.

Что даёт скос стенки 1° (верхняя оценка для обычного режима), посчитаем сами: смещение стенки равно толщине, умноженной на тангенс угла.

На листе 5–10 мм скос меньше допуска на раскрой, на плите 50 мм доходит до миллиметра, и его приходится снимать фрезой либо компенсировать наклоном головки. Класс качества реза Q1–Q5 решает, сколько времени вы за это точность платите: на тонком материале режим Q1 может быть втрое быстрее Q5, на толстом до шести раз, а для алюминия 100 мм это 110 мм/мин против 18 мм/мин. Как это превращается в деньги, посчитано в статье о стоимости. Для сравнения конусности лазерного реза есть материал про точность лазерной резки листа.

Посадочные отверстия под подшипники и резьбовые места гидроабразивом не делают. Контур вырезают с припуском 0,5–1 мм по ответственным поверхностям и отдают деталь на фрезеровку.