Как струя воды разрезает сталь и что в эту воду добавляют

12 фото
источник

«Вода камень точит» звучит как совет запастись терпением. Но на заводе воду разгоняют так, что вместе с песком она режет стальные плиты.

Тонкая струя проходит сквозь стальную плиту и вырезает деталь по заданному контуру. Металл при этом не плавится. Вода обычная, тщательно очищенная, а главный помощник — песок, который подмешивают в режущей головке.

Так работает гидроабразивная резка: вода разгоняет твёрдые зёрна, а те снимают металл мельчайшими частицами. Одному из разработчиков технологии подсказку дала пепельница у лифта.

Вода быстрее звука


Насос создаёт давление в несколько тысяч бар. При 4000 бар упрощённый расчёт даёт скорость истечения около 900 метров в секунду — примерно в два с половиной раза выше скорости звука в воздухе. Реальная скорость ниже из-за потерь, а после добавления песка поток замедляется ещё: вода отдаёт часть энергии зёрнам.

Такую металлическую заготовку вырезали струёй воды с абразивом. Толщина увеличивает время обработки и усложняет получение точной кромки.

Струя формируется в крошечном отверстии, сделанном в сапфире, рубине или алмазе. Диаметр — десятые доли миллиметра. Камень нужен из-за твёрдости и стойкости к износу: ровные края отверстия помогают получить узкую струю.

Чистая вода уже способна резать поролон, резину и картон. На пищевых производствах ею делят продукты на порции — там обходятся без песка. Но для быстрого раскроя стали струе понадобился абразив: твёрдые частицы, которые стачивают материал.

На снимке режут алюминий. Сталь обрабатывают по тому же принципу: вода разгоняет песчинки, которые снимают материал.

Песок из пепельницы


В 1970-х Мохамед Хашиш работал над диссертацией по резке водой. Однажды вечером у лифта он заметил блестящие зёрна в пепельнице. В руке оставался почти пустой пенопластовый стаканчик из-под кофе.

Как позже рассказывал Хашиш, он допил кофе, набрал песка и вместо выхода отправился в подвал к установке. Сначала пробил водой кусок дерева. Затем повторил опыт, поставив стаканчик с песком между соплом и деревяшкой. Струя прошла быстрее, хотя вокруг стало заметно грязнее.

Позже, уже в компании Flow, Хашиш предложил добавлять абразив для резки стали и бетона. Руководитель Майк Пао сомневался. Учёный попросил три месяца и поспорил с ним на ужин.

На выигранный ужин Хашиш принёс стальную пластинку с именем начальника, вырезанным китайскими иероглифами. История сохранилась в его собственном рассказе. До промышленной технологии потребовались годы работы: первые коммерческие гидроабразивные системы появились в 1984 году.

Что именно режет металл


Самый распространённый абразив — гранатовый песок. Это минералы той же группы, к которой относятся ювелирные гранаты.

Станку, в отличие от ювелирки, нужны мелкие технические зёрна, часто около двух десятых миллиметра.

Гранат достаточно твёрдый, тяжёлый и стойкий к разрушению. При одинаковом объёме зерно альмандина — одного из гранатов — примерно в полтора раза тяжелее кварцевого. Важны и форма частиц, и способность выдержать разгон: слишком хрупкое зерно раскрошится раньше, чем выполнит работу.

Ювелирные гранаты

Песок подают после водяного сопла. Быстрая струя создаёт разрежение в камере смешения и втягивает его по отдельному шлангу. Затем смесь проходит через фокусирующую трубку с каналом обычно около миллиметра в диаметре.

Вода разгоняет песчинки, а те при столкновении со сталью прорезают микроскопические борозды и выбивают частицы металла. Головка движется по контуру, новые зёрна непрерывно сменяют отработавшие — получается сквозной разрез.

Обычный песок со стройки сюда не годится без подготовки. Абразив очищают и сортируют по размеру: слишком крупные частицы могут забить канал, а неоднородная смесь мешает выдерживать качество резки.

Природный песок, состоящий преимущественно из граната. Для станка абразив дополнительно очищают и сортируют по размеру.

Почему струя стачивает собственный станок


По пути к заготовке песчинки изнашивают фокусирующую трубку. Её делают из особо стойких материалов на основе карбида вольфрама, но постепенно канал всё равно расширяется. Струя становится шире, точность падает.

Поэтому производитель OMAX рекомендует поворачивать трубку на четверть оборота через каждые восемь часов резки: так износ распределяется равномернее. Меняют её, когда размеры деталей перестают укладываться в требуемые допуски. Одного срока службы для всех режимов нет.

Расходуется и песок. Например, в одном из уральских опытов по резке камня его подавали по 300 граммов в минуту — это 18 килограммов за час. Часть абразива можно использовать повторно, но сначала придётся отделить его от отходов, просеять и высушить. Зёрна дробятся при работе, поэтому вернуть в станок весь собранный песок не получится.

Куда девается струя после разреза


Под заготовкой находится ванна с водой. Пройдя сквозь металл, струя рассеивается и теряет скорость. Песок и частицы материала оседают на дно — этот осадок приходится удалять.

Метод называют холодной резкой. Тепло при работе выделяется, но вода его уносит, и возле разреза не возникает зоны сильного термического изменения металла, характерной для лазера или плазмы. Это полезно при обработке титана и других сплавов, свойства которых важно сохранить.

Мощные установки способны разделять металл толщиной около 30 сантиметров. Но толщина обходится дорого: обработка длится дольше, а точные размеры выдержать труднее.

Абразив поступает в режущую головку отдельно от воды. Их смешивают уже после отверстия, формирующего водяную струю.

Струя может отклоняться внутри материала. При слишком быстром движении головки её нижняя часть отстаёт, на кромке появляются борозды. Разрез нередко получается шире сверху, чем снизу. Наклон головки помогает компенсировать эти отклонения, но скорость всё равно приходится подбирать под нужное качество.

Есть и неожиданный предел: обычное стекло гидроабразив режет, а закалённое обычно рассыпается. Повреждение нарушает равновесие внутренних напряжений, созданных при закалке. Толстая металлическая плита может поддаться, а сравнительно тонкое стекло — разрушиться.

Гидроабразив позволяет вырезать в стали сложные контуры. Скорость обработки подбирают под толщину металла и требования к поверхности.

Можно ли обойтись без граната


Российские исследователи проверяли местный кварц. Измельчённый материал месторождения «Гора Хрустальная» оказался недостаточно прочным: зёрна плохо выдерживали работу в струе.

Природный песок Кичигинского месторождения показал более удачный результат. При определённых режимах резки алюминиевого сплава качество поверхности было сопоставимо с результатом гранатового абразива. Но переносить вывод на любую сталь нельзя: в исследовании отдельно указано, что экономику замены ещё предстоит проверить.

Так что в стоимости водяной резки платят не только за мощный насос. Нужны подготовленный песок, износостойкая трубка и время: чем аккуратнее должна получиться кромка, тем осторожнее приходится вести струю.