Машины для резки водой под высоким давлением: Обзор

I. Обзор

1. Принцип резки водой под высоким давлением

Принцип резки водой под высоким давлением заключается в нагнетании воды до сверхвысокого давления 100~400 МПа, а затем подаче ее на разрезаемую деталь через дроссельное отверстие (Φ0,15 ~ Φ0,4 мм) со скоростью в 2~3 раза выше скорости звука, преобразуя потенциальную энергию воды в кинетическую энергию водяной струи, со скоростью потока до 900 м/с или более. Используя воздействие высокоскоростной, высокоэнергетической плотной струи воды, подобно острому лезвию, она выполняет резку.

Диапазон материалов, которые можно резать с помощью технологии резки водой под высоким давлением, очень широк и позволяет резать многие материалы, которые обычными методами резать невозможно или сложно, например, различные металлы и их сплавы (нержавеющая сталь, титан, алюминий, медь и т.д.), керамические материалы, стекло, камень, дерево, хвойные породы, пластики, резину, многослойные композитные материалы, сотовые материалы, бетон и т.д.

2. Классификация резки водой под высоким давлением

(1) Тип чистой воды.

В основном используется для резки неметаллических материалов, имеет простое оборудование и низкую стоимость, но при этом обладает меньшей режущей способностью.

(2) Тип абразива высокого давления.

Абразивные частицы добавляются в струю воды и после смешивания образуют абразивную струю. Струя воды служит носителем для ускорения абразивных частиц. Благодаря большой массе и высокой твердости абразива кинетическая энергия абразивной водяной струи значительно возрастает, что делает ее основным методом резки металлы.

Вода под высоким давлением и абразивные материалы подаются в режущий пистолет по трубам, смешиваются в смесительной камере режущего пистолета, а затем выпрыскиваются из сопла, при этом давление воды обычно составляет 100~400 МПа.

(3) Тип абразива низкого давления.

Вода и абразив предварительно смешиваются в резервуаре под давлением, затем смешанная абразивная суспензия направляется в сопло режущего пистолета для распыления, при относительно низком давлении воды, обычно в пределах 20~100 МПа.

3. Характеристики резки водой под высоким давлением

(1) Повышение температуры в зоне резания очень мало, температура в зоне резания ниже 100°C, на заготовке нет тепловой деформации или зоны термического воздействия, поэтому материал и свойства разрезаемого материала не изменяются.

(2) Высокое качество реза, без заусенцев, шлака, режущая поверхность вертикальная, ровная и имеет высокую степень гладкости.

(3) Ширина разреза относительно небольшая. При резке чистой водой диаметр водяной струи составляет 0,1～0,5 мм; отверстие сопла для абразивного типа составляет около 1,2～2,5 мм.

(4) Резка может начаться или остановиться в любой точке заготовки.

(5) Не производит газов или пыли, вредных для здоровья человека.

(6) Можно использовать в местах, где открытый огонь строго запрещен.

Основная проблема - слишком громкий шум, достигающий 98~106 дБ, с пиковой частотой шума 2~3 кГц, что довольно жестко, поэтому операторы должны носить беруши.

II. Состав водоструйного аппарата высокого давления

Как правило, гидроабразивный станок высокого давления состоит из генератора воды высокого давления, режущего пистолета и сопла, приводного устройства, устройства очистки воды и резервуара для сбора воды, как показано на рисунке 1.

1 - бункер для абразива
2 - Абразив или шлам
3 - вход для абразива
4 - Заготовка
5 - Резервуар для подачи абразивного шлама
6 - Резервуар для сбора воды
7 - Насадка для абразива
8 - Водяная форсунка
9 - Режущий пистолет
10 - Вода под высоким давлением
11 - Насос сверхвысокого давления
12 - Вход для воды

1. Устройство для получения воды под высоким давлением

Как правило, бустер используется для повышения высокого давления воды, подаваемой насосом, с 20~32 МПа до сверхвысокого давления 100~400 МПа.

2. Режущий пистолет и сопло

Структурная схема режущего пистолета и компонентов сопла показана на рисунке 2. Сопла типа "чистая вода" в основном изготовлены из алмаза или сапфира, имеют простую структуру, а отверстие сопла имеет прямую цилиндрическую форму диаметром 0,1～0,5 мм.

a) Тип чистой воды
b) Высокое давление с абразивным типом
c) Низкое давление с абразивным типом
1-Высокое давление воды
2 - Уплотнительная прокладка
3-Водопроводная насадка
4-Абразивный
5-Смесительная камера
6-Абразивная насадка
7-Вода под высоким давлением, смешанная с абразивом
8 Корпус всех режущих пистолетов
9 Форсунка

Структура абразивного типа (высокого давления) относительно сложна, где материал и отверстие водяного сопла такие же, как у чистого водяного типа, в то время как абразивное сопло обычно изготавливается из твердых сплавов, таких как карбид вольфрама. Канал сопла состоит из двух секций, верхняя часть представляет собой конус с медленно меняющейся конусностью, а нижняя часть - очень длинный прямой цилиндр с отверстием 1~2 мм. Сопло, используемое в виде предварительно смешанного абразива низкого давления (см. рис. 2c), также изготовлено из карбида вольфрама, но его коническая часть короче.

3. Приводное устройство

Как правило, рабочий стол перемещается по оси X, а режущий пистолет - по оси Y. Максимальная скорость движения составляет около 50 м/мин. Точность позиционирования может достигать ±0,1 мм, а точность повторяемости - ±0,03 мм. В процессе резки для поддержания относительно стабильного расстояния между соплом и заготовкой обычно используется емкостное устройство автоматической регулировки высоты при резке металла.

4. Устройство для очистки воды

Включает в себя фильтрацию и химическую обработку. После фильтрации взвешенных частиц в воде размером более 0,45 мкм, ионный обмен или обратный осмос используются для химической обработки, чтобы удалить другие нежелательные соединения в воде.

5. Резервуар для сбора воды

Используется для сбора выброшенной воды и абразивов. Поскольку выброшенная струя воды и абразивы все еще имеют остаточную кинетическую энергию и шум, металлические шарики обычно помещают в резервуар для сбора воды для буферизации.

6. Твердость нескольких абразивных материалов

(см. таблицу1)

Таблица 1 Твердость различных абразивных материалов

III. Параметры процесса резки водой высокого давления

Таблица 2 Параметры процесса абразивной резки металлических материалов водой под высоким давлением

Примечание: Значение отверстия сопла равно диаметру сопла для чистой воды / диаметру сопла для абразива.