Метод гидроабразивной резки нашел успешное применение во многих областях металлообработки. Отсутствие термического изменения свойств обрабатываемого материала и коробления протяженных деталей, возможность резки любых металлов толщиной до 200…300 мм, высокая точность и качество резания, позволяющего получать готовые детали без последующей механической обработки, а также высокая экономическая эффективность сделали недавних скептиков горячими сторонниками этого прогрессивного метода.

Однако для обеспечения точности и качества резания существуют разные подходы. Известно, что после разрезания материала гидроабразивной струей, поверхность реза имеет некоторую конусность. На протяжении последних нескольких лет много было сказано о преимуществах компенсирующего влияния резки качающимся соплом по сравнению с традиционной двухосевой обработкой. В отношении "простого" двухкоординатного управления эти утверждения могли быть частично верны. Однако последние усовершенствования программного обеспечения, учитывающие динамику водоабразивной струи, показывают их совершенную необоснованность.

Для того чтобы проверить эти утверждения, компания KMT Waterjet Systems (США) попросила ряд опытных и независимых фирм провести серию тестов по разрезанию материалов различной толщины с заданной шероховатостью поверхности. При сравнительном анализе оценивался обобщенный фактор, включающий инвестирование в оборудование, его ремонт, а также затраты на выполнение операции и другие расходы.

Процесс тестирования проходил при равных определяющих условиях и одинаковых требованиях к обработанной поверхности. Для проверки данных, полученных при тестировании, был привлечен независимый наблюдатель Dr. Pawan из организации Singh of Quantum Performance Solutions Inc.

В результате проведенных тестов компания KMT Waterjet Systems пришла к заключению, что двухкоординатная гидроабразивная резка с правильно выбранной программой превосходит по своим характеристикам метод обработки качающимся соплом. "Двухкоординатная резка имеет явные преимущества перед более сложной, дорогостоящей и трудоемкой в обслуживании системой с компенсирующим качающимся соплом", сообщается в отчете КМТ.

Нажмите на картинку для ее увеличения

Конусность

На рис. 1 иллюстрируется тот факт, что возникновение конусности и "борозд" зависит от скорости движения сопла. Вследствие эрозионной природы процесса, чем дольше струя находится в контакте с материалом, тем больше конусность будет проявлять тенденцию сходства с формой струи. Вместе с тем, при снижении скорости движения сопла уменьшается шероховатость обработанной поверхности.

Анализ рис. 1, А свидетельствует о том, что при малой скорости движения сопла образуется конусность типа А с низкой шероховатостью поверхности реза. При более высокой скорости движения сопла материал подвергается воздействию струи в течение меньшего промежутка времени, что приводит к уменьшению конусности. При дальнейшем увеличении скорости наступает "переходный" процесс, при котором конусность полностью исчезает.

Фрагменты А2 - С2 на рис. 1 представляют собой поперечное сечение струи при двухкоординатном (X-Y) резании. Фрагменты А3- С3 рис. 1 иллюстрируют поперечное сечение качающейся струи (NTC), поворачиваемой для компенсации конусности реза. Фрагменты А2 и А3 свидетельствуют, что при малой скорости резки достигается низкая шероховатость поверхности, а наклон струи смещает конусность в желательную область заготовки. Однако в данном случае в повороте струи нет необходимости, поскольку конусность может быть легко откорректирована путем увеличения скорости движения сопла в режиме "В", причем при этом также уменьшается время резания. Несмотря на то, что режим С3 способствует уменьшению конусности, его применение приводит к появлению бороздчатости на поверхности реза. Только используя режим В2, можно достигнуть гладкой плоской поверхности без конусности.

Вывод: для водоструйных технологий обработки существует оптимальная скорость резания, обеспечивающая отсутствие или минимальное значение конусности и наилучшее качество поверхности.

Качество поверхности реза

Исследования окончательно обработанной поверхности показывают, что после перехода зоны В1 начинается образование борозд, что вызвано изгибами дрейфующей струи. При этом времени для равномерной эрозии материала недостаточно. При увеличении скорости резания поверхность становится грубее вследствие формирования все более глубоких борозд (см. рис. 1, С).

Среди прочих факторов качество поверхности при гидроабразивной обработке напрямую зависит от размера абразивных частиц и времени контакта материала со струей. Чем дольше материал подвергается абразивному воздействию струи (чем ниже скорость движения сопла), тем сильнее эффект полирования поверхности реза и наоборот. Таким образом, эффективность сопла (сопла, которое удаляет материал при повышенных скоростях движения) определяется количеством материала, удаляемого за единицу времени.

Независимые испытания абразивных головок шести ведущих производителей, проведенные в 2003 году университетом Миссури, США, показали, что самой эффективной является шведская головка AutolineTM. Эта головка способна удалять на 400 % больше материала по сравнению с любыми другими головками. При этом стоимость резания снижается более чем наполовину.

Использование двухкоординатной X-Y системы и эффективного абразивного сопла при условиях, соответствующих или близких к режиму "В" на рис. 1, позволяет получить наилучшую шероховатость поверхности и исключить необходимость последующих операций. В случае, если скорость обработки является приоритетом и последующие операции приемлемы, то двухкоординатная X-Y система с функцией дистанцирования сопла (Offset) является более предпочтительной по сравнению с качающимся соплом (NTC), поскольку в этом случае требуется лишь удаление бороздчатости, что занимает меньше времени.

Вывод: только эффективность сопла определяет скорость резания, при которой начинает формироваться бороздчатость. Чем эффективнее сопло, тем быстрее оно может резать, не образуя борозды. Компенсирующий поворот сопла не влияет на шероховатость поверхности, вызванной скоростным образованием борозд.

Точность на углах реза

Опыт показывает, что многоосевая обработка качающимся соплом имеет некоторую ценность (до некоторого практического предела скорости), так как поворот сопла корректирует нежелательное отклонение струи на угловых и дуговых участках деталей с возможностью направлять борозды в направлении "от детали".

Однако при повышенных скоростях двухосевая X-Y система с оптимизационным управлением скоростью, используемая в совокупности с функцией дистанцирования (Offset), позволяет изменять направление борозд так же эффективно. Добавление высокоэффективного сопла к двухкоординатной X-Y системе последовательно превосходит эксплуатационные характеристики существующих NTC-систем.

Нажмите на картинку для ее увеличения

На рис. 2 в центре показано, что при двухосевой обработке деталь была разрезана быстрее, чем при использовании NTC-системы (рис. 2, слева), при одинаковой точности и шероховатости поверхности.

Деталь, показанная на рис. 2 справа, иллюстрирует эффект применения NTC-системы при скорости выше, чем при использовании X-Y системы.

Результаты показывают, что когда X-Y система управляется программой учета динамики струи, которая оптимизирует скорость во всех точках, включая ускорение и замедление на углах, дугах и других переходах детали, эта X-Y система соответствует или превосходит по сокращению времени резки, точности и шероховатости поверхности детали систему с поворотным соплом.

Вывод: двухкоординатная X-Y система с эффективным абразивным соплом и программой Advanced Dynamic будет резать деталь быстрее, обеспечивая такую же точность обработки и шероховатость поверхности, как и при обработке методом NTC.

Руководитель направления Андрей Торопов