Современные технологии в сфере оборудования для гидроабразивной резки

(на примере оборудования для гидроабразивной резки с оптимальным качеством реза в 2D и 3D от компании KNUTH)

Гидроабразивная резка — один из наиболее точных способов разделения материала, широко использую-щийся на производстве. Опыт европейских производите-лей показывает, что новые разработки в сфере оборудова-ния для гидроабразивной резки не только позволяют по-высить эффективность производства, но и способствуют понижению затрат на техобслуживание, улучшая, таким образом, общий экономический баланс предприятия.

В данной работе мы рассмотрим новые технологии в сфере оборудования для гидроабразивной резки, позво-ляющие получить оптимальное качество реза в форматах 2D и 3D. Поскольку проводить подобный анализ всегда лучше на конкретном примере, мы рассмотрим, какое применение высокие технологии находят в оборудовании для гидроабразивной резки от немецкого производите-ля «KNUTH Werkzeugmaschinen GmbH». При этом мы уделим особое внимание технологическим особенностям данного оборудования, которые позволяют повысить эф-фективность производства. 

Немецкий производитель машиностроительного обо-рудования KNUTH работает на российском рынке с 2000 г., поэтому многие крупные отечественные предприятия на практике знакомы с этой техникой. 

Функциональные особенности гидроабразивной резки

По сравнению со станками плазменной и лазер-ной резки, в которых применяется термический способ разделения материала, резка гидроабразивом является «холодным» способом реза, в ходе которого даже при очень низкой скорости резки нарезаемый материал не на-гревается (см. рис. 1). Поэтому водяная струя может использоваться для резки деталей большой толщины, более 100 мм. К тому же, такой метод разделения мате-риала является универсальным, поскольку он не зависит ни от электропроводимости материала, ни от поглощений лазерного луча. Добавение абразивного средства в струю воды под высоким давлением позволяет добиться очень экономного расхода материала при узком шве разреза (6 1 мм) даже при работе с твердыми материалами.

Рис. 1. Резка водяной струей высокого давления

Установки гидроабразивной резки производства ком-пании KNUTH прекрасно зарекомендовали себя в про-мышленном применении, как на российском, так и на международном рынке. Обширный опыт применения по-купателями данного типа оборудования на произвосдтве был учтен в разработках нового поколения таких устано-вок; ассортимент машин также постоянно расширялся. Наряду со стандартной серией оборудования для гибро-абразивной резки Hydro-Jet в ассортименте компании представлены модели для резки премиум-класса с авто-матической корректировкой угла разреза, а также станки с режущей головкой для 3D-обработки, работающей в пя-ти осях. Форматы станков представлены в диапазоне 1,5 × 0,5 м, специально для задач по сверхточной резке, до больших форматов с площадью резки 4 × 3 м.

Во всех моделях станков для водоструйной резки компании KNUTH резервуар с водой механически отсо-единяется от корпуса станка, поэтому на управляющую машину не воздействует энергетическая нагрузка режущей струи. Максимально точные станки Premium-Water-Jet оснащены перемычками (мостами), которые соединяют длинную ось рабочего пространства (легче загружать мате-риал с длинной стороны) и передвигаются с помощью точ-ного привода Gantry. Серия Hydro-Jet, напротив, работает в соответствие с концепцией Flying-Bridge, которая обес-печивает идеальный доступ к резервуару с водой с трех сто-рон. Далее мы рассмотрим технологические особенности данного оборудования на примере конкретных моделей.

Рис. 2. Поверхность разреза на стальном листе толщиной 25 мм. Слева: разрез максимально высокого качества при медленной подаче материала. Справа: разрез при скорости в 6,6 раз выше. Посредине: борозды и наклон поверхности разреза как качественные характеристики.

Факторы, влиящие на качество разреза 

Качество поверхности среза в основном зависит от на-страиваемых параметров резки и особенностей использу-емого режущего оборудования. Как показано на рис. 2, можно получить как очень ровную поверхность среза без каких-либо борозд с точным верхним и нижним краем резки, так и более быстрый грубый разрез, выраженные борозды которого увеличиваются сверху вниз и образуют волнообразный нижний край среза (заметно при увеличе-нии). Между изображенными двумя вариантами разрезов существуют пять варьируемых уровней качества, а также различие в скорости разреза с коэффициентом 6,6:

 — Поверхность разреза очень высокого качества мож-но получить при условии медленной подачи материала, поскольку струя воды под высоким давлением «режет» не только по направлению вперед, но и благодаря абра-зивным зернам по обеим сторонам струи, движущимся вместе со струей, «шлифует» только что полученную по-верхность среза. Обязательным условием этого является абсолютно равномерный процесс резки, т. е. отсутствие каких-либо толчков давления в струе воды, вызванных работой насоса высокого давления, отсутствие задержек в подаче абразивного средства и погрешностей в дви-жении струи из-за износа или недостаточного качества форсунок и фокусирующей трубки.

— При высокой скорости резки кинетической энер-гии абразивных частиц, ускоряющихся в струе воды под давлением, не хватает для равномерного разделения ма-териала, что отражается на качестве разреза (см. рис. 2). 

Вторым аспектом качества разреза является соблюде-ние заданных размеров нарезаемых деталей. Как показано на рис. 2, процесс эрозии в шве разреза приводит к то-му, что ширина разреза уменьшается по направлению вниз, т. е. небольшой наклон поверхности разреза по на-правлению струи воды под высоким давлением является неизбежным. 

Соответственно порезанная деталь с нижней стороны всегда немного больше, чем сверху. Этот эффект тем за-метнее, чем выше скорость подачи, и при максимальной скорости реза составляет примерно треть ширины реза в верхней части. Максимальный наклон, например, при использовании материала толщиной 40 мм составляет примерно 0,6^∘, т. е. даже при грубом шве разреза откло-нения в размерах детали составляют менее 0,8 мм. 

Такая зависимость наблюдается в работе станков с технологией 2D, например, недорогих станков серии Hydro-Jet. В этом случае для точного изготовления де-талей, не требующих последующей обработки, подача регулируется по направлению вниз до достижения необхо-димой точности, даже если требования к шероховатости поверхности среза допускают работу на более высокой скорости. Поскольку при замедлении подачи пропорцио-нально замедляется продолжительность резки, а затраты на изготовление на каждую единицу времени остаются неизменными, такие требования к точности параметров изготавливаемой детали увеличивают ее стоимость.

Альтернативным решением являются высококаче-ственные режущие станки серии Water-Jet в STAHLWERK класса Premium Line. Эти машины оснащены режущей головкой с двухосевым устройством реза под углом. Благо-даря этому установки обеспечивают как автоматическую компенсацию наклона поверхности среза, возникающего на разрезаемой детали (taper angle control), так и забегание режущей головки вперед (forward tilting) таким образом, что следующая борозда минимизируется.

Рис. 3. Режущий станок Water-Jet 3015 из серии STAHLWERK; класса Premium Line с диапазоном резки 3 × 1,5 м; система вытяжки отработанного абразива расположена за станком.

За счет этого выполненяется резка небольшого ради-уса и угла деталей при более быстрой подаче, в зависи-мости:

— от направления резки и скорости подачи;

— от типа материала и его толщины; 

— от других параметров резки, таких как давление воды, диаметр форсунки и подача абразивного вещества.

 Благодаря специальному программному обеспечению величина угла корректируется в процессе работы. Рас-хождения в размерах между верхней и нижней сторонами могут составлять менее 0,03 мм при использовании ма-териала толщиной до 40 мм. При этом угол наклона режущей головки составляет 0,025^∘, что является лишь 24-й частью указанного выше максимального угла накло-на, которого можно добиться при работе в режиме 2D.

 Такая точная компенсация наклона обеспечивает усло-вия для производства высокоточных деталей, поскольку и направление координат движения режущей головке по оси X и Y также является высокоточным. Качество резки, обеспечиваемое за счет такой комбинации, четко видно на образцах, предоставленных компанией KNUTH (образец из двух вырезанных деталей). Вставная деталь, углы которой по сравнению с рамочной деталью должны вырезаться в развороте на 90^∘, легко входит в рамочную деталь, не оставляя даже щели вдоль изгибов. Такое ка-чество резки возможно получить как в изображенном положении материала, так и в перевернутом положении, когда нижняя часть находится сверху.

 Режущая головка 3D

Для снятия фаски применяются машины с режущей головкой, движущейся по пяти осям. Режущая головка 3D, разработанная компанией KNUTH, базируется на кон-струкционном принципе нутации: движения режущей головки с двумя осями вращения позволяют сохранять неизменным положение точки попадания струи воды на деталь, так что для изменения угла направления струи не нужно совершать корректирующих движений по линей-ным осям X, Y, Z. Отличительной чертой этой режущей головки 3D является ее способность вращаться без огра-ничений. С ее помощью можно в процессе непрерывной резки делать контуры, для выполнения которых требуется многократное вращение вокруг оси Z на 360^∘ (напри-мер, резка спиралевидных контуров). Поэтому ее можно также успешно использовать для описанного процесса компенсации наклона поверхности резки и минимиза-ции следующей борозды, что делает ее исключительно экономичной.

Рис. 5. Режущий станок с режущей головкой 3D, работающей в пяти осях.

С другой стороны, режущая головка 3D может исполь-зоваться не только для вытачивания фаски, но и сложных деталей 3D. С ее помощью можно выполнять полно-ценную обработку в формате 3D, если в программном обеспечении станка разблокирована функция одновре-менной интерполяции всех пяти осей перемещения.