Як струмінь води розрізає сталь і що в цю воду додають (12 фото)

«Вода камінь точить» звучить як порада запастися терпінням. Але на заводі воду розганяють так, що разом із піском вона ріже сталеві плити.





Тонкий струмінь проходить крізь сталеву плиту й вирізає деталь за заданим контуром. Метал при цьому не плавиться. Вода звичайна, ретельно очищена, а головний помічник — пісок, який підмішують у різальній голівці.

Так працює гідроабразивне різання: вода розганяє тверді зерна, а ті знімають метал найдрібнішими частинками. Одному з розробників технології підказку дала попільничка біля ліфта.

Вода швидша за звук

Насос створює тиск у кілька тисяч бар. За 4000 бар спрощений розрахунок дає швидкість витікання близько 900 метрів за секунду — приблизно у два з половиною рази вище за швидкість звуку в повітрі. Реальна швидкість нижча через втрати, а після додавання піску потік уповільнюється ще більше: вода віддає частину енергії зернам.



Таку металеву заготовку вирізали струменем води з абразивом. Товщина збільшує час обробки та ускладнює отримання точної кромки.

Струмінь формується у крихітному отворі, зробленому в сапфірі, рубіні або алмазі. Діаметр — десятимиліметрові частки. Камінь потрібен через твердість і стійкість до зношування: рівні краї отвору допомагають отримати вузький струмінь.





На знімку ріжуть алюміній. Сталь обробляють за тим самим принципом: вода розганяє піщинки, які знімають матеріал.

Чиста вода вже здатна різати поролон, гуму та картон. На харчових виробництвах нею ділять продукти на порції — там обходяться без піску. Але для швидкого розкрою сталі струменю знадобився абразив: тверді частинки, які сточують матеріал.

Пісок із попільнички



У 1970-х Мохамед Хашиш працював над дисертацією з різання водою. Одного вечора біля ліфта він помітив блискучі зерна в попільничці. У руці залишався майже порожній пінопластовий стаканчик з-під кави.

Як пізніше розповідав Хашиш, він допив каву, набрав піску і замість виходу вирушив у підвал до установки. Спочатку пробив водою шматок дерева. Потім повторив експеримент, поставивши стаканчик із піском між соплом і деревиною. Струмінь пройшов швидше, хоча навколо стало помітно брудніше.



Згодом, уже в компанії Flow, Хашиш запропонував додавати абразив для різання сталі та бетону. Керівник Майк Пао сумнівався. Учений попросив три місяці й побився з ним об заклад на вечерю.

На виграну вечерю Хашиш приніс сталеву пластинку з ім'ям начальника, вирізаним китайськими ієрогліфами. Історія збереглася в його власній розповіді. До промислової технології знадобилися роки роботи: перші комерційні гідроабразивні системи з'явилися у 1984 році.

Що саме ріже метал

Найпоширеніший абразив — гранатовий пісок. Це мінерали тієї ж групи, до якої належать ювелірні гранати.



Ювелірні гранати

Гранатовий пісок — це дрібні зерна твердого мінералу граната, різновиди якого використовують у прикрасах: у верстаті ці зерна працюють як абразив і сточують метал.

Верстату, на відміну від ювелірної справи, потрібні дрібні технічні зерна, часто близько двох десятих міліметра.

Гранат досить твердий, важкий і стійкий до руйнування. За однакового об'єму зерно альмандину — одного з гранатів — приблизно в півтора раза важче за кварцове. Важливі й форма частинок, і здатність витримати розгін: занадто крихке зерно розкришиться раніше, ніж виконає роботу.



Природний пісок, що складається переважно з граната. Для верстата абразив додатково очищають і сортують за розміром.

Пісок подають після водяного сопла. Швидкий струмінь створює розрідження в камері змішування й втягує його окремим шлангом. Потім суміш проходить крізь фокусувальну трубку з каналом зазвичай близько міліметра в діаметрі.

Вода розганяє піщинки, а ті під час зіткнення зі сталлю прорізають мікроскопічні борозни та вибивають частинки металу. Голівка рухається за контуром, нові зерна безперервно змінюють відпрацьовані — виходить наскрізний розріз.

Звичайний пісок із будівництва сюди не підходить без підготовки. Абразив очищають і сортують за розміром: занадто великі частинки можуть забити канал, а неоднорідна суміш заважає витримувати якість різання.

Чому струмінь сточує власний верстат

На шляху до заготовки піщинки зношують фокусувальну трубку. Її виготовляють з особливо стійких матеріалів на основі карбіду вольфраму, але поступово канал усе одно розширюється. Струмінь стає ширшим, точність падає.



Тому виробник OMAX рекомендує повертати трубку на чверть оберту через кожні вісім годин різання: так зношування розподіляється рівномірніше. Міняють її, коли розміри деталей перестають укладатися в необхідні допуски. Єдиного терміну служби для всіх режимів немає.



Витрачається і пісок. Наприклад, в одному з уральських експериментів із різання каменю його подавали по 300 грамів на хвилину — це 18 кілограмів за годину. Частину абразиву можна використати повторно, але спочатку доведеться відокремити його від відходів, просіяти й висушити. Зерна подрібнюються під час роботи, тому повернути у верстат увесь зібраний пісок не вдасться.

Куди дівається струмінь після розрізу

Під заготовкою розташована ванна з водою. Пройшовши крізь метал, струмінь розсіюється й втрачає швидкість. Пісок і частинки матеріалу осідають на дно — цей осад доводиться видаляти.



Абразив надходить у різальну голівку окремо від води. Їх змішують уже після отвору, що формує водяний струмінь.

Метод називають холодним різанням. Тепло під час роботи виділяється, але вода його забирає, і біля розрізу не виникає зони сильної термічної зміни металу, характерної для лазера чи плазми. Це корисно під час обробки титану та інших сплавів, властивості яких важливо зберегти.

Потужні установки здатні розрізати метал завтовшки близько 30 сантиметрів. Але товщина обходиться дорого: обробка триває довше, а точні розміри витримати важче.

Струмінь може відхилятися всередині матеріалу. За занадто швидкого руху голівки її нижня частина відстає, на кромці з'являються борозни. Розріз нерідко виходить ширшим зверху, ніж знизу. Нахил голівки допомагає компенсувати ці відхилення, але швидкість усе одно доводиться добирати під потрібну якість.



Гідроабразив дає змогу вирізати у сталі складні контури. Швидкість обробки добирають під товщину металу та вимоги до поверхні.

Є й несподівана межа: звичайне скло гідроабразив ріже, а гартоване зазвичай розсипається. Пошкодження порушує рівновагу внутрішніх напружень, створених під час гартування. Товста металева плита може піддатися, а порівняно тонке скло — зруйнуватися.

Чи можна обійтися без граната



Дослідники перевіряли місцевий кварц. Подрібнений матеріал родовища «Гора Кришталева» виявився недостатньо міцним: зерна погано витримували роботу в струмені.

Природний пісок Кичигінського родовища показав вдаліший результат. За певних режимів різання алюмінієвого сплаву якість поверхні була порівнянною з результатом гранатового абразиву. Але переносити висновок на будь-яку сталь не можна: у дослідженні окремо вказано, що економіку такої заміни ще належить перевірити.

Тож у вартості водяного різання платять не лише за потужний насос. Потрібні підготовлений пісок, зносостійка трубка та час: що акуратнішою має вийти кромка, то обережніше доводиться вести струмінь.