Высоконапорная струя жидкости, сжатая до диаметра менее 1 мм – эффективный прецизионный инструмент для резания листовых материалов. Обычно технологические варианты использования такой струи сводят к двум базовым решениям, за которыми прозрачная как чистая вода физика. Решение первое – «режет только жидкость» – вариант, когда удельное давление чистой жидкости в сечении струи превышает удельную прочность разрезаемого материала. Решение второе – «режет абразив в жидкости» – вариант, когда та же самая физика процесса относится не ко всему сечению струи, но к её эрозионно-активным точечным фрагментам, особенно эффективно воздействующим на локальные неоднородности разрезаемого материала. Неоднородности эти существуют как изначально, так и вновь возникают в окрестностях зоны первичного разрушения материала. «Активные точечные фрагменты струи» – это острые грани абразивных частиц, которые, в зависимости от конструкции головки, тем или иным образом внедряются в тело (периферию) высоконапорной струи жидкости. Реальная физика гидроабразивного разрушения материала сложнее, однако, полуэмпирические модели позволяют хорошо прогнозировать практический результат взаимодействия двух статистических распределений – микроскопических неоднородностей разрезаемого материала и острых граней абразива, случайно распределенных в компактном потоке струи.
В обоих случаях кинетическая энергия струи совершает резку непосредственно в зоне обработки без применения каких-либо промежуточных механизмов-преобразователей, т.е. струя используется как бесконечный инструмент с большим количеством режущих кромок. Ввод абразива в струю жидкости увеличивает её режущую способность многократно (с точки зрения эффективного давления на границе сопла – на порядок!), но и цены конструкторской требует немалой.
Ахиллесова пята гидрорезного оборудования – обратная сторона его достоинств. Самые очевидные проблемы, это необходимость в сложных гидравлических уплотнениях насоса второго (повышающего) контура и необходимость в ламинарном токе жидкости на терминальном участке сопла во избежание потерь давления. Качественное решение этих проблем приводит к неизбежному удорожанию оборудования. Экономически гидроабразивное резание, во многих практических приложениях проигрывает лазерному или плазменному раскрою. Такова технологическая и, соответственно, экономическая плата за «бесконечность» – расход жидкости 3,5 м3/час, плюс абразив в качестве режущих кромок, недешёвая субстанция весьма склонная к разрушению…
Традиционная конфигурация гидроабразивного резака предполагает использование в качестве рабочего тела воды, а в качестве рабочего инструмента – абразива, например, гранатового песка с частицами размером около 170-400 мкм. Вода после насоса-мультипликатора подается на урез водяного сопла под давлением 100 – 400 МПа и образует струю диаметром около 0,5 мм, которая попадает в смесительную (эжекционную) камеру. В смесительной камере струя воды захватывает абразив и далее проходит через второе, твердосплавное сопло с внутренним диаметром порядка 1 мм. Из этого сопла струя воды с абразивом выходит со сверхзвуковой скоростью и направляется на поверхность разрезаемого материала. После резки этого материала остаточная энергия струи гасится специальной водяной ловушкой. Загрязненная вода возвращается в процесс резки по какой-либо схеме оборотного водоснабжения.
Возможен вариант чисто гидравлического резака, без использования абразива, который имеет на урезе сопла статическое давление воды более 400 МПа и, как уже было сказано, не относится к станкам простой конструкции. Резка без абразива создает дополнительную проблему (если не считать насос на 400 МПа проблемой). Ламинарная водяная струя должна создавать статическое усилие, которое просто обязано быть выше, чем усилие пластической деформации разрезаемого материала при его равномерном нагружении. Однако любому технологу прекрасно известно, что в случае динамических нагрузок материал разрушается существенно быстрее! К слову сказать, именно в этом причина эффективности введения в струю абразивных частиц.… Другое дело, что плата за эффективность реза – дорогостоящая система оборотного водоснабжения и прочие проблемы, смотри выше.… Вибрация разрезаемого материала иногда позволяет имитировать пульсирующую струю, но это решение сложное в реализации (читай – дорогое) и, увы, не универсальное.
Дороговизна абразива и недолговечные камеры смешения непрерывно стимулирует изобретательскую мысль. Например, в технологической практике известен вариант, при котором режущие свойства высоконапорной струи при чисто жидкостном резании могут быть повышены путём подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, придающих ей абразивные свойства. При абразивно-жидкостном резании материалов подвод хладагента также усиливает режущие свойства струи, так как эффективную концентрацию абразива можно повысить за счет вовлечения в эрозионный процесс разрушенных частиц абразива с размером менее 30 мкм. Эти частицы фактически готовые центры кристаллизации, что при сверхзвуковой скорости струи весьма актуально. Увы, эффективность теплообмена обратно пропорциональна скорости водного потока, а эффективность резки прямо пропорциональна этой скорости. Такая вот энергетическая дилемма.
Как развитие темы льда в качестве абразива, совершенно логична подача в смесительную камеру ледяной шуги с размерами частиц 120+20 мкм. Описанная схема не исключает подвода к струйной головке хладагента, который уже не столько стимулирует кристаллизацию воды в потоке, сколько используется для переохлаждения имеющихся частичек льда, в результате чего повышается их прочность (абразивная эффективность). Технологическая трудность, связанная с калибровкой ледяной шуги, решается двояким способом, либо посредством специальных химических добавок в воду, либо путем применения проточных диспергаторов на линии подачи абразивной пульпы. Реально используются оба способа одновременно. Но главная трудность в использовании ледяной пульпы – это тепловая диссипация энергии водяной струи в ванну уловитель. Фактически, лед в качестве абразива ведет за собой, по меньшей мере, удвоение энерговооруженности гидроабразивного резака. Что там говорят умные головы по поводу сыра и мышеловки?..
Идея о том, как преодолеть ламинарность высоконапорного потока воды без потерь давления, очень проста. Только простота эта формальная. Легко сказать – «давайте разместим импульсный высокочастотный насос высокого давления прямо внутри конструктива сопловой головки, а небольшие порции воды будем ускорять микровзрывами». Скоро сказка сказывается. Теоретически, данный принцип, при успешном разрешении непростых инженерных проблем, позволяет формировать импульсную струю жидкости с максимальным давлением на урезе сопла до 700 МПа, струю (внимание!) которая динамически нагружает разрезаемый материал!
Притом, что инженеры «Научно-производственной компании «КАС» не вчера встали на тернистый путь укрощения ледяной шуги и каскадных электрогидравлических ударов, сказать что «путь пройден до конца» никак нельзя. Использование в качестве расходного хладагента жидкого азота не способствует упрощению оборудования. Однако возникающие преимущества того стоят. Применение столь мощного хладагента в зоне формирования абразивной струи даёт дополнительные возможности: во-первых, повышается износостойкость соплового канала смесителя за счет формирования замороженного слоя на его поверхности, а во-вторых, появляется дополнительный механизм регулирования сечения абразивного сопла. Сейчас начаты работы над «динамическим абразивным соплом», твердосплавная конструкция смесителя заменяется импульсным обжатием абразивной пульпы внешним потоком жидкости под давлением всего-то 10 МПа. При всей привлекательности схемы она связана с дополнительными издержками по расходу воды…
Но наиболее сильные технические решения появились как следствие того, что ООО «НПК «КАС» является производителем установок для генерирования импульсных высоковольтных разрядов большой мощности (до 50 кДж). Именно на базе циклического импульсного генератора ведутся наиболее перспективные эксперименты по созданию оконечного насоса-мультипликатора интегрированного в конструктив сопла и действующего на принципе каскадных электрогидравлических ударов.
Сплав инженерно-конструкторских проблем вокруг эффективного, экологичного и экономичного гидрореза – это вызов интеллекту и одновременно – красота технических решений. Есть некое очарование в самой идее «резать водой»…
