Гидроабразивное Резание И Абразивные Материалы

1. Преимущества гидроабразивного резания

В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся работы по внедрению экологически чистой технологии раскроя различных материалов гидроабразивной струей, что даст возможность полностью автоматизировать процесс обработки, исключить из технологического цикла механический режущий инструмент; повысить качество обработки и снизить отходы материала; значительно снизить шум и полностью ликвидировать запыленность рабочего места; вырезать изделия сложного профиля различных размеров с любым радиусом закругления. 
Использование таких технологических процессов постоянно расширяется, особенно в авиационно–космической промышленности и автомобилестроении в связи с внедрением новых материалов.

2. Механизм разрушения материала под действием гидроабразивной струи 

Подобно другим высокоэнергетическим технологиям, при резании материалов гидроабразивной струей на обработанной поверхности создается определенная топография поверхности, которая оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства. 
Изучение механизма разрушения и формирования микрорельефа проводилось на основе микроскопических исследований поверхностей, после гидроабразивного резания, которые показывают, что механизм разрушения материалов с различными физико-механическими свойствами примерно одинаков.
Для этого исследована обработка при одинаковых режимах разнообразных материалов: сталей, алюминия, титана.
Характер съема материала можно рассматривать как одновременное действие нескольких механизмов разрушения:
1. Микрорезание, следы которого просматриваются на всех снимках, кроме того, на более пластичных материалах проявляются следы субмикрорельефа отдельных граней абразивных зерен, что дополняет предствление о работе резания отдельными зернами.
Анализ снимков показывает, что в работе резания могут участвовать несколько граней зерна, отдельные грани, а также микровыступы на отдельных гранях. После такого взаимодействия зерен с поверхностью следы от ударов представляют собой чередующиеся выступы и впадины различной формы и глубины.
2. Хрупкое разрушение, возникающее из-за многократного ударного действия абразивных частиц. У менее пластичных материалов и хрупких материалов этот вид разрушения является преобладающим.
3. Усталостное разрушение наблюдается, если напряжения создаваемые отдельными абразивными частицами находятся в линейной, упругой области, намного ниже предела прочности материала, однако циклические, т.е. периодические силы от набегающего потока вносят свой вклад в процесс разрушения.
Перечисленные причины разрушения обрабатываемого материала действуют в комбинации. Естественно можно предположить, что преобладающим является микрорезание, так как при резании алюминия, который мало склонен к хрупкому разрушению, удельный съем относительно высок. Преобладание того или иного механизма разрушения зависит от кинетической энергии абразива, формы зерна, физико-механических свойств материала, свойств окружающей среды и др.
При рассмотрении процесса разрушения можно отметить, что не все зерна в одинаковой степени выполняют работу разрушения. Часть зерен, врезаясь в материал, снимают стружку. Другая часть зерен - скоблит поверхность без снятия стружки. Третья часть зерен, соударяясь с обрабатываемой поверхностью, выдавливает материала в стороны. Выдавленные в результате пластической деформации микровыступы, имеющие ослабленные основания, легко могут быть срезаны набегающим потоком других зерен.

3. Поверхность реза

Вверху реза просматриваются следы микрорезания. На поверхности пластичных материалов (алюминий, медь) проявляются следы субмикрорельефа отдельных граней абразивных зерен. Следы от ударов сравнительно четкие, короткие и глубокие. Направление следов практически вертикально. В некоторых случаях обнаружено образование навалов в конце следов. 
В середине реза следы более длинные и мелкие. Прослеживается однородность ориентации следов по направлению режущего фронта. Внизу реза общий механизм разрушения не изменяется, но ориентация следов износа становится нерегулярной. Выделяется преобладание пластических деформаций при разрушении, что согласуется с исследованиями Arola и Ramulu, отмечающие увеличение внутренних напряжений внизу поверхности реза до 170 МПа (вверху 50-70 МПа).
На основании проведенных микроскопических исследований выделены два этапа разрушения: ударное I (вверху реза) и фрикционно-контактное разрушение II (внизу реза).
При перемещении струи количество контактных взаимодействий убывает пропорционально ординате полусферы в радиальном к направлению подачи направлении.
Поэтому интенсивность разрушения материала на периферии значительно меньшая, чем в центре, через которую проходит большее количество режущих зерен, а, следовательно, объем удаляемого материала, приходящегося на единичное абразивное зерно, увеличивается от центра разрушения к периферии. Это объясняет наблюдаемые вверху поверхности реза короткие и глубокие следы, образуемые в результате отрыва микрочастиц обрабатываемого материала. Кроме этого, из-за расширения струи (до 10 град) вектор скорости периферийных зерен направлен в глубь материала, что приводит к росту толщины снимаемого припуска. 
Как только скорость частицы снизится - процесс раскрытия трещин прекратится, поток жидкости унесет ее из зоны контакта, что объясняет образование навалов в конце следов. С этой точки зрения представляет интерес и тот факт, что на зерно дополнительно оказывается воздействие со стороны потока жидкости. Как только струя прорежет материал, поток жидкости в периферийной зоне изменит направление движения в сторону образовавшейся воронки, что способствует уносу абразива из зоны контакта. 
Из анализа механизма разрушения следует, что на окончательный вид поверхности резания в первую очередь влияет скорость подачи сопла. Фронт резания в радиальном к подаче направлении представляет собой некоторую кривую, форма которой зависит от скорости перемещения струи.

4. Схемы разрушения материала при гидроабразивной резке

В связи со сложностью и многофакторностью процесса микроразрушения материала в зоне обработки под воздействием участка струи и ее отдельных элементов, в математической модели формирования качества поверхности реза следует выделить ряд упрощенных схем:
1. Процесс эрозионного разрушения материала происходит под действием импульсной нагрузки при ударе единичного абразивного зерна.
2. Фрикционно-контактно-усталостное разрушение материала обусловлено тем, что при бомбардировке поверхности каплями и абразивными зернами, напряжения и деформации, возникающие при этом, не достигают разрушающих значений.
3. Микрорезание осуществляется при однократном приложении силы летящей абразивной частицы, достаточной по величине для отрыва микрочастицы обрабатываемого материала и имеющей более высокую твердость по сравнению с ним.
4. Проникающее действие жидкости при ударе капель о поверхность с уже образовавшимися трещинами и эрозионными раковинами приводит к локальному разрушению материала.
5. Гидродинамическая кавитация – образование в струе пузырьков, схлопывание их при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью материала, приводит к его кавитационной эрозии.
6. Разрушение струей действием изгиба и сжатия микронеровностей обрабатываемой поверхности.
7. Металл представляет собой поликристаллическую структуру. Следствием этого, является наличие внутри металла микропор. Согласно волновой теории при мгновенном приложении нагрузки от струи к материалу (упругая среда) в нем будет распространяться возмущение, волны которого допустимо рассматривать как плоские. Это позволит, аналитически описать процесс разрушения в зависимости от вышеуказанных факторов.

5. Абразивные материалы для гидроабразивной резки

Обычно в качестве абразивов используется гранат. Гранатовый песок (Garnet) является жестким и тяжелым абразивом с плотностью примерно 4,1 - 4,3 г/см. Твердость граната связана с кристаллическим строением и обеспечивает высокое сопротивление к разрушению. Благодаря этой способности гранатовый песок является устойчивым в течение всего времени использования. Таким образом, получается высокое качество реза со степенью шероховатости в зависимости от размера зерна и скорости резки. 
Однако, использование граната для процесса резания гидроабразивной струей связано с финансовыми затратами, потому что это - относительно редкий минерал, а процесс его очистки дорогостоящ.
Поэтому учеными ООО «Орловский абразивный завод» (www.orlaz.ru) проводятся работы по поиску новых вариантов абразивов, сопоставимых гранату, но менее дорогостоящих, что позволит расширить область применения данного процесса.
На основе проведенных экспериментальных исследований рекомендуется при подготовке оптимальной абразивной смеси для гидроабразивного резания обеспечить режущие возможности не ниже, чем при использовании гранатового абразива за счет введения абразивов с высокой и сверхвысокой твердостью.
Для различных толщин и типов материалов определены режимы гидроабразивного резания с учетом режущих возможностей каждого компонента абразивной смеси. За оптимальные условия гидроабразивного резания приняты условия резания гранатовым абразивом.
Рекомендуется тип абразивного материала смеси и его дозировку назначать в зависимости от твердости абразива и необходимого количества для осуществления сквозного резания обрабатываемого материала.