Лазерная и гидроабразивная резка

Достаточно часто возникает логичный вопрос о сравнении характеристик лазерной и гидроабразивной резки металлов, так как данные виды разделительных операций популярны при мелкосерийном и единичном процессах производства. Оба способа предназначены для разделения материалов за счет раскроя заготовок различной конфигурации. Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки обоих методов.

Особенности лазерной резки

Данная процедура базируется на воздействии на заготовки при помощи лазерного луча. Осуществляется за счет воздействия высококонцентрированным тепловым источником, при этом тепловая мощность лазерного луча составляет не менее 100 МВт/см2. В подобных условиях любой материал претерпевает световую эрозию – разрушение. Процесс лазерной резки происходит в несколько этапов: нагрев, плавление и размерное испарение.

Поэтому непосредственно перед разрушением в слоях разрезаемого материала происходят сложные термофизические процессы, обуславливающие изменение его структуры и свойств в приконтактных зонах. Мощность оборудования для лазерной резки определяет длительность каждого из вышеперечисленных этапов.

Станок для лазерной резки состоит из:

инструментального блока, в котором размещается лазерная головка;
портальной рамы, с помощью которой производится позиционирование заготовки;
рабочего стола с устройствами, обеспечивающими трехкоординатную фиксацию разрезаемого материала;
источника питания лазера;
насосно-вентиляционной системы, производящей удаление продуктов эрозии из зоны обработки.

Все виды оборудования лазерной резки оснащаются системами ЧПУ, управляемыми программно от бортового компьютера.

Плюсы и минусы лазерной резки

Несомненными достоинствами процесса считаются:

Высокая производительность, которая практически не зависит от механических характеристик разъединяемого материала, а также от его структуры.
Возможность минимизировать непроизводительные потери при резке, поскольку ширина лазерного пучка не превышает 10..20 мкм.
Высокое качество разреза, исключающее возможность неконтролируемого размерного плавления материала. Таким образом, отпадает потребность в последующей доводки плоскости разделения до требуемых параметров шероховатости.
Универсальность процесса. При помощи лазерного луча можно не только разрезать материал, но также получать сложные по конфигурации отверстия, щели и пазы, производить упрочняющую обработку и т. д.

Недостатки лазерных технологий проявляются в следующем:

Оборудование весьма дорого и сложно в наладке, а потому требует специально обученного персонала. Лазерная резка при малых программах выпуска далеко не всегда рентабельна.
Высококонцентрированное термическое воздействие на поверхность вызывает ее коробление, с соответственным изменением пространственных размеров заготовки. Обработку тонких изделий из металлов с высокой теплопроводностью лазером не выполняют.
Не всегда в конечной заготовке после лазерной резки сохраняется та микроструктура, которая требуется для долговременной эксплуатации готовой детали.
Выделение газов при резке лазером вынуждает выделять под такое оборудования обособленные зоны.

Особенности гидроабразивной резки

Обработка металла водой, которая подается в производственную зону под большим давлением (более 4000..5000 ат), может вызывать локальное разрушение. Однако, значительно более эффективным признано сочетание двух потоков: водной струи (со скоростью более 1000..1200 м/с) и потока мелкодисперсных абразивных частиц, например, кварцевого или гранатового песка. При подобном комбинированном воздействии на поверхность, местное разрушение происходит и за счет гидравлического воздействия струи и, вследствие, механической эрозии материала от твердых частиц абразива.

Гидроабразивная резка металла выполняется гидравлическим резаком, представляющим собой инструментальную головку, в выходной части которой имеется сопло. Туда вводятся, постоянно перемешиваясь, поток воды под высоким давлением и подготовленный (отфильтрованный по фракциям и высушенный) абразив. По мере приближения сопла к разрезаемой поверхности давление потока возрастает до показателей, превышающих предел прочности обрабатываемого материала. В результате последний разрушается по линии перемещения резака. Отработанные абразивные частицы вместе с водой удаляются через систему фильтров насосной установкой и подготавливаются для дальнейшего применения.

Технологическими характеристиками процесса являются следующие аспекты:

Точность разделения: зависит от размеров абразивных частиц (они не должны превышать 500..600 мкм, иначе резка будет некачественной);
Расход абразивной составляющей: у современных станков она не превышает 45..50 г/с;
Производительность резки. Она зависит от вида разделяемого материала и его толщины, максимально 1,5 м/мин.
С целью уменьшения уровня шума при работе оборудования, координатный стол с резаком помещают в ванну с водой. Это способствует эффективному гашению кинетической энергии струи и увеличивает долговечность оборудования.

Достоинства и недостатки метода

Достоинства технологии:

Отсутствие нагрева разделяемой заготовки, максимальная температура которой не превышает 70..900С. Таким образом, ее коробление исключается, а точность возрастает.
Возможность вести обработку изделий значительной толщины – до 250…300 мм (иные способы разделения толстых заготовок неэффективны из-за высоких энергозатрат).
Пригодность процесса для резки любых материалов, в том числе хрупких – стекла, камня и т. д.
Высокая чистота разреза, поскольку поверхность не оплавляется, что неизбежно при всех способах термического разделения исходных заготовок.

Недостатки гидроабразивной резки:

Сложность и громоздкость технологического оборудования.
Малая долговечность сопла: заточка инструмента вследствие его интенсивного износа потоком абразивных частиц должна выполняться после каждой рабочей смены.
Повышенный уровень шума во время работы.
Возможность коррозии металла в процессе обработки, что вынуждает незамедлительно высушивать заготовки после резки.

Выводы

В итоге, в зависимости от поставленной задачи может быть более эффективен один из двух рассматриваемых методов. Если требуется работа с тонкими и среднелистовыми металлами (теми же алюминиевыми листами, например), а также организации качественных разделительных операций чаще требуется лазерная резка. Если же требуется повышение функциональности для разделения толстых листов из алюминия, а также увеличения качественных показателей реза, намного лучше использовать гидроабразивную резку металла.