Лазерная или гидроабразивная резка? Сравнительная характеристика

В практике выполнения разделительных операций с листовыми материалами в условиях мелкосерийного и единичного производства преимущества зачастую получают технологии локального разделения материала, основанные на раскрое из цельного фрагмента заготовок с различной конфигурацией. Это позволяет использовать не специализированное, а универсальное оборудование. Гидроабразивная и лазерная резка распространённые представители подобных технологий, какой отдать преимущество?

Лазерная резка металлов: принцип и сущность процесса
Преимущества и недостатки
Гидроабразивная резка: технология и оборудование
Преимущества и ограничения

Лазерная резка металлов: принцип и сущность процесса

Метод резки лазерным лучом происходит вследствие воздействия на поверхность раздела высококонцентрированного теплового источника, 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.

Таким образом, 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 трёхкоординатную 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 от программно от бортового компьютера.

Преимущества и недостатки

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 её 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.

Гидроабразивная резка: технология и оборудование

Обработка металла водой, которая подаётся 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 счёт гидравлического воздействия струи и, вследствие, механической эрозии материала от твёрдых 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:

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.

Преимущества и ограничения

Достоинства технологии:

Отсутствие нагрева разделяемой заготовки, максимальная температура которой не превышает 70..90⁰С. Таким образом, её 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.

Суммируя, можно сделать вывод о том, что для тонко- и среднелистовых металлов, а также необходимости выполнять разделительные операции более пригодны лазерные установки. Для повышения функциональности процесса при разделении толстолистового металла, при одновременном обеспечении высокого качества реза, а также при обработке нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов и т.д. превосходство имеет гидроабразивная резка.