Первые упоминания об использовании воды в качестве механического инструмента относятся к 1850-м годам. Пионерами технологии считаются калифорнийские золотоискатели, приспособившиеся вымывать из шурфов пустую породу пожарными брандспойтами, вместо того чтобы по старинке таскать ее на своих плечах.

Скоростной режим Проходя через дюзу, водяной поток разгоняется до 2700 км/ч и фокусируется в тончайший луч. После добавления абразива скорость струи падает более чем в два раза — до 1100 км/ч.
Грызем гранит Гидроабразивной резке под силу не только картон и мягкий пластик. Водомету по зубам закаленная сталь, титан, никель, стекло и даже гранит. Вода справляется и с композитными материалами, состоящими из многих слоев с разными характеристиками.

Зачастую водяные пушки заменяли старателям кирки и лопаты — мощная струя воды легко размывала каменистый грунт кубометрами в минуту, увеличивая среднюю скорость проходки до жилы в разы. В конце XIX века британские горные инженеры усовершенствовали эту нехитрую методу, устроив в шахтах Южной Африки подземные гидропроводы для выемки и транспортировки золотоносной породы из устья забоя, а в Пруссии и России таким же способом пытались извлекать из шахт добытый уголь. Впрочем, вплоть до середины XX века широкого распространения данная технология не получила.

Настоящий прорыв в области гидрорезки произошел в 1935 году, когда выпускник Днепропетровского горного института имени товарища Артема Владимир Мучник предложил использовать высокоскоростную водяную струю для разрушения угольных пластов. Через год в одной из шахт Донбасса были проведены успешные испытания гидромонитора, оснащенного насосом мощностью 7000 атм, а уже в 1939 году в тресте «Орджоникидзеуголь» была запущена первая в мире опытно-промышленная гидрошахта. Несмотря на то что техническое обеспечение гидродобычи оказалось чрезвычайно сложным и дорогим делом, после войны метод Мучника было решено развивать по всей стране. К середине 1980-х годов в Советском Союзе действовало десять предприятий с завершенным технологическим циклом гидродобычи угля, а их научную поддержку обеспечивал специальный институт — ВНИИ Гидроуголь.

Американцы также пытались внедрить на своих угольных шахтах гидродобычу и в 1970-х годах разработали весьма эффективные проходческие машины со вспомогательными водяными резаками, работавшими под давлением около 40000 атм. Тогда же в штате Огайо был запущен в эксплуатацию уникальный гидроуглепровод протяженностью 24 км, выигрывавший у железной дороги по стоимости перевозок. Всего же в США до начала 1980-х годов планировалось построить семь гигантских трубопроводов для перекачки угля в водяном потоке на расстояния от 2500 до 5000 км производительностью 25−50 млн тонн в год каждый. По разным причинам эти планы были заморожены, но идея использования водяной струи в качестве режущего инструмента уже давно жила своей собственной жизнью.

Гашиш для народа

Еще в 1951 году инженер Норманн Франц обнаружил, что водой, как циркуляркой, можно резать древесину и пластмассу, а в 1972-м, будучи уже профессором Мичиганского университета, он установил первый в мире промышленный станок для гидрорезки упаковочного картона на заводе компании McCartney Manufacturing.

В 1973 году знаменитая ныне Flow Industries вывела на рынок водяные пескоструйные машины доктора Мохаммеда Гашиша, которые в считанные секунды шлифовали металлические поверхности до зеркального блеска. Через шесть лет, задавшись целью увеличить режущую способность воды, Гашиш попробовал добавить в нее мельчайший гранатовый песок, который обычно шел на производство наждачной бумаги и шлифовальных кругов. Результат превзошел его ожидания — гидроабразивная струя легко прошивала сталь и другие металлы. После этого технология обработки материалов водой шагнула на новый уровень и стала развиваться бешеными темпами.

В 1980 году инженерами Flow под руководством все того же доктора Гашиша были разработаны первые в истории портальные станки для гидроабразивной резки стали, стекла и бетона. В 1983 году с помощью воды начали кроить автомобильные стекла. Еще через два года энтузиаст инновационной технологии профессор Дэвид Саммерс возвел в английском местечке Солсбери Плейн масштабную копию Стоунхенджа, все элементы которой были выпилены из гранита, что называется, «без единого гвоздя»… И пошло-поехало!

Одними из первых преимущества гидроабразивной резки поняли аэрокосмические гиганты Boeing и Northrop Grumman, раз и навсегда решив для себя проблему быстрой, недорогой и высокоточной холодной обработки деталей из меди, бронзы, алюминия, нержавейки, титана, жаропрочной керамики и композитов. Вслед за ними «на воду» перешли производители авиадвигателей GE, Pratt & Whitney и Rolls Royce.

В некоторых случаях новая технология оказалась просто безальтернативной. Например, при сверлении отверстий в капризном металлорганическом сэндвиче стальные сверла со сверхтвердым покрытием идут на переплавку после уже 20 сквозных проходов этого вязкого материала. А водой или, в крайнем случае, водой с абразивом дырки можно вырезать круглосуточно до тех пор, пока не износится дюза режущей головки. Неплохая экономия, если учесть, что дырок — десятки тысяч!

С помощью гидрорезки военные решают проблему безопасной утилизации артиллерийских снарядов и авиабомб. Связисты запускают на километровые глубины океана роботов-траншеекопателей с водяными фрезами. Совсем недавно компания Jet Edge спасла от экологической катастрофы Мексиканский залив, срезав водяным копьем кристаллические гидратные отложения с заглушки аварийной скважины British Petroleum на глубине 1,5 км. С помощью крохотного водяного скальпеля хирурги научились удалять один из самых распространенных видов рака кожи- базально-клеточную карциному.

Выход на сверхзвук

Как жидкое может резать твердое? Что происходит с материалом, подвергающимся бомбардировке водяной струей, движущейся со скоростью около 1200 км/ч? Ученые объясняют этот феномен микроэрозией материала в точке приложения давления воды или смеси воды и абразива. Поток создает на поверхности микротрещину, которая быстро превращается в выбоину, облегчая дальнейшее ослабление связей внутри материала. Материал начинает крошиться, а его частицы и выделяющееся тепло мгновенно удаляются водой из зоны реза. Поэтому гидрорезка является «холодным» процессом, что делает ее в некоторых случаях незаменимой.

Итак, как вы поняли, данная технология бывает двух видов — резка «пустой» водой (или гидрорезка — ГР) и резка так называемой водно-абразивной суспензией (гидроабразивная резка — ГАР). ГР используется для изготовления деталей из мягких листовых материалов — бумаги, картона, тканей, пищевых продуктов (вы удивитесь, но они нисколько не намокают в процессе раскроя!), резины, пластмасс и т. д. ГАР же по плечу закаленная инструментальная сталь, никель, титан, вязкие металлы, гранит, хрупкое стекло и ламинаты со сложной комбинацией разнородных слоев. Не поддаются водяному лучу лишь закаленное стекло, которое растрескивается от точечного воздействия, и алмазы.

Практически все станки для ГР и ГАР, производящиеся на сегодняшний день, устроены одинаково. Их основные компоненты- насос высокого давления с системой рециркуляции и фильтрации воды, режущая головка с системой позиционирования, стол для укладки заготовок и приемная ванна. Все это железо управляется контроллером с «зашитым» в него софтом, который понимает векторную графику CorelDraw и Adobe Illustrator.

Режущая головка для ГАР — ключевой элемент станка, определяющий качество и скорость реза. Стоит она от $800 до 2000. Вода комнатной температуры, подаваемая насосом в головку, прежде чем вонзиться в деталь, проходит сквозь водяную дюзу- алмазную или сапфировую шайбу с крошечным отверстием по центру. Именно в этом месте давление воды преобразуется в скорость ее подачи на обрабатываемую поверхность и происходит первичная фокусировка водяного луча. Далее разогнанный до скорости 2700 км/ч луч попадает в трубку-миксер, где смешивается с абразивом и, наконец, вырывается из сопла на высоте около 2,5 мм от обрабатываемой поверхности. В миксере скорость луча падает почти втрое- до 1100 км/ч.

Вода камень точит

И не только камень. Кстати, «камнем» на техническом жаргоне величают водяную дюзу. Изготовление дюзы — сложный процесс. Достаточно сказать, что длительность сверления отверстия по ее центру при помощи зеленого лазера с длиной волны 532 нм составляет 60 часов, из которых 48 уходит на черновую дырку и 12 — на полировку стенок.

Несмотря на то что «камень» делают из самых твердых в природе материалов — алмаза и сапфира, он далеко не вечен. Поцарапать его невозможно, а вот расколоть давлением воды- легко, если фильтры не отсеивают мельчайшие твердые частицы. Также негативно влияют на срок службы дюзы минеральные соли, растворенные в воде. Даже микронные отложения на поверхности камня меняют фокусировку луча и распределение давления, что может привести к растрескиванию и сколам.

Дистиллированная вода не менее вредна для режущей головки. Не стоит забывать, что чистая вода — мощный растворитель и со временем разрушает, казалось бы, прочнейшие материалы. Как правило, хорошие алмазные дюзы ценой $200 «живут» 1000 и более часов непрерывной работы.

Самый изнашиваемый элемент головки — миксер. Его делают из твердых сплавов, внутренний диаметр канала составляет, как правило, 0,8 мм. Поверхность миксера подвергается мощному воздействию абразива, и постепенно идеально круглое сечение канала «расползается». Вместе с формой меняются и свойства потока — возникают очаги турбулентности и торможение. Очень часто канал забивается слишком крупными песчинками, попадающими в абразивный бункер. В таких случаях миксер вынимают из головки и «пробивают» специальными выколотками.

В зависимости от интенсивности работы и используемого типа абразива миксеры выдерживают от 5 до 500 рабочих часов. Впрочем, после замены они не сразу идут на переплавку. Сначала на электроимпульсном станке канал рассверливают до 1 мм, после чего используют на «черновых» операциях. И уже потом, когда струя начинает «рассыпаться», окончательно списывают со службы.

Плата за воду

Несмотря на свою высокую эффективность резания, ГР и ГАР обладают рядом недостатков. Главный из них- запилы и конусность кромки, вызываемые гашением скорости водяного луча при прохождении толстых листов материала. Избежать этой напасти можно, либо снизив в два-три раза скорость прохождения головки, либо наклонив ее слегка внутрь кромки. У некоторых новейших скоростных станков режущие головки оснащаются 5- и даже 6-координатными автоматами наклона для компенсации конусности. У старых моделей имеется возможность ручного наклона головки.

Львиную долю эксплуатационных расходов ГАР составляет именно стоимость миксеров. А вот модуль подачи абразива является наиболее долговечным элементом режущих головок. Износа в нем практически нет, так как порошок или пудра подаются в миксер «самотеком» на эффекте Вентури со скоростью 0,2−0,5 кг в минуту. Цена модуля колеблется в пределах от $500 до 2000.

Цены на новый режущий станок в сборе варьируются от $30000 до 300000. Подержанные станки могут оказаться на порядок дешевле. К сожалению, гаражным умельцам они недоступны, так как мощным насосам требуется трехфазная сеть с силой тока от 50 до 250 А. Поэтому пока самородкам-любителям придется довольствоваться старой доброй ножовкой и лобзиком.