Жидкий скальпель: Эрозия
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
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.