Есть один любопытный способ механической обработки материалов, который, несмотря на кажущуюся принадлежность к «слишком промышленным» способам обработки, в последнее время постепенно меняет этот имидж, выходя за пределы заводских производств и давая новые возможности своим пользователям — речь идёт о гидроабразивной резке.

Появившись, эта технология предоставила абсолютно новые возможности обработки материалов:

• воздействие производится на деталь без её перегрева (весьма полезная характеристика, в отличие от лазерной или плазменной резки);

• можно обрабатывать материалы очень широкого диапазона твёрдости, а для некоторых из них гидроабразивная резка является единственно возможным способом фигурной резки сложных форм, например, это можно сказать о керамических материалах;

• обработка производится с достаточно большой скоростью, без риска воспламенения материала и возникновение пожара в помещении, так как используется струя воды;

• вырезанная таким способом деталь требует минимальной последующей обработки, так как отличается достаточно хорошим качеством поверхности;

• можно сказать, что износ самого режущего инструмента отсутствует*, так как в качестве него выступает струя воды.

*Здесь подразумевается именно износ самого инструмента, то есть контактирующего с деталью элемента конструкции, что и происходит при некоторых других механических способах обработки.

Впрочем, это не означает, что износ самой конструкции отсутствует, поэтому сопло, из которого вырывается вода под давлением, делается из сверхпрочных материалов — карбида вольфрама или сапфира, чтобы минимизировать его износ.

Но минимизация износа не означает, что он не наблюдается: сапфирового сопла хватает приблизительно на срок до 300 часов работы, тогда как карбид-вольфрамовое сопло может прослужить вплоть до 800 часов. 

Следует отметить, что износ может ускоряться, если используется неоднородный абразив (и если абразив в принципе используется, так как можно и без него) и осуществляется повышение давления выше 4000 бар.

Мы упомянули абразив, поэтому стоит остановиться на сути технологии, чтобы понять, при чём он здесь (ведь, по идее, мы режем струёй воды?).

Технология

Итак, суть технологии гидроабразивной резки заключается в подаче на обрабатываемую деталь струи воды под высоким давлением (3000...6000 бар), что и приводит к её резке. 

Подобная резка может осуществляться как с добавлением абразива в воду, так и без этого, только струёй чистой воды. 

Однако резка просто струёй воды годится только для очень мягких материалов, например, таких как резина, вспененные пластики, пищевые продукты. 

Со временем додумались добавлять в струю воды абразив, благодаря которому становится доступной резка гораздо более твёрдых материалов, таких как камень, металлы, композиты. 

На картинке ниже можно увидеть (слева-направо), как эволюционировало сопло для такой резки. Началось всё в 1935 году, когда американский инженер Элмер Сперри (Elmer Sperry) впервые предложил добавить абразив в воду для обработки твёрдых материалов. Кстати, на изображении упомянут и ещё один ключевой человек — Elmo V. Smith. Если первый придумал что именно делать, то второй — как именно это сделать, разработав сверхпрочное сопло:

Попутно стоит отметить, что расходы на сопла для станка являются одними из основных, так как стоимость таких сопел может быть значительной:

• Для исключительно водной резки без применения абразива (цены указаны приблизительные, за штуку): до 30$ (сапфир), до 150$ (карбид-вольфрам).

• Для абразивной резки: до 400$ (сапфир), до 300$ (карбид-вольфрам).

При этом первое применение подобной технологии относятся уже к гораздо более позднему периоду, к 1960-м годам, когда и появились мощные насосы, нагнетающие воду под нужным давлением, достаточным для осуществления процесса такой резки.

Сам же процесс резки водой под давлением появился достаточно давно, ещё в середине XIX века, когда в 1850-е годы начались первые эксперименты с попытками размыва горной породы водой, а в 1860-е годы был получен и первый патент на гидравлическую резку, также относящийся к горнодобывающей промышленности — именно с этого периода и можно сказать, что берёт начало гидравлическая резка, которая с тех пор прошла большой путь: от давления в десятки бар, создаваемого с помощью гравитационного падения воды с высоты, а также с помощью поршневых паровых машин (вообще, сведений о процессе гидравлической резки в те годы не так много) и размыва горных пород — до давлений в тысячи бар (уже в наше время) и обработки самых твёрдых материалов с большой скоростью.

Абразив

Абразивный материал, используемый для добавления в воду, должен обладать целым рядом полезных свойств, чтобы он мог выполнять свои функции:

• Должен быть достаточно твёрдым, чтобы мог разрушать материал, но в то же время не подвергался разрушению сам.

• Вариативность его форм должна быть минимальной, чтобы обеспечить гладкий и качественный рез (проще говоря, зерно должно быть максимально однородным по форме и размеру — наиболее подходящий диапазон размеров находится в пределах 50–150 мкм).

Для резки используются абразивные материалы следующих типов:

• Гранат: обладает высокой твёрдостью (7-8 по Моосу), относительно недорогой (до 0,5$ за кг). Добывается из природных месторождений, после чего проходит дробление и калибрование.

• Электрокорунд (9 по Моосу): получается методом плавления бокситов в электрических печах. Стоит приблизительно до 3 $ за 1 кг.

• Карбид кремния (9,5 по Моосу): производится с использованием нефтяного кокса и кварцевого песка. Стоит до 6 $ за кг.

• Кварцевый песок (7 по Моосу): весьма дешёвый абразив, стоит примерно до 0,3$ за кг, добывается практически везде, карьерным способом и не только.

  Несмотря на свою дешевизну, является одним из самых проблемных абразивов, так как его зёрна неровной формы, с острыми краями, разной зернистости. 

  Поэтому система, работающая на таком бюджетном абразиве, испытывает существенную нагрузку, что приводит к ускоренному в два-три раза износу оборудования, где, например, то же самое сопло из карбида вольфрама в среднем может прослужить не более 30 часов. 

  Также из-за своих физических свойств песок при соударении с обрабатываемой поверхностью существенно крошится, что приводит к уменьшению эффективности реза и требует подачи большего количества абразива, увеличивая в итоге его расход. 

  Таким образом, в основном подобный абразив пользуется популярностью в самодельных недорогих системах, где дешевизна конструкции превалирует над качеством. 

  Кроме того, этот тип абразива благодаря примесям может приводить к загрязнению и засорению элементов системы.

Средний расход абразивов достигает примерно 30 кг в час при активной резке толстых прочных материалов (сталь и т.д.), поэтому, расходы на абразив относятся к одним из основных. 

Делаются попытки снизить расход материала за счёт его сбора, очистки и рециркуляции — со спорными результатами, так как частицы, уже использовавшиеся в обработке, теряют свою форму (крошатся, меняются в размерах, загрязняются примесями).

Всё это приводит к тому, что рециркулированный абразив теряет при обработке до 50% своей эффективности, в результате для сохранения приемлемых результатов возникает потребность в добавлении свежих порций абразива, что сводит на нет усилия по его сбору и рециркуляции. 

К тому же, это рециркуляция сама по себе является достаточно сложным процессом из множества этапов в зависимости от того, какой материал обрабатывали: сборка стальной пыли с помощью магнитов, просеивание от осколков материала (если, к примеру, резали камень), промывка. Таким образом, усилий много, а результат весьма спорный...

Подавляющим большинством (80%) абразивов, которые используются на рынке, являются гранатовые. 

При этом технология не сразу устаканилась в этом решении, а прошла ряд этапов, среди которых можно выделить:

• До 1950-х годов проводились первые эксперименты, и в эти годы как раз и использовался кварцевый песок.

• Примерно с 1960-х годов до 1990-х главенствующим типом абразивов являлся электрокорунд, а уже в 1990-х наблюдается постепенный переход к гранату, так как он является наиболее оптимальным с точки зрения эффективности обработки и цены.

• С 1990-х и по настоящее время гранат постепенно занял главенствующую роль, где и остаётся. Однако для некоторых сложных применений, например, для резки композитных материалов или броневых компонентов, может использоваться и карбид кремния.

Источник воды высокого давления

Одним из самых важных компонентов аппаратов для гидроабразивной резки является источник воды высокого давления, в качестве которого могут использоваться насосы нескольких типов:

• Насос прямого действия плунжерного типа: в таких насосах движутся по возвратно-поступательной траектории плунжеры (поршни, обычно 3 штуки), приводимые в действие электродвигателем с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Относительно простая конструкция, ремонтопригодность и достаточно высокое развиваемое давление (до 4000 бар) делает их привлекательными, и они занимают свою нишу (установлены примерно на 20% станков в мире).

• Насосы мультипликаторного типа, где используется гидравлический усилитель давления, преобразующий относительно низкое давление масла в высокое давление воды.

Подобная конструкция позволяет развивать этим насосам гораздо большее давление (до 6000 бар), чем могут обеспечить насосы предыдущего типа.

В результате это даёт большую эффективность работы, и насосы подобного типа могут резать более толстые и прочные материалы. 

Вот как выглядит принцип действия подобных увеличителей давления:

При этом не зря было выше написано, что используется «относительно низкое давление для перевода в высокое»: в качестве этого низкого давления используется масло, поступающие от гидронасоса под давлением в 50-200 бар (в теории, можно использовать в качестве этого источника обычную автомобильную мойку высокого давления и не только — но об этом ещё будет ниже). 

В качестве гидронасоса могут использоваться аксиально-поршневые насосы (такого типа, кстати говоря, используются много где, например, на разнообразной строительной технике — экскаваторах и т.д.): 

Штука довольно дорогая (70 тыс.руб+, если идти классическим путём, однако есть и обходные пути ;-) ), что несомненно не самым лучшим образом сказывается на стоимости всего агрегата по гидроабразивной резке. 

Как можно видеть по второй картинке, обычно используется два плунжера, которые плавно давят на воду попеременно, сохраняя давление в выходной струе воды. 

Опционально для ещё большего увеличения плавности выходного давления без его скачков может использоваться гидроаккумулятор (бак для воды, наподобие бака для воздуха, который вы могли видеть в бытовых воздушных компрессорах).

К слову, это устройство (гидроаккумулятор) может применяться и в насосах первого типа (плунжерных).

Диаметр большого и малых плунжеров обычно находятся в пределах 50...100 мм для большого, и 5...10 мм для малых, соответственно.

Альтернативные станки гидроабразивной резки

Как можно видеть по описанию выше, все элементы устройств для гидроабразивной резки являются достаточно проблемными (как минимум, с точки зрения конечной цены), так как это достаточно сложное технически устройство, вынужденное работать в напряжённых условиях, что, соответственно, влияет и на цену ввиду необходимости подбора специфических компонентов. 

Тем не менее, этот способ обработки материалов интересует многих, которые ищут возможные пути для увеличения доступности этого устройства широкому кругу пользователей — посмотрим на интересные варианты таких подходов...

Серийный настольный аппарат

Одним из успешных проектов в этой области является Wazer (насколько можно понять, игра слов: «water laser» — wazer). В рамках него группа энтузиастов запустила кампанию на Kickstarter, благодаря которой почти 10 лет назад собрала около 1,3 млн долларов. Это позволило создать успешный бизнес, который в данный момент серийно выпускает компактные настольные аппараты гидроабразивной резки, став первой в мире компанией, которая смогла такое:

Правда, если мы пройдём на страницу официального сайта компании, то увидим, что стоимость таких аппаратов стартует от 9,999$, что для нашего пользователя уже не выглядит таким привлекательным.

Однако не всё так плохо — возможны и иные варианты (о них ниже).

На основе пневмопривода

Например, в проекте ниже группа студентов-инженеров использовала пневмоцилиндр (что-то наподобие того, как здесь, в качестве центрального, давящего воду на устройство; то есть здесь не гидравлический привод, а пневматический — что любопытно) и один плунжер сбоку, как в первой принципиальной схеме увеличителя давления, которую мы рассматривали выше:

К сожалению, данных о проекте очень мало и сложно понять детали... Однако вот что мне удалось выяснить, внимательно изучив видеозапись.

Похоже, что использовали они здесь стандартный покупной пневмоцилиндр, так как на 1:09 мелькает шкала с указателем на стрелки на 6 бар, а с 2:20 студент говорит о том, что здесь использовалось воздушное давление в 100 фунтов на квадратный дюйм (т.е. 6,9 бара — абсолютно банальный показатель из диапазона давлений, развиваемых бытовыми компрессорами, продающимися в хозмагах, которое без проблем держит покупной пневмоцилиндр (10 бар — легко)). 

А на 2:21 он говорит о том, что поршень имеет площадь в 100 квадратных дюймов (т.е. примерно 286,5 мм диаметром). 

С 2:28 идёт речь о том, что к этому большому поршню прикреплён маленький поршень диаметром в 1 квадратный дюйм (~28,65 мм. диаметром), а учитывая трёхмерные картинки в начале видео и это описание можно с большой долей вероятности (90%) утверждать о том, что здесь использован пневмоцилиндр покупной, просто большого диаметра, где его шток используется в качестве поршня высокого давления для воды. Всё крайне просто!

Причём, скорее всего, использована, кроме всего прочего, и стандартная арматура для пневмоцилиндра (пневмоклапаны, которые открываются/закрываются впуская и выпуская воздух при подаче напряжения в 12 вольт (обычно), что легко организовать при помощи транзистора в режиме ключа и микроконтроллера (ардуино и т.д.)), а также соединительные трубки и т.д. 

Судя по имеющимся данным, можно сказать, что установка развивает давление струи воды в 690 бар (что существенно ниже профессиональных аппаратов с их давлением в 3000-6000 бар), однако, несмотря на такую спорную (на первый взгляд!) конструкцию, как заявляют сами авторы (частично это можно увидеть в видео выше), в экспериментах аппарат резал алюминий толщиной в 6 мм и сталь толщиной в 3 мм! 

Так что теперь, когда мы разобрали конструкцию, мы видим, что в ней нет никакой фантастики, и многие могут её повторить при желании самостоятельно...

Только я бы её несколько улучшил: на видео можно видеть, что струя высокого давления пульсирует — это явное следствие наличия всего лишь одного поршня высокого давления, который давит воду (похоже, что студенты сэкономили и взяли, скорее всего, тот пневмоцилиндр, который «удалось достать по сходной цене» :-) ). 

Однако в продаже есть большое количество пневмоцилиндров со штоками с двух сторон — так что не составляет никаких проблем, организовать два поршня высокого давления и давить воду попеременно, обеспечив более стабильное давление воды без таких явных пульсаций. 

Кроме того, можно было бы повысить давление ещё следующим образом: берётся целый ряд пневмоцилиндров малого типоразмера с относительно маленького диаметра штоками, которые смогут обеспечить достаточно высокое давление воды. 

Но возникает проблема: шток такого малого сечения не сможет подавать достаточно большое количество воды! 

Также, большое количество пневмоцилиндров приводит к высокому расходу сжатого воздуха, который выбрасывается в атмосферу во время работы пневмоцилиндра — то есть параллельно возникают большие требования и к производительности воздушного компрессора.

Таким образом, мы видим задачу: штоки пневмоцилиндров должны ходить достаточно часто, чтобы обеспечить большой поток воды, а компрессор должен параллельно обеспечить большое количество подаваемого воздуха, чтобы эти пневмоцилиндры могли функционировать в таком высокочастотном режиме.

Как ни странно, это проблема может быть достаточно легко решена: в качестве компрессора нужно взять один или несколько стандартных многопоршневых (более 10 в одном аппарате!) компрессоров от кондиционера авто! 

Насколько я знаю, в прошлом были такие прецеденты, когда люди ставили самодельную систему непрерывной подкачки шин на автомобили с большими шинами низкого давления («биг фут»-ы), собранную на базе компрессора кондиционера авто, которая позволяла за удивительно краткое время (по слухам 1-2 минуты) накачать огромное колесо от бигфута! 

Для обеспечения работы системы в штатном режиме ставился лубрикатор (специальный стандартный распылитель масла для пневматических систем ставится на всасывание и насыщает всасываемый воздух распылённым маслом, что смазывает всю систему при работе).

На основе бытовой мойки высокого давления

Сразу скажу, что эта конструкция развивает ещё меньшее давление, чем предыдущая: всего около 221 бара.

Тем не менее, как можно видеть в самом начале видео ниже, такая установка позволяет резать алюминий толщиной около 1 см со скоростью в 25 мм/мин и расходом абразивного материала порядка 182 г/мин. 

Как можно видеть, использование мойки высокого давления для отрезания материалов — не лучшая затея, но, тем не менее, всё работает:

Но всё равно такое использование мойки скорее курьёз, чем практический результат. С другой стороны, если это для своих мелких diy-проектов и мы за скоростью не гонимся, а сопло установлено на ЧПУ-портал — почему бы и нет…;-)

Хотя после того как мы изучили теорию, каким образом создаётся высокое давление в аппаратах гидроабразивной резки, тут просится использовать эту мойку не напрямую, а в качестве гидронасоса, чтобы накачивать давление воды в усилитель давления, который мы видели выше!

Насколько удалось выяснить, такие эксперименты производились, однако автомобильные мойки не предназначены для долгой непрерывной работы, поэтому в ходе этих экспериментов было выявлено, что мойка перегревалась за 10-15 минут непрерывной работы.

Ещё варианты

Кроме перечисленных выше, известен ещё интересный вариант с использованием насоса гидроусилителя руля, работающего через мультипликатор давления, который мы рассмотрели выше. 

Такой насос может обеспечивать давление вплоть до 200 бар, которое после мультипликатора превращается в 2000 бар. 

Да, такое устройство уже вполне эффективно может резать, однако было также выявлено, что расход воды, который такая конструкция может обеспечить, всё равно остаётся недостаточным, а сам аппарат перегревается, но уже после приблизительно 30 минут работы (чуток получше, чем мойка).

Подытоживая, можно сказать, что гидроабразивная резка материалов остаётся очень интересным способом обработки, которая, к сожалению, всё ещё, малодоступна для широкого круга пользователей, однако некоторые попытки энтузиастами в этом направлении делаются. 

Но этот вопрос ещё далёк от своего окончательного разрешения и возможности для приложения мысли в этом направлении ещё есть…

P.S. Множество разработчиков подобных устройств ввиду инертности мышления и встроенности в существующую инфраструктуру производства компонентов упустили из виду ещё один интереснейший способ (на ином физическом принципе) создания аппарата гидроабразивной резки. Специально не говорю — предлагаю поразмыслить самостоятельно :-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»