Сфера механической обработки и резки металлов неустанно совершенствуется и развивается. Новые способы и технологии металлообработки призваны улучшить производительность и качество резания, на фоне минимизации энергозатрат и заметного снижения вредного воздействия на окружающую среду.
До недавнего времени в сфере обработки металлов лидировали технологии лазерной, плазменной и гидроабразивной резки. Сегодня позиции перспективных методов металлообработки заметно потеснила технология криогенной резки металла.
Теория обработки металла жидким азотом была предложена еще в 80-х годах ХХ столетия. Первая доступная для покупки или аренды установка для криогенной резки появилась в 2003 году.
Криогенная резка металла – способ механической обработки, предполагающий воздействие жидкого азота на металлическую поверхность.
Подаваемая под высоким давлением струя позволяет проникать молекулам азота глубоко в микропоры обрабатываемого материала. Далее происходит преобразование жидкого азота в газообразное состояние, что сопровождается выделением большого количества кинетической энергии. Металл на линии реза в прямом смысле слова разрывается.
В обзоре пойдет речь о том, как резать жидким азотом.
Процесс криогенной резки металла
Для резки металла жидким азотом необходимо создать:
- Высокое давление рабочей жидкости
- Высокую скорость подачи струи
Установка для криогенной резки металла дает возможность формировать сверхвысокое давление. Для механической обработки металла жидким азотом используется давление от 400 до 4000 атмосфер. Точное значение давления зависит от типа механической обработки (поверхностная очистка или резка) и глубины воздействия.
Благодаря повышенному давлению и калиброванной форсунке жидкий азот подается в зону резки со скоростью около 1000 (м/с). Это приблизительно 3 маха.
При подаче жидкости под высоким напором частицы азота проникают в микропоры на металлической поверхности. Далее происходит преобразование жидкого азота в газообразный.
При переходе из жидкого агрегатного состояния в газ азот увеличивается в объеме примерно в 700 раз!
В 1 литре жидкого азота находится 700 литров азота в газообразном агрегатном состоянии.
Ключевой особенностью криогенного аппарата для металлообработки является возможность резания практически на любую глубину.
Единственное что, так это криогенная технология слабо подходит для обработки металла толщиной до 5 (мм). При длительном воздействии жидкого азота тонколистовой металл становится хрупким и начинает в прямом смысле слова крошиться от любого механического воздействия.
Что еще нужно знать о криогенной обработке.
Станок для криогенной резки металла
Оборудование для резки жидким азотом состоит из следующих компонентов:
- Режущий блок
- Генератор азота
- Напорная система
Криогенная установка является автономной. То есть в системе для резки жидким азотом есть все необходимое для получения, хранения и подачи азота.
Доступные на рынке коммерческие продукты для криогенной обработки обычно представлены буксируемым полуприцепом, который легко транспортировать и устанавливать на рабочем месте.
- Режущий блок включает в свой состав струйную форсунку и стол для фиксации заготовки. Форсунка крепится на рабочей головке, которая определяет направление и скорость подачи жиклера с криогенной струей.
Существуют и ручные варианты режущего блока. В таких системах подачей управляет сам оператор. Обычно ручная криогенная обработка предполагает лишь поверхностную очистку от ржавчины, старой краски и прочих загрязнений.
Глубокая криогенная резка металла требует технологической базы с высокой степенью автоматизации, как в станочном оборудовании с ЧПУ.
- Генератор азота дает возможность автономно подготавливать запас рабочей жидкости. Вначале из воздуха абсорбируется газообразный азот. Затем газ сжимается до состояния жидкого азота и помещается в специальной емкости для хранения.
Сжиженный азот хранится в специальном резервуаре или баллоне. Генератор азота автоматически включается, когда уровень жидкости уменьшается.
Разумеется, в бюджетных станках для криогенной резки металла может отсутствовать генератор азота. Подобные модели вместо системы автономной подготовки жидкого азота используют предварительно заправленные баллоны. Как понятно, в этом случае придется регулярно пополнять запас жидкого азота.
- Напорная станция обеспечивает подачу жидкого азота под высоким давлением.
Как резать жидким азотом разные материалы.
Где используется резка жидким азотом
Криогенная обработка используется для обработки не только металлических заготовок. Жидкий азот применяется при резке:
- Камня
- Стекла
- Пластика
- Древесины
- Ткани и других текстильных материалов
- и пр.
Криогенная резка нашла широкое применение и в пищевой промышленности. Жидким азотом удобно резать туши скота и прочие крупнокусковые продукты.
Впервые технология криогенной обработки была задействована при очистке контейнеров для опасных радиоактивных отходов. В 1996 году криогенный станок позволил быстро и эффективно очистить стенки металлической емкости без образования новых побочных продуктов.
В том же 1996 году при помощи криогенной резки удалось абсолютно безопасно утилизировать комплект старого вооружения. Жидкий азот позволил разрезать снаряды со взрывоопасным веществом без какой-либо детонации.
Система криогенной резки активно используется в рамках подготовки и реализации международных космических миссий. Жидкий азот хорошо подходит для резки сверхпрочной керамики, которая применяется при постройке летательных аппаратов.
Криогенная обработка стала незаменимой при ремонте и обслуживании судоплавательных судов. Жидким азотом удобно чистить поверхности корабельного днища и гребного винта от наростов, налета и прочих загрязнений.
Вместе с тем жидкий азот хорошо подходит для чистки крупных по размеру радаров и антенн.
Преимущества и недостатки криогенной обработки
Широкая сфера применения криогенной резки обусловлена несколькими основными факторами:
- Отсутствие побочных продуктов
- Доступность азота
При резке жидким азотом образуется лишь крошка обрабатываемого материала. Частицы азота переходят из жидкого состояния в газообразное и просто улетучиваются в атмосферу. То есть жидкий азот не образует каких-то дополнительных побочных продуктов, которые требуют утилизации.
Как правило, установка для криогенной резки металла снабжается вакуумным стружкоотсосом. Механическая мелкоабразивная крошка легко удаляется из зоны резки и аккуратно собирается в приемнике.
Криогенная резка находит сегодня все больше и больше сторонников благодаря общедоступности азота. Как известно, азот входит в перечень наиболее распространенных веществ. Данный элемент является основой атмосферного воздуха, на долю азота приходится 78%.
Азот для криогенной резки получают прямиком из воздуха, посредством сжатия и разделения атмосферных газов.
Еще одним неоспоримым преимуществом азота является его инертность. Данный газ является абсолютно безвредным для человека. Азот легко и быстро растворяется в воздухе, становясь частью природной атмосферы.
Что еще нужно знать о том, как резать жидким азотом.
Криогенная технология в классической металлообработке
Жидкий азот нашел весьма обширное применение и в качестве охлаждающего вещества. Сегодня существует весьма обширный парк станочного металлорежущего оборудования, где вместо классической СОЖ используется жидкий азот.
В отличии от традиционной смазывающе-охлаждающей жидкости азот дает возможность не снизить, а полностью нивелировать нагрев, возникающий в процессе резки металла.
Благодаря быстрому и глубокому охлаждению металлическая заготовка не подвергается перегреву, что дает возможность заметно упростить процесс последующей термической обработки металлоизделия.
Вместе с тем зона резки металла получает защиту в виде азотной газовой оболочки. В данном случае металлическая заготовка обретает дополнительную защиту от окисления в момент отделения стружки.
Охлаждение жидким азотом актуально практически для всех типов металлорежущего оборудования:
- Токарные и расточные станки
- Сверлильные станки
- Фрезерные станки
- и пр.
Существуют специальные модификации станков, которые используют систему подачи жидкого азота непосредственно в металлорежущий инструмент (резцы, сверла, фрезы и т.д.). Подобная техника позволяет заметно продлить срок службы острых кромок, которые и осуществляют металлообработку.
