Cięcie strumieniem wody może być prostszą metodą obróbki, ale wymaga użycia mocnego stempla i zwracania przez operatora uwagi na zużycie i dokładność wielu części.
Najprostszym cięciem strumieniem wody jest proces cięcia materiałów strumieniami wody pod wysokim ciśnieniem. Technologia ta jest zazwyczaj uzupełnieniem innych technologii przetwarzania, takich jak frezowanie, laser, EDM i plazma. W procesie cięcia strumieniem wody nie powstają żadne szkodliwe substancje ani para, a także nie powstaje żadna strefa wpływu ciepła ani naprężenie mechaniczne. Strumienie wody mogą ciąć ultracienkie detale w kamieniu, szkle i metalu; szybko wiercić otwory w tytanie; ciąć żywność; a nawet zabijać patogeny w napojach i dipach.
Wszystkie maszyny do cięcia strumieniem wody mają pompę, która może sprężać wodę do dostarczania do głowicy tnącej, gdzie jest ona przekształcana w przepływ naddźwiękowy. Istnieją dwa główne typy pomp: pompy z napędem bezpośrednim i pompy wspomagające.
Rola pompy z napędem bezpośrednim jest podobna do roli myjki wysokociśnieniowej, a pompa trzycylindrowa napędza trzy tłoki bezpośrednio z silnika elektrycznego. Maksymalne ciągłe ciśnienie robocze jest o 10% do 25% niższe niż w przypadku podobnych pomp wspomagających, ale nadal utrzymuje się między 20 000 a 50 000 psi.
Pompy oparte na wzmacniaczach stanowią większość pomp ultrawysokiego ciśnienia (czyli pomp powyżej 30 000 psi). Pompy te zawierają dwa obwody cieczy, jeden dla wody, a drugi dla hydrauliki. Filtr wlotowy wody najpierw przechodzi przez filtr wkładowy 1 mikrona, a następnie przez filtr 0,45 mikrona, aby zassać zwykłą wodę z kranu. Ta woda dostaje się do pompy wspomagającej. Przed wejściem do pompy wspomagającej ciśnienie pompy wspomagającej jest utrzymywane na poziomie około 90 psi. Tutaj ciśnienie jest zwiększane do 60 000 psi. Zanim woda ostatecznie opuści zestaw pompowy i dotrze do głowicy tnącej przez rurociąg, woda przechodzi przez amortyzator. Urządzenie może tłumić wahania ciśnienia, aby poprawić spójność i wyeliminować pulsacje, które pozostawiają ślady na obrabianym przedmiocie.
W obwodzie hydraulicznym silnik elektryczny pomiędzy silnikami elektrycznymi pobiera olej ze zbiornika oleju i wytwarza w nim ciśnienie. Olej pod ciśnieniem przepływa do kolektora, a zawór kolektora naprzemiennie wtryskuje olej hydrauliczny po obu stronach zespołu herbatnika i tłoka, aby wygenerować działanie skokowe wzmacniacza. Ponieważ powierzchnia tłoka jest mniejsza niż powierzchnia herbatnika, ciśnienie oleju „wzmacnia” ciśnienie wody.
Wzmacniacz jest pompą tłokową, co oznacza, że zespół biszkoptu i tłoka dostarcza wodę pod wysokim ciśnieniem z jednej strony wzmacniacza, podczas gdy woda pod niskim ciśnieniem wypełnia drugą stronę. Recyrkulacja umożliwia również schłodzenie oleju hydraulicznego po powrocie do zbiornika. Zawór zwrotny zapewnia, że woda pod niskim i wysokim ciśnieniem może płynąć tylko w jednym kierunku. Cylindry wysokociśnieniowe i zaślepki, które otaczają elementy tłoka i biszkoptu, muszą spełniać specjalne wymagania, aby wytrzymać siły procesu i cykle stałego ciśnienia. Cały system jest zaprojektowany tak, aby stopniowo ulegał awarii, a wyciek będzie spływał do specjalnych „otworów spustowych”, które operator może monitorować w celu lepszego zaplanowania regularnej konserwacji.
Specjalna rura wysokociśnieniowa transportuje wodę do głowicy tnącej. Rura może również zapewnić swobodę ruchu głowicy tnącej, w zależności od rozmiaru rury. Materiałem z wyboru dla tych rur jest stal nierdzewna, a występują w trzech popularnych rozmiarach. Rury stalowe o średnicy 1/4 cala są wystarczająco elastyczne, aby podłączyć je do sprzętu sportowego, ale nie są zalecane do transportu wody pod wysokim ciśnieniem na duże odległości. Ponieważ rurę tę łatwo wyginać, nawet w rolkę, długość od 10 do 20 stóp może osiągnąć ruch X, Y i Z. Większe rury 3/8 cala 3/8 cala zwykle transportują wodę z pompy na dno ruchomego sprzętu. Chociaż można ją wyginać, na ogół nie nadaje się do sprzętu do ruchu rurociągów. Największa rura o średnicy 9/16 cala jest najlepsza do transportu wody pod wysokim ciśnieniem na duże odległości. Większa średnica pomaga zmniejszyć utratę ciśnienia. Rury tej wielkości są bardzo kompatybilne z dużymi pompami, ponieważ duża ilość wody pod wysokim ciśnieniem wiąże się również z większym ryzykiem potencjalnej utraty ciśnienia. Jednakże rur o takiej średnicy nie można zginać, a złączki należy montować w narożnikach.
Maszyna do cięcia strumieniem czystej wody jest najwcześniejszą maszyną do cięcia strumieniem wody, a jej historia sięga wczesnych lat 70. W porównaniu z kontaktem lub wdychaniem materiałów, wytwarzają one mniej wody na materiałach, więc nadają się do produkcji produktów takich jak wnętrza samochodów i jednorazowe pieluchy. Płyn jest bardzo cienki - 0,004 cala do 0,010 cala średnicy - i zapewnia niezwykle szczegółowe geometrie przy bardzo małej utracie materiału. Siła cięcia jest niezwykle niska, a mocowanie jest zwykle proste. Te maszyny najlepiej nadają się do pracy 24-godzinnej.
Rozważając głowicę tnącą do maszyny do czystego strumienia wody, ważne jest, aby pamiętać, że prędkość przepływu to mikroskopijne fragmenty lub cząsteczki rozrywanego materiału, a nie ciśnienie. Aby osiągnąć tę wysoką prędkość, woda pod ciśnieniem przepływa przez mały otwór w kamieniu szlachetnym (zwykle szafirze, rubinie lub diamencie) zamocowanym na końcu dyszy. Typowe cięcie wykorzystuje średnicę otworu od 0,004 cala do 0,010 cala, podczas gdy specjalne zastosowania (takie jak natryskiwany beton) mogą wykorzystywać rozmiary do 0,10 cala. Przy 40 000 psi przepływ z otworu przemieszcza się z prędkością około Mach 2, a przy 60 000 psi przepływ przekracza Mach 3.
Różne firmy jubilerskie mają różne doświadczenie w cięciu strumieniem wody. Szafir jest najpopularniejszym materiałem ogólnego przeznaczenia. Wytrzymują około 50 do 100 godzin cięcia, chociaż zastosowanie ściernego strumienia wody skraca ten czas o połowę. Rubiny nie nadają się do czystego cięcia strumieniem wody, ale wytwarzany przez nie przepływ wody jest bardzo odpowiedni do cięcia ściernego. W procesie cięcia ściernego czas cięcia rubinów wynosi około 50 do 100 godzin. Diamenty są znacznie droższe niż szafiry i rubiny, ale czas cięcia wynosi od 800 do 2000 godzin. Dzięki temu diament jest szczególnie odpowiedni do pracy 24-godzinnej. W niektórych przypadkach otwór diamentowy można również czyścić ultradźwiękowo i ponownie używać.
W maszynie do cięcia strumieniem wody ściernej mechanizm usuwania materiału nie jest samym przepływem wody. Odwrotnie, przepływ przyspiesza cząstki ścierne, aby korodować materiał. Maszyny te są tysiące razy mocniejsze niż czyste maszyny do cięcia strumieniem wody i mogą ciąć twarde materiały, takie jak metal, kamień, materiały kompozytowe i ceramika.
Strumień ścierny jest większy niż strumień czystej wody, o średnicy od 0,020 cala do 0,050 cala. Mogą ciąć stosy i materiały o grubości do 10 cali bez tworzenia stref wpływu ciepła lub naprężeń mechanicznych. Chociaż ich wytrzymałość wzrosła, siła cięcia strumienia ściernego jest nadal mniejsza niż jeden funt. Prawie wszystkie operacje strumieniowego czyszczenia ściernego wykorzystują urządzenie strumieniowe i można je łatwo przełączać z użycia pojedynczej głowicy na użycie wielu głowic, a nawet strumień wody ściernej można przekształcić w strumień czystej wody.
Materiał ścierny jest twardy, specjalnie dobrany i wielkościowo wyselekcjonowany piasek – zwykle granat. Różne rozmiary siatki są odpowiednie do różnych zadań. Gładką powierzchnię można uzyskać za pomocą materiałów ściernych o oczkach 120, podczas gdy materiały ścierne o oczkach 80 okazały się bardziej odpowiednie do zastosowań ogólnych. Prędkość cięcia materiałem ściernym o oczkach 50 jest szybsza, ale powierzchnia jest nieco bardziej szorstka.
Chociaż strumienie wody są łatwiejsze w obsłudze niż wiele innych maszyn, rura mieszająca wymaga uwagi operatora. Potencjał przyspieszenia tej rury jest jak lufa karabinu, z różnymi rozmiarami i różną żywotnością wymiany. Trwała rura mieszająca to rewolucyjna innowacja w cięciu strumieniem wody ściernej, ale rura jest nadal bardzo delikatna — jeśli głowica tnąca zetknie się z osprzętem, ciężkim przedmiotem lub materiałem docelowym, rura może pęknąć. Uszkodzonych rur nie można naprawić, więc utrzymanie niskich kosztów wymaga zminimalizowania wymiany. Nowoczesne maszyny zazwyczaj mają funkcję automatycznego wykrywania kolizji, aby zapobiec kolizjom z rurą mieszającą.
Odległość separacji między rurą mieszającą a materiałem docelowym wynosi zazwyczaj od 0,010 cala do 0,200 cala, ale operator musi pamiętać, że separacja większa niż 0,080 cala spowoduje szron na górnej krawędzi cięcia części. Cięcie pod wodą i inne techniki mogą zmniejszyć lub wyeliminować ten szron.
Początkowo rura mieszająca była wykonana z węglika wolframu i miała żywotność od czterech do sześciu godzin cięcia. Dzisiejsze tanie rury kompozytowe mogą osiągnąć żywotność od 35 do 60 godzin cięcia i są zalecane do cięcia zgrubnego lub szkolenia nowych operatorów. Kompozytowa rura z węglika spiekanego wydłuża swoją żywotność do 80 do 90 godzin cięcia. Wysokiej jakości kompozytowa rura z węglika spiekanego ma żywotność od 100 do 150 godzin cięcia, nadaje się do precyzyjnej i codziennej pracy oraz wykazuje najbardziej przewidywalne zużycie koncentryczne.
Oprócz funkcji ruchu obrabiarki strumieniowe muszą także zawierać metodę mocowania obrabianego przedmiotu oraz system zbierania i gromadzenia wody i zanieczyszczeń powstających podczas obróbki.
Stacjonarne i jednowymiarowe maszyny to najprostsze strumienie wody. Stacjonarne strumienie wody są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym do przycinania materiałów kompozytowych. Operator podaje materiał do strumienia, jak piła taśmowa, podczas gdy łapacz zbiera strumień i zanieczyszczenia. Większość stacjonarnych strumieni wody to czyste strumienie wody, ale nie wszystkie. Maszyna do cięcia wzdłużnego jest odmianą stacjonarnej maszyny, w której produkty, takie jak papier, są podawane przez maszynę, a strumień wody tnie produkt na określoną szerokość. Maszyna do cięcia poprzecznego to maszyna, która porusza się wzdłuż osi. Często współpracują z maszynami do cięcia wzdłużnego, aby tworzyć wzory przypominające siatkę na produktach, takich jak automaty sprzedające, takie jak brownie. Maszyna do cięcia wzdłużnego tnie produkt na określoną szerokość, podczas gdy maszyna do cięcia poprzecznego tnie produkt podawany poniżej.
Operatorzy nie powinni ręcznie używać tego typu ściernego strumienia wody. Trudno jest przesuwać cięty przedmiot z określoną i stałą prędkością, a ponadto jest to niezwykle niebezpieczne. Wielu producentów nie podaje nawet cen maszyn dla tych ustawień.
Stół XY, zwany również płaską maszyną tnącą, jest najpowszechniejszą dwuwymiarową maszyną do cięcia strumieniem wody. Czyste strumienie wody tną uszczelki, tworzywa sztuczne, gumę i piankę, podczas gdy modele ścierne tną metale, kompozyty, szkło, kamień i ceramikę. Stół roboczy może mieć wymiary od 2 × 4 stóp do 30 × 100 stóp. Zazwyczaj sterowanie tymi obrabiarkami odbywa się za pomocą CNC lub komputera. Silniki serwo, zwykle z zamkniętym sprzężeniem zwrotnym, zapewniają integralność położenia i prędkości. Podstawowa jednostka obejmuje prowadnice liniowe, obudowy łożysk i napędy śrub kulowych, podczas gdy jednostka pomostowa obejmuje również te technologie, a zbiornik zbiorczy obejmuje podparcie materiału.
Stoły robocze XY występują zazwyczaj w dwóch stylach: stół roboczy z bramą środkową obejmuje dwie podstawowe szyny prowadzące i most, podczas gdy stół roboczy z wspornikiem wykorzystuje podstawę i sztywny most. Oba typy maszyn obejmują pewną formę regulacji wysokości głowicy. Ta regulacja osi Z może przybierać formę ręcznej korby, śruby elektrycznej lub w pełni programowalnej śruby serwo.
Zbiornik na stole warsztatowym XY to zazwyczaj zbiornik na wodę wypełniony wodą, który jest wyposażony w kratki lub listwy do podtrzymywania przedmiotu obrabianego. Proces cięcia powoli zużywa te podpory. Pułapka może być czyszczona automatycznie, odpady są przechowywane w pojemniku lub ręcznie, a operator regularnie łopatą wyjmuje puszkę.
Wraz ze wzrostem liczby elementów o niemal zerowej powierzchni płaskiej, możliwości pięcioosiowe (lub więcej) są niezbędne do nowoczesnego cięcia strumieniem wody. Na szczęście lekka głowica tnąca i niska siła odrzutu podczas procesu cięcia zapewniają inżynierom projektantom swobodę, jakiej nie ma frezowanie z dużym obciążeniem. Pięcioosiowe cięcie strumieniem wody początkowo wykorzystywało system szablonów, ale użytkownicy wkrótce zwrócili się w stronę programowalnych pięciu osi, aby pozbyć się kosztów szablonu.
Jednak nawet przy użyciu dedykowanego oprogramowania, cięcie 3D jest bardziej skomplikowane niż cięcie 2D. Kompozytowa część ogonowa Boeinga 777 jest skrajnym przykładem. Najpierw operator wgrywa program i programuje elastyczny personel „pogostick”. Suwnica transportuje materiał części, a pręt sprężynowy jest odkręcany do odpowiedniej wysokości, a części są mocowane. Specjalna nietnąca oś Z wykorzystuje sondę kontaktową do dokładnego pozycjonowania części w przestrzeni i punkty próbkowania w celu uzyskania prawidłowej wysokości i kierunku części. Następnie program jest przekierowywany do rzeczywistej pozycji części; sonda cofa się, aby zrobić miejsce dla osi Z głowicy tnącej; program działa, aby kontrolować wszystkie pięć osi, aby utrzymać głowicę tnącą prostopadle do powierzchni, która ma być cięta, i działać zgodnie z wymaganiami. Podróżuj z precyzyjną prędkością.
Materiały ścierne są wymagane do cięcia materiałów kompozytowych lub dowolnego metalu o średnicy większej niż 0,05 cala, co oznacza, że wyrzutnik musi być zabezpieczony przed przecięciem pręta sprężynowego i łoża narzędzia po cięciu. Specjalne przechwytywanie punktowe to najlepszy sposób na osiągnięcie cięcia strumieniem wody w pięciu osiach. Testy wykazały, że ta technologia może zatrzymać samolot odrzutowy o mocy 50 koni mechanicznych poniżej 6 cali. Rama w kształcie litery C łączy łapacz z nadgarstkiem osi Z, aby prawidłowo złapać piłkę, gdy głowica przycina cały obwód części. Łapacz punktowy zatrzymuje również ścieranie i zużywa stalowe kulki z szybkością około 0,5 do 1 funta na godzinę. W tym systemie strumień jest zatrzymywany przez rozproszenie energii kinetycznej: po wejściu strumienia do pułapki napotyka on zawartą w nim stalową kulkę, a stalowa kulka obraca się, aby pochłonąć energię strumienia. Nawet w pozycji poziomej i (w niektórych przypadkach) do góry nogami, łapacz punktowy może działać.
Nie wszystkie części pięcioosiowe są równie złożone. Wraz ze wzrostem rozmiaru części, programowanie regulacji i weryfikacja położenia części oraz dokładności cięcia stają się bardziej skomplikowane. Wiele warsztatów używa maszyn 3D do prostego cięcia 2D i złożonego cięcia 3D każdego dnia.
Operatorzy powinni być świadomi, że istnieje duża różnica między dokładnością części a dokładnością ruchu maszyny. Nawet maszyna o niemal doskonałej dokładności, dynamicznym ruchu, kontroli prędkości i doskonałej powtarzalności może nie być w stanie wyprodukować „idealnych” części. Dokładność gotowej części to połączenie błędu procesu, błędu maszyny (wydajność XY) i stabilności przedmiotu obrabianego (uchwyt, płaskość i stabilność temperatury).
Podczas cięcia materiałów o grubości mniejszej niż 1 cal dokładność strumienia wody wynosi zazwyczaj od ±0,003 do 0,015 cala (od 0,07 do 0,4 mm). Dokładność materiałów o grubości większej niż 1 cal mieści się w zakresie od ±0,005 do 0,100 cala (od 0,12 do 2,5 mm). Wysokowydajny stół XY jest zaprojektowany do liniowej dokładności pozycjonowania wynoszącej 0,005 cala lub więcej.
Potencjalne błędy wpływające na dokładność obejmują błędy kompensacji narzędzi, błędy programowania i ruch maszyny. Kompensacja narzędzi to wartość wprowadzona do systemu sterowania, która uwzględnia szerokość cięcia strumienia, czyli ilość ścieżki cięcia, która musi zostać rozszerzona, aby końcowa część uzyskała prawidłowy rozmiar. Aby uniknąć potencjalnych błędów w pracach o wysokiej precyzji, operatorzy powinni wykonywać cięcia próbne i rozumieć, że kompensację narzędzi należy dostosować do częstotliwości zużycia rurki mieszającej.
Błędy programowania najczęściej występują, ponieważ niektóre elementy sterujące XY nie wyświetlają wymiarów w programie części, co utrudnia wykrycie braku dopasowania wymiarowego między programem części a rysunkiem CAD. Ważnymi aspektami ruchu maszyny, które mogą wprowadzać błędy, są szczelina i powtarzalność w jednostce mechanicznej. Regulacja serwomechanizmu jest również ważna, ponieważ niewłaściwa regulacja serwomechanizmu może powodować błędy w szczelinach, powtarzalności, pionowości i drganiach. Małe części o długości i szerokości mniejszej niż 12 cali nie wymagają tak wielu stołów XY, jak duże części, więc prawdopodobieństwo błędów ruchu maszyny jest mniejsze.
Materiały ścierne stanowią dwie trzecie kosztów operacyjnych systemów strumieniowo-wodnych. Inne obejmują zasilanie, wodę, powietrze, uszczelnienia, zawory zwrotne, otwory, rury mieszające, filtry wlotowe wody i części zamienne do pomp hydraulicznych i cylindrów wysokociśnieniowych.
Początkowo pełna moc wydawała się droższa, ale wzrost wydajności przewyższył koszty. Wraz ze wzrostem przepływu ścierniwa wzrośnie prędkość cięcia, a koszt na cal spadnie, aż osiągnie optymalny punkt. Aby uzyskać maksymalną wydajność, operator powinien uruchomić głowicę tnącą z najwyższą prędkością cięcia i maksymalną mocą w celu optymalnego wykorzystania. Jeśli system o mocy 100 koni mechanicznych może uruchomić tylko głowicę o mocy 50 koni mechanicznych, to uruchomienie dwóch głowic w systemie może osiągnąć tę wydajność.
Optymalizacja cięcia strumieniem wody z użyciem ścierniwa wymaga skupienia się na konkretnej sytuacji, ale może zapewnić znaczny wzrost wydajności.
Nierozsądne jest wycinanie szczeliny powietrznej większej niż 0,020 cala, ponieważ strumień otwiera się w szczelinie i tnie mniej więcej niższe poziomy. Układanie arkuszy materiału blisko siebie może temu zapobiec.
Mierz produktywność w kategoriach kosztu na cal (czyli liczby części wyprodukowanych przez system), a nie kosztu na godzinę. W rzeczywistości szybka produkcja jest konieczna do amortyzacji kosztów pośrednich.
Strumienie wody, które często przebijają materiały kompozytowe, szkło i kamienie, powinny być wyposażone w kontroler, który może zmniejszać i zwiększać ciśnienie wody. Wspomaganie próżniowe i inne technologie zwiększają prawdopodobieństwo skutecznego przebijania kruchych lub laminowanych materiałów bez uszkadzania materiału docelowego.
Automatyzacja obsługi materiałów ma sens tylko wtedy, gdy obsługa materiałów stanowi znaczną część kosztów produkcji części. Maszyny do cięcia strumieniem wody ściernej zazwyczaj wykorzystują ręczne rozładowywanie, podczas gdy cięcie płyt wykorzystuje głównie automatyzację.
Większość systemów strumieniowego czyszczenia wodą wykorzystuje zwykłą wodę z kranu, a 90% operatorów strumieniowego czyszczenia wodą nie wykonuje żadnych przygotowań poza zmiękczaniem wody przed jej wysłaniem do filtra wlotowego. Stosowanie odwróconej osmozy i dejonizatorów do oczyszczania wody może być kuszące, ale usuwanie jonów ułatwia wodzie absorbowanie jonów z metali w pompach i rurach wysokociśnieniowych. Może to wydłużyć żywotność otworu, ale koszt wymiany cylindra wysokociśnieniowego, zaworu zwrotnego i pokrywy końcowej jest znacznie wyższy.
Cięcie podwodne zmniejsza szronienie powierzchni (znane również jako „zaparowywanie”) na górnej krawędzi cięcia strumieniem wody ściernej, a także znacznie zmniejsza hałas strumienia i chaos w miejscu pracy. Jednak zmniejsza to widoczność strumienia, dlatego zaleca się stosowanie elektronicznego monitorowania wydajności w celu wykrywania odchyleń od warunków szczytowych i zatrzymywania systemu przed uszkodzeniem jakichkolwiek podzespołów.
W przypadku systemów, które wykorzystują różne rozmiary sit ściernych do różnych zadań, należy użyć dodatkowego miejsca do przechowywania i pomiaru dla typowych rozmiarów. Małe (100 funtów) lub duże (500 do 2000 funtów) zawory dozujące do transportu luzem i powiązane zawory dozujące umożliwiają szybkie przełączanie między rozmiarami oczek sita, co zmniejsza przestoje i problemy, a jednocześnie zwiększa produktywność.
Separator może skutecznie ciąć materiały o grubości mniejszej niż 0,3 cala. Chociaż te występy zazwyczaj zapewniają drugie szlifowanie gwintownika, mogą one osiągnąć szybszą obróbkę materiału. Twardsze materiały będą miały mniejsze etykiety.
Maszyna z strumieniem wody ściernej i kontrolą głębokości cięcia. W przypadku odpowiednich części ten rodzący się proces może stanowić przekonującą alternatywę.
Firma Sunlight-Tech Inc. wykorzystała centra obróbki laserowej i mikrofrezowania Microlution firmy GF Machining Solutions do produkcji części o tolerancjach mniejszych niż 1 mikron.
Cięcie strumieniem wody zajmuje miejsce w dziedzinie produkcji materiałów. W tym artykule przyjrzymy się, jak działają strumienie wody w Twoim sklepie i przyjrzymy się procesowi.
Czas publikacji: 04-09-2021