Cięcie strumieniem wody może być prostszą metodą przetwarzania, ale jest wyposażone w mocny stempel i wymaga od operatora świadomości zużycia i dokładności wielu części.
Najprostsze cięcie strumieniem wody to proces cięcia strumieniem wody pod wysokim ciśnieniem w materiałach. Technologia ta jest zwykle uzupełnieniem innych technologii przetwarzania, takich jak frezowanie, laser, elektroerozja i plazma. W procesie strumienia wody nie tworzą się żadne szkodliwe substancje ani para, nie tworzy się strefa wpływu ciepła ani naprężenia mechaniczne. Strumień wody może wycinać ultracienkie detale w kamieniu, szkle i metalu; szybko wywierć otwory w tytanie; pokroić jedzenie; a nawet zabijać patogeny w napojach i dipach.
Wszystkie maszyny do cięcia strumieniem wody są wyposażone w pompę, która może sprężać wodę w celu dostarczenia jej 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 od 10% do 25% niższe w porównaniu z podobnymi pompami wspomagającymi, ale nadal utrzymuje się na poziomie od 20 000 do 50 000 psi.
Pompy oparte na wzmacniaczach stanowią większość pomp ultrawysokiego ciśnienia (to znaczy pomp o ciśnieniu powyżej 30 000 psi). Pompy te zawierają dwa obiegi cieczy, jeden dla wody, a drugi dla hydrauliki. Filtr wlotowy wody najpierw przechodzi przez filtr wkładowy o średnicy 1 mikrona, a następnie przez filtr 0,45 mikrona, aby zassać zwykłą wodę z kranu. Woda ta dostaje się do pompy wspomagającej. Zanim dostanie się do pompy wspomagającej, ciśnienie pompy wspomagającej jest utrzymywane na poziomie około 90 psi. Tutaj ciśnienie wzrasta do 60 000 psi. Zanim woda ostatecznie opuści agregat pompowy i poprzez rurociąg dotrze do głowicy tnącej, przechodzi przez amortyzator. Urządzenie może tłumić wahania ciśnienia, aby poprawić konsystencję i wyeliminować impulsy pozostawiające ślady na obrabianym przedmiocie.
W obwodzie hydraulicznym silnik elektryczny znajdujący się pomiędzy silnikami elektrycznymi pobiera olej ze zbiornika oleju i tłoczy go pod ciśnieniem. Olej pod ciśnieniem przepływa do kolektora, a zawór kolektora na przemian wtryskuje olej hydrauliczny po obu stronach zespołu biszkoptu i tłoka, aby wygenerować działanie skokowe wzmacniacza. Ponieważ powierzchnia tłoka jest mniejsza niż powierzchnia ciastka, ciśnienie oleju „zwiększa” 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 napełnia drugą stronę. Recyrkulacja umożliwia również ochłodzenie oleju hydraulicznego po jego powrocie do zbiornika. Zawór zwrotny zapewnia przepływ wody o niskim i wysokim ciśnieniu tylko w jednym kierunku. Cylindry wysokociśnieniowe i zaślepki zamykające elementy tłoka i ciastka muszą spełniać specjalne wymagania, aby wytrzymać siły procesowe i cykle stałego ciśnienia. Cały system jest zaprojektowany tak, aby stopniowo ulegał awariom, a wycieki spływały do specjalnych „otworów spustowych”, które operator może monitorować w celu lepszego planowania regularnej konserwacji.
Specjalna rura wysokociśnieniowa transportuje wodę do głowicy tnącej. Rura może również zapewniać swobodę ruchu głowicy tnącej, w zależności od rozmiaru rury. Preferowanym materiałem na te rury jest stal nierdzewna, występująca w trzech popularnych rozmiarach. Rury stalowe o średnicy 1/4 cala są wystarczająco elastyczne, aby można je było podłączyć do sprzętu sportowego, ale nie są zalecane do transportu wody pod wysokim ciśnieniem na duże odległości. Ponieważ rurę tę można łatwo zgiąć, nawet w rolkę, na długości od 10 do 20 stóp można uzyskać ruch w osiach X, Y i Z. Większe rury 3/8 cala 3/8 cala zwykle przenoszą wodę z pompy na dno ruchomego sprzętu. Chociaż można go zginać, generalnie nie nadaje się do urządzeń poruszających się w rurociągach. Największa rura o średnicy 9/16 cala najlepiej nadaje się do transportu wody pod wysokim ciśnieniem na duże odległości. Większa średnica pomaga zmniejszyć straty ciśnienia. Rury tego rozmiaru są bardzo kompatybilne z dużymi pompami, ponieważ duża ilość wody pod wysokim ciśnieniem wiąże się również z większym ryzykiem potencjalnej utraty ciśnienia. Rur tego rozmiaru nie można jednak zginać, a w narożach należy zamontować złączki.
Maszyna do cięcia strumieniem czystej wody jest najwcześniejszą maszyną do cięcia strumieniem wody, a jej historia sięga wczesnych lat siedemdziesiątych. W porównaniu z kontaktem lub wdychaniem materiałów, wytwarzają mniej wody na materiałach, dlatego nadają się do produkcji takich wyrobów jak wnętrza samochodów czy pieluchy jednorazowe. Płyn jest bardzo rzadki – ma średnicę od 0,004 cala do 0,010 cala – i zapewnia niezwykle szczegółowe geometrie przy bardzo małych stratach materiału. Siła cięcia jest wyjątkowo mała, a mocowanie jest zwykle proste. Maszyny te najlepiej nadają się do pracy całodobowej.
Rozważając głowicę tnącą do maszyny do cięcia strumieniem wody, należy pamiętać, że prędkość przepływu to mikroskopijne fragmenty lub cząstki rozdzieranego materiału, a nie ciśnienie. Aby osiągnąć tak dużą prędkość, woda pod ciśnieniem przepływa przez mały otwór w klejnocie (zwykle szafirze, rubinie lub diamentie) umieszczonym na końcu dyszy. Do typowego cięcia stosuje się średnicę otworu od 0,004 cala do 0,010 cala, podczas gdy do zastosowań specjalnych (takich jak beton natryskowy) można stosować rozmiary do 0,10 cala. Przy ciśnieniu 40 000 psi przepływ z kryzy przepływa z prędkością około 2 Machów, a przy 60 000 psi przepływ przekracza 3 Machów.
Różna biżuteria ma różną wiedzę specjalistyczną w zakresie cięcia strumieniem wody. Szafir jest najpopularniejszym materiałem ogólnego przeznaczenia. Wytrzymują około 50 do 100 godzin cięcia, chociaż zastosowanie strumienia wody ze ścierniwem skraca ten czas o połowę. Rubiny nie nadają się do cięcia strumieniem czystej wody, ale wytwarzany przez nie przepływ wody doskonale nadaje się do cięcia ściernego. W procesie cięcia ściernego czas cięcia rubinów wynosi około 50 do 100 godzin. Diamenty są znacznie droższe od szafirów i rubinów, ale czas ich szlifowania wynosi od 800 do 2000 godzin. To sprawia, że diament szczególnie nadaje się do pracy 24-godzinnej. W niektórych przypadkach kryzę diamentową można również oczyścić ultradźwiękowo i ponownie wykorzystać.
W abrazyjnej maszynie waterjet mechanizmem usuwania materiału nie jest sam przepływ wody. I odwrotnie, przepływ przyspiesza cząstki ścierne, powodując korozję materiału. Maszyny te są tysiące razy mocniejsze niż maszyny do cięcia strumieniem wody i mogą ciąć twarde materiały, takie jak metal, kamień, materiały kompozytowe i ceramika.
Strumień ścierniwa jest większy niż strumień czystej wody i ma średnicę 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 natryskiwania ścierniwa wykorzystują urządzenie natryskowe i można je łatwo zmienić z użycia jednej głowicy na użycie wielu głowic, a nawet strumień wody ze ścierniwem można przekształcić w strumień czystej wody.
Materiałem ściernym jest twardy, specjalnie dobrany i uziarniony piasek – zazwyczaj granat. Różne rozmiary siatki są odpowiednie do różnych zadań. Gładką powierzchnię można uzyskać stosując materiały ścierne o uziarnieniu 120 mesh, natomiast materiały ścierne o uziarnieniu 80 okazały się bardziej odpowiednie do zastosowań ogólnych. Prędkość cięcia ścierniwa 50 mesh jest większa, ale powierzchnia jest nieco bardziej chropowata.
Chociaż strumienie wody są łatwiejsze w obsłudze niż wiele innych maszyn, rura mieszająca wymaga uwagi operatora. Potencjał przyspieszenia tej rurki jest jak lufa karabinu, o różnych rozmiarach i różnej żywotności. Wytrzymała rura mieszająca to rewolucyjna innowacja w cięciu strumieniem wody ze ścierniwem, ale rura jest nadal bardzo delikatna – jeśli głowica tnąca zetknie się z uchwytem, ciężkim przedmiotem lub docelowym materiałem, rura może pęknąć. Uszkodzonych rur nie można naprawić, dlatego obniżenie kosztów wymaga minimalizacji wymiany. Nowoczesne maszyny posiadają zazwyczaj funkcję automatycznego wykrywania kolizji, która zapobiega kolizjom z rurą mieszającą.
Odległość między rurą mieszającą a materiałem docelowym wynosi zwykle od 0,010 cala do 0,200 cala, ale operator musi pamiętać, że odległość większa niż 0,080 cala spowoduje oszronienie górnej krawędzi ciętej części. Cięcie pod wodą i inne techniki mogą zmniejszyć lub wyeliminować to oszronienie.
Początkowo rura mieszająca była wykonana z węglika wolframu i miała żywotność tylko od czterech do sześciu godzin cięcia. Współczesne niedrogie rury kompozytowe mogą osiągnąć trwałość cięcia od 35 do 60 godzin i są zalecane do cięcia zgrubnego lub szkolenia nowych operatorów. Kompozytowa rura z węglika spiekanego wydłuża jej żywotność do 80 do 90 godzin cięcia. Wysokiej jakości rura z kompozytowego węglika spiekanego ma żywotność skrawania od 100 do 150 godzin, nadaje się do precyzyjnej i codziennej pracy oraz wykazuje najbardziej przewidywalne koncentryczne zużycie.
Oprócz zapewniania ruchu, obrabiarki strumieniowe muszą również obejmować metodę mocowania przedmiotu obrabianego oraz system gromadzenia i gromadzenia wody i zanieczyszczeń powstałych podczas operacji obróbki.
Maszyny stacjonarne i jednowymiarowe to najprostsze waterjety. Stacjonarne strumienie wody są powszechnie stosowane w przemyśle lotniczym do przycinania materiałów kompozytowych. Operator podaje materiał do strumienia jak piłą taśmową, podczas gdy łapacz zbiera strumień i gruz. Większość stacjonarnych strumieni wody to strumienie czystej wody, ale nie wszystkie. Krajarka wzdłużna jest odmianą maszyny stacjonarnej, w której przez maszynę podawane są produkty takie jak papier, a strumień wody tnie produkt na określoną szerokość. Maszyna do cięcia poprzecznego to maszyna poruszająca się wzdłuż osi. Często współpracują z maszynami do cięcia wzdłużnego, aby tworzyć wzory przypominające siatkę na produktach takich jak automaty sprzedające, takie jak ciasteczka. Maszyna do cięcia wzdłużnego tnie produkt na określoną szerokość, natomiast maszyna do cięcia poprzecznego przecina produkt podany pod nią.
Operatorzy nie powinni ręcznie używać tego typu strumienia wody ze ścierniwem. Trudno jest przesuwać wycięty obiekt z określoną i stałą prędkością, jest to niezwykle niebezpieczne. Wielu producentów nawet nie podaje cen maszyn dla tych ustawień.
Stół XY, zwany także maszyną do cięcia płaskiego, jest najpopularniejszą dwuwymiarową maszyną do cięcia strumieniem wody. Strumień czystej wody tnie uszczelki, tworzywa sztuczne, gumę i piankę, natomiast modele ścierne tną metale, kompozyty, szkło, kamień i ceramikę. Stół warsztatowy może mieć wymiary od 2 × 4 stóp do 30 × 100 stóp. Zwykle sterowanie tymi obrabiarkami odbywa się za pomocą CNC lub komputera PC. Serwosilniki, zwykle ze sprzężeniem zwrotnym w zamkniętej pętli, zapewniają integralność pozycji i prędkości. Jednostka podstawowa obejmuje prowadnice liniowe, obudowy łożysk i napędy śrubowo-toczne, jednostka pomostowa obejmuje również te technologie, a zbiornik zbiorczy zawiera podporę materiałową.
Stoły warsztatowe XY są zwykle dostępne w dwóch wersjach: stół warsztatowy z bramą środkową zawiera dwie podstawowe szyny prowadzące i most, natomiast stół warsztatowy ze wspornikiem wykorzystuje podstawę i sztywny most. Obydwa typy maszyn obejmują pewną formę regulacji wysokości głowicy. Ta regulacja w osi Z może przybrać formę ręcznej korby, śruby elektrycznej lub w pełni programowalnej śruby serwa.
Studzienka na stole warsztatowym XY to zwykle zbiornik na wodę wypełniony wodą, który jest wyposażony w kratki lub listwy podtrzymujące obrabiany przedmiot. Proces cięcia powoli zużywa te podpory. Pułapkę można czyścić automatycznie, odpady gromadzone są w pojemniku lub można to zrobić ręcznie, a operator regularnie przerzuca puszkę.
Ponieważ wzrasta odsetek elementów prawie pozbawionych płaskich powierzchni, w nowoczesnym cięciu strumieniem wody niezbędne są możliwości obróbki w pięciu (lub więcej) osiach. Na szczęście lekka głowica frezowa i niewielka siła odrzutu podczas procesu cięcia zapewniają inżynierom-projektantom swobodę, której nie ma przy frezowaniu pod dużym obciążeniem. Początkowo w pięcioosiowym cięciu strumieniem wody stosowano system szablonów, ale wkrótce użytkownicy przerzucili się na programowalne pięcioosiowe cięcie, aby pozbyć się kosztów szablonu.
Jednak nawet z dedykowanym oprogramowaniem cięcie 3D jest bardziej skomplikowane niż cięcie 2D. Skrajnym przykładem jest kompozytowa część ogonowa Boeinga 777. Najpierw operator wgrywa program i programuje elastyczną laskę „pogostick”. Suwnica transportuje materiał z części, pręt sprężynowy jest odkręcany na odpowiednią wysokość i części są mocowane. Specjalna, nietnąca oś Z wykorzystuje sondę kontaktową do dokładnego pozycjonowania części w przestrzeni i pobierania próbek w celu uzyskania prawidłowej wysokości i kierunku części. Następnie program zostaje przekierowany do rzeczywistej pozycji części; sonda cofa się, aby zrobić miejsce dla osi Z głowicy tnącej; program steruje wszystkimi pięcioma osiami, utrzymując głowicę tnącą prostopadle do ciętej powierzchni i działając zgodnie z wymaganiami. Jedź z precyzyjną prędkością.
Do cięcia materiałów kompozytowych lub dowolnego metalu o średnicy większej niż 0,05 cala wymagane są materiały ścierne, co oznacza, że po cięciu należy zabezpieczyć wypychacz przed przecięciem pręta sprężynowego i łoża narzędzia. Specjalne przechwytywanie punktów to najlepszy sposób na osiągnięcie pięcioosiowego cięcia strumieniem wody. Testy wykazały, że technologia ta 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 obcina cały obwód części. Łapacz punktowy zatrzymuje również ścieranie i zużywa stalowe kulki w tempie około 0,5 do 1 funta na godzinę. W tym systemie strumień jest zatrzymywany przez rozproszenie energii kinetycznej: po wejściu do pułapki napotyka kulę stalową, która się obraca, zużywając 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, dostosowanie programu i weryfikacja położenia części oraz dokładności cięcia stają się coraz bardziej skomplikowane. Wiele sklepów na co dzień wykorzystuje maszyny 3D do prostego cięcia 2D i złożonego cięcia 3D.
Operatorzy powinni mieć świadomość, że istnieje duża różnica pomiędzy 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 jest kombinacją błędu procesu, błędu maszyny (wydajność XY) i stabilności przedmiotu obrabianego (mocowanie, płaskość i stabilność temperatury).
Podczas cięcia materiałów o grubości mniejszej niż 1 cal dokładność strumienia wody wynosi zwykle od ±0,003 do 0,015 cala (0,07 do 0,4 mm). Dokładność materiałów o grubości większej niż 1 cal mieści się w zakresie ± 0,005 do 0,100 cala (0,12 do 2,5 mm). Wysokowydajny stół XY został zaprojektowany z myślą o dokładności pozycjonowania liniowego wynoszącej 0,005 cala lub wyższej.
Potencjalne błędy wpływające na dokładność obejmują błędy kompensacji narzędzia, błędy programowania i ruch maszyny. Kompensacja narzędzia to wartość wprowadzana do systemu sterowania, która uwzględnia szerokość cięcia strumienia, czyli długość ścieżki cięcia, która musi zostać rozszerzona, aby końcowa część uzyskała prawidłowy rozmiar. Aby uniknąć potencjalnych błędów w pracach wymagających dużej precyzji, operatorzy powinni wykonać cięcia próbne i pamiętać, że kompensacja narzędzia musi być dostosowana do częstotliwości zużycia rurki mieszającej.
Błędy programowania występują najczęściej, ponieważ niektóre elementy sterujące XY nie wyświetlają wymiarów w programie części, co utrudnia wykrycie braku dopasowania wymiarowego pomiędzy programem części a rysunkiem CAD. Ważnymi aspektami ruchu maszyny, które mogą powodować błędy, są luki i powtarzalność w jednostce mechanicznej. Regulacja serwa jest również ważna, ponieważ niewłaściwa regulacja serwa może powodować błędy w przerwach, powtarzalności, pionowości i drganiach. Małe części o długości i szerokości mniejszej niż 12 cali nie wymagają tak wielu stołów XY jak duże części, więc ryzyko błędów ruchu maszyny jest mniejsze.
Materiały ścierne stanowią dwie trzecie kosztów operacyjnych systemów cięcia strumieniem wody. Inne obejmują zasilanie, wodę, powietrze, uszczelki, zawory zwrotne, kryzy, rury mieszające, filtry wlotowe wody oraz części zamienne do pomp hydraulicznych i cylindrów wysokociśnieniowych.
Praca z pełną mocą początkowo wydawała się droższa, ale wzrost wydajności przewyższał koszty. Wraz ze wzrostem natężenia przepływu ścierniwa prędkość cięcia będzie rosła, a koszt na cal będzie malał, aż osiągnie optymalny punkt. Aby uzyskać maksymalną produktywność, operator powinien uruchomić głowicę tnącą z największą prędkością cięcia i maksymalną mocą w celu optymalnego wykorzystania. Jeśli system o mocy 100 koni mechanicznych może obsługiwać tylko głowicę o mocy 50 koni mechanicznych, wówczas uruchomienie dwóch głowic w systemie może osiągnąć tę wydajność.
Optymalizacja cięcia strumieniem wody ze ścierniwem wymaga zwrócenia uwagi na konkretną sytuację, ale może zapewnić doskonały wzrost produktywności.
Nierozsądne jest wycinanie szczeliny powietrznej większej niż 0,020 cala, ponieważ strumień otwiera się w szczelinie i z grubsza przecina niższe poziomy. Można temu zapobiec, układając arkusze materiału blisko siebie.
Mierz produktywność w kategoriach kosztu na cal (tj. liczby części wyprodukowanych przez system), a nie kosztu na godzinę. W rzeczywistości szybka produkcja jest konieczna, aby zamortyzować koszty pośrednie.
Strumienie wody, które często przebijają materiały kompozytowe, szkło i kamienie, powinny być wyposażone w sterownik, który może zmniejszać i zwiększać ciśnienie wody. Wspomaganie podciśnienia i inne technologie zwiększają prawdopodobieństwo skutecznego przekłucia delikatnych lub laminowanych materiałów bez uszkodzenia materiału docelowego.
Automatyzacja transportu materiałów ma sens tylko wtedy, gdy obsługa materiałów stanowi dużą część kosztów produkcji części. W maszynach do cięcia strumieniem ściernym zwykle stosuje się rozładunek ręczny, podczas gdy do cięcia płyt wykorzystuje się głównie automatyzację.
Większość systemów strumieniowych wykorzystuje zwykłą wodę z kranu, a 90% operatorów strumieni wodnych nie wykonuje żadnych przygotowań poza zmiękczaniem wody przed przesłaniem jej do filtra wlotowego. Stosowanie odwróconej osmozy i dejonizatorów do oczyszczania wody może być kuszące, ale usuwanie jonów ułatwia wodzie absorpcję jonów z metali w pompach i rurach wysokociśnieniowych. Może wydłużyć żywotność kryzy, ale koszt wymiany cylindra wysokociśnieniowego, zaworu zwrotnego i pokrywy końcowej jest znacznie wyższy.
Cięcie pod wodą zmniejsza oszronienie powierzchni (znane również jako „zaparowanie”) na górnej krawędzi cięcia strumieniem wody ze ścierniwem, jednocześnie znacznie zmniejszając hałas strumienia i chaos w miejscu pracy. Jednakże zmniejsza to widoczność strumienia, dlatego zaleca się stosowanie elektronicznego monitorowania wydajności w celu wykrycia odchyleń od warunków szczytowych i zatrzymania systemu przed uszkodzeniem jakiegokolwiek elementu.
W przypadku systemów, które wykorzystują różne rozmiary sit ściernych do różnych zadań, należy zastosować dodatkowe miejsce do przechowywania i dozowania dla typowych rozmiarów. Małe (100 funtów) lub duże (500 do 2000 funtów) zawory do transportu materiałów sypkich i powiązane z nimi zawory dozujące umożliwiają szybkie przełączanie pomiędzy rozmiarami oczek sita, redukując przestoje i kłopoty, jednocześnie zwiększając produktywność.
Separator może skutecznie ciąć materiały o grubości mniejszej niż 0,3 cala. Chociaż te występy zwykle zapewniają drugie szlifowanie gwintownika, mogą zapewnić szybszą obsługę materiału. Twardsze materiały będą miały mniejsze etykiety.
Obrabiaj strumieniem wody ściernej i kontroluj głębokość cięcia. W przypadku odpowiednich części ten rodzący się proces może stanowić atrakcyjną alternatywę.
Firma Sunlight-Tech Inc. korzystała z centrów mikroobróbki laserowej i mikrofrezowania firmy GF Machining Solutions 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 omówiono działanie strumieni wody w Twoim sklepie i cały proces.
Czas publikacji: 04 września 2021 r