Водноструйното рязане може да е по-опростен метод за обработка, но е оборудвано с мощен перфоратор и изисква операторът да следи износването и точността на множество части.
Най-простото рязане с водна струя е процесът на врязване в материали с водни струи под високо налягане. Тази технология обикновено допълва други технологии за обработка, като фрезоване, лазер, EDM и плазма. При процеса с водна струя не се образуват вредни вещества или пара, нито зона, засегната от топлина, нито механично напрежение. Водните струи могат да режат ултратънки детайли върху камък, стъкло и метал; бързо да пробиват отвори в титан; да режат храна; и дори да убиват патогени в напитки и дипове.
Всички машини за водна струя имат помпа, която може да нагнети водата, за да я подаде към режещата глава, където тя се преобразува в свръхзвуков поток. Има два основни вида помпи: помпи с директно задвижване и помпи с усилвател.
Ролята на помпата с директно задвижване е подобна на тази на почистваща машина за високо налягане, а трицилиндровата помпа задвижва три бутала директно от електродвигателя. Максималното непрекъснато работно налягане е с 10% до 25% по-ниско от подобни бустерни помпи, но това все пак ги държи между 20 000 и 50 000 psi.
Помпите, базирани на усилватели, съставляват по-голямата част от помпите за свръхвисоко налягане (т.е. помпи над 30 000 psi). Тези помпи съдържат два флуидни кръга, единият за вода, а другият за хидравлика. Филтърът за входна вода първо преминава през 1-микронен патронен филтър, а след това през 0,45-микронен филтър, за да засмуче обикновена чешмяна вода. Тази вода постъпва в бустерната помпа. Преди да влезе в бустерната помпа, налягането на бустерната помпа се поддържа на около 90 psi. Тук налягането се увеличава до 60 000 psi. Преди водата окончателно да напусне помпения агрегат и да достигне режещата глава през тръбопровода, тя преминава през амортисьора. Устройството може да потисне колебанията в налягането, за да подобри консистенцията и да елиминира импулсите, които оставят следи по детайла.
В хидравличната верига, електрическият мотор между електродвигателите изсмуква масло от резервоара за масло и го нагнетява. Маслото под налягане тече към колектора, а клапанът на колектора последователно впръсква хидравлично масло от двете страни на буталото и възела на фугата, за да генерира ходовото действие на усилвателя. Тъй като повърхността на буталото е по-малка от тази на фугата, налягането на маслото „увеличава“ налягането на водата.
Бустерът е бутална помпа, което означава, че възелът от бисквити и бутало доставя вода под високо налягане от едната страна на бустера, докато водата под ниско налягане запълва другата страна. Рециркулацията също така позволява на хидравличното масло да се охлади, когато се върне в резервоара. Възвратният клапан гарантира, че водата под ниско и високо налягане може да тече само в една посока. Цилиндрите за високо налягане и крайните капачки, които капсулират компонентите на буталото и бисквитите, трябва да отговарят на специални изисквания, за да издържат на силите на процеса и циклите на постоянно налягане. Цялата система е проектирана така, че постепенно да се повреди, а течовете ще се стичат към специални „дренажни отвори“, които могат да бъдат наблюдавани от оператора, за да се планира по-добре редовната поддръжка.
Специална тръба за високо налягане транспортира водата до режещата глава. Тръбата може също така да осигури свобода на движение на режещата глава, в зависимост от размера на тръбата. Неръждаемата стомана е предпочитаният материал за тези тръби и има три често срещани размера. Стоманените тръби с диаметър 1/4 инча са достатъчно гъвкави, за да се свържат със спортно оборудване, но не се препоръчват за транспортиране на вода под високо налягане на дълги разстояния. Тъй като тази тръба е лесна за огъване, дори на ролка, дължина от 10 до 20 фута може да постигне движение X, Y и Z. По-големите тръби с диаметър 3/8 инча (3/8 инча) обикновено пренасят вода от помпата до дъното на движещото се оборудване. Въпреки че може да се огъва, тя обикновено не е подходяща за оборудване за движение по тръбопроводи. Най-голямата тръба, с размери 9/16 инча (24,3 см), е най-подходяща за транспортиране на вода под високо налягане на дълги разстояния. По-големият диаметър помага за намаляване на загубата на налягане. Тръбите с този размер са много съвместими с големи помпи, тъй като голямо количество вода под високо налягане също така крие по-голям риск от потенциална загуба на налягане. Тръбите с този размер обаче не могат да се огъват и в ъглите е необходимо да се монтират фитинги.
Машината за рязане с чиста водна струя е най-ранната машина за рязане с водна струя, а историята ѝ може да се проследи до началото на 70-те години на миналия век. В сравнение с контакта или вдишването на материали, те произвеждат по-малко вода върху материалите, така че са подходящи за производството на продукти като автомобилни интериори и пелени за еднократна употреба. Течността е много рядка - от 0,004 инча до 0,010 инча в диаметър - и осигурява изключително детайлни геометрии с много малка загуба на материал. Силата на рязане е изключително ниска, а фиксирането обикновено е лесно. Тези машини са най-подходящи за 24-часова работа.
Когато обмисляте режеща глава за машина с водна струя, е важно да запомните, че скоростта на потока се определя от микроскопичните фрагменти или частици от разкъсващия се материал, а не от налягането. За да се постигне тази висока скорост, водата под налягане протича през малък отвор в скъпоценен камък (обикновено сапфир, рубин или диамант), фиксиран в края на дюзата. Типичното рязане използва диаметър на отвора от 0,004 инча до 0,010 инча, докато за специални приложения (като пръскан бетон) могат да се използват размери до 0,10 инча. При 40 000 psi потокът от отвора се движи със скорост приблизително Mach 2, а при 60 000 psi потокът надвишава Mach 3.
Различните бижута имат различен опит в рязането с водна струя. Сапфирът е най-разпространеният материал с общо предназначение. Те издържат приблизително от 50 до 100 часа време за рязане, въпреки че приложението на абразивна водна струя намалява това време наполовина. Рубините не са подходящи за чисто рязане с водна струя, но водният поток, който произвеждат, е много подходящ за абразивно рязане. В процеса на абразивно рязане времето за рязане на рубини е около 50 до 100 часа. Диамантите са много по-скъпи от сапфирите и рубините, но времето за рязане е между 800 и 2000 часа. Това прави диаманта особено подходящ за 24-часова работа. В някои случаи отворът на диаманта може да се почисти и ултразвуково и да се използва повторно.
При абразивната машина за водна струя механизмът на отстраняване на материал не е самият воден поток. Обратно, потокът ускорява абразивните частици, за да корозират материала. Тези машини са хиляди пъти по-мощни от чистите машини за водно рязане и могат да режат твърди материали като метал, камък, композитни материали и керамика.
Абразивната струя е по-голяма от струята от чиста водна струя, с диаметър между 0,020 инча и 0,050 инча. Те могат да режат стекове и материали с дебелина до 10 инча, без да създават зони, засегнати от топлина, или механично напрежение. Въпреки че здравината им се е увеличила, силата на рязане на абразивната струя е все още по-малка от един паунд. Почти всички операции с абразивно струйно почистване използват устройство за струйно почистване и могат лесно да преминат от използване с една глава към използване с много глави, като дори абразивната водна струя може да се преобразува в чиста водна струя.
Абразивът е твърд, специално подбран и оразмерен пясък - обикновено гранат. Различните размери на мрежата са подходящи за различни задачи. Гладка повърхност може да се получи с абразиви с размер на мрежата 120 mesh, докато абразивите с размер на мрежата 80 mesh са се доказали като по-подходящи за универсални приложения. Скоростта на рязане с абразив с размер на мрежата 50 mesh е по-бърза, но повърхността е малко по-грапава.
Въпреки че водните струи са по-лесни за работа от много други машини, смесителната тръба изисква вниманието на оператора. Потенциалът за ускорение на тази тръба е като на цев на пушка, с различни размери и различен живот на подмяна. Дълготрайната смесителна тръба е революционна иновация в абразивното водноструйно рязане, но тръбата все още е много крехка - ако режещата глава влезе в контакт с приспособление, тежък предмет или целевия материал, тръбата може да се счупи. Повредените тръби не могат да бъдат поправени, така че намаляването на разходите изисква минимизиране на подмяната. Съвременните машини обикновено имат функция за автоматично откриване на сблъсък, за да предотвратят сблъсъци със смесителната тръба.
Разстоянието между смесителната тръба и целевия материал обикновено е от 0,010 инча до 0,200 инча, но операторът трябва да има предвид, че разстояние, по-голямо от 0,080 инча, ще причини замръзване по горната част на отрязания ръб на детайла. Подводното рязане и други техники могат да намалят или премахнат това замръзване.
Първоначално смесителната тръба е била изработена от волфрамов карбид и е имала експлоатационен живот само от четири до шест часа рязане. Днешните евтини композитни тръби могат да достигнат експлоатационен живот от 35 до 60 часа и се препоръчват за грубо рязане или обучение на нови оператори. Композитната циментирана карбидна тръба удължава експлоатационния си живот до 80 до 90 часа рязане. Висококачествената композитна циментирана карбидна тръба има експлоатационен живот от 100 до 150 часа, подходяща е за прецизна и ежедневна работа и показва най-предсказуемо концентрично износване.
В допълнение към осигуряването на движение, машините за водна струя трябва да включват и метод за закрепване на детайла и система за събиране и събиране на вода и отломки от машинните операции.
Стационарните и едномерни машини са най-простите водни струи. Стационарните водни струи се използват често в аерокосмическата индустрия за рязане на композитни материали. Операторът подава материала в потока като лентов трион, докато уловител събира потока и отломките. Повечето стационарни водни струи са чисти водни струи, но не всички. Машината за рязане е вариант на стационарната машина, при която продукти като хартия се подават през машината и водната струя реже продукта на определена ширина. Машината за напречно рязане е машина, която се движи по ос. Те често работят с машини за рязане, за да правят мрежовидни шарки върху продукти, като например вендинг машини като браунита. Машината за рязане реже продукта на определена ширина, докато машината за напречно рязане реже напречно продукта, подаван под нея.
Операторите не трябва да използват ръчно този тип абразивна водна струя. Трудно е да се движи режещият обект с определена и постоянна скорост и това е изключително опасно. Много производители дори не предлагат машини за тези настройки.
XY масата, наричана още машина за рязане с плоска платформа, е най-разпространената двуизмерна машина за водноструйно рязане. Чистите водни струи режат уплътнения, пластмаси, гума и пяна, докато абразивните модели режат метали, композити, стъкло, камък и керамика. Работната маса може да бъде с размери от 2 × 4 фута до 30 × 100 фута. Обикновено управлението на тези машинни инструменти се осъществява от CNC или PC. Серводвигателите, обикновено със затворена обратна връзка, осигуряват целостта на позицията и скоростта. Основният модул включва линейни водачи, корпуси на лагери и задвижвания с винтови съединения, докато мостовият модул също включва тези технологии, а резервоарът за събиране включва опора за материал.
XY работните маси обикновено се предлагат в два вида: порталната работна маса със средна релса включва две основни направляващи релси и мост, докато конзолната работна маса използва основа и твърд мост. И двата типа машини включват някаква форма на регулиране на височината на главата. Тази настройка по оста Z може да бъде под формата на ръчна манивела, електрически винт или напълно програмируем серво винт.
Уловителът на XY работната маса обикновено е резервоар за вода, пълен с вода, който е снабден с решетки или летви за поддържане на детайла. Процесът на рязане бавно изразходва тези опори. Уловителът може да се почиства автоматично, отпадъците се съхраняват в контейнера или може да се почиства ръчно, като операторът редовно изхвърля контейнера.
С увеличаването на дела на елементите с почти никакви плоски повърхности, петосните (или повече) възможности са от съществено значение за съвременното водноструйно рязане. За щастие, леката режеща глава и ниската сила на откат по време на процеса на рязане предоставят на инженерите-конструктори свобода, която фрезоването с високо натоварване няма. Петосното водноструйно рязане първоначално използва система от шаблони, но потребителите скоро се обърнаха към програмируеми петосни, за да се отърват от разходите за шаблони.
Въпреки това, дори със специализиран софтуер, 3D рязането е по-сложно от 2D рязането. Композитната опашка на Boeing 777 е краен пример. Първо, операторът качва програмата и програмира гъвкавата „погонска“ щанга. Мостовият кран транспортира материала на частите, пружинната щанга се развива до подходяща височина и частите се фиксират. Специалната нережеща Z ос използва контактна сонда за точно позициониране на частта в пространството и взема точки за получаване на правилната височина и посока на частта. След това програмата се пренасочва към действителната позиция на частта; сондата се прибира, за да освободи място за Z-оста на режещата глава; програмата работи, за да контролира всичките пет оси, за да поддържа режещата глава перпендикулярна на повърхността, която ще се реже, и да работи според нуждите. Движението е с прецизна скорост.
Абразиви са необходими за рязане на композитни материали или всякакъв метал по-голям от 0,05 инча, което означава, че ежекторът трябва да бъде предотвратен от рязане на пружинната греда и инструменталното легло след рязане. Специалното улавяне на точки е най-добрият начин за постигане на петосно водноструйно рязане. Тестовете показват, че тази технология може да спре реактивен самолет с мощност 50 конски сили под 6 инча. C-образната рамка свързва уловителя с китката на Z-оста, за да улови правилно топката, когато главата оформи цялата обиколка на детайла. Уловителят на точки също така спира абразията и изразходва стоманени топки със скорост от около 0,5 до 1 паунд на час. В тази система струята се спира от разсейването на кинетичната енергия: след като струята влезе в капана, тя се сблъсква със съдържащата се стоманена топка и стоманената топка се завърта, за да изразходва енергията на струята. Дори когато е хоризонтално и (в някои случаи) с главата надолу, уловителят на точки може да работи.
Не всички петосни части са еднакво сложни. С увеличаването на размера на детайла, настройката на програмата и проверката на позицията на детайла и точността на рязане стават по-сложни. Много цехове използват 3D машини за просто 2D рязане и сложно 3D рязане всеки ден.
Операторите трябва да са наясно, че има голяма разлика между точността на детайлите и точността на движението на машината. Дори машина с почти перфектна точност, динамично движение, контрол на скоростта и отлична повторяемост може да не е в състояние да произведе „перфектни“ части. Точността на готовия детайл е комбинация от грешка в процеса, грешка в машината (XY производителност) и стабилност на детайла (закрепване, плоскост и температурна стабилност).
При рязане на материали с дебелина по-малка от 1 инч, точността на водната струя обикновено е между ±0,003 и 0,015 инча (0,07 до 0,4 мм). Точността на материали с дебелина над 1 инч е в рамките на ±0,005 до 0,100 инча (0,12 до 2,5 мм). Високопроизводителната XY маса е проектирана за точност на линейно позициониране от 0,005 инча или по-висока.
Потенциалните грешки, които влияят на точността, включват грешки в компенсацията на инструмента, грешки в програмирането и движение на машината. Компенсацията на инструмента е стойността, въведена в системата за управление, за да се вземе предвид ширината на рязане на струята - т.е. разстоянието на режещия път, което трябва да се разшири, за да може крайната част да получи правилния размер. За да се избегнат потенциални грешки при високопрецизна работа, операторите трябва да извършват пробни разрези и да разбират, че компенсацията на инструмента трябва да се регулира, за да съответства на честотата на износване на смесителната тръба.
Грешки в програмирането най-често възникват, защото някои XY контроли не показват размерите в програмата за детайли, което затруднява откриването на липсата на съвпадение на размерите между програмата за детайли и CAD чертежа. Важни аспекти на движението на машината, които могат да доведат до грешки, са празнината и повторяемостта в механичния модул. Регулирането на сервомотора също е важно, защото неправилното регулиране на сервомотора може да причини грешки в празнините, повторяемостта, вертикалността и вибрациите. Малките части с дължина и ширина по-малки от 12 инча не изискват толкова XY маси, колкото големите части, така че възможността за грешки в движението на машината е по-малка.
Абразивите представляват две трети от оперативните разходи на водоструйните системи. Други разходи включват енергия, вода, въздух, уплътнения, възвратни клапани, отвори, смесителни тръби, филтри за вход на вода и резервни части за хидравлични помпи и цилиндри за високо налягане.
Работата на пълна мощност първоначално изглеждаше по-скъпа, но увеличението на производителността надхвърли разходите. С увеличаването на дебита на абразива скоростта на рязане ще се увеличи, а цената на инч ще намалее, докато достигне оптималната точка. За максимална производителност операторът трябва да работи с режещата глава с най-висока скорост на рязане и максимална мощност за оптимално използване. Ако система със 100 конски сили може да работи само с глава с 50 конски сили, тогава работата на две глави в системата може да постигне тази ефективност.
Оптимизирането на абразивното водноструйно рязане изисква внимание към конкретната ситуация, но може да осигури отлично повишаване на производителността.
Не е разумно да се реже въздушна междина, по-голяма от 0,020 инча, защото струята се отваря в междината и грубо реже по-ниските нива. Подреждането на листовете материал близо един до друг може да предотврати това.
Измервайте производителността по отношение на цената на инч (т.е. броя на произведените от системата части), а не на цената на час. Всъщност, бързото производство е необходимо за амортизиране на косвените разходи.
Водните струи, които често пробиват композитни материали, стъкло и камъни, трябва да бъдат оборудвани с контролер, който може да намалява и увеличава водното налягане. Вакуумната асистенция и други технологии увеличават вероятността за успешно пробиване на крехки или ламинирани материали, без да се повреди целевият материал.
Автоматизацията на обработката на материали има смисъл само когато обработката на материали представлява голяма част от производствените разходи за части. Абразивните машини с водна струя обикновено използват ръчно разтоварване, докато рязането на плочи използва предимно автоматизация.
Повечето системи за водна струя използват обикновена чешмяна вода и 90% от операторите на системи за водна струя не правят никакви други подготовки освен омекотяване на водата, преди да я изпратят към входния филтър. Използването на обратна осмоза и дейонизатори за пречистване на водата може да е изкушаващо, но премахването на йони улеснява абсорбирането на йони от метали в помпи и тръби за високо налягане. Това може да удължи живота на отвора, но цената за подмяна на цилиндъра за високо налягане, възвратния клапан и капака е много по-висока.
Подводното рязане намалява замръзването на повърхността (известно още като „замъгляване“) на горния ръб на абразивното водноструйно рязане, като същевременно значително намалява шума от струята и хаоса на работното място. Това обаче намалява видимостта на струята, затова се препоръчва използването на електронно наблюдение на производителността, за да се открият отклонения от пиковите условия и да се спре системата преди повреда на компонентите.
За системи, които използват различни размери на абразивни сита за различни задачи, моля, използвайте допълнително място за съхранение и дозиране за често срещани размери. Малкият (100 lb) или големият (500 до 2000 lb) насипен транспорт и свързаните с него дозиращи клапани позволяват бързо превключване между размерите на отворите на ситата, намалявайки времето за престой и неудобството, като същевременно увеличават производителността.
Сепараторът може ефективно да реже материали с дебелина по-малка от 0,3 инча. Въпреки че тези уши обикновено могат да осигурят повторно заточване на метчика, те могат да постигнат по-бърза обработка на материала. По-твърдите материали ще имат по-малки етикети.
Машина с абразивна водна струя и контрол на дълбочината на рязане. За правилните части, този нововъзникващ процес може да осигури убедителна алтернатива.
Sunlight-Tech Inc. използва лазерни микрообработващи и микрофрезови центрове Microlution на GF Machining Solutions, за да произвежда части с толеранси по-малки от 1 микрон.
Водноструйното рязане заема важно място в областта на производството на материали. Тази статия разглежда как водните струи работят за вашия магазин и разглежда процеса.
Време на публикуване: 04 септември 2021 г.