Przecinarka wodna - Water jet cutter

Schemat przecinarki wodnej. #1: wlot wody pod wysokim ciśnieniem. #2: klejnot (rubin lub diament). #3: materiał ścierny (granat). #4: rurka do mieszania. #5: strażnik. #6: cięcie strumieniem wody. #7: materiał cięty

Tnącym strumieniem wody , znany również jako strumieniem wody lub strumieniem wody , to narzędzie przemysłowych zdolnych do cięcia różnorodnych materiałów z wykorzystaniem niezwykle wysokim ciśnieniem z wody lub mieszaniny wody i ściernej substancji. Termin strumieniem ściernym odnosi się w szczególności do użycia mieszaniny wody i ścierniwa do cięcia twardych materiałów, takich jak metal, kamień lub szkło, podczas gdy terminy cięcie czystym strumieniem wody i samą wodą odnoszą się do cięcia strumieniem wody bez użycia dodanych materiałów ściernych, często stosowany do bardziej miękkich materiałów, takich jak drewno lub guma.

Cięcie strumieniem wody jest często stosowane podczas produkcji części maszyn. Jest to preferowana metoda, gdy cięte materiały są wrażliwe na wysokie temperatury generowane innymi metodami; przykłady takich materiałów obejmują plastik i aluminium. Cięcie strumieniem wody jest stosowane w różnych gałęziach przemysłu, w tym w górnictwie i lotnictwie , do cięcia, kształtowania i rozwiercania .

Historia

Maszyna do cięcia CNC Waterjet

Strumień wody

Chociaż wykorzystanie wody pod wysokim ciśnieniem do erozji sięga połowy XIX wieku , kiedy to górnictwo hydrauliczne , to dopiero w latach 30. XX wieku wąskie strumienie wody zaczęły pojawiać się jako przemysłowe urządzenie tnące. W 1933 roku firma Paper Patents Company w Wisconsin opracowała maszynę do odmierzania, cięcia i nawijania papieru, która wykorzystywała poruszającą się po przekątnej dyszę strumienia wody do cięcia poziomo poruszającego się arkusza papieru ciągłego. Te wczesne zastosowania były wykonywane pod niskim ciśnieniem i ograniczały się do miękkich materiałów, takich jak papier.

Technologia strumienia wody ewoluowała w okresie powojennym, gdy naukowcy na całym świecie poszukiwali nowych metod wydajnych systemów cięcia. W 1956 Carl Johnson z Durox International w Luksemburgu opracował metodę cięcia plastikowych kształtów za pomocą cienkiego strumienia wody pod wysokim ciśnieniem, ale te materiały, takie jak papier, były materiałami miękkimi. W 1958 roku Billie Schwacha z North American Aviation opracował system wykorzystujący ciecz pod ultrawysokim ciśnieniem do cięcia twardych materiałów. System ten wykorzystywał pompę o mocy 100 000 psi (690 MPa) do dostarczania naddźwiękowego strumienia cieczy, który może ciąć stopy o wysokiej wytrzymałości, takie jak stal nierdzewna PH15-7-MO. Stosowany do cięcia laminatu o strukturze plastra miodu dla Mach 3 North American XB-70 Valkyrie , ta metoda cięcia spowodowała rozwarstwienie z dużą prędkością, co wymagało zmian w procesie produkcyjnym.

Koncepcja ta okazała się nieskuteczna w przypadku projektu XB-70, a dalsze badania kontynuowały ewolucję cięcia strumieniem wody. W 1962 roku Philip Rice z Union Carbide badał metale, kamień i inne materiały za pomocą pulsującego strumienia wody pod ciśnieniem do 340 MPa. Badania przeprowadzone przez SJ Leacha i GL Walkera w połowie lat 60. rozszerzyły się na tradycyjne cięcie strumieniem węgla w celu określenia idealnego kształtu dyszy do cięcia kamienia pod wysokim ciśnieniem, a Norman Franz pod koniec lat 60. skoncentrował się na cięciu strumieniem wody miękkich materiałów poprzez rozpuszczanie długich łańcuchów polimery w wodzie poprawiające spójność strumienia. Na początku lat 70. chęć poprawy trwałości dyszy strumienia wody skłoniła Raya Chadwicka, Michaela Kurko i Josepha Corriveau z Bendix Corporation do pomysłu wykorzystania kryształu korundu do utworzenia otworu strumienia wody, podczas gdy Norman Franz rozwinął to i stworzyło dyszę strumienia wody z otworem tak małym jak 0,002 cala (0,051 mm), która działała pod ciśnieniem do 70 000 psi (480 MPa). John Olsen wraz z Georgem Hurlburtem i Louisem Kapcsandy z Flow Research (później Flow Industries) jeszcze bardziej poprawili potencjał komercyjny strumienia wody, pokazując, że wcześniejsze uzdatnianie wody może wydłużyć żywotność dyszy.

Wysokie ciśnienie

Zbiorniki i pompy wysokociśnieniowe stały się przystępne cenowo i niezawodne wraz z pojawieniem się energii parowej. W połowie XIX wieku lokomotywy parowe były powszechne, a pierwszy wydajny wóz strażacki z napędem parowym działał. Na przełomie wieków poprawiła się niezawodność wysokociśnieniowa, a badania nad lokomotywą doprowadziły do ​​sześciokrotnego wzrostu ciśnienia w kotle, niektóre osiągając 1600 psi (11 MPa). Większość pomp wysokociśnieniowych w tym czasie pracowała jednak na około 500-800 psi (3,4-5,5 MPa).

Systemy wysokociśnieniowe były dalej kształtowane przez przemysł lotniczy, motoryzacyjny i naftowy. Producenci samolotów, tacy jak Boeing, opracowali uszczelki do układów sterowania ze wspomaganiem hydraulicznym w latach 40. XX wieku, podczas gdy projektanci samochodów przeprowadzili podobne badania dotyczące układów zawieszenia hydraulicznego. Wyższe ciśnienia w układach hydraulicznych w przemyśle naftowym doprowadziły również do opracowania zaawansowanych uszczelnień i uszczelnień zapobiegających wyciekom.

Te postępy w technologii uszczelnień oraz wzrost liczby tworzyw sztucznych w latach powojennych doprowadziły do ​​opracowania pierwszej niezawodnej pompy wysokociśnieniowej. Wynalezienie Marlex przez Roberta Banksa i Johna Paula Hogana z Phillips Petroleum Company wymagało wstrzyknięcia katalizatora do polietylenu. Firma McCartney Manufacturing Company w Baxter Springs w stanie Kansas rozpoczęła produkcję tych pomp wysokociśnieniowych w 1960 roku dla przemysłu polietylenowego. Flow Industries w Kent w stanie Waszyngton położył podwaliny pod komercyjną rentowność urządzeń do strumieniowania wody wraz z opracowaniem przez Johna Olsena w 1973 r. wysokociśnieniowego wzmacniacza płynu, który został następnie dopracowany w 1976 r. Następnie Flow Industries połączyło badania nad pompami wysokociśnieniowymi ze swoim strumieniem wody badania dysz i wprowadziły cięcie strumieniem wody do świata produkcyjnego.

Ścierny strumień wody

Ewolucja dyszy strumienia wody ściernej

Chociaż cięcie wodą jest możliwe w przypadku miękkich materiałów, dodanie ścierniwa zmieniło strumień wody w nowoczesne narzędzie do obróbki wszystkich materiałów. Zaczęło się to w 1935 roku, kiedy pomysł dodawania ścierniwa do strumienia wody został opracowany przez Elmo Smitha do ciekłego czyszczenia strumieniowo-ściernego. Projekt Smitha został dodatkowo dopracowany przez Leslie Tirrella z Hydroblast Corporation w 1937 roku, co zaowocowało konstrukcją dyszy, która stworzyła mieszankę wody pod wysokim ciśnieniem i ścierniwa do celów obróbki strumieniowo-ściernej na mokro.

Pierwsze publikacje na temat cięcia nowoczesnymi strumieniami ściernymi (AWJ) zostały opublikowane przez dr Mohameda Hashish'a w postępowaniu BHR z 1982 r., pokazując po raz pierwszy, że strumienie wodne ze stosunkowo niewielką ilością ścierniwa są zdolne do cięcia twardych materiałów, takich jak stal i beton. . Wydanie magazynu Mechanical Engineering z marca 1984 r. pokazało więcej szczegółów i materiałów ciętych AWJ, takich jak tytan, aluminium, szkło i kamień. Dr Mohamed Hashish otrzymał patent na tworzenie AWJ w 1987 roku. Dr Hashish, który również ukuł nowy termin Abrasive Waterjet (AWJ) i jego zespół kontynuowali rozwój i ulepszanie technologii AWJ i jej sprzętu dla wielu zastosowań, które są obecnie w ponad 50 branżach na całym świecie. Najbardziej krytycznym osiągnięciem było stworzenie trwałej rurki mieszającej, która byłaby w stanie wytrzymać moc wysokociśnieniowego AWJ, a opracowanie przez Boride Products (obecnie Kennametal) linii ceramicznych rur kompozytowych z węglika wolframu ROCTEC znacznie wydłużyło żywotność Dysza AWJ. Obecne prace nad dyszami AWJ dotyczą strumienia wody mikrościernej, więc cięcie strumieniem o średnicy mniejszej niż 0,015 cala (0,38 mm) może być skomercjalizowane.

Współpracując z Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Michael Dixon wdrożył pierwszy praktyczny sposób produkcji blach tytanowych — system cięcia strumieniem wody ściernej bardzo podobny do powszechnie stosowanych obecnie. Do stycznia 1989 roku system ten był uruchamiany 24 godziny na dobę, produkując tytanowe części do B-1B, głównie w zakładzie Rockwell's North American Aviation w Newark w stanie Ohio.

Sterowanie strumieniem wody

Ponieważ cięcie strumieniem wody przeniosło się do tradycyjnych warsztatów produkcyjnych, niezawodna i dokładna kontrola noża była niezbędna. Wczesne systemy cięcia strumieniem wody przystosowany tradycyjne systemy, takie jak pantografów mechanicznych i CNC systemami opartymi na 1952 NC frezarka Johna Parsonsa i systemem G-kod . Wyzwania związane z technologią strumienia wody ujawniły niedoskonałości tradycyjnego kodu G, ponieważ dokładność zależy od zmiany prędkości dyszy w miarę zbliżania się do narożników i szczegółów. Tworzenie systemów sterowania ruchem w celu uwzględnienia tych zmiennych stało się główną innowacją dla wiodących producentów strumieni wodnych na początku lat 90. XX wieku, a dr John Olsen z OMAX Corporation opracował systemy do precyzyjnego pozycjonowania dyszy strumienia wody przy jednoczesnym dokładnym określaniu prędkości w każdym punkcie ścieżki, a także wykorzystanie zwykłych komputerów PC jako kontrolera. Największy producent strumienia wody, Flow International (spółka wydzielona z Flow Industries), dostrzegł zalety tego systemu i udzielił licencji na oprogramowanie OMAX, w wyniku czego zdecydowana większość maszyn do cięcia strumieniem wody na całym świecie jest prosta w obsłudze, szybka i dokładna.

Duża maszyna do cięcia strumieniem wody
Duża maszyna do cięcia strumieniem wody

Operacja

Wszystkie strumienie wodne działają zgodnie z tą samą zasadą, w której wykorzystuje się wodę pod wysokim ciśnieniem skupioną w wiązce za pomocą dyszy. Większość maszyn osiąga to poprzez przepuszczenie wody przez pompę wysokociśnieniową . Istnieją dwa rodzaje pomp używanych do wytworzenia tego wysokiego ciśnienia; pompa ze wzmacniaczem i pompa z napędem bezpośrednim lub z wałem korbowym. Pompa z napędem bezpośrednim działa podobnie do silnika samochodowego, wtłaczając wodę przez przewody wysokociśnieniowe za pomocą nurników przymocowanych do wału korbowego . Pompa ze wzmacniaczem wytwarza ciśnienie, używając oleju hydraulicznego do poruszania tłokiem, wtłaczając wodę przez mały otwór. Woda przepływa następnie wzdłuż przewodu wysokociśnieniowego do dyszy strumienia wody. W dyszy woda jest skupiana w cienką wiązkę za pomocą otworu z klejnotów. Ta wiązka wody jest wyrzucana z dyszy, przecinając materiał poprzez natryskiwanie go strumieniem o prędkości rzędu Mach 3, około 2500 ft/s (760 m/s). Proces jest taki sam dla abrazyjnych strumieni wodnych, dopóki woda nie dotrze do dyszy. Tutaj materiały ścierne, takie jak granat i tlenek glinu , są podawane do dyszy przez wlot ścierniwa. Ścierniwo następnie miesza się z wodą w rurce mieszającej i wypycha koniec pod wysokim ciśnieniem.

Korzyści

Ważną zaletą strumienia wody jest możliwość cięcia materiału bez ingerencji w jego naturalną strukturę, ponieważ nie ma strefy wpływu ciepła (HAZ). Zminimalizowanie wpływu ciepła umożliwia cięcie metali bez wypaczania, wpływania na stan hartowania lub zmiany właściwości wewnętrznych. Możliwe są ostre narożniki, skosy, przebijanie otworów i kształty o minimalnych promieniach wewnętrznych.

Wycinarki wodne są również zdolne do wykonywania skomplikowanych cięć w materiale. Dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu i głowicom obróbkowym 3D można wytwarzać złożone kształty.

Rzazu lub szerokość cięcia mogą być regulowane poprzez przesuwanie części w dyszy, a także zmianę typu i rozmiaru materiału ściernego. Typowe cięcia ścierne mają rzaz w zakresie od 0,04 do 0,05 cala (1,0-1,3 mm), ale mogą być tak wąskie, jak 0,02 cala (0,51 mm). Cięcia nie powodujące ścierania mają zwykle grubość 0,007 do 0,013 cala (0,18-0,33 mm), ale mogą być tak małe, jak 0,003 cala (0,076 mm), co w przybliżeniu odpowiada grubości ludzkiego włosa. Te małe strumienie mogą pozwolić na małe detale w szerokim zakresie zastosowań.

Dysze wodne są w stanie osiągnąć dokładność do 0,005 cala (0,13 mm) i powtarzalność do 0,001 cala (0,025 mm).

Ze względu na stosunkowo wąski rzaz, cięcie strumieniem wody może zmniejszyć ilość wytwarzanego materiału odpadowego, umożliwiając bliższe zagnieżdżanie nieciętych części niż w przypadku tradycyjnych metod cięcia. Strumienie wody zużywają około 0,5 do 1 galona amerykańskiego (1,9–3,8 l) na minutę (w zależności od rozmiaru otworu głowicy tnącej), a wodę można poddać recyklingowi przy użyciu systemu zamkniętego obiegu. Ścieki są zwykle wystarczająco czyste, aby można je było przefiltrować i wyrzucić do kanalizacji. Materiał ścierny z granatu jest nietoksycznym materiałem, który można w większości poddać recyklingowi do wielokrotnego użytku; w przeciwnym razie można go zwykle wyrzucić na wysypisko. Strumienie wody wytwarzają również mniej unoszących się w powietrzu cząsteczek kurzu, dymu, oparów i zanieczyszczeń, zmniejszając narażenie operatora na niebezpieczne materiały.

Krojenie mięsa przy użyciu technologii strumienia wody eliminuje ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego, ponieważ środek kontaktowy jest wyrzucany.

Wszechstronność

Strumień wody wycinający metalowe narzędzie

Ponieważ charakter strumienia tnącego można łatwo modyfikować, strumień wody może być stosowany w prawie każdej branży; istnieje wiele różnych materiałów, które można ciąć strumieniem wody. Niektóre z nich mają unikalne cechy, które wymagają szczególnej uwagi podczas cięcia.

Materiały powszechnie cięte strumieniem wody obejmują tekstylia, gumę, piankę, tworzywa sztuczne, skórę, kompozyty, kamień, płytki, szkło, metale, żywność, papier i wiele innych. „Większość materiałów ceramicznych można również ciąć strumieniem wody ściernej, o ile materiał jest bardziej miękki niż stosowane ścierniwo (pomiędzy 7,5 a 8,5 w skali Mohsa)”. Przykładami materiałów, których nie można ciąć strumieniem wody, są szkło hartowane i diamenty. Strumienie wodne są w stanie ciąć do 6 cali (150 mm) metali i 18 cali (460 mm) większości materiałów, chociaż w specjalistycznych zastosowaniach wydobycia węgla, strumienie wody są w stanie ciąć do 100 stóp (30 m) przy użyciu Dysza 1 cal (25 mm).

Do usuwania nadmiaru bitumu z powierzchni dróg, które stały się przedmiotem płukania lepiszcza, powszechnie stosuje się specjalnie zaprojektowane przecinaki wodne. Płukanie jest zjawiskiem naturalnym, spowodowanym podczas upałów, kiedy kruszywo wyrównuje się z warstwą spoiwa bitumicznego, tworząc niebezpiecznie gładką nawierzchnię drogi podczas deszczowej pogody.

Dostępność

Komercyjne systemy cięcia strumieniem wody są dostępne u producentów na całym świecie, w różnych rozmiarach, z pompami wodnymi przystosowanymi do różnych ciśnień. Typowe maszyny do cięcia strumieniem wody mają powierzchnię roboczą tak małą, jak kilka stóp kwadratowych lub do setek stóp kwadratowych. Pompy wodne o ultrawysokim ciśnieniu są dostępne od 40 000 psi (280 MPa) do 100 000 psi (690 MPa).

Proces

Istnieje sześć głównych cech procesu cięcia strumieniem wody:

  1. Wykorzystuje strumień wody o wysokiej prędkości 30 000–90 000 psi (210–620 MPa), który jest wytwarzany przez pompę wysokociśnieniową z ewentualnymi cząstkami ściernymi zawieszonymi w strumieniu.
  2. Służy do obróbki szerokiej gamy materiałów, w tym materiałów wrażliwych na ciepło, delikatnych lub bardzo twardych.
  3. Nie powoduje uszkodzeń termicznych powierzchni lub krawędzi przedmiotu obrabianego.
  4. Dysze są zazwyczaj wykonane ze spiekanego borku lub kompozytowego węglika wolframu .
  5. Na większości cięć tworzy stożek mniejszy niż 1 stopień, który można zmniejszyć lub całkowicie wyeliminować, spowalniając proces cięcia lub przechylając dyszę.
  6. Odległość dyszy od przedmiotu obrabianego wpływa na wielkość szczeliny i szybkość usuwania materiału. Typowa odległość wynosi 0,125 cala (3,2 mm).

Temperatura nie ma tak dużego znaczenia.

Jakość krawędzi

Różne jakości krawędzi części wycinanych strumieniem wody

Jakość krawędzi dla części wycinanych strumieniem wody określają numery jakości od Q1 do Q5. Niższe liczby wskazują na bardziej chropowate wykończenie krawędzi; wyższe liczby są gładsze. W przypadku cienkich materiałów różnica prędkości skrawania dla Q1 może być nawet 3 razy większa niż prędkość dla Q5. W przypadku grubszych materiałów Q1 może być 6 razy szybszy niż Q5. Na przykład aluminium Q5 o grubości 4 cali (100 mm) miałoby 0,72 cala/min (18 mm/min), a Q1 miałoby 4,2 cala/min (110 mm/min), 5,8 razy szybciej.

Cięcie wieloosiowe

5-osiowa głowica do cięcia strumieniem wody
5-osiowa część strumienia wody

W 1987 roku firma Ingersoll-Rand Waterjet Systems zaoferowała 5-osiowy system do cięcia strumieniem czystej wody o nazwie Robotic Waterjet System. System był konstrukcją podwieszaną, podobną pod względem wielkości do HS-1000.

Dzięki najnowszym postępom w technologii sterowania i ruchu, 5-osiowe cięcie strumieniem wody (ścierne i czyste) stało się rzeczywistością. Tam, gdzie normalne osie strumienia wody są nazwane Y (tył/przód), X (lewo/prawo) i Z (góra/dół), system 5-osiowy zazwyczaj dodaje oś A (kąt od prostopadłej) i oś C (obrót wokół osi Z). W zależności od głowicy tnącej, maksymalny kąt cięcia dla osi A może wynosić od 55, 60, aw niektórych przypadkach nawet 90 stopni od pionu. W związku z tym cięcie 5-osiowe otwiera szeroki zakres zastosowań, które można obrabiać na maszynie do cięcia strumieniem wody.

5-osiowa głowica tnąca może być używana do cięcia 4-osiowych części, w których geometria dolnej powierzchni jest przesunięta o pewną wartość, aby uzyskać odpowiedni kąt, a oś Z pozostaje na jednej wysokości. Może to być przydatne w takich zastosowaniach, jak przygotowanie spoiny, gdzie kąt ukosu musi być cięty ze wszystkich stron części, która będzie później spawana, lub do celów kompensacji stożka, gdzie kąt szczeliny jest przenoszony na materiał odpadowy – w ten sposób często eliminując zwężenie znalezione na częściach wycinanych strumieniem wody. Głowica 5-osiowa może ciąć części, w których oś Z również porusza się wraz ze wszystkimi innymi osiami. To pełne 5-osiowe cięcie może być stosowane do wycinania konturów na różnych powierzchniach formowanych części.

Ze względu na kąty, które można ciąć, programy części mogą wymagać dodatkowych cięć, aby uwolnić część z arkusza. Próba zsunięcia złożonej części pod ostrym kątem z płyty może być trudna bez odpowiednich podcięć.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki