Vannstråleskjæring er kanskje en enklere prosesseringsmetode, men den er utstyrt med en kraftig stempel og krever at operatøren er oppmerksom på slitasje og nøyaktighet til flere deler.
Den enkleste vannstråleskjæringen er prosessen med å skjære høytrykksvannstråler inn i materialer. Denne teknologien er vanligvis et supplement til andre prosesseringsteknologier, som fresing, laser, EDM og plasma. I vannstråleprosessen dannes det ingen skadelige stoffer eller damp, og det dannes ingen varmepåvirket sone eller mekanisk stress. Vannstråler kan skjære ultratynne detaljer på stein, glass og metall; raskt bore hull i titan; skjære mat; og til og med drepe patogener i drikkevarer og dipper.
Alle vannstrålemaskiner har en pumpe som kan sette vannet under trykk for levering til skjærehodet, hvor det omdannes til en supersonisk strøm. Det finnes to hovedtyper pumper: direktedrevne pumper og boosterbaserte pumper.
Rollen til direktepumpen ligner på en høytrykksspylers, og tresylindrede pumper driver tre stempler direkte fra den elektriske motoren. Maksimalt kontinuerlig arbeidstrykk er 10 % til 25 % lavere enn lignende boosterpumper, men dette holder dem fortsatt mellom 20 000 og 50 000 psi.
Forsterkerbaserte pumper utgjør majoriteten av ultrahøytrykkspumper (det vil si pumper over 30 000 psi). Disse pumpene inneholder to væskekretser, én for vann og den andre for hydraulikk. Vanninntaksfilteret passerer først gjennom et 1 mikron patronfilter og deretter et 0,45 mikron filter for å suge inn vanlig springvann. Dette vannet kommer inn i boosterpumpen. Før det kommer inn i boosterpumpen, holdes trykket i boosterpumpen på omtrent 90 psi. Her økes trykket til 60 000 psi. Før vannet endelig forlater pumpesettet og når skjærehodet gjennom rørledningen, passerer vannet gjennom støtdemperen. Enheten kan undertrykke trykksvingninger for å forbedre konsistensen og eliminere pulser som etterlater merker på arbeidsstykket.
I den hydrauliske kretsen trekker den elektriske motoren mellom de elektriske motorene olje fra oljetanken og setter den under trykk. Trykkoljen strømmer til manifolden, og ventilen i manifolden injiserer vekselvis hydraulisk olje på begge sider av kjeks- og stempelenheten for å generere slagvirkningen til boosteren. Siden stempeloverflaten er mindre enn kjeksoverflaten, "øker" oljetrykket vanntrykket.
Boosteren er en stempelpumpe, som betyr at kjeks- og stempelenheten leverer høytrykksvann fra den ene siden av boosteren, mens lavtrykksvann fyller den andre siden. Resirkulering lar også hydraulikkoljen avkjøles når den returnerer til tanken. Tilbakeslagsventilen sørger for at lavtrykks- og høytrykksvann bare kan strømme i én retning. Høytrykkssylindrene og endehettene som innkapsler stempel- og kjekskomponentene må oppfylle spesielle krav for å motstå prosessens krefter og konstante trykksykluser. Hele systemet er konstruert for gradvis å svikte, og lekkasje vil strømme til spesielle "dreneringshull", som kan overvåkes av operatøren for å bedre planlegge regelmessig vedlikehold.
Et spesielt høytrykksrør transporterer vannet til skjærehodet. Røret kan også gi bevegelsesfrihet for skjærehodet, avhengig av rørets størrelse. Rustfritt stål er det valgte materialet for disse rørene, og det finnes tre vanlige størrelser. Stålrør med en diameter på 6 mm er fleksible nok til å kobles til sportsutstyr, men anbefales ikke for langdistansetransport av høytrykksvann. Siden dette røret er lett å bøyes, selv til en rull, kan en lengde på 3 til 6 meter oppnå X-, Y- og Z-bevegelse. Større 9 mm rør fører vanligvis vann fra pumpen til bunnen av det bevegelige utstyret. Selv om det kan bøyes, er det vanligvis ikke egnet for rørledningsbevegelsesutstyr. Det største røret, som måler 9 mm, er best for transport av høytrykksvann over lange avstander. En større diameter bidrar til å redusere trykktap. Rør av denne størrelsen er svært kompatible med store pumper, fordi en stor mengde høytrykksvann også har større risiko for potensielt trykktap. Rør av denne størrelsen kan imidlertid ikke bøyes, og beslag må monteres i hjørnene.
Renvannsskjæremaskinen er den tidligste vannstråleskjæremaskinen, og historien kan spores tilbake til tidlig på 1970-tallet. Sammenlignet med kontakt eller innånding av materialer produserer de mindre vann på materialene, så de er egnet for produksjon av produkter som bilinteriør og engangsbleier. Væsken er veldig tynn – 0,004 tommer til 0,010 tommer i diameter – og gir ekstremt detaljerte geometrier med svært lite materialtap. Skjærekraften er ekstremt lav, og fikseringen er vanligvis enkel. Disse maskinene er best egnet for 24-timers drift.
Når man vurderer et skjærehode for en ren vannstrålemaskin, er det viktig å huske at strømningshastigheten er de mikroskopiske fragmentene eller partiklene i rivematerialet, ikke trykket. For å oppnå denne høye hastigheten strømmer trykksatt vann gjennom et lite hull i en edelsten (vanligvis en safir, rubin eller diamant) festet på enden av dysen. Typisk skjæring bruker en åpningsdiameter på 0,004 tommer til 0,010 tommer, mens spesielle applikasjoner (som sprøytebetong) kan bruke størrelser opptil 0,10 tommer. Ved 40 000 psi beveger strømmen fra åpningen seg med en hastighet på omtrent Mach 2, og ved 60 000 psi overstiger strømmen Mach 3.
Ulike smykker har ulik ekspertise innen vannstråleskjæring. Safir er det vanligste materialet for generell bruk. De varer i omtrent 50 til 100 timer, selv om slipende vannstråleapplikasjoner halverer disse tidene. Rubiner er ikke egnet for ren vannstråleskjæring, men vannstrømmen de produserer er svært godt egnet for slipende skjæring. I slipende skjæreprosessen er skjæretiden for rubiner omtrent 50 til 100 timer. Diamanter er mye dyrere enn safirer og rubiner, men skjæretiden er mellom 800 og 2000 timer. Dette gjør diamanten spesielt egnet for 24-timers drift. I noen tilfeller kan diamantåpningen også ultralydrenses og gjenbrukes.
I den slipende vannstrålemaskinen er mekanismen for materialfjerning ikke selve vannstrømmen. Omvendt akselererer vannstrømmen slipepartikler for å korrodere materialet. Disse maskinene er tusenvis av ganger kraftigere enn rene vannstråleskjæremaskiner, og kan kutte harde materialer som metall, stein, komposittmaterialer og keramikk.
Slipestrålen er større enn den rene vannstrålen, med en diameter mellom 0,020 tommer og 0,050 tommer. De kan skjære stabler og materialer opptil 10 tommer tykke uten å skape varmepåvirkede soner eller mekanisk stress. Selv om styrken har økt, er skjærekraften til slipestrålen fortsatt mindre enn ett pund. Nesten alle slipeoperasjoner bruker en stråleenhet, og kan enkelt bytte fra bruk med ett hode til bruk med flere hoder, og til og med slipevannstrålen kan konverteres til en ren vannstråle.
Slipemiddelet er hardt, spesielt utvalgt og dimensjonert sand – vanligvis granat. Ulike gitterstørrelser er egnet for forskjellige jobber. En glatt overflate kan oppnås med slipemidler med 120 mesh, mens slipemidler med 80 mesh har vist seg å være mer egnet for generelle bruksområder. Skjærehastigheten på 50 mesh er raskere, men overflaten er litt ruere.
Selv om vannstråler er enklere å betjene enn mange andre maskiner, krever blanderøret operatørens oppmerksomhet. Akselerasjonspotensialet til dette røret er som et rifleløp, med forskjellige størrelser og ulik levetid for utskifting. Det slitesterke blanderøret er en revolusjonerende innovasjon innen slipende vannstråleskjæring, men røret er fortsatt veldig skjørt – hvis skjærehodet kommer i kontakt med en armatur, en tung gjenstand eller målmaterialet, kan røret ryke. Skadede rør kan ikke repareres, så å holde kostnadene nede krever minimert utskifting. Moderne maskiner har vanligvis en automatisk kollisjonsdeteksjonsfunksjon for å forhindre kollisjoner med blanderøret.
Avstanden mellom blanderøret og målmaterialet er vanligvis 0,010 tommer til 0,200 tommer, men operatøren må huske på at en avstand større enn 0,080 tommer vil forårsake frosting på toppen av skjærekanten av delen. Undervannsskjæring og andre teknikker kan redusere eller eliminere denne frostingen.
I utgangspunktet var blanderøret laget av wolframkarbid og hadde bare en levetid på fire til seks skjæretimer. Dagens rimelige komposittrør kan nå en skjærelevetid på 35 til 60 timer og anbefales for grovkutting eller opplæring av nye operatører. Kompositt sementert karbidrør forlenger levetiden til 80 til 90 skjæretimer. Det høykvalitets kompositt sementerte karbidrøret har en skjærelevetid på 100 til 150 timer, er egnet for presisjon og daglig arbeid, og viser den mest forutsigbare konsentriske slitasjen.
I tillegg til å sørge for bevegelse, må vannstrålemaskiner også inkludere en metode for å feste arbeidsstykket og et system for å samle opp og samle opp vann og rusk fra maskineringsoperasjoner.
Stasjonære og endimensjonale maskiner er de enkleste vannstrålene. Stasjonære vannstråler brukes ofte i luftfart for å trimme komposittmaterialer. Operatøren mater materialet inn i bekken som en båndsag, mens oppsamleren samler opp bekken og rusk. De fleste stasjonære vannstråler er rene vannstråler, men ikke alle. Skjæremaskinen er en variant av den stasjonære maskinen, der produkter som papir mates gjennom maskinen, og vannstrålen skjærer produktet i en bestemt bredde. En tverrskjæremaskin er en maskin som beveger seg langs en akse. De jobber ofte med skjæremaskiner for å lage rutenettlignende mønstre på produkter som salgsautomater som brownies. Skjæremaskinen skjærer produktet i en bestemt bredde, mens tverrskjæremaskinen kryssskjærer produktet som mates under det.
Operatører bør ikke bruke denne typen slipende vannstråle manuelt. Det er vanskelig å bevege det kuttede objektet med en bestemt og jevn hastighet, og det er ekstremt farlig. Mange produsenter vil ikke engang gi maskiner et tilbud for disse innstillingene.
XY-bordet, også kalt en flatbed-skjæremaskin, er den vanligste todimensjonale vannstråleskjæremaskinen. Rene vannstråler kutter pakninger, plast, gummi og skum, mens slipemodeller kutter metaller, kompositter, glass, stein og keramikk. Arbeidsbenken kan være så liten som 2 × 4 fot eller så stor som 30 × 100 fot. Vanligvis håndteres kontrollen av disse maskinverktøyene av CNC eller PC. Servomotorer, vanligvis med lukket sløyfe-tilbakemelding, sikrer integriteten til posisjon og hastighet. Basisenheten inkluderer lineære føringer, lagerhus og kuleskruedrift, mens broenheten også inkluderer disse teknologiene, og oppsamlingstanken inkluderer materialstøtte.
XY-arbeidsbenker finnes vanligvis i to typer: den midtre gantry-arbeidsbenken inkluderer to baseføringsskinner og en bro, mens den utkragede arbeidsbenken bruker en base og en stiv bro. Begge maskintypene inkluderer en eller annen form for høydejustering av hodet. Denne Z-aksejusteringen kan ha form av en manuell sveiv, en elektrisk skrue eller en fullt programmerbar servoskrue.
Sumpen på XY-arbeidsbenken er vanligvis en vanntank fylt med vann, som er utstyrt med rister eller lameller for å støtte arbeidsstykket. Skjæreprosessen forbruker disse støttene sakte. Fassen kan rengjøres automatisk, avfallet lagres i beholderen, eller det kan gjøres manuelt, og operatøren måker regelmessig boksen.
Etter hvert som andelen gjenstander med nesten ingen flate overflater øker, er femaksede (eller flere) funksjoner avgjørende for moderne vannstråleskjæring. Heldigvis gir det lette kutterhodet og den lave rekylkraften under skjæreprosessen designingeniører en frihet som fresing med høy belastning ikke har. Femakset vannstråleskjæring brukte opprinnelig et malsystem, men brukerne gikk snart over til programmerbar femakse for å bli kvitt kostnadene ved malen.
Selv med dedikert programvare er imidlertid 3D-skjæring mer komplisert enn 2D-skjæring. Den sammensatte haledelen av Boeing 777 er et ekstremt eksempel. Først laster operatøren opp programmet og programmerer den fleksible «pogostick»-staven. Traverskranen transporterer materialet til delene, og fjærstangen skrus av til en passende høyde, og delene festes. Den spesielle ikke-skjærende Z-aksen bruker en kontaktprobe for å nøyaktig posisjonere delen i rommet, og prøvepunkter for å oppnå riktig delhøyde og retning. Deretter omdirigeres programmet til delens faktiske posisjon; proben trekkes tilbake for å gi plass til Z-aksen til skjærehodet; programmet kjører for å kontrollere alle fem aksene for å holde skjærehodet vinkelrett på overflaten som skal skjæres, og for å operere etter behov. Beveg deg med presis hastighet.
Slipemidler er nødvendige for å skjære komposittmaterialer eller metaller større enn 0,05 tommer, noe som betyr at ejektoren må forhindres i å skjære fjærstangen og verktøybunnen etter skjæring. Spesiell punktfangst er den beste måten å oppnå femakset vannstråleskjæring på. Tester har vist at denne teknologien kan stoppe et 50-hestekrefters jetfly under 6 tommer. Den C-formede rammen kobler fangeren til Z-aksens håndledd for å fange kulen riktig når hodet trimmer hele omkretsen av delen. Punktfangeren stopper også slitasje og forbruker stålkuler med en hastighet på omtrent 0,5 til 1 pund per time. I dette systemet stoppes strålen ved spredning av kinetisk energi: etter at strålen kommer inn i fellen, møter den den inneholdte stålkulen, og stålkulen roterer for å forbruke energien fra strålen. Selv når den er horisontalt og (i noen tilfeller) opp ned, kan punktfangeren fungere.
Ikke alle femaksede deler er like komplekse. Etter hvert som størrelsen på delen øker, blir programjustering og verifisering av delposisjon og skjærenøyaktighet mer komplisert. Mange verksteder bruker 3D-maskiner for enkel 2D-skjæring og kompleks 3D-skjæring hver dag.
Operatører bør være klar over at det er stor forskjell mellom delers nøyaktighet og maskinbevegelsesnøyaktighet. Selv en maskin med nesten perfekt nøyaktighet, dynamisk bevegelse, hastighetskontroll og utmerket repeterbarhet er kanskje ikke i stand til å produsere «perfekte» deler. Nøyaktigheten til den ferdige delen er en kombinasjon av prosessfeil, maskinfeil (XY-ytelse) og arbeidsstykkestabilitet (feste, flathet og temperaturstabilitet).
Ved kutting av materialer med en tykkelse på mindre enn 2,5 cm, er vannstrålens nøyaktighet vanligvis mellom ±0,003 og 0,015 tommer (0,07 til 0,4 mm). Nøyaktigheten for materialer som er tykkere enn 2,5 cm, er innenfor ±0,005 til 0,100 tommer (0,12 til 2,5 mm). XY-bordet med høy ytelse er designet for en lineær posisjoneringsnøyaktighet på 0,005 tommer eller høyere.
Potensielle feil som påvirker nøyaktigheten inkluderer verktøykompensasjonsfeil, programmeringsfeil og maskinbevegelse. Verktøykompensasjon er verdien som legges inn i kontrollsystemet for å ta hensyn til skjærebredden på dysen – det vil si hvor mye skjærebane som må utvides for at den endelige delen skal få riktig størrelse. For å unngå potensielle feil i høypresisjonsarbeid, bør operatører utføre prøvekutt og forstå at verktøykompensasjonen må justeres for å matche hyppigheten av slitasje på blanderøret.
Programmeringsfeil oppstår oftest fordi noen XY-kontroller ikke viser dimensjonene i delprogrammet, noe som gjør det vanskelig å oppdage mangel på dimensjonssamsvar mellom delprogrammet og CAD-tegningen. Viktige aspekter ved maskinbevegelse som kan introdusere feil er gapet og repeterbarheten i den mekaniske enheten. Servojustering er også viktig, fordi feil servojustering kan forårsake feil i gap, repeterbarhet, vertikalitet og vibrasjoner. Små deler med en lengde og bredde på mindre enn 12 tommer krever ikke like mange XY-bord som store deler, så muligheten for maskinbevegelsesfeil er mindre.
Slipemidler står for to tredjedeler av driftskostnadene til vannstrålesystemer. Andre kostnader inkluderer strøm, vann, luft, tetninger, tilbakeslagsventiler, dyser, blanderør, vanninntaksfiltre og reservedeler til hydrauliske pumper og høytrykkssylindere.
Full effektdrift virket dyrere i starten, men økningen i produktivitet oversteg kostnaden. Etter hvert som slipemiddelstrømmen øker, vil skjærehastigheten øke og kostnaden per tomme synke til den når det optimale punktet. For maksimal produktivitet bør operatøren kjøre skjærehodet med den raskeste skjærehastigheten og maksimal hestekrefter for optimal bruk. Hvis et system med 100 hestekrefter bare kan kjøre et hode med 50 hestekrefter, kan det å kjøre to hoder på systemet oppnå denne effektiviteten.
Optimalisering av vannstråleskjæring krever oppmerksomhet til den spesifikke situasjonen, men kan gi utmerket produktivitetsøkning.
Det er uklokt å skjære et luftgap som er større enn 0,020 tommer, fordi strålen åpner seg i gapet og skjærer grovt i lavere nivåer. Å stable materialarkene tett sammen kan forhindre dette.
Mål produktivitet i form av kostnad per tomme (det vil si antall deler produsert av systemet), ikke kostnad per time. Faktisk er rask produksjon nødvendig for å amortisere indirekte kostnader.
Vannstråler som ofte gjennomborer komposittmaterialer, glass og steiner bør utstyres med en kontroller som kan redusere og øke vanntrykket. Vakuumassistanse og andre teknologier øker sannsynligheten for å lykkes med å gjennombore skjøre eller laminerte materialer uten å skade målmaterialet.
Automatisering av materialhåndtering gir bare mening når materialhåndtering står for en stor del av produksjonskostnadene for deler. Slipende vannstrålemaskiner bruker vanligvis manuell lossing, mens plateskjæring hovedsakelig bruker automatisering.
De fleste vannstrålesystemer bruker vanlig vann fra springen, og 90 % av vannstråleoperatører gjør ingen andre forberedelser enn å mykgjøre vannet før de sender vannet til innløpsfilteret. Å bruke omvendt osmose og avionisatorer for å rense vann kan være fristende, men å fjerne ioner gjør det lettere for vannet å absorbere ioner fra metaller i pumper og høytrykksrør. Det kan forlenge levetiden til dysen, men kostnaden for å bytte ut høytrykkssylinderen, tilbakeslagsventilen og endedekselet er mye høyere.
Undervannsskjæring reduserer overflatefrosting (også kjent som «duggdannelse») på overkanten av slipende vannstråleskjæring, samtidig som det reduserer strålestøy og kaos på arbeidsplassen betraktelig. Dette reduserer imidlertid synligheten av strålen, så det anbefales å bruke elektronisk ytelsesovervåking for å oppdage avvik fra toppforhold og stoppe systemet før det oppstår komponentskader.
For systemer som bruker forskjellige størrelser på slipesikter til forskjellige jobber, bruk ekstra lagring og dosering for vanlige størrelser. Små (100 lb) eller store (500 til 2000 lb) bulktransportører og tilhørende doseringsventiler muliggjør rask bytte mellom siktestørrelser, noe som reduserer nedetid og problemer, samtidig som produktiviteten økes.
Separatoren kan effektivt kutte materialer med en tykkelse på mindre enn 0,3 tommer. Selv om disse tappene vanligvis kan sikre en ny sliping av gjengetappen, kan de oppnå raskere materialhåndtering. Hardere materialer vil ha mindre etiketter.
Maskinér med slipende vannstråle og kontroller skjæredybden. For de riktige delene kan denne gryende prosessen gi et attraktivt alternativ.
Sunlight-Tech Inc. har brukt GF Machining Solutions' Microlution lasermikromaskinerings- og mikrofresesentre til å produsere deler med toleranser på mindre enn 1 mikron.
Vannstråleskjæring har en viktig plass innen materialproduksjon. Denne artikkelen ser på hvordan vannstråler fungerer for butikken din og ser på prosessen.
Publisert: 04.09.2021