Vattenskärning kan vara en enklare bearbetningsmetod, men den är utrustad med en kraftfull stans och kräver att operatören är medveten om slitaget och noggrannheten hos flera delar.
Den enklaste vattenstråleskärningen är processen att skära högtrycksvattenstrålar till material. Denna teknik är vanligtvis komplementär till andra bearbetningstekniker, såsom fräsning, laser, EDM och plasma. I vattenstråleprocessen bildas inga skadliga ämnen eller ånga, och ingen värmepåverkad zon eller mekanisk belastning bildas. Vattenstrålar kan skära ultratunna detaljer på sten, glas och metall; snabbt borra hål i titan; skär mat; och till och med döda patogener i drycker och dopp.
Alla vattenjetmaskiner har en pump som kan trycksätta vattnet för leverans till skärhuvudet, där det omvandlas till ett överljudsflöde. Det finns två huvudtyper av pumpar: direktdrivna pumpar och boosterbaserade pumpar.
Den direktdrivna pumpens roll liknar den för en högtryckstvätt, och den trecylindriga pumpen driver tre kolvar direkt från elmotorn. Det maximala kontinuerliga arbetstrycket är 10 % till 25 % lägre än liknande boosterpumpar, men detta håller dem fortfarande mellan 20 000 och 50 000 psi.
Förstärkarbaserade pumpar utgör majoriteten av ultrahögtryckspumpar (det vill säga pumpar över 30 000 psi). Dessa pumpar innehåller två vätskekretsar, en för vatten och den andra för hydraulik. Vatteninloppsfiltret passerar först genom ett 1 mikron patronfilter och sedan ett 0,45 mikron filter för att suga in vanligt kranvatten. Detta vatten kommer in i boosterpumpen. Innan den går in i boosterpumpen hålls trycket på boosterpumpen vid cirka 90 psi. Här höjs trycket till 60 000 psi. Innan vattnet slutligen lämnar pumpaggregatet och når skärhuvudet genom rörledningen, passerar vattnet genom stötdämparen. Enheten kan undertrycka tryckfluktuationer för att förbättra konsistensen och eliminera pulser som lämnar märken på arbetsstycket.
I hydraulkretsen drar elmotorn mellan elmotorerna olja från oljetanken och trycksätter den. Den trycksatta oljan strömmar till grenröret, och ventilen på grenröret injicerar växelvis hydraulolja på båda sidor av kex- och kolvaggregatet för att generera boosterns slagverkan. Eftersom kolvens yta är mindre än kexets, "höjer" oljetrycket vattentrycket.
Boostern är en kolvpump, vilket innebär att kex- och kolvaggregatet levererar högtrycksvatten från ena sidan av boostern, medan lågtrycksvatten fyller den andra sidan. Återcirkulation gör också att hydrauloljan svalnar när den återvänder till tanken. Backventilen ser till att lågtrycks- och högtrycksvatten endast kan strömma åt ena hållet. Högtryckscylindrarna och ändlocken som kapslar in kolven och kexkomponenterna måste uppfylla särskilda krav för att motstå processens krafter och konstanta tryckcykler. Hela systemet är designat för att gradvis misslyckas, och läckage kommer att flöda till speciella "dräneringshål", som kan övervakas av operatören för att bättre kunna schemalägga regelbundet underhåll.
Ett speciellt högtrycksrör transporterar vattnet till skärhuvudet. Röret kan även ge rörelsefrihet för skärhuvudet, beroende på rörets storlek. Rostfritt stål är det valda materialet för dessa rör, och det finns tre vanliga storlekar. Stålrör med en diameter på 1/4 tum är flexibla nog att ansluta till sportutrustning, men rekommenderas inte för långväga transport av högtrycksvatten. Eftersom detta rör är lätt att böja, även till en rulle, kan en längd på 10 till 20 fot uppnå X-, Y- och Z-rörelse. Större 3/8-tums rör 3/8-tum transporterar vanligtvis vatten från pumpen till botten av den rörliga utrustningen. Även om den kan böjas är den i allmänhet inte lämplig för rörledningsutrustning. Det största röret, som mäter 9/16 tum, är bäst för att transportera högtrycksvatten över långa avstånd. En större diameter hjälper till att minska tryckförlusten. Rör av denna storlek är mycket kompatibla med stora pumpar, eftersom en stor mängd högtrycksvatten också har en större risk för potentiell tryckförlust. Rör av denna storlek kan dock inte böjas, och beslag måste installeras i hörnen.
Den rena vattenstråleskärmaskinen är den tidigaste vattenstråleskärmaskinen och dess historia kan spåras tillbaka till början av 1970-talet. Jämfört med kontakt eller inandning av material producerar de mindre vatten på materialen, så de är lämpliga för produktion av produkter som bilinteriörer och engångsblöjor. Vätskan är mycket tunn - 0,004 tum till 0,010 tum i diameter - och ger extremt detaljerade geometrier med mycket liten materialförlust. Skärkraften är extremt låg och fixeringen är vanligtvis enkel. Dessa maskiner är bäst lämpade för 24-timmarsdrift.
När man överväger ett skärhuvud för en ren vattenjetmaskin är det viktigt att komma ihåg att flödeshastigheten är de mikroskopiska fragmenten eller partiklarna av det rivande materialet, inte trycket. För att uppnå denna höga hastighet strömmar trycksatt vatten genom ett litet hål i en pärla (vanligtvis en safir, rubin eller diamant) fixerad vid munstyckets ände. Vanlig skärning använder en öppningsdiameter på 0,004 tum till 0,010 tum, medan speciella applikationer (som sprutbetong) kan använda storlekar upp till 0,10 tum. Vid 40 000 psi färdas flödet från öppningen med en hastighet av ungefär Mach 2 och vid 60 000 psi överstiger flödet Mach 3.
Olika smycken har olika expertis inom vattenskärning. Safir är det vanligaste materialet för allmänna ändamål. De varar cirka 50 till 100 timmars skärtid, även om den slipande vattenstråleapplikationen halverar dessa tider. Rubiner är inte lämpliga för ren vattenskärning, men vattenflödet de producerar är mycket lämpligt för slipande skärning. I den slipande skärprocessen är skärtiden för rubiner cirka 50 till 100 timmar. Diamanter är mycket dyrare än safirer och rubiner, men skärtiden är mellan 800 och 2 000 timmar. Detta gör diamanten särskilt lämplig för 24-timmarsdrift. I vissa fall kan diamantöppningen även rengöras med ultraljud och återanvändas.
I den slipande vattenjetmaskinen är mekanismen för borttagning av material inte själva vattenflödet. Omvänt accelererar flödet abrasiva partiklar för att korrodera materialet. Dessa maskiner är tusentals gånger kraftfullare än rena vattenskärmaskiner och kan skära hårda material som metall, sten, kompositmaterial och keramik.
Slipmedelsströmmen är större än den rena vattenstrålen, med en diameter mellan 0,020 tum och 0,050 tum. De kan skära travar och material upp till 10 tum tjocka utan att skapa värmepåverkade zoner eller mekanisk påfrestning. Även om deras styrka har ökat, är skärkraften hos den slipande strömmen fortfarande mindre än ett pund. Nästan alla abrasiva jetoperationer använder en jetanordning och kan enkelt växla från en-huvud-användning till multi-head-användning, och även den abrasiva vattenstrålen kan omvandlas till en ren vattenstråle.
Slipmedlet är hårt, speciellt utvalt och storleksanpassat sand, vanligtvis granat. Olika gallerstorlekar är lämpliga för olika jobb. En slät yta kan erhållas med 120 mesh slipmedel, medan 80 mesh slipmedel har visat sig vara mer lämpade för allmänna applikationer. 50 mesh sliphastighet är snabbare, men ytan är något strävare.
Även om vattenstrålar är lättare att använda än många andra maskiner, kräver blandningsröret operatörens uppmärksamhet. Accelerationspotentialen för detta rör är som en gevärspipa, med olika storlekar och olika livslängd. Det långvariga blandningsröret är en revolutionerande innovation inom abrasiv vattenstråleskärning, men röret är fortfarande mycket ömtåligt - om skärhuvudet kommer i kontakt med en fixtur, ett tungt föremål eller målmaterialet kan röret bromsa. Skadade rör kan inte repareras, så för att hålla kostnaderna nere krävs att byten minimeras. Moderna maskiner har vanligtvis en automatisk kollisionsdetekteringsfunktion för att förhindra kollisioner med blandningsröret.
Separationsavståndet mellan blandningsröret och målmaterialet är vanligtvis 0,010 tum till 0,200 tum, men operatören måste komma ihåg att en separation som är större än 0,080 tum kommer att orsaka frosting på toppen av delens avskurna kant. Undervattensskärning och andra tekniker kan minska eller eliminera denna frosting.
Ursprungligen var blandningsröret tillverkat av volframkarbid och hade endast en livslängd på fyra till sex skärtimmar. Dagens lågkostnadskompositrör kan nå en skärlivslängd på 35 till 60 timmar och rekommenderas för grovkapning eller utbildning av nya operatörer. Det sammansatta hårdmetallröret förlänger sin livslängd till 80 till 90 skärtimmar. Det högkvalitativa komposithårdmetallröret har en skärlivslängd på 100 till 150 timmar, är lämpligt för precision och dagligt arbete och uppvisar det mest förutsägbara koncentriska slitaget.
Förutom att tillhandahålla rörelse måste verktygsmaskiner med vattenstrålar även innefatta en metod för att säkra arbetsstycket och ett system för att samla upp och samla upp vatten och skräp från bearbetningsoperationer.
Stationära och endimensionella maskiner är de enklaste vattenstrålarna. Stationära vattenstrålar används vanligtvis inom flyg- och rymdindustrin för att trimma kompositmaterial. Operatören matar in materialet i bäcken som en bandsåg, medan fångaren samlar upp bäcken och skräpet. De flesta stationära vattenstrålar är rena vattenstrålar, men inte alla. Skärmaskinen är en variant av den stationära maskinen, där produkter som papper matas genom maskinen och vattenstrålen skär produkten till en viss bredd. En kapmaskin är en maskin som rör sig längs en axel. De arbetar ofta med skärmaskiner för att göra rutmönsterliknande mönster på produkter som varuautomater som brownies. Skärmaskinen skär produkten till en specifik bredd, medan skärmaskinen skär produkten som matas under den.
Operatörer bör inte manuellt använda denna typ av slipande vattenstråle. Det är svårt att flytta det skurna föremålet med en specifik och jämn hastighet, och det är extremt farligt. Många tillverkare kommer inte ens att citera maskiner för dessa inställningar.
XY-bordet, även kallat flatbäddsskärmaskin, är den vanligaste tvådimensionella vattenskärmaskinen. Rena vattenstrålar skär packningar, plast, gummi och skum, medan slipande modeller skär metaller, kompositer, glas, sten och keramik. Arbetsbänken kan vara så liten som 2 × 4 fot eller så stor som 30 × 100 fot. Vanligtvis hanteras kontrollen av dessa verktygsmaskiner av CNC eller PC. Servomotorer, vanligtvis med återkoppling med sluten slinga, säkerställer integriteten för position och hastighet. Grundenheten inkluderar linjära styrningar, lagerhus och kulskruvsdrifter, medan bryggenheten även inkluderar dessa teknologier och uppsamlingstanken inkluderar materialstöd.
XY-arbetsbänkar finns vanligtvis i två stilar: portalarbetsbänken med mittsken innehåller två basstyrskenor och en bro, medan den fribärande arbetsbänken använder en bas och en stel bro. Båda maskintyperna inkluderar någon form av höjdjustering av huvudet. Denna Z-axeljustering kan ta formen av en manuell vev, en elektrisk skruv eller en fullt programmerbar servoskruv.
Sumpen på XY-arbetsbänken är vanligtvis en vattentank fylld med vatten, som är utrustad med galler eller lameller för att stödja arbetsstycket. Skärprocessen förbrukar dessa stöd långsamt. Fällan kan rengöras automatiskt, avfallet förvaras i behållaren, eller det kan vara manuellt, och operatören skyfflar regelbundet burken.
Eftersom andelen föremål med nästan inga plana ytor ökar, är femaxliga (eller fler) kapaciteter avgörande för modern vattenskärning. Lyckligtvis ger det lätta skärhuvudet och den låga rekylkraften under skärprocessen designingenjörer en frihet som fräsning med hög belastning inte har. Femaxlig vattenskärning använde initialt ett mallsystem, men användare vände sig snart till programmerbar femaxlig för att bli av med kostnaden för mallen.
Men även med dedikerad programvara är 3D-skärning mer komplicerad än 2D-skärning. Den sammansatta bakdelen av Boeing 777 är ett extremt exempel. Först laddar operatören upp programmet och programmerar den flexibla "pogostick"-personalen. Trafikkranen transporterar delarnas material och fjäderstången skruvas av till lämplig höjd och delarna fixeras. Den speciella icke-skärande Z-axeln använder en kontaktsond för att exakt positionera delen i rymden, och provpunkter för att erhålla korrekt delhöjd och riktning. Därefter omdirigeras programmet till den faktiska positionen för delen; sonden dras in för att göra plats för skärhuvudets Z-axel; programmet körs för att styra alla fem axlarna för att hålla skärhuvudet vinkelrätt mot ytan som ska skäras, och för att arbeta efter behov Kör med exakt hastighet.
Slipmedel krävs för att skära kompositmaterial eller annan metall som är större än 0,05 tum, vilket innebär att ejektorn måste förhindras från att skära av fjäderstången och verktygsbädden efter kapning. Speciell punktinfångning är det bästa sättet att uppnå femaxlig vattenskärning. Tester har visat att denna teknik kan stoppa ett 50-hästkrafts jetflygplan under 6 tum. Den C-formade ramen ansluter fångaren till Z-axelns handled för att korrekt fånga bollen när huvudet trimmar hela omkretsen av delen. Punktfångaren stoppar också nötning och förbrukar stålkulor med en hastighet av cirka 0,5 till 1 pund per timme. I detta system stoppas strålen av spridningen av kinetisk energi: efter att strålen kommer in i fällan möter den den inneslutna stålkulan och stålkulan roterar för att förbruka strålens energi. Även när den är horisontell och (i vissa fall) upp och ner, kan fläckfångaren fungera.
Alla femaxliga delar är inte lika komplexa. När delens storlek ökar blir programjustering och verifiering av detaljposition och skärnoggrannhet mer komplicerad. Många butiker använder 3D-maskiner för enkel 2D-skärning och komplex 3D-skärning varje dag.
Operatörer bör vara medvetna om att det är stor skillnad mellan detaljnoggrannhet och maskinrörelsenoggrannhet. Även en maskin med nästan perfekt noggrannhet, dynamisk rörelse, hastighetskontroll och utmärkt repeterbarhet kanske inte kan producera "perfekta" delar. Noggrannheten hos den färdiga delen är en kombination av processfel, maskinfel (XY-prestanda) och arbetsstyckets stabilitet (fixtur, planhet och temperaturstabilitet).
När man skär material med en tjocklek på mindre än 1 tum är noggrannheten för vattenstrålen vanligtvis mellan ±0,003 till 0,015 tum (0,07 till 0,4 mm). Noggrannheten för material som är mer än 1 tum tjocka ligger inom ±0,005 till 0,100 tum (0,12 till 2,5 mm). Det högpresterande XY-bordet är designat för en linjär positioneringsnoggrannhet på 0,005 tum eller högre.
Potentiella fel som påverkar noggrannheten inkluderar verktygskompensationsfel, programmeringsfel och maskinrörelser. Verktygskompensation är det värde som matas in i styrsystemet för att ta hänsyn till strålens skärbredd, det vill säga mängden skärbana som måste utökas för att den sista delen ska få rätt storlek. För att undvika potentiella fel i högprecisionsarbete bör operatörer utföra provskärningar och förstå att verktygskompensationen måste justeras för att matcha frekvensen av blandningsrörslitage.
Programmeringsfel uppstår oftast eftersom vissa XY-kontroller inte visar måtten på detaljprogrammet, vilket gör det svårt att upptäcka bristen på dimensionsmatchning mellan detaljprogrammet och CAD-ritningen. Viktiga aspekter av maskinrörelse som kan introducera fel är gapet och repeterbarheten i den mekaniska enheten. Servojustering är också viktig, eftersom felaktig servojustering kan orsaka fel i luckor, repeterbarhet, vertikalitet och prat. Små delar med en längd och bredd på mindre än 12 tum kräver inte lika många XY-bord som stora delar, så risken för maskinrörelsefel är mindre.
Slipmedel står för två tredjedelar av driftskostnaderna för vattenjetsystem. Andra inkluderar kraft, vatten, luft, tätningar, backventiler, öppningar, blandningsrör, vatteninloppsfilter och reservdelar till hydraulpumpar och högtryckscylindrar.
Drift med full kraft verkade till en början dyrare, men produktivitetsökningen översteg kostnaden. När slipmedlets flöde ökar, kommer skärhastigheten att öka och kostnaden per tum minskar tills den når den optimala punkten. För maximal produktivitet bör operatören köra skärhuvudet med den snabbaste skärhastigheten och maximala hästkrafter för optimal användning. Om ett 100-hästkraftssystem bara kan köra ett 50-hästkraftshuvud, då kan två huvuden på systemet uppnå denna effektivitet.
Optimering av abrasiv vattenskärning kräver uppmärksamhet på den specifika situationen, men kan ge utmärkta produktivitetsökningar.
Det är oklokt att skära ett luftgap större än 0,020 tum eftersom strålen öppnar sig i gapet och grovt skär lägre nivåer. Att stapla materialarken tätt ihop kan förhindra detta.
Mät produktiviteten i termer av kostnad per tum (det vill säga antalet delar som tillverkas av systemet), inte kostnad per timme. Faktum är att snabb produktion är nödvändig för att amortera indirekta kostnader.
Vattenstrålar som ofta genomborrar kompositmaterial, glas och stenar bör vara utrustade med en styrenhet som kan minska och öka vattentrycket. Vakuumhjälp och andra tekniker ökar sannolikheten för att framgångsrikt genomborra ömtåliga eller laminerade material utan att skada målmaterialet.
Materialhanteringsautomation är meningsfullt endast när materialhantering står för en stor del av tillverkningskostnaden för delar. Slipande vattenjetmaskiner använder vanligtvis manuell avlastning, medan plåtskärning huvudsakligen använder automatisering.
De flesta vattenjetsystem använder vanligt kranvatten och 90 % av vattenjetoperatörerna gör inga andra förberedelser än att mjuka upp vattnet innan vattnet skickas till inloppsfiltret. Att använda omvänd osmos och avjonisatorer för att rena vatten kan vara frestande, men att ta bort joner gör det lättare för vattnet att absorbera joner från metaller i pumpar och högtrycksrör. Det kan förlänga öppningens livslängd, men kostnaden för att byta ut högtryckscylindern, backventilen och ändlocket är mycket högre.
Undervattensskärning minskar ytfrostning (även känd som "dimbildning") på den övre kanten av abrasiv vattenskärning, samtidigt som den avsevärt minskar jetljud och kaos på arbetsplatsen. Detta minskar dock strålens synlighet, så det rekommenderas att använda elektronisk prestandaövervakning för att upptäcka avvikelser från toppförhållanden och stoppa systemet innan komponentskador.
För system som använder olika slipskärmstorlekar för olika jobb, använd ytterligare lagring och mätning för vanliga storlekar. Små (100 lb) eller stora (500 till 2 000 lb) bulktransport och tillhörande doseringsventiler möjliggör snabb växling mellan maskstorlekar, vilket minskar stilleståndstid och krångel, samtidigt som produktiviteten ökar.
Separatorn kan effektivt skära material med en tjocklek på mindre än 0,3 tum. Även om dessa klackar vanligtvis kan säkerställa en andra slipning av kranen, kan de uppnå snabbare materialhantering. Hårdare material kommer att ha mindre etiketter.
Maskin med slipande vattenstråle och kontrollera skärdjupet. För de rätta delarna kan denna begynnande process ge ett övertygande alternativ.
Sunlight-Tech Inc. har använt GF Machining Solutions Microlution lasermikrobearbetnings- och mikrofräsningscenter för att producera delar med toleranser mindre än 1 mikron.
Vattenskärning intar en plats inom materialtillverkning. Den här artikeln tittar på hur vattenstrålar fungerar för din butik och ser på processen.
Posttid: 2021-04-04