Vattenskärning må vara en enklare bearbetningsmetod, men den är utrustad med en kraftfull stans och kräver att operatören är medveten om slitage och noggrannhet hos flera delar.
Den enklaste vattenskärningen är processen att skära högtrycksvattenstrålar i material. Denna teknik kompletterar vanligtvis andra bearbetningstekniker, såsom fräsning, laser, EDM och plasma. I vattenskärningsprocessen bildas inga skadliga ämnen eller ånga, och ingen värmepåverkad zon eller mekanisk stress bildas. Vattenstrålar kan skära ultratunna detaljer på sten, glas och metall; snabbt borra hål i titan; skära livsmedel; och till och med döda patogener i drycker och dippsåser.
Alla vattenjetmaskiner har en pump som kan trycksätta vattnet för leverans till skärhuvudet, där det omvandlas till ett supersoniskt flöde. Det finns två huvudtyper av pumpar: direktdrivna pumpar och boosterbaserade pumpar.
Direktdrivna pumpar har liknande funktioner som en högtryckstvätt, och trecylindriga pumpar driver tre kolvar direkt från elmotorn. Det maximala kontinuerliga arbetstrycket är 10 % till 25 % lägre än liknande boosterpumpar, men det håller dem fortfarande mellan 20 000 och 50 000 psi.
Intensifieringsbaserade 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 det kommer in i boosterpumpen hålls boosterpumpens tryck vid cirka 90 psi. Här ökas trycket till 60 000 psi. Innan vattnet slutligen lämnar pumpaggregatet och når skärhuvudet genom rörledningen passerar vattnet genom stötdämparen. Enheten kan dämpa 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 flödar till grenröret, och grenrörets ventil injicerar växelvis hydraulolja på båda sidor om kex- och kolvaggregatet för att generera boostens slagverkan. Eftersom kolvens yta är mindre än kexets, "förhöjer" oljetrycket vattentrycket.
Boostern är en kolvpump, vilket innebär att kex- och kolvaggregatet levererar högtrycksvatten från ena sidan av boosteren, medan lågtrycksvatten fyller den andra sidan. Recirkulation gör också att hydrauloljan kan svalna när den återvänder till tanken. Backventilen säkerställer att lågtrycks- och högtrycksvatten endast kan flöda i en riktning. Högtryckscylindrarna och ändkåporna som inkapslar kolv- och kexkomponenterna måste uppfylla särskilda krav för att motstå processens krafter och konstanta tryckcykler. Hela systemet är konstruerat för att gradvis fallera, och läckage kommer att rinna till speciella "dräneringshål", som kan övervakas av operatören för att bättre schemalägga regelbundet underhåll.
Ett speciellt högtrycksrör transporterar vattnet till skärhuvudet. Röret kan också ge skärhuvudet rörelsefrihet, beroende på rörets storlek. Rostfritt stål är det material som valts för dessa rör, och det finns tre vanliga storlekar. Stålrör med en diameter på 6 mm är tillräckligt flexibla för att anslutas 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 3 till 6 meter uppnå X-, Y- och Z-rörelse. Större 9 mm rör transporterar vanligtvis vatten från pumpen till botten av den rörliga utrustningen. Även om det kan böjas är det i allmänhet inte lämpligt för rörledningsutrustning. Det största röret, som mäter 9 mm, är bäst för att transportera högtrycksvatten över långa sträckor. 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.
Renvattenskärmaskinen är den tidigaste vattenskärmaskinen, 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 bilinredning 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 i det rivande materialet, inte trycket. För att uppnå denna höga hastighet strömmar trycksatt vatten genom ett litet hål i en ädelsten (vanligtvis en safir, rubin eller diamant) som är fixerad i änden av munstycket. Typisk skärning använder en öppningsdiameter på 0,004 tum till 0,010 tum, medan speciella tillämpningar (som sprutbetong) kan använda storlekar upp till 0,10 tum. Vid 40 000 psi färdas flödet från öppningen med en hastighet på cirka Mach 2, och vid 60 000 psi överstiger flödet Mach 3.
Olika smycken har olika expertis inom vattenskärning. Safir är det vanligaste materialet för allmänt bruk. De håller i cirka 50 till 100 timmars skärtid, även om slipande vattenskärning halverar dessa tider. Rubiner är inte lämpliga för ren vattenskärning, men vattenflödet de producerar är mycket lämpligt för slipande skärning. I 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-timmars drift. I vissa fall kan diamantöppningen också ultraljudsrengöras och återanvändas.
I den slipande vattenskärmaskinen är mekanismen för materialborttagning inte vattenflödet i sig. Omvänt accelererar flödet slipande partiklar som korroderar materialet. Dessa maskiner är tusentals gånger kraftfullare än rena vattenskärmaskiner och kan skära hårda material som metall, sten, kompositmaterial och keramik.
Slipstrålen är större än den rena vattenstrålen, med en diameter mellan 0,020 tum och 0,050 tum. De kan skära staplar och material upp till 10 tum tjocka utan att skapa värmepåverkade zoner eller mekanisk stress. Även om deras styrka har ökat är slipstrålens skärkraft fortfarande mindre än ett pund. Nästan alla slipande strålningsoperationer använder en strålningsanordning och kan enkelt byta från användning med ett huvud till användning med flera huvuden, och till och med slipande vattenstråle kan omvandlas till en ren vattenstråle.
Slipmedlet är hårt, speciellt utvalt och dimensionerat sand – vanligtvis granat. Olika rutnätsstorlekar är lämpliga för olika jobb. En slät yta kan erhållas med slipmedel med maskstorlek 120, medan slipmedel med maskstorlek 80 har visat sig vara mer lämpliga för allmänna tillämpningar. Slipmedel med maskstorlek 50 är snabbare, men ytan är något grövre.
Även om vattenstrålar är enklare att använda än många andra maskiner kräver blandningsröret operatörens uppmärksamhet. Accelerationspotentialen hos detta rör är som ett gevärsrör, med olika storlekar och olika livslängder för utbyte. Det hållbara blandningsröret är en revolutionerande innovation inom abrasiv vattenstrålskärning, men röret är fortfarande mycket ömtåligt – om skärhuvudet kommer i kontakt med en fixtur, ett tungt föremål eller målmaterialet kan röret gå sönder. Skadade rör kan inte repareras, så att hålla nere kostnaderna kräver att utbytet minimeras. Moderna maskiner har vanligtvis en automatisk kollisionsdetekteringsfunktion för att förhindra kollisioner med blandningsröret.
Avståndet mellan blandningsröret och målmaterialet är vanligtvis 0,010 tum till 0,200 tum, men operatören måste komma ihåg att ett avstånd större än 0,080 tum kommer att orsaka frostbildning på ovansidan av detaljens skärkant. Undervattensskärning och andra tekniker kan minska eller eliminera denna frostbildning.
Ursprungligen var blandningsröret tillverkat av volframkarbid och hade endast en livslängd på fyra till sex skärtimmar. Dagens billiga kompositrör kan uppnå en skärlivslängd på 35 till 60 timmar och rekommenderas för grovbearbetning eller utbildning av nya operatörer. Komposithårdmetallröret förlänger sin livslängd till 80 till 90 skärtimmar. Det högkvalitativa komposithårdmetallröret har en skärlivslängd på 100 till 150 timmar, är lämpligt för precisions- och dagligt arbete och uppvisar det mest förutsägbara koncentriska slitage.
Förutom att tillhandahålla rörelse måste vattenstrålningsmaskiner också inkludera 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 ofta inom flyg- och rymdteknik för att trimma kompositmaterial. Operatören matar materialet in i bäcken som en bandsåg, medan uppsamlaren samlar upp bäcken och skräp. 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 specifik bredd. En tvärskärmaskin är en maskin som rör sig längs en axel. De arbetar ofta med skärmaskiner för att skapa rutmönster på produkter som varuautomater som brownies. Skärmaskinen skär produkten till en specifik bredd, medan tvärskärmaskinen skär produkten som matas under den tvärskär.
Operatörer bör inte använda den här typen av slipande vattenstråle manuellt. Det är svårt att flytta det skurna objektet med en specifik och jämn hastighet, och det är extremt farligt. Många tillverkare kommer inte ens att offerera 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 styrningen av dessa verktygsmaskiner av CNC eller PC. Servomotorer, vanligtvis med återkoppling med sluten slinga, säkerställer position och hastighet. Basenheten inkluderar linjärstyrningar, lagerhus och kulskruvdrivningar, medan bryggenheten också inkluderar dessa tekniker, och uppsamlingstanken inkluderar materialstöd.
XY-arbetsbänkar finns vanligtvis i två utföranden: den mittmonterade gantry-arbetsbänken inkluderar två basstyrskenor och en brygga, medan den utskjutande arbetsbänken använder en bas och en stel brygga. Båda maskintyperna inkluderar någon form av höjdjustering av huvudet. Denna Z-axeljustering kan ske med en manuell vev, en elektrisk skruv eller en helt 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. Avloppsfällan kan rengöras automatiskt, avfallet lagras i behållaren, eller så kan det vara manuellt, och operatören skyfflar regelbundet burken.
I takt med att andelen föremål med nästan inga plana ytor ökar, är femaxliga (eller fler) funktioner avgörande för modern vattenskärning. Lyckligtvis ger det lätta skärhuvudet och den låga rekylkraften under skärprocessen konstruktörerna en frihet som högbelastad fräsning inte har. Femaxlig vattenskärning använde initialt ett mallsystem, men användarna övergick snart till programmerbar femaxlig för att bli av med kostnaden för mallar.
Men även med dedikerad programvara är 3D-skärning mer komplicerat än 2D-skärning. Den sammansatta stjärtdelen av Boeing 777 är ett extremt exempel. Först laddar operatören upp programmet och programmerar den flexibla "pogostick"-stången. Traverskranen transporterar materialet i delarna, och fjäderstången skruvas loss till lämplig höjd och delarna fixeras. Den speciella icke-skärande Z-axeln använder en kontaktprob för att exakt positionera delen i rymden och provpunkter för att få rätt höjd och riktning för delen. Därefter omdirigeras programmet till delens faktiska position; proben dras tillbaka för att ge plats åt skärhuvudets Z-axel; programmet körs för att styra alla fem axlar för att hålla skärhuvudet vinkelrätt mot ytan som ska skäras och för att fungera efter behov. Kör med exakt hastighet.
Slipmedel krävs för att skära kompositmaterial eller metaller större än 0,05 tum, vilket innebär att utstötaren måste förhindras från att skära fjäderstången och verktygsbädden efter skärning. Speciell punktfångst är det bästa sättet att uppnå femaxlig vattenskärning. Tester har visat att denna teknik kan stoppa ett 50-hästkrafters jetflygplan under 6 tum. Den C-formade ramen ansluter fångaren till Z-axelns handled för att korrekt fånga kulan 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 genom spridning av kinetisk energi: efter att strålen har kommit in i fällan möter den den inneslutna stålkulan, och stålkulan roterar för att förbruka strålens energi. Även när den är horisontellt och (i vissa fall) upp och ner, kan punktfångaren fungera.
Inte alla femaxliga delar är lika komplexa. Allt eftersom delens storlek ökar blir programjustering och verifiering av delens position och skärnoggrannhet mer komplicerat. Många verkstäder 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).
Vid skärning av material med en tjocklek på mindre än 2,5 cm ligger vattenstrålens noggrannhet vanligtvis mellan ±0,003 och 0,015 tum (0,07 och 0,4 mm). Noggrannheten för material som är tjockare än 2,5 cm ligger inom ±0,005 och 0,100 tum (0,12 och 2,5 mm). Det högpresterande XY-bordet är konstruerat 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 den mängd skärbana som måste utökas för att den slutliga detaljen ska få rätt storlek. För att undvika potentiella fel i högprecisionsarbete bör operatörer utföra provskärningar och förstå att verktygskompensationen måste justeras för att matcha slitagefrekvensen på blandningsröret.
Programmeringsfel uppstår oftast eftersom vissa XY-kontroller inte visar måtten i detaljprogrammet, vilket gör det svårt att upptäcka bristen på dimensionsmatchning mellan detaljprogrammet och CAD-ritningen. Viktiga aspekter av maskinrörelse som kan orsaka fel är mellanrummet och repeterbarheten i den mekaniska enheten. Servojustering är också viktig, eftersom felaktig servojustering kan orsaka fel i mellanrum, repeterbarhet, vertikalitet och vibrationer. Små delar med en längd och bredd på mindre än 30 cm 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 kostnader inkluderar el, vatten, luft, tätningar, backventiler, dysor, blandningsrör, vatteninloppsfilter och reservdelar till hydraulpumpar och högtryckscylindrar.
Full effektdrift verkade dyrare till en början, men produktivitetsökningen översteg kostnaden. Allt eftersom slipmedelsflödet ökar kommer skärhastigheten att öka och kostnaden per tum att minska tills den når den optimala punkten. För maximal produktivitet bör operatören köra skärhuvudet med den snabbaste skärhastigheten och maximala hästkrafterna för optimal användning. Om ett system med 100 hästkrafter bara kan köra ett huvud med 50 hästkrafter, kan man uppnå denna effektivitet genom att köra två huvuden på systemet.
Att optimera 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 springan och grovt skär i lägre nivåer. Att stapla materialarken tätt ihop kan förhindra detta.
Mät produktivitet i termer av kostnad per tum (det vill säga antalet delar som tillverkas av systemet), inte kostnad per timme. Snabb produktion är faktiskt nödvändig för att amortera indirekta kostnader.
Vattenstrålar som ofta tränger igenom kompositmaterial, glas och stenar bör vara utrustade med en regulator som kan minska och öka vattentrycket. Vakuumassistans och andra tekniker ökar sannolikheten för att framgångsrikt tränga igenom ömtåliga eller laminerade material utan att skada målmaterialet.
Automatisering av materialhantering är endast meningsfullt när materialhanteringen står för en stor del av produktionskostnaden för detaljer. 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 mjukgöra vattnet innan det 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 ändkåpan är mycket högre.
Undervattensskärning minskar ytfrostning (även känt som "imma") på den övre kanten av abrasiv vattenskärning, samtidigt som det avsevärt minskar strålbuller 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 några komponentskador uppstår.
För system som använder olika storlekar på slipmaskor för olika jobb, använd extra lagring och dosering för vanliga storlekar. Små (100 lb) eller stora (500 till 2 000 lb) bulktransportörer och relaterade doseringsventiler möjliggör snabb växling mellan siktstorlekar, vilket minskar stilleståndstid och problem, 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 gängtappen, kan de uppnå snabbare materialhantering. Hårdare material kommer att ha mindre etiketter.
Maskin med slipande vattenstråle och kontrollera skärdjupet. För rätt detaljer kan denna nystartade process vara ett övertygande alternativ.
Sunlight-Tech Inc. har använt GF Machining Solutions Microlution-lasermikrobearbetnings- och mikrofräsningscenter för att producera delar med toleranser på mindre än 1 mikron.
Vattenskärning har en stor betydelse inom materialtillverkning. Den här artikeln tittar på hur vattenskärning fungerar i din butik och tar upp processen.
Publiceringstid: 4 september 2021