Řezání vodním paprskem může být jednodušší metodou zpracování, ale je vybaveno výkonným razníkem a vyžaduje, aby si obsluha udržovala přehled o opotřebení a přesnosti více dílů.
Nejjednodušší řezání vodním paprskem je proces řezání materiálů vysokotlakým vodním paprskem. Tato technologie obvykle doplňuje další technologie zpracování, jako je frézování, laser, EDM a plazma. Při řezání vodním paprskem nevznikají žádné škodlivé látky ani pára a nevznikají žádné tepelně ovlivněné zóny ani mechanické pnutí. Vodní paprsky dokáží řezat ultratenké detaily na kameni, skle a kovu; rychle vrtat otvory do titanu; řezat potraviny; a dokonce i ničit patogeny v nápojích a dipech.
Všechny vodní paprskové stroje mají čerpadlo, které dokáže natlakovat vodu pro dopravu do řezací hlavy, kde se přemění na nadzvukový proud. Existují dva hlavní typy čerpadel: čerpadla s přímým pohonem a čerpadla s přídavným tlakem.
Úloha čerpadla s přímým pohonem je podobná roli vysokotlakého čističe a tříválcové čerpadlo pohání tři písty přímo z elektromotoru. Maximální trvalý pracovní tlak je o 10 % až 25 % nižší než u podobných posilovacích čerpadel, ale stále se drží mezi 20 000 a 50 000 psi.
Čerpadla s intenzifikátorem tvoří většinu ultravysokotlakých čerpadel (tj. čerpadel s tlakem nad 30 000 psi). Tato čerpadla obsahují dva kapalinové okruhy, jeden pro vodu a druhý pro hydrauliku. Vstupní filtr vody nejprve prochází 1mikronovým patronovým filtrem a poté 0,45mikronovým filtrem, aby nasál běžnou vodu z vodovodu. Tato voda vstupuje do pomocného čerpadla. Než vstoupí do pomocného čerpadla, tlak v pomocném čerpadle se udržuje na přibližně 90 psi. Zde se tlak zvýší na 60 000 psi. Než voda konečně opustí čerpací soustrojí a dosáhne potrubím řezné hlavy, prochází tlumičem nárazů. Zařízení dokáže potlačit kolísání tlaku, aby se zlepšila konzistence a eliminovaly se pulzy, které zanechávají stopy na obrobku.
V hydraulickém okruhu elektromotor mezi elektromotory nasává olej z olejové nádrže a natlakuje ho. Tlakový olej proudí do sacího potrubí a ventil sacího potrubí střídavě vstřikuje hydraulický olej na obě strany sestavy pístu a plunžru, čímž vytváří zdvihový účinek posilovače. Protože povrch pístu je menší než povrch pístu, tlak oleje „zvyšuje“ tlak vody.
Posilovač je pístové čerpadlo, což znamená, že sestava pístu a plunžru dodává vodu pod vysokým tlakem z jedné strany posilovače, zatímco druhou stranu plní voda pod nízkým tlakem. Recirkulace také umožňuje ochlazení hydraulického oleje při jeho návratu do nádrže. Zpětný ventil zajišťuje, že voda pod nízkým a vysokým tlakem může proudit pouze jedním směrem. Vysokotlaké válce a koncové uzávěry, které zapouzdřují komponenty pístu a pístu, musí splňovat zvláštní požadavky, aby odolaly silám procesu a cyklům konstantního tlaku. Celý systém je navržen tak, aby postupně selhával a netěsnosti protékaly do speciálních „odtokových otvorů“, které může obsluha monitorovat, aby si mohla lépe naplánovat pravidelnou údržbu.
Speciální vysokotlaká trubka dopravuje vodu k řezací hlavě. Trubka může také poskytovat volnost pohybu řezací hlavy v závislosti na velikosti trubky. Nerezová ocel je preferovaným materiálem pro tyto trubky a existují tři běžné velikosti. Ocelové trubky o průměru 6 mm jsou dostatečně flexibilní pro připojení ke sportovnímu vybavení, ale nedoporučují se pro přepravu vysokotlaké vody na dlouhé vzdálenosti. Protože se tato trubka snadno ohýbá, a to i do role, délka 3 až 6 metrů umožňuje pohyb X, Y a Z. Větší trubky o průměru 1,2 mm obvykle vedou vodu z čerpadla ke spodní části pohyblivého zařízení. I když je lze ohýbat, obecně nejsou vhodné pro zařízení pro pohyb potrubí. Největší trubka o průměru 24 mm je nejlepší pro přepravu vysokotlaké vody na dlouhé vzdálenosti. Větší průměr pomáhá snížit tlakové ztráty. Trubky této velikosti jsou velmi dobře kompatibilní s velkými čerpadly, protože velké množství vysokotlaké vody má také větší riziko potenciální tlakové ztráty. Trubky této velikosti však nelze ohýbat a v rozích je třeba instalovat tvarovky.
Řezací stroj čistě vodním paprskem je nejstarším strojem na řezání vodním paprskem a jeho historie sahá až do začátku 70. let 20. století. Ve srovnání s kontaktem nebo vdechováním materiálů produkují na materiálech méně vody, takže jsou vhodné pro výrobu produktů, jako jsou automobilové interiéry a jednorázové pleny. Kapalina je velmi řídká – o průměru 0,004 až 0,010 palce – a poskytuje extrémně detailní geometrie s velmi malou ztrátou materiálu. Řezná síla je extrémně nízká a upevnění je obvykle jednoduché. Tyto stroje jsou nejvhodnější pro 24hodinový provoz.
Při výběru řezací hlavy pro čistě vodní paprsek je důležité si uvědomit, že rychlost proudění jsou mikroskopické úlomky nebo částice trhaného materiálu, nikoli tlak. Pro dosažení této vysoké rychlosti protéká tlaková voda malým otvorem v drahokamu (obvykle safír, rubín nebo diamant) upevněném na konci trysky. Typické řezání používá průměr otvoru od 0,004 palce do 0,010 palce, zatímco speciální aplikace (například stříkaný beton) mohou používat velikosti až do 0,10 palce. Při tlaku 40 000 psi se proud z otvoru pohybuje rychlostí přibližně Mach 2 a při tlaku 60 000 psi přesahuje proudění Mach 3.
Různé šperky mají různé zkušenosti s řezáním vodním paprskem. Safír je nejběžnějším univerzálním materiálem. Vydrží přibližně 50 až 100 hodin řezání, ačkoli aplikace abrazivního vodního paprsku tuto dobu zkrátí na polovinu. Rubíny nejsou vhodné pro čisté řezání vodním paprskem, ale proud vody, který produkují, je pro abrazivní řezání velmi vhodný. V procesu abrazivního řezání je doba řezání rubínů přibližně 50 až 100 hodin. Diamanty jsou mnohem dražší než safíry a rubíny, ale doba řezání se pohybuje mezi 800 a 2 000 hodinami. Díky tomu je diamant obzvláště vhodný pro 24hodinový provoz. V některých případech lze diamantový otvor také ultrazvukově vyčistit a znovu použít.
U abrazivního vodního paprsku není mechanismem odstraňování materiálu samotný proud vody. Naopak proud urychluje abrazivní částice a způsobuje korozi materiálu. Tyto stroje jsou tisíckrát výkonnější než čistě vodní řezací stroje a dokáží řezat tvrdé materiály, jako je kov, kámen, kompozitní materiály a keramika.
Proud abraziva je větší než proud čistého vodního paprsku, s průměrem mezi 0,020 a 0,050 palce. Dokážou řezat stohy a materiály o tloušťce až 10 palců, aniž by vznikaly tepelně ovlivněné zóny nebo mechanické namáhání. Přestože se jejich pevnost zvýšila, řezná síla proudu abraziva je stále menší než jedna libra. Téměř všechny operace s abrazivním tryskáním používají tryskové zařízení a lze snadno přejít z použití jedné hlavy na použití více hlavic a dokonce i abrazivní vodní paprsek lze přeměnit na čistý vodní paprsek.
Brusivo je tvrdý, speciálně vybraný a dimenzovaný písek – obvykle granátový. Pro různé práce jsou vhodné různé velikosti mřížky. Hladkého povrchu lze dosáhnout s brusivy o velikosti ok 120, zatímco brusiva o velikosti ok 80 se ukázala jako vhodnější pro univerzální aplikace. Řezná rychlost brusiva o velikosti ok 50 je vyšší, ale povrch je mírně drsnější.
Přestože se vodní paprsky ovládají snadněji než mnoho jiných strojů, směšovací trubice vyžaduje pozornost obsluhy. Potenciál zrychlení této trubice je podobný hlavně pušky, s různými velikostmi a různou životností. Dlouhotrvající směšovací trubice je revoluční inovací v řezání abrazivním vodním paprskem, ale trubice je stále velmi křehká – pokud se řezací hlava dostane do kontaktu s upínacím přípravkem, těžkým předmětem nebo cílovým materiálem, trubice se může zlomit. Poškozené trubky nelze opravit, takže udržení nízkých nákladů vyžaduje minimalizaci výměny. Moderní stroje mají obvykle funkci automatické detekce kolize, která zabraňuje kolizím se směšovací trubicí.
Vzdálenost mezi směšovací trubicí a cílovým materiálem je obvykle 0,010 palce až 0,200 palce, ale obsluha musí mít na paměti, že vzdálenost větší než 0,080 palce způsobí námrazu na horní straně řezné hrany dílu. Řezání pod vodou a další techniky mohou tuto námrazu snížit nebo zcela eliminovat.
Zpočátku byla míchací trubice vyrobena z karbidu wolframu a měla životnost pouze čtyři až šest hodin řezání. Dnešní levné kompozitní trubky mohou dosáhnout životnosti řezání 35 až 60 hodin a jsou doporučovány pro hrubé řezání nebo školení nových obsluh. Kompozitní trubka ze slinutého karbidu prodlužuje svou životnost na 80 až 90 hodin řezání. Vysoce kvalitní kompozitní trubka ze slinutého karbidu má životnost řezání 100 až 150 hodin, je vhodná pro přesnou a každodenní práci a vykazuje nejpředvídatelnější soustředné opotřebení.
Kromě zajištění pohybu musí obráběcí stroje s vodním paprskem zahrnovat také způsob zajištění obrobku a systém pro sběr a zachycování vody a nečistot z obráběcích operací.
Stacionární a jednorozměrné stroje jsou nejjednodušší vodní paprsky. Stacionární vodní paprsky se běžně používají v leteckém průmyslu k řezání kompozitních materiálů. Obsluha vkládá materiál do proudu jako pásová pila, zatímco lapač sbírá proud a nečistoty. Většina stacionárních vodních paprsků jsou čistě vodní paprsky, ale ne všechny. Dělicí stroj je variantou stacionárního stroje, u kterého jsou strojem přiváděny produkty, jako je papír, a vodní paprsek řeže produkt na určitou šířku. Příčný řezací stroj je stroj, který se pohybuje podél osy. Často spolupracují s řezacími stroji k vytváření mřížkových vzorů na produktech, jako jsou prodejní automaty, jako jsou brownies. Dělicí stroj řeže produkt na určitou šířku, zatímco příčný řezací stroj příčně řeže produkt podávaný pod ním.
Operátoři by neměli tento typ abrazivního vodního paprsku používat ručně. Je obtížné pohybovat řezaným předmětem určitou a konzistentní rychlostí a je to extrémně nebezpečné. Mnoho výrobců ani neuvádí ceny strojů pro toto nastavení.
XY stůl, nazývaný také plochý řezací stroj, je nejběžnějším dvourozměrným řezacím strojem s vodním paprskem. Čistě vodní paprsky řežou těsnění, plasty, gumu a pěnu, zatímco abrazivní modely řežou kovy, kompozity, sklo, kámen a keramiku. Pracovní stůl může mít rozměry od 2 × 4 stopy do 30 × 100 stop. Řízení těchto obráběcích strojů obvykle zajišťuje CNC nebo PC. Servomotory, obvykle s uzavřenou smyčkou zpětné vazby, zajišťují integritu polohy a rychlosti. Základní jednotka zahrnuje lineární vedení, ložisková tělesa a kuličkové šroubové pohony, zatímco můstková jednotka také zahrnuje tyto technologie a sběrná nádrž zahrnuje materiálovou podpěru.
Pracovní stoly XY se obvykle dodávají ve dvou provedeních: portálový pracovní stůl se střední lištou obsahuje dvě základní vodicí lišty a most, zatímco konzolový pracovní stůl používá základnu a pevný most. Oba typy strojů zahrnují nějakou formu nastavení výšky hlavice. Toto nastavení osy Z může mít podobu ruční kliky, elektrického šroubu nebo plně programovatelného servošroubu.
Jímka na pracovním stole XY je obvykle vodní nádrž naplněná vodou, která je vybavena mřížemi nebo lamelami pro podepření obrobku. Proces řezání tyto podpěry spotřebovává pomalu. Lapač může být čištěn automaticky, odpad se ukládá do nádoby, nebo to může být ručně a obsluha nádobu pravidelně odhazuje.
S rostoucím podílem předmětů s téměř žádnými rovnými povrchy jsou pro moderní řezání vodním paprskem nezbytné pětiosé (nebo více) možnosti. Naštěstí lehká řezací hlava a nízká zpětná síla během procesu řezání poskytují konstruktérům svobodu, kterou frézování s vysokým zatížením nenabízí. Pětiosé řezání vodním paprskem zpočátku používalo šablonový systém, ale uživatelé se brzy obrátili na programovatelný pětiosý systém, aby se zbavili nákladů na šablony.
Avšak i se specializovaným softwarem je 3D řezání složitější než 2D řezání. Extrémním příkladem je kompozitní ocasní část Boeingu 777. Nejprve operátor nahraje program a naprogramuje flexibilní lať „pogostick“. Mostový jeřáb přepraví materiál dílů, pružinová tyč se odšroubuje do vhodné výšky a díly se upevní. Speciální neřezná osa Z používá kontaktní sondu k přesnému umístění dílu v prostoru a vzorkuje body pro dosažení správné výšky a směru dílu. Poté je program přesměrován na skutečnou polohu dílu; sonda se zasune, aby uvolnila místo pro osu Z řezací hlavy; program běží tak, aby řídil všech pět os, aby řezná hlava zůstala kolmá k řezanému povrchu a aby fungovala podle potřeby a pohybovala se přesnou rychlostí.
K řezání kompozitních materiálů nebo jakéhokoli kovu většího než 0,05 palce jsou zapotřebí abraziva, což znamená, že je třeba zabránit vyhazovači v prořezávání pružinové tyče a lože nástroje po řezání. Speciální zachycení bodů je nejlepším způsobem, jak dosáhnout pětiosého řezání vodním paprskem. Testy ukázaly, že tato technologie dokáže zastavit proudové letadlo o výkonu 50 koní pod 6 palců (15 cm). Rám ve tvaru C spojuje zachycovač se zápěstím osy Z, aby správně zachytil kuličku, když hlava ořezává celý obvod dílu. Zachycovač bodů také zastavuje oděr a spotřebovává ocelové kuličky rychlostí přibližně 0,5 až 1 libru (0,25 až 0,45 kg) za hodinu. V tomto systému je paprsek zastaven rozptylem kinetické energie: poté, co paprsek vstoupí do lapače, narazí na obsaženou ocelovou kuličku a ocelová kulička se otáčí, aby spotřebovala energii paprsku. I v horizontální poloze a (v některých případech) dnem vzhůru může zachycovač bodů fungovat.
Ne všechny pětiosé díly jsou stejně složité. S rostoucí velikostí dílu se stávají složitější úpravy programu a ověřování polohy dílu a přesnosti řezání. Mnoho dílen denně používá 3D stroje pro jednoduché 2D řezání i složité 3D řezání.
Operátoři by si měli být vědomi velkého rozdílu mezi přesností dílu a přesností pohybu stroje. Ani stroj s téměř dokonalou přesností, dynamickým pohybem, regulací rychlosti a vynikající opakovatelností nemusí být schopen vyrobit „dokonalé“ díly. Přesnost hotového dílu je kombinací procesní chyby, chyby stroje (výkon XY) a stability obrobku (upnutí, rovinnost a teplotní stabilita).
Při řezání materiálů o tloušťce menší než 1 palec (2,5 cm) je přesnost vodního paprsku obvykle mezi ±0,003 až 0,015 palce (0,07 až 0,4 mm). Přesnost materiálů o tloušťce větší než 1 palec (2,5 cm) je v rozmezí ±0,005 až 0,100 palce (0,12 až 2,5 mm). Vysoce výkonný stůl XY je navržen pro lineární přesnost polohování 0,005 palce (0,005 palce) nebo vyšší.
Mezi potenciální chyby, které ovlivňují přesnost, patří chyby kompenzace nástroje, programovací chyby a pohyb stroje. Kompenzace nástroje je hodnota vstupní do řídicího systému, která zohledňuje šířku řezu trysky – tedy velikost řezné dráhy, kterou je třeba rozšířit, aby konečný díl získal správnou velikost. Aby se předešlo potenciálním chybám při vysoce přesné práci, měli by operátoři provádět zkušební řezy a chápat, že kompenzace nástroje musí být upravena tak, aby odpovídala četnosti opotřebení směšovací trubice.
K chybám v programování dochází nejčastěji proto, že některé ovládací prvky XY nezobrazují rozměry v programu, což ztěžuje odhalení nedostatečné rozměrové shody mezi programem a výkresem CAD. Důležitými aspekty pohybu stroje, které mohou způsobit chyby, jsou mezery a opakovatelnost v mechanické jednotce. Důležité je také nastavení serva, protože nesprávné nastavení serva může způsobit chyby v mezerách, opakovatelnosti, svislosti a chvění. Malé díly s délkou a šířkou menší než 30 cm nevyžadují tolik stolů XY jako velké díly, takže je menší pravděpodobnost chyb v pohybu stroje.
Abraziva tvoří dvě třetiny provozních nákladů systémů vodního paprsku. Mezi další náklady patří energie, voda, vzduch, těsnění, zpětné ventily, otvory, směšovací potrubí, filtry přívodu vody a náhradní díly pro hydraulická čerpadla a vysokotlaké válce.
Provoz na plný výkon se zpočátku zdál dražší, ale zvýšení produktivity převýšilo náklady. S rostoucím průtokem abraziva se bude zvyšovat řezná rychlost a náklady na palec se budou snižovat, dokud nedosáhnou optimálního bodu. Pro maximální produktivitu by měl operátor provozovat řeznou hlavu při nejvyšší řezné rychlosti a maximálním výkonu pro optimální využití. Pokud systém o výkonu 100 koní dokáže provozovat pouze hlavu o výkonu 50 koní, pak lze této účinnosti dosáhnout provozem dvou hlav v systému.
Optimalizace řezání abrazivním vodním paprskem vyžaduje pozornost ke konkrétní situaci, ale může zajistit vynikající zvýšení produktivity.
Není rozumné řezat vzduchovou mezeru větší než 0,020 palce, protože tryska se v mezeře otevírá a zhruba řeže spodní úrovně. Těsné stohování materiálových listů u sebe tomu může zabránit.
Produktivitu měřte z hlediska nákladů na palec (tj. počtu dílů vyrobených systémem), nikoli nákladů za hodinu. Rychlá výroba je ve skutečnosti nezbytná pro amortizaci nepřímých nákladů.
Vodní paprsky, které často prorážejí kompozitní materiály, sklo a kameny, by měly být vybaveny regulátorem, který dokáže snižovat a zvyšovat tlak vody. Vakuová asistence a další technologie zvyšují pravděpodobnost úspěšného propíchnutí křehkých nebo laminovaných materiálů bez poškození cílového materiálu.
Automatizace manipulace s materiálem má smysl pouze tehdy, když manipulace s materiálem tvoří velkou část výrobních nákladů dílů. Abrazivní vodní paprsky obvykle používají ruční vykládání, zatímco řezání plechů využívá převážně automatizaci.
Většina systémů vodního paprsku používá běžnou vodu z kohoutku a 90 % obsluhy vodního paprsku neprovádí žádné jiné úpravy než změkčení vody před jejím odesláním do vstupního filtru. Použití reverzní osmózy a deionizátorů k čištění vody může být lákavé, ale odstranění iontů usnadňuje vodě absorpci iontů z kovů v čerpadlech a vysokotlakých potrubích. Může to prodloužit životnost otvoru, ale náklady na výměnu vysokotlaké lahve, zpětného ventilu a koncového krytu jsou mnohem vyšší.
Řezání pod vodou snižuje tvorbu námrazy (známou také jako „mlžení“) na horní hraně abrazivního vodního paprsku a zároveň výrazně snižuje hluk paprsku a chaos na pracovišti. To však snižuje viditelnost paprsku, proto se doporučuje používat elektronické monitorování výkonu k detekci odchylek od špičkových podmínek a zastavení systému před poškozením jakýchkoli součástí.
U systémů, které používají různé velikosti abrazivních sít pro různé úlohy, použijte prosím další úložný a dávkovací systém pro běžné velikosti. Malé (100 lb) nebo velké (500 až 2 000 lb) sypké dopravníky a související dávkovací ventily umožňují rychlé přepínání mezi velikostmi ok sít, čímž se zkracují prostoje a potíže a zároveň se zvyšuje produktivita.
Separátor dokáže efektivně řezat materiály o tloušťce menší než 0,3 palce. Ačkoli tyto výstupky obvykle zajistí druhé broušení závitníku, mohou dosáhnout rychlejší manipulace s materiálem. Tvrdší materiály budou mít menší štítky.
Obrábění abrazivním vodním paprskem a regulace hloubky řezu. Pro správné díly může tento nově vznikající proces nabídnout přesvědčivou alternativu.
Společnost Sunlight-Tech Inc. použila laserová mikroobráběcí a mikrofrézovací centra Microlution od společnosti GF Machining Solutions k výrobě dílů s tolerancemi menšími než 1 mikron.
Řezání vodním paprskem zaujímá v oblasti výroby materiálů své místo. Tento článek se zabývá tím, jak vodní paprsky fungují ve vašem obchodě a jaký je tento proces.
Čas zveřejnění: 4. září 2021