Vandstråleskæring er måske en enklere bearbejdningsmetode, men den er udstyret med en kraftig stempel og kræver, at operatøren er opmærksom på slid og nøjagtighed af flere dele.
Den enkleste vandstråleskæring er processen med at skære højtryksvandstråler ind i materialer. Denne teknologi supplerer normalt andre forarbejdningsteknologier, såsom fræsning, laser, EDM og plasma. I vandstråleprocessen dannes der ingen skadelige stoffer eller damp, og der dannes ingen varmepåvirket zone eller mekanisk stress. Vandstråler kan skære ultratynde detaljer på sten, glas og metal; hurtigt bore huller i titanium; skære fødevarer; og endda dræbe patogener i drikkevarer og dips.
Alle vandstrålemaskiner har en pumpe, der kan sætte vandet under tryk og levere det til skærehovedet, hvor det omdannes til en supersonisk strøm. Der findes to hovedtyper af pumper: pumper med direkte drev og boosterbaserede pumper.
Direktepumpens rolle minder om en højtryksrensers, og trecylindrede pumper driver tre stempler direkte fra elmotoren. Det maksimale kontinuerlige arbejdstryk er 10 % til 25 % lavere end lignende boosterpumper, men det holder dem stadig mellem 20.000 og 50.000 psi.
Forstærkerbaserede pumper udgør størstedelen af ultrahøjtrykspumper (dvs. pumper over 30.000 psi). Disse pumper indeholder to væskekredsløb, et til vand og et andet til hydraulik. Vandindløbsfilteret passerer først gennem et 1 mikron patronfilter og derefter et 0,45 mikron filter for at suge almindeligt postevand ind. Dette vand kommer ind i boosterpumpen. Før det kommer ind i boosterpumpen, holdes boosterpumpens tryk på omkring 90 psi. Her øges trykket til 60.000 psi. Før vandet endelig forlader pumpesættet og når skærehovedet gennem rørledningen, passerer vandet gennem støddæmperen. Enheden kan undertrykke trykudsving for at forbedre konsistensen og eliminere pulser, der efterlader mærker på emnet.
I det hydrauliske kredsløb trækker den elektriske motor mellem elmotorerne olie fra olietanken og sætter den under tryk. Den tryksatte olie strømmer til manifolden, og manifoldens ventil sprøjter skiftevis hydraulisk olie ind på begge sider af kiks- og stempelenheden for at generere boosterens slagfunktion. Da stemplets overflade er mindre end kiksens, "forøger" olietrykket vandtrykket.
Boosteren er en stempelpumpe, hvilket betyder, at stempel- og stempelenheden leverer højtryksvand fra den ene side af boosteren, mens lavtryksvand fylder den anden side. Recirkulation tillader også hydraulikolien at køle af, når den vender tilbage til tanken. Kontraventilen sikrer, at lavtryks- og højtryksvand kun kan strømme i én retning. Højtrykscylindrene og endekapperne, der indkapsler stempel- og stempelkomponenterne, skal opfylde særlige krav for at modstå processens kræfter og konstante trykcyklusser. Hele systemet er designet til gradvist at svigte, og lækage vil strømme til specielle "dræningshuller", som kan overvåges af operatøren for bedre at kunne planlægge regelmæssig vedligeholdelse.
Et specielt højtryksrør transporterer vandet til skærehovedet. Røret kan også give skærehovedet bevægelsesfrihed, afhængigt af rørets størrelse. Rustfrit stål er det foretrukne materiale til disse rør, og der findes tre almindelige størrelser. Stålrør med en diameter på 6 mm er fleksible nok til at blive forbundet med sportsudstyr, men anbefales ikke til langdistancetransport af højtryksvand. Da dette rør er let at bøje, selv til en rulle, kan en længde på 3 til 6 meter opnå X-, Y- og Z-bevægelse. Større 9 mm rør (3/8 tommer) fører normalt vand fra pumpen til bunden af det bevægelige udstyr. Selvom det kan bøjes, er det generelt ikke egnet til rørledningsbevægelsesudstyr. Det største rør, der måler 9 mm (16 tommer), er bedst til transport af højtryksvand over lange afstande. En større diameter hjælper med at reducere tryktab. Rør af denne størrelse er meget kompatible med store pumper, fordi en stor mængde højtryksvand også har en større risiko for potentielt tryktab. Rør af denne størrelse kan dog ikke bøjes, og der skal monteres fittings i hjørnerne.
Renvandsskæremaskinen er den tidligste vandstråleskæremaskine, og dens historie kan spores tilbage til begyndelsen af 1970'erne. Sammenlignet med kontakt eller indånding af materialer producerer de mindre vand på materialerne, så de er velegnede til produktion af produkter som bilinteriør og engangsbleer. Væsken er meget tynd - 0,004 tommer til 0,010 tommer i diameter - og giver ekstremt detaljerede geometrier med meget lidt materialetab. Skærekraften er ekstremt lav, og fastgørelsen er normalt enkel. Disse maskiner er bedst egnet til 24-timers drift.
Når man overvejer et skærehoved til en ren vandstrålemaskine, er det vigtigt at huske, at strømningshastigheden er de mikroskopiske fragmenter eller partikler af det oprivne materiale, ikke trykket. For at opnå denne høje hastighed strømmer trykvand gennem et lille hul i en ædelsten (normalt en safir, rubin eller diamant) fastgjort i enden af dysen. Typisk skæring bruger en åbningsdiameter på 0,004 tommer til 0,010 tommer, mens specielle applikationer (såsom sprøjtebeton) kan bruge størrelser op til 0,10 tommer. Ved 40.000 psi bevæger strømmen fra åbningen sig med en hastighed på cirka Mach 2, og ved 60.000 psi overstiger strømmen Mach 3.
Forskellige smykker har forskellig ekspertise inden for vandstråleskæring. Safir er det mest almindelige materiale til generelle formål. De holder cirka 50 til 100 timers skæretid, selvom slibende vandstråleapplikationer halverer disse tider. Rubiner er ikke egnede til ren vandstråleskæring, men den vandstrøm, de producerer, er meget velegnet til slibende skæring. I den slibende skæreproces er skæretiden for rubiner omkring 50 til 100 timer. Diamanter er meget dyrere end safirer og rubiner, men skæretiden er mellem 800 og 2.000 timer. Dette gør diamanten særligt velegnet til 24-timers drift. I nogle tilfælde kan diamantåbningen også ultralydsrenses og genbruges.
I den slibende vandstrålemaskine er mekanismen til materialefjernelse ikke selve vandstrømmen. Omvendt accelererer strømmen slibende partikler, der korroderer materialet. Disse maskiner er tusindvis af gange kraftigere end rene vandstråleskæremaskiner og kan skære i hårde materialer som metal, sten, kompositmaterialer og keramik.
Slibestrømmen er større end den rene vandstråle, med en diameter mellem 0,020 tommer og 0,050 tommer. De kan skære stakke og materialer op til 10 tommer tykke uden at skabe varmepåvirkede zoner eller mekanisk belastning. Selvom deres styrke er steget, er slibestrømmens skærekraft stadig mindre end et pund. Næsten alle slibeoperationer bruger en sprøjteanordning, og man kan nemt skifte fra brug med et enkelt hoved til brug med flere hoveder, og selv slibende vandstråle kan konverteres til en ren vandstråle.
Slibemidlet er hårdt, specielt udvalgt og dimensioneret sand - normalt granat. Forskellige gitterstørrelser er egnede til forskellige opgaver. En glat overflade kan opnås med slibemidler med 120 mesh, mens slibemidler med 80 mesh har vist sig at være mere egnede til generelle anvendelser. Slibemidler med 50 mesh er hurtigere, men overfladen er lidt ruere.
Selvom vandstråler er lettere at betjene end mange andre maskiner, kræver blanderøret operatørens opmærksomhed. Accelerationspotentialet for dette rør er som et riffelløb, med forskellige størrelser og forskellig udskiftningslevetid. Det langtidsholdbare blanderør er en revolutionerende innovation inden for slibende vandstråleskæring, men røret er stadig meget skrøbeligt - hvis skærehovedet kommer i kontakt med en fikstur, en tung genstand eller målmaterialet, kan røret gå i stykker. Beskadigede rør kan ikke repareres, så det kræver at minimere udskiftning for at holde omkostningerne nede. Moderne maskiner har normalt en automatisk kollisionsdetektionsfunktion for at forhindre kollisioner med blanderøret.
Afstanden mellem blanderøret og målmaterialet er normalt 0,010 tommer til 0,200 tommer, men operatøren skal huske på, at en afstand på mere end 0,080 tommer vil forårsage frostdannelse på toppen af delens skærekant. Undervandsskæring og andre teknikker kan reducere eller eliminere denne frostdannelse.
I starten var blanderøret lavet af wolframkarbid og havde kun en levetid på fire til seks skæretimer. Dagens billige kompositrør kan nå en skærelevetid på 35 til 60 timer og anbefales til grovskæring eller oplæring af nye operatører. Komposithårdkarbidrøret forlænger sin levetid til 80 til 90 skæretimer. Det højkvalitets komposithårdkarbidrør har en skærelevetid på 100 til 150 timer, er egnet til præcision og dagligt arbejde og udviser det mest forudsigelige koncentriske slid.
Ud over at sørge for bevægelse skal vandstrålemaskiner også omfatte en metode til at fastgøre emnet og et system til opsamling og opsamling af vand og snavs fra bearbejdningsoperationer.
Stationære og endimensionelle maskiner er de enkleste vandstråler. Stationære vandstråler bruges almindeligvis i luftfart til at trimme kompositmaterialer. Operatøren fører materialet ind i vandløbet som en båndsav, mens opsamleren opsamler vandløbet og affaldet. De fleste stationære vandstråler er rene vandstråler, men ikke alle. Spaltningsmaskinen er en variant af den stationære maskine, hvor produkter som papir føres gennem maskinen, og vandstrålen skærer produktet i en bestemt bredde. En tværskæremaskine er en maskine, der bevæger sig langs en akse. De arbejder ofte sammen med spaltningsmaskiner for at lave gitterlignende mønstre på produkter som f.eks. salgsautomater som brownies. Spaltningsmaskinen skærer produktet i en bestemt bredde, mens tværskæremaskinen skærer produktet, der føres ind under det, på tværs.
Operatører bør ikke manuelt bruge denne type slibende vandstråle. Det er vanskeligt at bevæge det skårne objekt med en specifik og ensartet hastighed, og det er ekstremt farligt. Mange producenter vil ikke engang give maskiner et tilbud på disse indstillinger.
XY-bordet, også kaldet en fladskæremaskine, er den mest almindelige todimensionelle vandstråleskæremaskine. Rene vandstråler skærer pakninger, plast, gummi og skum, mens slibende modeller skærer metaller, kompositter, glas, sten og keramik. Arbejdsbænken kan være så lille som 2 × 4 fod eller så stor som 30 × 100 fod. Normalt håndteres styringen af disse værktøjsmaskiner af CNC eller PC. Servomotorer, normalt med lukket sløjfe-feedback, sikrer integriteten af position og hastighed. Basisenheden inkluderer lineære føringer, lejehuse og kugleskruedrev, mens broenheden også inkluderer disse teknologier, og opsamlingstanken inkluderer materialestøtte.
XY-arbejdsbænke findes normalt i to typer: den midterste skinne-portalarbejdsbænk inkluderer to basestyreskinner og en bro, mens den udkragede arbejdsbænk bruger en base og en stiv bro. Begge maskintyper inkluderer en eller anden form for højdejustering af hovedet. Denne Z-akse-justering kan have form af en manuel håndsving, en elektrisk skrue eller en fuldt programmerbar servoskrue.
Sumpen på XY-arbejdsbænken er normalt en vandtank fyldt med vand, som er udstyret med gitre eller lameller til at understøtte emnet. Skæreprocessen forbruger disse understøtninger langsomt. Fælden kan rengøres automatisk, affaldet opbevares i beholderen, eller det kan være manuelt, og operatøren skovler regelmæssigt beholderen.
Efterhånden som andelen af emner med næsten ingen plane overflader stiger, er femaksede (eller flere) funktioner afgørende for moderne vandstråleskæring. Heldigvis giver det lette skærehoved og den lave rekylkraft under skæreprocessen designingeniører en frihed, som fræsning med høj belastning ikke har. Femakset vandstråleskæring brugte oprindeligt et skabelonsystem, men brugerne vendte hurtigt mod programmerbar femakse for at slippe af med omkostningerne ved skabeloner.
Men selv med dedikeret software er 3D-skæring mere kompliceret end 2D-skæring. Den sammensatte haledel af Boeing 777 er et ekstremt eksempel. Først uploader operatøren programmet og programmerer den fleksible "pogostick"-stav. Traverskranen transporterer materialet fra delene, og fjederstangen skrues af til en passende højde, og delene fastgøres. Den specielle ikke-skærende Z-akse bruger en kontaktprobe til præcist at placere delen i rummet og sampler punkter for at opnå den korrekte delhøjde og -retning. Derefter omdirigeres programmet til delens faktiske position; proben trækkes tilbage for at give plads til skærehovedets Z-akse; programmet kører for at styre alle fem akser for at holde skærehovedet vinkelret på den overflade, der skal skæres, og for at fungere efter behov. Kør med præcis hastighed.
Slibemidler er nødvendige for at skære kompositmaterialer eller ethvert metal større end 0,05 tommer, hvilket betyder, at ejektoren skal forhindres i at skære fjederstangen og værktøjsbunden efter skæring. Speciel punktfangst er den bedste måde at opnå femakset vandstråleskæring på. Test har vist, at denne teknologi kan stoppe et 50-hestekræfters jetfly under 6 tommer. Den C-formede ramme forbinder fangeren med Z-aksens håndled for korrekt at fange kuglen, når hovedet trimmer hele omkredsen af emnet. Punktfangeren stopper også slid og forbruger stålkugler med en hastighed på ca. 0,5 til 1 pund i timen. I dette system stoppes strålen ved spredning af kinetisk energi: efter at strålen er kommet ind i fælden, møder den den indeholdte stålkugle, og stålkuglen roterer for at forbruge strålens energi. Selv når den er vandret og (i nogle tilfælde) på hovedet, kan punktfangeren fungere.
Ikke alle femaksede dele er lige komplekse. Efterhånden som delens størrelse stiger, bliver programjustering og verifikation af delens position og skærenøjagtighed mere kompliceret. Mange værksteder bruger 3D-maskiner til simpel 2D-skæring og kompleks 3D-skæring hver dag.
Operatører bør være opmærksomme på, at der er stor forskel på emnets nøjagtighed og maskinens bevægelsesnøjagtighed. Selv en maskine med næsten perfekt nøjagtighed, dynamisk bevægelse, hastighedskontrol og fremragende repeterbarhed er muligvis ikke i stand til at producere "perfekte" emner. Nøjagtigheden af det færdige emne er en kombination af procesfejl, maskinfejl (XY-ydeevne) og emnestabilitet (fikstur, planhed og temperaturstabilitet).
Ved skæring af materialer med en tykkelse på mindre end 2,5 cm er vandstrålens nøjagtighed normalt mellem ±0,003 og 0,015 cm (0,07 og 0,4 mm). Nøjagtigheden for materialer, der er tykkere end 2,5 cm, ligger inden for ±0,005 til 0,100 cm (0,12 til 2,5 mm). Det højtydende XY-bord er designet til en lineær positioneringsnøjagtighed på 0,005 cm eller højere.
Potentielle fejl, der påvirker nøjagtigheden, omfatter værktøjskompensationsfejl, programmeringsfejl og maskinbevægelse. Værktøjskompensation er den værdi, der indtastes i styresystemet for at tage højde for skærebredden af dysen - det vil sige den mængde skærebane, der skal udvides for at den endelige del får den korrekte størrelse. For at undgå potentielle fejl i højpræcisionsarbejde bør operatører udføre prøvesnit og forstå, at værktøjskompensationen skal justeres for at matche hyppigheden af slid på blanderøret.
Programmeringsfejl opstår oftest, fordi nogle XY-kontroller ikke viser dimensionerne i delprogrammet, hvilket gør det vanskeligt at opdage manglen på dimensionsoverensstemmelse mellem delprogrammet og CAD-tegningen. Vigtige aspekter af maskinbevægelse, der kan introducere fejl, er mellemrummet og repeterbarheden i den mekaniske enhed. Servojustering er også vigtig, fordi forkert servojustering kan forårsage fejl i mellemrum, repeterbarhed, vertikalitet og vibrationer. Små dele med en længde og bredde på mindre end 12 tommer kræver ikke så mange XY-borde som store dele, så risikoen for maskinbevægelsesfejl er mindre.
Slibemidler tegner sig for to tredjedele af driftsomkostningerne for vandstrålesystemer. Andre omkostninger omfatter strøm, vand, luft, pakninger, kontraventiler, dyser, blanderør, vandindløbsfiltre og reservedele til hydrauliske pumper og højtrykscylindre.
Fuld effekt virkede dyrere i starten, men produktivitetsforøgelsen oversteg omkostningerne. Efterhånden som slibemidlets strømningshastighed stiger, vil skærehastigheden stige, og omkostningerne pr. tomme vil falde, indtil det optimale punkt når. For maksimal produktivitet bør operatøren køre skærehovedet med den hurtigste skærehastighed og maksimale hestekræfter for optimal udnyttelse. Hvis et system med 100 hestekræfter kun kan køre et hoved med 50 hestekræfter, kan det at køre to hoveder på systemet opnå denne effektivitet.
Optimering af slibende vandstråleskæring kræver opmærksomhed på den specifikke situation, men kan give fremragende produktivitetsforøgelser.
Det er uklogt at skære et luftgab større end 0,020 tommer, da strålen åbner sig i mellemrummet og groft skærer lavere niveauer. At stable materialearkene tæt sammen kan forhindre dette.
Mål produktivitet i form af omkostninger pr. tomme (dvs. antallet af dele, der fremstilles af systemet), ikke omkostninger pr. time. Faktisk er hurtig produktion nødvendig for at amortisere indirekte omkostninger.
Vandstråler, der ofte gennemborer kompositmaterialer, glas og sten, bør udstyres med en controller, der kan reducere og øge vandtrykket. Vakuumassistance og andre teknologier øger sandsynligheden for at gennembore skrøbelige eller laminerede materialer uden at beskadige målmaterialet.
Automatisering af materialehåndtering giver kun mening, når materialehåndtering tegner sig for en stor del af produktionsomkostningerne for dele. Slibende vandstrålemaskiner bruger normalt manuel aflæsning, mens pladeskæring primært bruger automatisering.
De fleste vandstrålesystemer bruger almindeligt postevand, og 90 % af vandstråleoperatører foretager ikke andre forberedelser end at blødgøre vandet, før det sendes til indløbsfilteret. Brug af omvendt osmose og deionisatorer til at rense vand kan være fristende, men fjernelse af ioner gør det lettere for vandet at absorbere ioner fra metaller i pumper og højtryksrør. Det kan forlænge dysens levetid, men omkostningerne ved at udskifte højtrykscylinderen, kontraventilen og endedækslet er meget højere.
Undervandsskæring reducerer overfladefroskning (også kendt som "dugdannelse") på den øverste kant af slibende vandstråleskæring, samtidig med at den reducerer dysestøj og kaos på arbejdspladsen betydeligt. Dette reducerer dog synligheden af strålen, så det anbefales at bruge elektronisk ydelsesovervågning til at registrere afvigelser fra spidsbelastningsforhold og stoppe systemet, før der opstår komponentskader.
For systemer, der bruger forskellige størrelser slibesigter til forskellige opgaver, skal du bruge ekstra lagerplads og dosering til almindelige størrelser. Små (100 lb) eller store (500 til 2.000 lb) bulktransportører og relaterede doseringsventiler muliggør hurtig skift mellem sigtestørrelser, hvilket reducerer nedetid og besvær, samtidig med at produktiviteten øges.
Separatoren kan effektivt skære materialer med en tykkelse på mindre end 0,3 tommer. Selvom disse klammer normalt kan sikre en anden slibning af gevindtappen, kan de opnå hurtigere materialehåndtering. Hårdere materialer vil have mindre etiketter.
Maskin med slibende vandstråle og kontrol af skæredybden. For de rigtige dele kan denne spirende proces være et overbevisende alternativ.
Sunlight-Tech Inc. har brugt GF Machining Solutions' Microlution lasermikrobearbejdnings- og mikrofræsningscentre til at producere dele med tolerancer på mindre end 1 mikron.
Vandstråleskæring indtager en plads inden for materialefremstilling. Denne artikel ser på, hvordan vandstråler fungerer i din butik, og ser på processen.
Opslagstidspunkt: 4. september 2021