Rezanie vodným lúčom môže byť jednoduchšou metódou spracovania, ale je vybavené výkonným razníkom a vyžaduje, aby si obsluha udržiavala prehľad o opotrebovaní a presnosti viacerých dielov.
Najjednoduchšie rezanie vodným lúčom je proces rezania materiálov vysokotlakovými vodnými lúčmi. Táto technológia zvyčajne dopĺňa iné technológie spracovania, ako je frézovanie, laser, EDM a plazma. Pri procese vodného lúča nevznikajú žiadne škodlivé látky ani para a nevznikajú žiadne tepelne ovplyvnené zóny ani mechanické namáhanie. Vodné lúče dokážu rezať ultratenké detaily na kameni, skle a kove; rýchlo vŕtať otvory do titánu; rezať potraviny; a dokonca ničiť patogény v nápojoch a dipoch.
Všetky stroje na rezanie vodným lúčom majú čerpadlo, ktoré dokáže natlakovať vodu na dopravu do rezacej hlavy, kde sa premieňa na nadzvukový prúd. Existujú dva hlavné typy čerpadiel: čerpadlá s priamym pohonom a čerpadlá s posilňovačom.
Úloha čerpadla s priamym pohonom je podobná úlohe vysokotlakového čističa a trojvalcové čerpadlo poháňa tri piesty priamo z elektromotora. Maximálny trvalý pracovný tlak je o 10 % až 25 % nižší ako pri podobných posilňovacích čerpadlách, ale stále sa udržiava medzi 20 000 a 50 000 psi.
Čerpadlá na báze zosilňovačov tvoria väčšinu ultravysokotlakových čerpadiel (t. j. čerpadiel s tlakom nad 30 000 psi). Tieto čerpadlá obsahujú dva kvapalinové okruhy, jeden pre vodu a druhý pre hydrauliku. Vstupný filter vody najprv prechádza cez 1-mikrónový patrónový filter a potom cez 0,45-mikrónový filter, aby nasal bežnú vodu z vodovodu. Táto voda vstupuje do pomocného čerpadla. Pred vstupom do pomocného čerpadla sa tlak v pomocnom čerpadle udržiava na približne 90 psi. Tu sa tlak zvýši na 60 000 psi. Predtým, ako voda konečne opustí čerpaciu súpravu a dosiahne reznú hlavu potrubím, prechádza cez tlmič nárazov. Zariadenie dokáže potlačiť kolísanie tlaku, aby sa zlepšila konzistencia a eliminovali sa impulzy, ktoré zanechávajú stopy na obrobku.
V hydraulickom okruhu elektromotor medzi elektromotormi nasáva olej z olejovej nádrže a natlakuje ho. Tlakový olej prúdi do rozdeľovacieho potrubia a ventil rozdeľovacieho potrubia striedavo vstrekuje hydraulický olej na obe strany zostavy sušienky a piestu, čím vytvára zdvihový účinok posilňovača. Keďže povrch piestu je menší ako povrch sušienky, tlak oleja „zvyšuje“ tlak vody.
Posilňovač je piestové čerpadlo, čo znamená, že zostava sušienky a piestu dodáva vodu pod vysokým tlakom z jednej strany posilňovača, zatiaľ čo druhú stranu napĺňa voda pod nízkym tlakom. Recirkulácia tiež umožňuje ochladenie hydraulického oleja pri jeho návrate do nádrže. Spätný ventil zabezpečuje, že voda pod nízkym a vysokým tlakom môže prúdiť iba jedným smerom. Vysokotlakové valce a koncové uzávery, ktoré uzatvárajú komponenty piestu a sušienky, musia spĺňať špeciálne požiadavky, aby odolali silám procesu a cyklom konštantného tlaku. Celý systém je navrhnutý tak, aby postupne zlyhával a úniky boli odtekané do špeciálnych „odtokových otvorov“, ktoré môže obsluha monitorovať, aby si lepšie naplánovala pravidelnú údržbu.
Špeciálne vysokotlakové potrubie prepravuje vodu k reznej hlave. Potrubie môže tiež poskytnúť voľný pohyb reznej hlave v závislosti od veľkosti potrubia. Pre tieto potrubia sa používa nehrdzavejúca oceľ a existujú tri bežné veľkosti. Oceľové potrubia s priemerom 6 mm sú dostatočne flexibilné na pripojenie k športovému vybaveniu, ale neodporúčajú sa na prepravu vysokotlakovej vody na dlhé vzdialenosti. Keďže sa táto rúra ľahko ohýba, dokonca aj do rolky, dĺžka 3 až 6 metrov umožňuje pohyb v osach X, Y a Z. Väčšie 9 mm potrubia zvyčajne vedú vodu z čerpadla na spodok pohyblivého zariadenia. Hoci sa dajú ohýbať, vo všeobecnosti nie sú vhodné pre zariadenia na pohyb potrubia. Najväčšie potrubie s priemerom 24 mm je najlepšie na prepravu vysokotlakovej vody na dlhé vzdialenosti. Väčší priemer pomáha znižovať stratu tlaku. Potrubia tejto veľkosti sú veľmi dobre kompatibilné s veľkými čerpadlami, pretože veľké množstvo vysokotlakovej vody predstavuje aj väčšie riziko potenciálnej straty tlaku. Rúry tejto veľkosti sa však nedajú ohýbať a v rohoch je potrebné nainštalovať armatúry.
Rezací stroj s čistým vodným lúčom je najstarším rezacím strojom s vodným lúčom a jeho história siaha až do začiatku 70. rokov 20. storočia. V porovnaní s kontaktom alebo vdýchnutím materiálov produkujú na materiáloch menej vody, takže sú vhodné na výrobu produktov, ako sú automobilové interiéry a jednorazové plienky. Kvapalina je veľmi riedka - s priemerom od 0,004 do 0,010 palca - a poskytuje extrémne detailné geometrie s veľmi malou stratou materiálu. Rezacia sila je extrémne nízka a upevnenie je zvyčajne jednoduché. Tieto stroje sú najvhodnejšie na 24-hodinovú prevádzku.
Pri výbere rezacej hlavy pre čisto vodný lúč je dôležité mať na pamäti, že rýchlosť prúdenia predstavujú mikroskopické úlomky alebo častice trhaného materiálu, nie tlak. Na dosiahnutie tejto vysokej rýchlosti prúdi voda pod tlakom cez malý otvor v drahokame (zvyčajne zafír, rubín alebo diamant) upevnenom na konci trysky. Typické rezanie používa priemer otvoru od 0,004 palca do 0,010 palca, zatiaľ čo špeciálne aplikácie (ako napríklad striekaný betón) môžu používať veľkosti až do 0,10 palca. Pri tlaku 40 000 psi sa prúd z otvoru pohybuje rýchlosťou približne Mach 2 a pri tlaku 60 000 psi prietok presahuje Mach 3.
Rôzne šperky majú rôzne skúsenosti s rezaním vodným lúčom. Zafír je najbežnejší univerzálny materiál. Vydržia približne 50 až 100 hodín rezania, hoci pri použití abrazívneho vodného lúča sa tento čas skracuje na polovicu. Rubíny nie sú vhodné na čisté rezanie vodným lúčom, ale prietok vody, ktorý vytvárajú, je veľmi vhodný na abrazívne rezanie. V procese abrazívneho rezania je čas rezania rubínov približne 50 až 100 hodín. Diamanty sú oveľa drahšie ako zafíry a rubíny, ale čas rezania sa pohybuje medzi 800 a 2 000 hodinami. Vďaka tomu je diamant obzvlášť vhodný na 24-hodinovú prevádzku. V niektorých prípadoch je možné otvor diamantu tiež ultrazvukovo vyčistiť a opätovne použiť.
V abrazívnom vodnom lúči nie je mechanizmom odstraňovania materiálu samotný tok vody. Naopak, tok urýchľuje abrazívne častice a spôsobuje koróziu materiálu. Tieto stroje sú tisíckrát výkonnejšie ako čisto vodné rezacie stroje a dokážu rezať tvrdé materiály, ako sú kovy, kameň, kompozitné materiály a keramika.
Prúd abrazíva je väčší ako prúd čistej vody s priemerom medzi 0,020 a 0,050 palca. Dokážu rezať stohy a materiály s hrúbkou až 10 palcov bez vytvárania tepelne ovplyvnených zón alebo mechanického namáhania. Hoci sa ich pevnosť zvýšila, rezná sila prúdu abrazíva je stále menšia ako jedna libra. Takmer všetky operácie s abrazívnym čistením používajú tryskacie zariadenie a možno ich ľahko prepnúť z použitia jednej hlavy na použitie viacerých hláv a dokonca aj prúd abrazíva vody je možné premeniť na prúd čistej vody.
Brúsivo je tvrdý, špeciálne vybraný a dimenzovaný piesok – zvyčajne granát. Rôzne veľkosti mriežky sú vhodné pre rôzne úlohy. Hladký povrch sa dá dosiahnuť s brúsivami so zrnitosťou 120 mesh, zatiaľ čo brúsiva so zrnitosťou 80 mesh sa ukázali byť vhodnejšie na všeobecné použitie. Rýchlosť rezania s brúsivom so zrnitosťou 50 mesh je vyššia, ale povrch je o niečo drsnejší.
Hoci sa vodné trysky ovládajú jednoduchšie ako mnohé iné stroje, miešacia trubica vyžaduje pozornosť obsluhy. Potenciál zrýchlenia tejto trubice je podobný hlavni pušky, s rôznymi veľkosťami a rôznou životnosťou. Dlhotrvajúca miešacia trubica je revolučnou inováciou v rezaní abrazívnym vodným lúčom, ale trubica je stále veľmi krehká – ak sa rezná hlava dostane do kontaktu s upínacím prípravkom, ťažkým predmetom alebo cieľovým materiálom, trubica sa môže zlomiť. Poškodené potrubia sa nedajú opraviť, takže zníženie nákladov si vyžaduje minimalizáciu výmeny. Moderné stroje majú zvyčajne funkciu automatickej detekcie kolízií, ktorá zabraňuje kolíziám so miešacou trubicou.
Vzdialenosť medzi miešacou trubicou a cieľovým materiálom je zvyčajne 0,010 palca až 0,200 palca, ale obsluha musí mať na pamäti, že vzdialenosť väčšia ako 0,080 palca spôsobí námrazu na hornej strane rezanej hrany dielu. Rezanie pod vodou a iné techniky môžu túto námrazu znížiť alebo úplne odstrániť.
Miešacia trubica bola pôvodne vyrobená z karbidu volfrámu a mala životnosť iba štyri až šesť hodín rezania. Dnešné lacné kompozitné rúry môžu dosiahnuť životnosť rezania 35 až 60 hodín a odporúčajú sa na hrubé rezanie alebo na zaškolenie nových operátorov. Kompozitná rúra zo spekaného karbidu predlžuje svoju životnosť na 80 až 90 hodín rezania. Vysokokvalitná kompozitná rúra zo spekaného karbidu má životnosť rezania 100 až 150 hodín, je vhodná na presnú a každodennú prácu a vykazuje najpredvídateľnejšie koncentrické opotrebenie.
Okrem zabezpečenia pohybu musia obrábacie stroje s vodným lúčom obsahovať aj spôsob upevnenia obrobku a systém na zhromažďovanie a zachytávanie vody a nečistôt z obrábacích operácií.
Stacionárne a jednorozmerné stroje sú najjednoduchšie vodné lúče. Stacionárne vodné lúče sa bežne používajú v leteckom a kozmickom priemysle na orezávanie kompozitných materiálov. Obsluha podáva materiál do prúdu ako pásová píla, zatiaľ čo lapač zhromažďuje prúd a nečistoty. Väčšina stacionárnych vodných lúčov sú čisto vodné lúče, ale nie všetky. Rezací stroj je variantom stacionárneho stroja, v ktorom sa cez stroj podávajú produkty, ako napríklad papier, a vodný lúč reže produkt na určitú šírku. Priečny rezací stroj je stroj, ktorý sa pohybuje pozdĺž osi. Často pracujú s rezacími strojmi na vytváranie mriežkových vzorov na produktoch, ako sú predajné automaty, ako sú napríklad brownies. Rezací stroj reže produkt na určitú šírku, zatiaľ čo priečny rezací stroj priečne reže produkt podávaný pod ním.
Operátori by nemali manuálne používať tento typ abrazívneho vodného lúča. Je ťažké pohybovať rezaným predmetom určitou a konzistentnou rýchlosťou a je to mimoriadne nebezpečné. Mnohí výrobcovia ani neuvádzajú ceny strojov pre tieto nastavenia.
XY stôl, nazývaný aj plochý rezací stroj, je najbežnejším dvojrozmerným rezacím strojom vodným lúčom. Čisté vodné lúče režu tesnenia, plasty, gumu a penu, zatiaľ čo abrazívne modely režú kovy, kompozity, sklo, kameň a keramiku. Pracovný stôl môže mať rozmery od 2 × 4 stopy až po 30 × 100 stôp. Tieto obrábacie stroje sa zvyčajne ovládajú pomocou CNC alebo PC. Servomotory, zvyčajne s uzavretou spätnou väzbou, zabezpečujú integritu polohy a rýchlosti. Základná jednotka obsahuje lineárne vedenia, ložiskové telesá a pohony s guľôčkovými skrutkami, zatiaľ čo mostíková jednotka tiež obsahuje tieto technológie a zberná nádrž obsahuje materiálovú podperu.
Pracovné stoly XY sa zvyčajne dodávajú v dvoch prevedeniach: portálový pracovný stôl so stredovou koľajnicou obsahuje dve základné vodiace lišty a mostík, zatiaľ čo konzolový pracovný stôl používa základňu a pevný mostík. Oba typy strojov zahŕňajú určitú formu nastavenia výšky hlavy. Toto nastavenie osi Z môže mať formu manuálnej kľuky, elektrickej skrutky alebo plne programovateľnej servoskrutky.
Zberná nádrž na pracovnom stole XY je zvyčajne vodná nádrž naplnená vodou, ktorá je vybavená mriežkami alebo lamelami na podopretie obrobku. Proces rezania spotrebúva tieto podpery pomaly. Lapač sa môže čistiť automaticky, odpad sa ukladá do nádoby, alebo to môže byť manuálne a obsluha pravidelne nádobu odhŕňa.
S rastúcim podielom položiek s takmer žiadnymi rovnými povrchmi sú pre moderné rezanie vodným lúčom nevyhnutné päťosové (alebo viacosové) možnosti. Našťastie ľahká rezacia hlava a nízka sila spätného rázu počas procesu rezania poskytujú konštruktérom slobodu, ktorú frézovanie s vysokým zaťažením nemá. Päťosové rezanie vodným lúčom spočiatku používalo systém šablón, ale používatelia sa čoskoro obrátili na programovateľné päťosové rezanie, aby sa zbavili nákladov na šablóny.
Avšak aj so špecializovaným softvérom je 3D rezanie zložitejšie ako 2D rezanie. Extrémnym príkladom je kompozitná chvostová časť Boeingu 777. Najprv operátor nahrá program a naprogramuje flexibilnú tyč „pogostick“. Mostový žeriav prepraví materiál dielov, pružinová tyč sa odskrutkuje do vhodnej výšky a diely sa upevnia. Špeciálna nerezacia os Z používa kontaktnú sondu na presné umiestnenie dielu v priestore a vzorkovacie body na dosiahnutie správnej výšky a smeru dielu. Potom sa program presmeruje na skutočnú polohu dielu; sonda sa zasunie, aby uvoľnila miesto pre os Z reznej hlavy; program beží tak, aby riadil všetkých päť osí, aby udržal reznú hlavu kolmú na rezaný povrch a aby fungovala podľa potreby a pohybovala sa presnou rýchlosťou.
Na rezanie kompozitných materiálov alebo akéhokoľvek kovu väčšieho ako 0,05 palca sú potrebné abrazíva, čo znamená, že je potrebné zabrániť vyhadzovaču, aby po rezaní prerezal pružinovú tyč a lôžko nástroja. Špeciálny zachytávací bod je najlepší spôsob, ako dosiahnuť päťosové rezanie vodným lúčom. Testy ukázali, že táto technológia dokáže zastaviť prúdové lietadlo s výkonom 50 koní pod 6 palcami. Rám v tvare C spája zachytávač so zápästím osi Z, aby správne zachytil guľôčku, keď hlava oreže celý obvod dielu. Zachytávač bodov tiež zastavuje odieranie a spotrebúva oceľové guľôčky rýchlosťou približne 0,5 až 1 libra za hodinu. V tomto systéme je prúd zastavený rozptylom kinetickej energie: po vstupe prúdu do zachytávača narazí na obsiahnutú oceľovú guľôčku a oceľová guľôčka sa otáča, aby spotrebovala energiu prúdu. Bodový zachytávač môže fungovať aj v horizontálnej polohe a (v niektorých prípadoch) hore nohami.
Nie všetky päťosové diely sú rovnako zložité. S rastúcou veľkosťou dielu sa nastavovanie programu a overovanie polohy dielu a presnosti rezania stáva komplikovanejším. Mnoho dielní používa 3D stroje na jednoduché 2D rezanie aj zložité 3D rezanie každý deň.
Operátori by si mali byť vedomí, že medzi presnosťou súčiastky a presnosťou pohybu stroja je veľký rozdiel. Ani stroj s takmer dokonalou presnosťou, dynamickým pohybom, riadením rýchlosti a vynikajúcou opakovateľnosťou nemusí byť schopný vyrobiť „dokonalé“ súčiastky. Presnosť hotového súčiastky je kombináciou procesnej chyby, chyby stroja (výkon XY) a stability obrobku (upínanie, rovinnosť a teplotná stabilita).
Pri rezaní materiálov s hrúbkou menšou ako 1 palec je presnosť vodného lúča zvyčajne medzi ±0,003 až 0,015 palca (0,07 až 0,4 mm). Presnosť materiálov s hrúbkou väčšou ako 1 palec je v rozmedzí ±0,005 až 0,100 palca (0,12 až 2,5 mm). Vysokovýkonný stôl XY je navrhnutý pre lineárnu presnosť polohovania 0,005 palca alebo vyššiu.
Medzi potenciálne chyby, ktoré ovplyvňujú presnosť, patria chyby kompenzácie nástroja, chyby programovania a pohyb stroja. Kompenzácia nástroja je hodnota vstupujúca do riadiaceho systému, ktorá zohľadní šírku rezu prúdu – teda veľkosť dráhy rezu, ktorú je potrebné rozšíriť, aby konečný diel dosiahol správnu veľkosť. Aby sa predišlo potenciálnym chybám pri vysoko presných prácach, operátori by mali vykonávať skúšobné rezy a pochopiť, že kompenzácia nástroja musí byť upravená tak, aby zodpovedala frekvencii opotrebovania miešacej trubice.
Chyby v programovaní sa najčastejšie vyskytujú preto, že niektoré ovládacie prvky XY nezobrazujú rozmery v programe, čo sťažuje zistenie nedostatočnej rozmerovej zhody medzi programom a výkresom CAD. Dôležitými aspektmi pohybu stroja, ktoré môžu spôsobiť chyby, sú medzery a opakovateľnosť v mechanickej jednotke. Dôležité je aj nastavenie serva, pretože nesprávne nastavenie serva môže spôsobiť chyby v medzerách, opakovateľnosti, vertikále a chvení. Malé diely s dĺžkou a šírkou menšou ako 30 cm nevyžadujú toľko stolov XY ako veľké diely, takže možnosť chýb pohybu stroja je menšia.
Abrazíva tvoria dve tretiny prevádzkových nákladov systémov vodného lúča. Medzi ďalšie náklady patrí energia, voda, vzduch, tesnenia, spätné ventily, otvory, miešacie potrubia, filtre na prívode vody a náhradné diely pre hydraulické čerpadlá a vysokotlakové valce.
Prevádzka na plný výkon sa spočiatku zdala drahšia, ale zvýšenie produktivity prevýšilo náklady. S rastúcim prietokom abrazíva sa rýchlosť rezania zvyšuje a náklady na palec sa znižujú, až kým nedosiahnu optimálny bod. Pre maximálnu produktivitu by mal operátor prevádzkovať reznú hlavu pri najvyššej rýchlosti rezania a maximálnom výkone pre optimálne využitie. Ak systém so 100 konskými silami dokáže prevádzkovať iba hlavu s výkonom 50 konských síl, potom prevádzka dvoch hláv v systéme môže dosiahnuť túto účinnosť.
Optimalizácia rezania abrazívnym vodným lúčom vyžaduje pozornosť venovanú konkrétnej situácii, ale môže zabezpečiť vynikajúce zvýšenie produktivity.
Nie je rozumné rezať vzduchovú medzeru väčšiu ako 0,020 palca, pretože tryska sa v medzere otvorí a zhruba odreže nižšie úrovne. Tesné stohovanie materiálových listov pri sebe tomu môže zabrániť.
Produktivitu merajte z hľadiska nákladov na palec (t. j. počtu dielov vyrobených systémom), nie nákladov za hodinu. V skutočnosti je rýchla výroba nevyhnutná na amortizáciu nepriamych nákladov.
Vodné lúče, ktoré často prepichujú kompozitné materiály, sklo a kamene, by mali byť vybavené ovládačom, ktorý dokáže znížiť a zvýšiť tlak vody. Vákuová asistencia a ďalšie technológie zvyšujú pravdepodobnosť úspešného prepichnutia krehkých alebo laminovaných materiálov bez poškodenia cieľového materiálu.
Automatizácia manipulácie s materiálom má zmysel iba vtedy, keď manipulácia s materiálom tvorí veľkú časť výrobných nákladov na diely. Abrazívne vodné lúče zvyčajne používajú manuálne vykladanie, zatiaľ čo rezanie plechov využíva prevažne automatizáciu.
Väčšina systémov vodného lúča používa obyčajnú vodu z vodovodu a 90 % prevádzkovateľov vodného lúča nerobí žiadne iné prípravy okrem zmäkčenia vody pred jej odoslaním do vstupného filtra. Použitie reverznej osmózy a deionizátorov na čistenie vody môže byť lákavé, ale odstránenie iónov uľahčuje vode absorbovať ióny z kovov v čerpadlách a vysokotlakových potrubiach. Môže to predĺžiť životnosť otvoru, ale náklady na výmenu vysokotlakovej fľaše, spätného ventilu a koncového krytu sú oveľa vyššie.
Podvodné rezanie znižuje tvorbu námrazy (známej aj ako „zahmlievanie“) na hornom okraji abrazívneho vodného lúča a zároveň výrazne znižuje hluk prúdu a chaos na pracovisku. To však znižuje viditeľnosť prúdu, preto sa odporúča používať elektronické monitorovanie výkonu na detekciu odchýlok od špičkových podmienok a zastavenie systému pred poškodením akýchkoľvek komponentov.
V prípade systémov, ktoré používajú abrazívne sitá rôznych veľkostí pre rôzne úlohy, použite dodatočný skladovací a dávkovací systém pre bežné veľkosti. Malé (100 lb) alebo veľké (500 až 2 000 lb) sypké dopravné prostriedky a súvisiace dávkovacie ventily umožňujú rýchle prepínanie medzi veľkosťami ôk sita, čím sa skracujú prestoje a problémy a zároveň sa zvyšuje produktivita.
Separátor dokáže efektívne rezať materiály s hrúbkou menšou ako 0,3 palca. Hoci tieto výstupky zvyčajne zabezpečia druhé prebrúsenie závitníka, dokážu dosiahnuť rýchlejšiu manipuláciu s materiálom. Tvrdšie materiály budú mať menšie štítky.
Obrábajte abrazívnym vodným lúčom a regulujte hĺbku rezu. Pre správne diely môže tento vznikajúci proces poskytnúť presvedčivú alternatívu.
Spoločnosť Sunlight-Tech Inc. použila laserové mikroobrábacie a mikrofrézovacie centrá Microlution od spoločnosti GF Machining Solutions na výrobu dielov s toleranciami menšími ako 1 mikrón.
Rezanie vodným lúčom zaujíma miesto v oblasti výroby materiálov. Tento článok sa zaoberá tým, ako vodné lúče fungujú vo vašej predajni a akým je tento proces.
Čas uverejnenia: 4. septembra 2021