Гидроабразивная резка может быть более простым методом обработки, но она оснащена мощным перфоратором и требует от оператора постоянного контроля износа и точности множества деталей.
Простейшая гидроабразивная резка — это процесс резки материалов струями воды под высоким давлением. Эта технология обычно дополняет другие технологии обработки, такие как фрезерование, лазерная резка, электроэрозионная резка и плазменная резка. В процессе гидроабразивной резки не образуются вредные вещества или пар, а также не образуется зона термического воздействия или механическое напряжение. Струи воды могут резать сверхтонкие детали на камне, стекле и металле; быстро сверлить отверстия в титане; резать продукты питания; и даже убивать патогены в напитках и соусах.
Все машины для гидроабразивной резки оснащены насосом, который может нагнетать давление воды для подачи в режущую головку, где она преобразуется в сверхзвуковой поток. Существует два основных типа насосов: насосы с прямым приводом и насосы с усилителем.
Роль насоса с прямым приводом аналогична роли очистителя высокого давления, а трехцилиндровый насос приводит в действие три плунжера напрямую от электродвигателя. Максимальное непрерывное рабочее давление на 10–25 % ниже, чем у аналогичных бустерных насосов, но это все еще удерживает их в диапазоне от 20 000 до 50 000 фунтов на квадратный дюйм.
Насосы с усилителем составляют большинство насосов сверхвысокого давления (то есть насосы свыше 30 000 фунтов на квадратный дюйм). Эти насосы содержат два контура жидкости, один для воды, а другой для гидравлики. Фильтр на входе воды сначала проходит через 1-микронный картриджный фильтр, а затем через 0,45-микронный фильтр для всасывания обычной водопроводной воды. Эта вода поступает в подкачивающий насос. Перед тем как она поступит в подкачивающий насос, давление подкачивающего насоса поддерживается на уровне около 90 фунтов на квадратный дюйм. Здесь давление увеличивается до 60 000 фунтов на квадратный дюйм. Прежде чем вода окончательно покинет насосный агрегат и достигнет режущей головки по трубопроводу, вода проходит через амортизатор. Устройство может подавлять колебания давления, чтобы улучшить последовательность и устранить импульсы, которые оставляют следы на заготовке.
В гидравлическом контуре электродвигатель между электродвигателями забирает масло из масляного бака и нагнетает его. Нагнетаемое масло поступает в коллектор, а клапан коллектора попеременно впрыскивает гидравлическое масло с обеих сторон узла бисквита и плунжера, чтобы создать ходовое действие усилителя. Поскольку поверхность плунжера меньше, чем у бисквита, давление масла «усиливает» давление воды.
Усилитель представляет собой возвратно-поступательный насос, что означает, что узел бисквита и плунжера подает воду высокого давления с одной стороны усилителя, в то время как вода низкого давления заполняет другую сторону. Рециркуляция также позволяет гидравлическому маслу охлаждаться, когда оно возвращается в бак. Обратный клапан гарантирует, что вода низкого и высокого давления может течь только в одном направлении. Цилиндры высокого давления и торцевые крышки, которые инкапсулируют плунжер и компоненты бисквита, должны соответствовать особым требованиям, чтобы выдерживать силы процесса и постоянные циклы давления. Вся система спроектирована так, чтобы постепенно выходить из строя, и утечка будет поступать в специальные «сливные отверстия», которые может контролировать оператор, чтобы лучше планировать регулярное техническое обслуживание.
Специальная труба высокого давления транспортирует воду к режущей головке. Труба также может обеспечивать свободу движения для режущей головки в зависимости от размера трубы. Нержавеющая сталь является предпочтительным материалом для этих труб, и существует три распространенных размера. Стальные трубы диаметром 1/4 дюйма достаточно гибкие для подключения к спортивному оборудованию, но не рекомендуются для транспортировки воды высокого давления на большие расстояния. Поскольку эта труба легко сгибается, даже в рулон, длина от 10 до 20 футов может достигать движения X, Y и Z. Более крупные трубы диаметром 3/8 дюйма обычно переносят воду от насоса к нижней части движущегося оборудования. Хотя ее можно сгибать, она, как правило, не подходит для оборудования движения трубопровода. Самая большая труба размером 9/16 дюйма лучше всего подходит для транспортировки воды высокого давления на большие расстояния. Больший диаметр помогает снизить потерю давления. Трубы такого размера очень совместимы с большими насосами, поскольку большое количество воды под высоким давлением также имеет больший риск потенциальной потери давления. Однако трубы такого размера нельзя сгибать, и на углах необходимо установить фитинги.
Машина для резки чистой струей воды является самой ранней машиной для резки водой, и ее история восходит к началу 1970-х годов. По сравнению с контактом или вдыханием материалов, они производят меньше воды на материалах, поэтому они подходят для производства таких продуктов, как автомобильные интерьеры и одноразовые подгузники. Жидкость очень жидкая - от 0,004 дюйма до 0,010 дюйма в диаметре - и обеспечивает чрезвычайно подробную геометрию с очень небольшой потерей материала. Усилие резки чрезвычайно низкое, а фиксация обычно проста. Эти машины лучше всего подходят для круглосуточной работы.
При рассмотрении режущей головки для чистого водоструйного станка важно помнить, что скорость потока — это микроскопические фрагменты или частицы разрываемого материала, а не давление. Для достижения этой высокой скорости вода под давлением протекает через небольшое отверстие в драгоценном камне (обычно сапфире, рубине или алмазе), закрепленном на конце сопла. Типичная резка использует диаметр отверстия от 0,004 до 0,010 дюйма, в то время как специальные приложения (например, набрызгивание бетона) могут использовать размеры до 0,10 дюйма. При 40 000 фунтов на квадратный дюйм поток из отверстия движется со скоростью приблизительно 2 Маха, а при 60 000 фунтов на квадратный дюйм поток превышает 3 Маха.
Разные ювелирные изделия имеют разный опыт в гидроабразивной резке. Сапфир является наиболее распространенным материалом общего назначения. Они служат приблизительно от 50 до 100 часов резки, хотя применение абразивной гидроабразивной резки вдвое сокращает это время. Рубины не подходят для чистой гидроабразивной резки, но поток воды, который они производят, очень подходит для абразивной резки. В процессе абразивной резки время резки рубинов составляет около 50-100 часов. Алмазы намного дороже сапфиров и рубинов, но время резки составляет от 800 до 2000 часов. Это делает алмаз особенно подходящим для круглосуточной работы. В некоторых случаях отверстие алмаза также можно очищать ультразвуком и использовать повторно.
В абразивно-водоструйном станке механизмом удаления материала является не сам поток воды. Наоборот, поток ускоряет абразивные частицы, чтобы разъесть материал. Эти станки в тысячи раз мощнее, чем станки для чистой гидроабразивной резки, и могут резать твердые материалы, такие как металл, камень, композитные материалы и керамика.
Абразивная струя больше, чем струя чистой воды, с диаметром от 0,020 дюйма до 0,050 дюйма. Они могут резать штабеля и материалы толщиной до 10 дюймов, не создавая зон термического воздействия или механического напряжения. Хотя их прочность увеличилась, режущая сила абразивной струи по-прежнему составляет менее одного фунта. Почти все операции по абразивной струе используют струйное устройство и могут легко переключаться с использования одной головки на использование нескольких головок, и даже абразивную водную струю можно преобразовать в чистую водную струю.
Абразив — это твердый, специально подобранный и отсортированный песок, обычно гранат. Для разных работ подходят разные размеры зерен. Гладкую поверхность можно получить с помощью абразивов 120 меш, в то время как абразивы 80 меш оказались более подходящими для общего применения. Скорость резки абразива 50 меш выше, но поверхность немного шероховатее.
Хотя водоструйные станки проще в эксплуатации, чем многие другие машины, смесительная трубка требует внимания оператора. Потенциал ускорения этой трубки подобен стволу винтовки, с разными размерами и разным сроком службы. Долговечная смесительная трубка является революционным новшеством в абразивной водоструйной резке, но трубка все еще очень хрупкая — если режущая головка соприкасается с приспособлением, тяжелым предметом или целевым материалом, трубка может сломаться. Поврежденные трубы не подлежат ремонту, поэтому для снижения затрат необходимо минимизировать замену. Современные машины обычно имеют функцию автоматического обнаружения столкновений, чтобы предотвратить столкновения со смесительной трубкой.
Расстояние между смесительной трубкой и целевым материалом обычно составляет от 0,010 до 0,200 дюйма, но оператор должен помнить, что расстояние более 0,080 дюйма приведет к образованию инея на верхней части резаной кромки детали. Подводная резка и другие методы могут уменьшить или устранить это образование инея.
Первоначально смесительная трубка была изготовлена из карбида вольфрама и имела срок службы всего от четырех до шести часов резки. Современные недорогие композитные трубы могут достигать срока службы резки от 35 до 60 часов и рекомендуются для грубой резки или обучения новых операторов. Композитная цементированная карбидная трубка продлевает свой срок службы до 80–90 часов резки. Высококачественная композитная цементированная карбидная трубка имеет срок службы резки от 100 до 150 часов, подходит для точной и ежедневной работы и демонстрирует наиболее предсказуемый концентрический износ.
Помимо обеспечения движения, станки для гидроабразивной резки также должны включать в себя способ закрепления заготовки и систему сбора и удаления воды и мусора, образующихся в процессе обработки.
Стационарные и одномерные машины являются простейшими водоструйными машинами. Стационарные водоструйные машины обычно используются в аэрокосмической промышленности для обрезки композитных материалов. Оператор подает материал в ручей, как ленточная пила, в то время как улавливатель собирает ручей и мусор. Большинство стационарных водоструйных машин являются чисто водоструйными, но не все. Продольно-резательная машина является вариантом стационарной машины, в которой такие продукты, как бумага, подаются через машину, а струя воды разрезает продукт на определенную ширину. Поперечно-резательная машина — это машина, которая движется вдоль оси. Они часто работают с продольно-резательными машинами для создания сетчатых узоров на продуктах, таких как торговые автоматы, такие как пирожные. Продольно-резательная машина режет продукт на определенную ширину, в то время как поперечно-резательная машина поперечно режет продукт, подаваемый под ней.
Операторам не следует вручную использовать этот тип абразивной гидроабразивной резки. Трудно перемещать разрезаемый объект с определенной и постоянной скоростью, и это чрезвычайно опасно. Многие производители даже не указывают данные по машинам для таких настроек.
XY-стол, также называемый плоскостным режущим станком, является наиболее распространенным двухмерным станком для гидроабразивной резки. Чистые струи воды режут прокладки, пластик, резину и пену, в то время как абразивные модели режут металлы, композиты, стекло, камень и керамику. Рабочий стол может быть размером от 2 × 4 футов до 30 × 100 футов. Обычно управление этими станками осуществляется с помощью ЧПУ или ПК. Серводвигатели, обычно с обратной связью замкнутого контура, обеспечивают целостность положения и скорости. Базовый блок включает линейные направляющие, корпуса подшипников и шарико-винтовые приводы, в то время как мостовой блок также включает эти технологии, а сборный резервуар включает поддержку материала.
Верстаки XY обычно выпускаются в двух вариантах: верстак с порталом посередине включает в себя два направляющих рельса основания и мост, а верстак с консолью использует основание и жесткий мост. Оба типа станков включают в себя некоторую форму регулировки высоты головки. Эта регулировка оси Z может иметь форму ручного кривошипа, электрического винта или полностью программируемого сервовинта.
Поддон на верстаке XY обычно представляет собой заполненный водой бак, который оснащен решетками или планками для поддержки заготовки. Процесс резки медленно расходует эти опоры. Ловушка может очищаться автоматически, отходы хранятся в контейнере, или это может быть сделано вручную, и оператор регулярно выгребает содержимое.
Поскольку доля изделий с почти нулевыми плоскими поверхностями увеличивается, возможности пяти (или более) осей становятся необходимыми для современной гидроабразивной резки. К счастью, легкая режущая головка и низкая сила отдачи в процессе резки предоставляют инженерам-конструкторам свободу, которой нет при фрезеровании с высокой нагрузкой. Первоначально для пятиосевой гидроабразивной резки использовалась система шаблонов, но вскоре пользователи перешли на программируемую пятиосевую резку, чтобы избавиться от стоимости шаблона.
Однако даже при наличии специального программного обеспечения 3D-резка сложнее 2D-резки. Композитная хвостовая часть Boeing 777 является экстремальным примером. Сначала оператор загружает программу и программирует гибкий «погостик». Мостовой кран транспортирует материал деталей, а пружинный стержень откручивается на соответствующую высоту, и детали фиксируются. Специальная нережущая ось Z использует контактный зонд для точного позиционирования детали в пространстве и контрольные точки для получения правильной высоты и направления детали. После этого программа перенаправляется в фактическое положение детали; зонд втягивается, чтобы освободить место для оси Z режущей головки; программа работает для управления всеми пятью осями, чтобы удерживать режущую головку перпендикулярно поверхности, подлежащей резке, и работать так, как требуется Движение с точной скоростью.
Для резки композитных материалов или любого металла размером более 0,05 дюйма требуются абразивы, что означает, что эжектор должен быть защищен от резки пружинного стержня и основания инструмента после резки. Специальный точечный захват — лучший способ добиться пятикоординатной гидроабразивной резки. Испытания показали, что эта технология может остановить 50-сильный реактивный самолет ниже 6 дюймов. Рама в форме буквы C соединяет улавливатель с запястьем оси Z для правильного захвата шарика, когда головка обрезает всю окружность детали. Точечный улавливатель также останавливает абразивный износ и потребляет стальные шарики со скоростью около 0,5–1 фунта в час. В этой системе струя останавливается за счет рассеивания кинетической энергии: после того, как струя попадает в ловушку, она сталкивается с содержащимся в ней стальным шариком, и стальной шарик вращается, потребляя энергию струи. Даже в горизонтальном положении и (в некоторых случаях) в перевернутом положении точечный улавливатель может работать.
Не все пятиосевые детали одинаково сложны. По мере увеличения размера детали настройка программы и проверка положения детали и точности резки становятся сложнее. Многие цеха ежедневно используют 3D-станки для простой 2D-резки и сложной 3D-резки.
Операторы должны знать, что существует большая разница между точностью детали и точностью движения машины. Даже машина с почти идеальной точностью, динамическим движением, контролем скорости и превосходной повторяемостью может не производить «идеальные» детали. Точность готовой детали — это комбинация погрешности процесса, погрешности машины (производительность XY) и стабильности заготовки (фиксация, плоскостность и температурная стабильность).
При резке материалов толщиной менее 1 дюйма точность струи воды обычно составляет от ±0,003 до 0,015 дюйма (от 0,07 до 0,4 мм). Точность материалов толщиной более 1 дюйма составляет от ±0,005 до 0,100 дюйма (от 0,12 до 2,5 мм). Высокопроизводительный стол XY рассчитан на точность линейного позиционирования 0,005 дюйма и выше.
Потенциальные ошибки, которые влияют на точность, включают ошибки компенсации инструмента, ошибки программирования и движение машины. Компенсация инструмента — это значение, вводимое в систему управления для учета ширины реза струи, то есть величины траектории реза, которую необходимо расширить, чтобы конечная деталь получила правильный размер. Чтобы избежать потенциальных ошибок при высокоточной работе, операторы должны выполнять пробные резы и понимать, что компенсация инструмента должна быть скорректирована в соответствии с частотой износа смесительной трубки.
Ошибки программирования чаще всего возникают из-за того, что некоторые элементы управления XY не отображают размеры в программе обработки детали, что затрудняет обнаружение отсутствия соответствия размеров между программой обработки детали и чертежом CAD. Важными аспектами движения машины, которые могут привести к ошибкам, являются зазор и повторяемость в механическом блоке. Регулировка сервопривода также важна, поскольку неправильная регулировка сервопривода может привести к ошибкам в зазорах, повторяемости, вертикальности и дребезжанию. Для небольших деталей длиной и шириной менее 12 дюймов не требуется столько столов XY, как для крупных деталей, поэтому вероятность ошибок движения машины меньше.
Абразивы составляют две трети эксплуатационных расходов систем гидроабразивной резки. Другие расходы включают электроэнергию, воду, воздух, уплотнения, обратные клапаны, диафрагмы, смесительные трубы, фильтры для впуска воды и запасные части для гидравлических насосов и цилиндров высокого давления.
Работа на полной мощности сначала казалась более дорогой, но рост производительности превысил стоимость. По мере увеличения расхода абразива скорость резки будет увеличиваться, а стоимость за дюйм будет уменьшаться, пока не достигнет оптимальной точки. Для максимальной производительности оператор должен запускать режущую головку на самой высокой скорости резки и максимальной мощности для оптимального использования. Если система мощностью 100 лошадиных сил может запускать только головку мощностью 50 лошадиных сил, то запуск двух головок в системе может достичь этой эффективности.
Оптимизация абразивно-гидроабразивной резки требует внимания к конкретной ситуации, но может обеспечить значительный рост производительности.
Неразумно делать воздушный зазор больше 0,020 дюйма, так как струя открывается в зазоре и грубо режет нижние уровни. Укладка листов материала вплотную друг к другу может предотвратить это.
Измеряйте производительность в терминах стоимости за дюйм (т.е. количества деталей, произведенных системой), а не стоимости за час. Фактически, быстрое производство необходимо для амортизации косвенных затрат.
Водоструйные станки, которые часто прокалывают композитные материалы, стекло и камни, должны быть оснащены контроллером, который может уменьшать и увеличивать давление воды. Вакуумная помощь и другие технологии повышают вероятность успешного прокалывания хрупких или ламинированных материалов без повреждения целевого материала.
Автоматизация обработки материалов имеет смысл только тогда, когда обработка материалов составляет большую часть себестоимости деталей. Абразивно-гидроабразивные станки обычно используют ручную выгрузку, тогда как резка пластин в основном использует автоматизацию.
Большинство систем водоструйной очистки используют обычную водопроводную воду, и 90% операторов водоструйной очистки не делают никаких приготовлений, кроме смягчения воды перед отправкой ее на входной фильтр. Использование обратного осмоса и деионизаторов для очистки воды может показаться заманчивым, но удаление ионов облегчает поглощение водой ионов из металлов в насосах и трубах высокого давления. Это может продлить срок службы сопла, но стоимость замены цилиндра высокого давления, обратного клапана и торцевой крышки намного выше.
Подводная резка уменьшает обледенение поверхности (также известное как «запотевание») на верхнем крае абразивной гидроабразивной резки, а также значительно снижает шум струи и хаос на рабочем месте. Однако это снижает видимость струи, поэтому рекомендуется использовать электронный мониторинг производительности для обнаружения отклонений от пиковых условий и остановки системы до повреждения любого компонента.
Для систем, использующих различные размеры абразивных сит для различных задач, используйте дополнительное хранилище и дозирование для обычных размеров. Малые (100 фунтов) или большие (от 500 до 2000 фунтов) насыпные конвейеры и соответствующие дозирующие клапаны позволяют быстро переключаться между размерами ячеек сита, сокращая время простоя и хлопоты, одновременно повышая производительность.
Сепаратор может эффективно резать материалы толщиной менее 0,3 дюйма. Хотя эти выступы обычно могут обеспечить вторую шлифовку метчика, они могут обеспечить более быструю обработку материала. Более твердые материалы будут иметь меньшие этикетки.
Машина с абразивной струей воды и контроль глубины резки. Для правильных деталей этот зарождающийся процесс может стать убедительной альтернативой.
Компания Sunlight-Tech Inc. использовала лазерные микрообрабатывающие и микрофрезерные центры Microlution компании GF Machining Solutions для производства деталей с допусками менее 1 микрона.
Гидроабразивная резка занимает свое место в сфере производства материалов. В этой статье рассматривается, как гидроабразивная резка работает для вашего магазина, а также рассматривается процесс.
Время публикации: 04.09.2021