Гидроабразивная резка может быть более простым методом обработки, но она оснащена мощным пуансоном и требует от оператора следить за износом и точностью нескольких деталей.
Простейшая гидроабразивная резка – это процесс резки материалов струями воды под высоким давлением. Эта технология обычно дополняет другие технологии обработки, такие как фрезерование, лазер, электроэрозионную обработку и плазму. В процессе водоструйной обработки не образуются вредные вещества и пар, не образуется зона термического влияния и механические напряжения. Струи воды позволяют резать ультратонкие детали на камне, стекле и металле; быстро сверлить отверстия в титане; нарезать еду; и даже убивают болезнетворные микроорганизмы в напитках и соусах.
Все водоструйные станки оснащены насосом, который может создавать давление для подачи воды к режущей головке, где она преобразуется в сверхзвуковой поток. Существует два основных типа насосов: насосы с прямым приводом и бустерные насосы.
Роль насоса с прямым приводом аналогична роли очистителя высокого давления, а трехцилиндровый насос приводит в движение три плунжера непосредственно от электродвигателя. Максимальное непрерывное рабочее давление на 10–25 % ниже, чем у аналогичных бустерных насосов, но при этом они по-прежнему остаются в диапазоне от 20 000 до 50 000 фунтов на квадратный дюйм.
Насосы с усилителем составляют большинство насосов сверхвысокого давления (то есть насосов с давлением более 30 000 фунтов на квадратный дюйм). Эти насосы содержат два жидкостных контура: один для воды, другой для гидравлики. Фильтр на входе воды сначала проходит через картриджный фильтр с размером ячеек 1 микрон, а затем через фильтр с размером ячеек 0,45 микрон, чтобы всасывать обычную водопроводную воду. Эта вода поступает в подкачивающий насос. Прежде чем он попадет 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 консистенцию и устранить импульсы, оставляющие следы на заготовке.
В гидравлическом контуре электродвигатель между электродвигателями всасывает масло из масляного бака и создает в нем давление. Масло под давлением поступает в коллектор, и клапан коллектора поочередно впрыскивает гидравлическое масло с обеих сторон узла печенья и плунжера, создавая ход поршня усилителя. Поскольку поверхность плунжера меньше, чем у бисквита, давление масла «усиливает» давление воды.
Бустер представляет собой поршневой насос, а это означает, что узел печенья и плунжера подает воду под высоким давлением с одной стороны бустера, в то время как вода под низким давлением заполняет другую сторону. Рециркуляция также позволяет гидравлическому маслу остыть, когда оно возвращается в бак. Обратный клапан гарантирует, что вода под низким и высоким давлением может течь только в одном направлении. Цилиндры высокого давления и торцевые крышки, в которых заключены плунжер и компоненты печенья, должны отвечать особым требованиям, чтобы выдерживать нагрузки процесса и циклы постоянного давления. Вся система спроектирована так, чтобы постепенно выходить из строя, и утечка будет стекать в специальные «сливные отверстия», за которыми оператор может следить, чтобы лучше планировать регулярное техническое обслуживание.
Специальная труба высокого давления подает воду к режущей головке. Труба также может обеспечивать свободу перемещения 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 гибки для подключения к спортивному инвентарю, но не рекомендуются для транспортировки воды под высоким давлением на большие расстояния. Поскольку эту трубку легко сгибать, даже в рулон, длина от 10 до 20 футов позволяет обеспечить перемещение по осям X, Y и Z. Большие трубы диаметром 3/8 дюйма (3/8 дюйма) обычно переносят воду от насоса к нижней части движущегося оборудования. Хотя его можно согнуть, он, как правило, не подходит для оборудования для перемещения трубопроводов. Самая большая труба размером 9/16 дюйма лучше всего подходит для транспортировки воды под высоким давлением на большие расстояния. Больший диаметр помогает снизить потери 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, а по углам необходимо устанавливать фитинги.
Станок для гидроабразивной резки является самым первым станком для гидроабразивной резки, его история восходит к началу 1970-х годов. По сравнению с контактом или вдыханием материалов они выделяют меньше воды на материалах, поэтому подходят для производства таких продуктов, как автомобильные салоны и одноразовые подгузники. Жидкость очень тонкая — от 0,004 до 0,010 дюйма в диаметре — и обеспечивает чрезвычайно детализированную геометрию с очень небольшими потерями материала. Сила резания чрезвычайно мала, а фиксация обычно проста. Эти машины лучше всего подходят для круглосуточной работы.
При выборе режущей головки для водоструйной машины важно помнить, что скорость потока определяется микроскопическими фрагментами или частицами разрываемого материала, а не давлением. Чтобы достичь такой высокой скорости, вода под давлением течет через небольшое отверстие в драгоценном камне (обычно сапфире, рубине или алмазе), закрепленном на конце сопла. При типичной резке используется отверстие диаметром от 0,004 до 0,010 дюйма, тогда как в особых случаях (например, набрызг-бетон) могут использоваться отверстия размером до 0,10 дюйма. При давлении 40 000 фунтов на квадратный дюйм поток из отверстия движется со скоростью примерно 2 Маха, а при 60 000 фунтов на квадратный дюйм поток превышает 3 Маха.
Разные ювелирные изделия имеют разный опыт гидроабразивной резки. Сапфир – самый распространенный материал общего назначения. Они служат примерно от 50 до 100 часов резки, хотя применение гидроабразивной резки сокращает это время вдвое. Рубины не подходят для чистой гидроабразивной резки, но создаваемый ими поток воды очень подходит для абразивной резки. В процессе абразивной резки время резки рубинов составляет от 50 до 100 часов. Бриллианты намного дороже сапфиров и рубинов, но время огранки составляет от 800 до 2000 часов. Это делает алмаз особенно пригодным для круглосуточной работы. В некоторых случаях алмазное отверстие также можно очистить ультразвуком и использовать повторно.
В абразивной водоструйной машине механизм удаления материала не является самим потоком воды. И наоборот, поток ускоряет абразивные частицы, вызывая коррозию материала. Эти машины в тысячи раз мощнее, чем машины для гидроабразивной резки, и могут резать твердые материалы, такие как металл, камень, композитные материалы и керамика.
Абразивная струя больше, чем струя чистой воды, и ее диаметр составляет от 0,020 до 0,050 дюйма. Они могут резать стопки и материалы толщиной до 10 дюймов, не создавая зон термического воздействия и механических напряжений. Хотя их прочность возросла, режущая сила абразивной струи все еще составляет менее одного фунта. Почти во всех операциях абразивной струйной обработки используется струйное устройство, и их можно легко переключить с использования одной головки на использование с несколькими головками, и даже струю абразивной воды можно преобразовать в струю чистой воды.
Абразив - твердый, специально подобранный и калиброванный песок - обычно гранат. Различные размеры сетки подходят для разных работ. Гладкую поверхность можно получить с помощью абразива с размером 120 меш, тогда как абразивы с размером 80 меш оказались более подходящими для применения общего назначения. Скорость абразивной резки 50 меш выше, но поверхность немного шероховатее.
Хотя водометами проще управлять, чем многими другими машинами, смесительная трубка требует внимания оператора. Потенциал ускорения этой трубки аналогичен стволу винтовки, с разными размерами и разным сроком службы. Долговечная смесительная трубка является революционной инновацией в области абразивной водоструйной резки, однако трубка по-прежнему очень хрупкая: если режущая головка соприкоснется с приспособлением, тяжелым предметом или обрабатываемым материалом, трубка может сломаться. Поврежденные трубы невозможно отремонтировать, поэтому для снижения затрат необходимо свести к минимуму замену. Современные машины обычно имеют функцию автоматического обнаружения столкновений для предотвращения столкновений со смесительной трубкой.
Расстояние между смесительной трубкой и целевым материалом обычно составляет от 0,010 до 0,200 дюйма, но оператор должен иметь в виду, что расстояние, превышающее 0,080 дюйма, приведет к обледенению верхней части срезанной кромки детали. Подводная резка и другие методы могут уменьшить или устранить образование инея.
Первоначально смесительная трубка изготавливалась из карбида вольфрама и имела срок службы всего от четырех до шести часов резки. Сегодняшние недорогие композитные трубы могут иметь срок службы от 35 до 60 часов и рекомендуются для черновой резки или обучения новых операторов. Композитная трубка из цементированного карбида продлевает срок службы до 80–90 часов резки. Высококачественная композитная трубка из цементированного карбида имеет срок службы от 100 до 150 часов, подходит для точной и повседневной работы и демонстрирует наиболее предсказуемый концентрический износ.
Помимо обеспечения движения, гидроабразивные станки также должны включать в себя способ крепления заготовки и систему сбора и сбора воды и мусора от операций механической обработки.
Стационарные и одномерные машины являются простейшими водометами. Стационарные водометы обычно используются в аэрокосмической отрасли для обработки композитных материалов. Оператор подает материал в ручей, как ленточную пилу, а улавливатель собирает ручей и мусор. Большинство стационарных водометов являются чисто водоструйными, но не все. Бобинорезальная машина представляет собой вариант стационарной машины, в которой такие продукты, как бумага, подаются через машину, а струя воды разрезает продукт на определенную ширину. Торцовочный станок – это станок, который движется вдоль оси. Они часто работают с продольно-резательными машинами, чтобы создавать сетчатые узоры на таких продуктах, как торговые автоматы, такие как пирожные. продольно-резательная машина разрезает продукт на определенную ширину, а поперечно-резательная машина разрезает продукт, подаваемый под ней.
Операторам не следует вручную использовать этот тип абразивной гидроабразивной резки. Перемещать разрезанный объект с определенной и постоянной скоростью сложно, и это чрезвычайно опасно. Многие производители даже не указывают машины с такими настройками.
Стол XY, также называемый планшетным станком для резки, является наиболее распространенным станком для двумерной гидроабразивной резки. Струи чистой воды режут прокладки, пластик, резину и пенопласт, а абразивные модели режут металлы, композиты, стекло, камень и керамику. Верстак 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 по замкнутому контуру, обеспечивают целостность положения и скорости. Базовый блок включает в себя линейные направляющие, корпуса подшипников и ШВП, мостовой блок также включает в себя эти технологии, а сборный резервуар включает в себя материальное обеспечение.
Верстаки XY обычно бывают двух стилей: портальный верстак со средней направляющей включает в себя две базовые направляющие и мост, а консольный верстак использует основание и жесткий мост. Оба типа машин имеют некоторую форму регулировки высоты головки. Эта регулировка по оси Z может иметь форму ручного кривошипа, электрического винта или полностью программируемого сервовинта.
Поддон на XY-верстаке обычно представляет собой резервуар для воды, наполненный водой и снабженный решетками или планками для поддержки заготовки. В процессе резки эти опоры расходуются медленно. Ловушка может очищаться автоматически, отходы складируются в контейнере, а может быть ручной, и оператор регулярно перегребает банку.
Поскольку доля изделий, практически не имеющих плоских поверхностей, увеличивается, для современной гидроабразивной резки необходимы возможности пятиосной (или более) резки. К счастью, легкая режущая головка и низкая сила отдачи в процессе резки предоставляют инженерам-конструкторам свободу, которой нет при фрезеровании с высокими нагрузками. При пятиосной гидроабразивной резке первоначально использовалась система шаблонов, но вскоре пользователи обратились к программируемой пятиосевой резке, чтобы избавиться от стоимости шаблона.
Однако даже при наличии специального программного обеспечения 3D-резка сложнее, чем 2D-резка. Композитная хвостовая часть Боинга 777 является крайним примером. Сначала оператор загружает программу и программирует гибкий штатный «погостик». Мостовой кран транспортирует материал деталей, а пружинный стержень выкручивается на соответствующую высоту и фиксируется детали. Специальная нережущая ось Z использует контактный щуп для точного позиционирования детали в пространстве и точки выборки для получения правильной высоты и направления детали. После этого программа перенаправляется на фактическое положение детали; щуп убирается, освобождая место для оси Z режущей головки; Программа запускается для управления всеми пятью осями, чтобы режущая головка оставалась перпендикулярной поверхности, подлежащей резке, и работала по мере необходимости. Перемещайтесь с точной скоростью.
Абразивы необходимы для резки композитных материалов или любого металла размером более 0,05 дюйма, а это означает, что выталкивателю необходимо предотвратить порез пружинного стержня и станины инструмента после резки. Специальный захват точки — лучший способ добиться пятиосной гидроабразивной резки. Испытания показали, что эта технология способна остановить 50-сильный реактивный самолет ниже 6 дюймов. С-образная рама соединяет ловушку с запястьем оси Z, чтобы правильно поймать мяч, когда головка обрезает всю окружность детали. Уловитель точек также предотвращает истирание и расходует стальные шарики со скоростью от 0,5 до 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 шар вращается, поглощая энергию струи. Даже в горизонтальном положении и (в некоторых случаях) в перевернутом положении точечный ловец может работать.
Не все пятиосные детали одинаково сложны. По мере увеличения размера детали усложняется программная настройка, проверка положения детали и точности резки. Многие магазины каждый день 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 станок с почти идеальной точностью, динамичным движением, контролем скорости и превосходной повторяемостью может оказаться не в состоянии производить «идеальные» детали. Точность готовой детали представляет собой комбинацию погрешности процесса, погрешности станка (характеристики XY) и стабильности заготовки (фиксация, плоскостность и температурная стабильность).
При резке материалов толщиной менее 1 дюйма точность водяной струи обычно составляет от ±0,003 до 0,015 дюйма (от 0,07 до 0,4 мм). Точность материалов толщиной более 1 дюйма находится в пределах ±0,005–0,100 дюйма (0,12–2,5 мм). Высокопроизводительный стол XY рассчитан на точность линейного позиционирования 0,005 дюйма или выше.
К потенциальным ошибкам, влияющим на точность, относятся ошибки компенсации инструмента, ошибки программирования и движение станка. Компенсация инструмента — это значение, вводимое в систему управления для учета ширины резания струи, то есть величины траектории резания, 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 отрегулирована 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 САПР. Важными аспектами движения машины, которые могут привести к ошибкам, являются зазоры и повторяемость механического узла. Регулировка сервопривода также важна, поскольку неправильная регулировка сервопривода может привести к ошибкам в зазорах, повторяемости, вертикальности и вибрации. Небольшие детали длиной и шириной менее 12 дюймов не требуют такого количества столов XY, как большие детали, поэтому вероятность ошибок при движении станка меньше.
На абразивы приходится две трети эксплуатационных расходов водоструйных систем. Другие включают в себя электроэнергию, воду, воздух, уплотнения, обратные клапаны, диафрагмы, смесительные трубы, фильтры на входе воды, а также запасные части для гидравлических насосов и цилиндров высокого давления.
Работа на полной мощности поначалу казалась дороже, но прирост производительности превысил затраты. По мере увеличения скорости потока абразива скорость резания будет увеличиваться, а стоимость за дюйм будет уменьшаться, пока не достигнет оптимальной точки. Для достижения максимальной производительности оператору следует использовать режущую головку на самой высокой скорости резания и максимальной мощности для оптимального использования. Если система мощностью 100 лошадиных сил может работать только с головкой мощностью 50 лошадиных сил, то использование двух головок в системе может обеспечить такую же эффективность.
Оптимизация гидроабразивной резки требует внимания к конкретной ситуации, но может обеспечить значительное повышение производительности.
Неразумно вырезать воздушный зазор размером более 0,020 дюйма, поскольку струя открывается в зазоре и грубо прорезает нижние уровни. Этого можно избежать, укладывая листы материала близко друг к другу.
Измеряйте производительность с точки зрения стоимости за дюйм (то есть количества деталей, изготовленных системой), а не стоимости часа. Фактически, быстрое производство необходимо для амортизации косвенных затрат.
Водометы, которые часто пробивают композитные материалы, стекло и камни, должны быть оснащены контроллером, позволяющим 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. В абразивных гидроабразивных станках обычно используется ручная разгрузка, тогда как для резки пластин в основном используется автоматизация.
В большинстве водоструйных систем используется обычная водопроводная вода, и 90% операторов водоструйной резки не делают никаких приготовлений, кроме умягчения воды перед отправкой ее во входной фильтр. Использование обратного осмоса и деионизаторов для очистки воды может быть заманчивым, но удаление ионов облегчает поглощение водой ионов металлов в насосах и трубах высокого давления. Это может продлить срок службы дросселя, но стоимость замены цилиндра высокого давления, обратного клапана и торцевой крышки намного выше.
Подводная резка уменьшает обледенение поверхности (также известное как «запотевание») на верхней кромке абразивной гидроабразивной резки, а также значительно снижает шум струи и хаос на рабочем месте. Однако это ухудшает видимость струи, поэтому рекомендуется использовать электронный контроль производительности, чтобы обнаружить отклонения от пиковых условий и остановить систему до повреждения каких-либо компонентов.
Для систем, в которых для разных работ используются абразивные сита разных размеров, используйте дополнительное хранилище и дозаторы для обычных размеров. Маленькие (100 фунтов) или большие (от 500 до 2000 фунтов) сыпучие конвейеры и соответствующие дозирующие клапаны позволяют быстро переключаться между размерами сит, сокращая время простоев и хлопот, одновременно повышая производительность.
Сепаратор может эффективно резать материалы толщиной менее 0,3 дюйма. Хотя эти выступы обычно могут обеспечить повторное затачивание метчика, они позволяют ускорить обработку материала. Более твердые материалы будут иметь меньшие этикетки.
Станок с абразивной водоструйной системой и контролем глубины резания. Для нужных сторон этот зарождающийся процесс может стать убедительной альтернативой.
Компания Sunlight-Tech Inc. использовала лазерные микрообрабатывающие и микрофрезерные центры Microlution от GF Machining Solutions для производства деталей с допуском менее 1 микрона.
Гидроабразивная резка занимает место в сфере производства материалов. В этой статье рассматривается, как гидроабразивные станки работают в вашем магазине, и рассматривается сам процесс.
Время публикации: 04 сентября 2021 г.