Гідроабразивне різання може бути простішим методом обробки, але воно оснащене потужним перфоратором і вимагає від оператора постійного контролю зносу та точності кількох деталей.
Найпростіше гідроабразивне різання – це процес нарізання матеріалів струменями води високого тиску. Ця технологія зазвичай доповнює інші технології обробки, такі як фрезерування, лазерна обробка, електроерозійна обробка та плазма. У процесі гідроабразивного різання не утворюються шкідливі речовини чи пара, а також не утворюється зона термічного впливу чи механічне напруження. Водяні струмені можуть різати надтонкі деталі на камені, склі та металі; швидко свердлити отвори в титані; різати продукти харчування; і навіть знищувати патогени в напоях та соусах.
Усі гідроабразивні верстати мають насос, який може стискати воду для подачі до ріжучої головки, де вона перетворюється на надзвуковий потік. Існує два основних типи насосів: насоси з прямим приводом та насоси з підсилювачем.
Роль насоса з прямим приводом аналогічна роботі очищувача високого тиску, а трициліндровий насос приводить у рух три плунжери безпосередньо від електродвигуна. Максимальний безперервний робочий тиск на 10–25% нижчий, ніж у аналогічних підсилювальних насосів, але це все ще дозволяє їм витримувати тиск від 20 000 до 50 000 фунтів на квадратний дюйм.
Насоси на основі підсилювачів тиску складають більшість насосів надвисокого тиску (тобто насосів понад 30 000 фунтів на квадратний дюйм). Ці насоси містять два контури рідини: один для води, а інший для гідравліки. Впускний фільтр води спочатку проходить через картриджний фільтр з розміром пор 1 мікрон, а потім через фільтр з розміром пор 0,45 мікрона, щоб всмоктувати звичайну водопровідну воду. Ця вода потрапляє в підсилювальний насос. Перш ніж вона потрапить у підсилювальний насос, тиск у підсилювальному насосі підтримується на рівні близько 90 фунтів на квадратний дюйм. Тут тиск збільшується до 60 000 фунтів на квадратний дюйм. Перш ніж вода остаточно покине насосний агрегат і досягне ріжучої головки через трубопровід, вона проходить через амортизатор. Пристрій може пригнічувати коливання тиску, щоб покращити консистенцію та усунути імпульси, які залишають сліди на заготовці.
У гідравлічному контурі електродвигун між електродвигунами відсмоктує масло з масляного бака та створює в ньому тиск. Масло під тиском надходить до колектора, а клапан колектора по черзі впорскує гідравлічне масло з обох боків вузла сухаря та плунжера, створюючи робочий хід підсилювача. Оскільки поверхня плунжера менша, ніж поверхня сухаря, тиск масла «підвищує» тиск води.
Бустер — це поршневий насос, що означає, що вузол з бісквіта та плунжера подає воду під високим тиском з одного боку бустера, тоді як вода низького тиску заповнює іншу сторону. Рециркуляція також дозволяє гідравлічній олії охолоджуватися, коли вона повертається в резервуар. Зворотний клапан гарантує, що вода низького та високого тиску може текти лише в одному напрямку. Циліндри високого тиску та торцеві кришки, що герметизують компоненти плунжера та бісквіта, повинні відповідати спеціальним вимогам, щоб витримувати сили процесу та цикли постійного тиску. Вся система розроблена таким чином, щоб поступово виходити з ладу, а витік потраплятиме у спеціальні «зливні отвори», які оператор може контролювати, щоб краще планувати регулярне технічне обслуговування.
Спеціальна труба високого тиску транспортує воду до ріжучої головки. Труба також може забезпечити свободу руху ріжучої головки, залежно від розміру труби. Нержавіюча сталь є матеріалом вибору для цих труб, і існує три поширені розміри. Сталеві труби діаметром 1/4 дюйма достатньо гнучкі для підключення до спортивного спорядження, але не рекомендуються для транспортування води під високим тиском на великі відстані. Оскільки цю трубу легко згинати, навіть у рулон, довжина від 10 до 20 футів може забезпечити рух X, Y та Z. Більші труби діаметром 3/8 дюйма (3/8 дюйма) зазвичай переносять воду від насоса до нижньої частини рухомого обладнання. Хоча їх можна згинати, вони зазвичай не підходять для обладнання для переміщення трубопроводів. Найбільша труба, розміром 9/16 дюйма (9/16 дюйма), найкраще підходить для транспортування води під високим тиском на великі відстані. Більший діаметр допомагає зменшити втрати тиску. Труби такого розміру дуже сумісні з великими насосами, оскільки велика кількість води під високим тиском також має більший ризик потенційної втрати тиску. Однак труби такого розміру не можна згинати, а на кутах потрібно встановлювати фітинги.
Різак чистою водою є найдавнішим верстатом для різання водою, його історію можна простежити до початку 1970-х років. Порівняно з контактом або вдиханням матеріалів, вони утворюють менше води на матеріалах, тому вони підходять для виробництва таких виробів, як автомобільні інтер'єри та одноразові підгузки. Рідина дуже рідка - від 0,004 до 0,010 дюйма в діаметрі - і забезпечує надзвичайно деталізовану геометрію з дуже незначними втратами матеріалу. Сила різання надзвичайно низька, а кріплення зазвичай просте. Ці машини найкраще підходять для цілодобової роботи.
Розглядаючи ріжучу головку для повністю гідроабразивного різання, важливо пам'ятати, що швидкість потоку – це мікроскопічні фрагменти або частинки матеріалу, що розривається, а не тиск. Для досягнення такої високої швидкості вода під тиском протікає через невеликий отвір у дорогоцінному камені (зазвичай сапфірі, рубіні або алмазі), закріпленому на кінці сопла. Для типового різання використовується діаметр отвору від 0,004 до 0,010 дюйма, тоді як для спеціальних застосувань (таких як набризг бетону) можуть використовуватися розміри до 0,10 дюйма. При тиску 40 000 фунтів на квадратний дюйм потік з отвору рухається зі швидкістю приблизно 2 Маха, а при тиску 60 000 фунтів на квадратний дюйм потік перевищує 3 Маха.
Різні ювелірні вироби мають різний досвід у гідроабразивному різанні. Сапфір є найпоширенішим матеріалом загального призначення. Він служить приблизно від 50 до 100 годин, хоча абразивне гідроабразивне різання скорочує цей час вдвічі. Рубіни не підходять для чистого гідроабразивного різання, але потік води, який вони створюють, дуже підходить для абразивного різання. В процесі абразивного різання час різання рубінів становить приблизно від 50 до 100 годин. Діаманти набагато дорожчі за сапфіри та рубіни, але час різання становить від 800 до 2000 годин. Це робить діамант особливо придатним для 24-годинної роботи. У деяких випадках отвір алмазу також можна очистити ультразвуком та використовувати повторно.
У абразивному гідроабразивному різанні механізмом видалення матеріалу є не сам потік води. І навпаки, потік прискорює абразивні частинки, що призводить до корозії матеріалу. Ці машини в тисячі разів потужніші за чисті гідроабразивні різальні машини та можуть різати тверді матеріали, такі як метал, камінь, композитні матеріали та кераміка.
Абразивний потік більший, ніж струмінь чистого водяного струменя, з діаметром від 0,020 до 0,050 дюйма. Вони можуть різати стопки та матеріали товщиною до 10 дюймів, не створюючи зон термічного впливу або механічного напруження. Хоча їхня міцність збільшилася, сила різання абразивного струменя все ще менше одного фунта. Майже всі операції з абразивно-струминної обробки використовують струменевий пристрій, і їх можна легко переключити з використання однієї головки на використання кількох головок, і навіть абразивний водяний струмінь можна перетворити на чистий водяний струмінь.
Абразив – це твердий, спеціально підібраний та подрібнений пісок, зазвичай гранатовий. Різні розміри сітки підходять для різних робіт. Гладку поверхню можна отримати з абразивами з розміром сітки 120 меш, тоді як абразиви з розміром сітки 80 виявилися більш придатними для загального застосування. Швидкість різання з абразивом з розміром сітки 50 меш вища, але поверхня трохи шорсткіша.
Хоча водоструминні різаки легше керувати, ніж багатьма іншими машинами, змішувальна трубка вимагає уваги оператора. Потенціал прискорення цієї трубки подібний до ствола гвинтівки, з різними розмірами та різним терміном служби. Довговічна змішувальна трубка є революційною інновацією в абразивному гідроструминному різанні, але трубка все ще дуже крихка — якщо ріжуча головка торкнеться пристосування, важкого предмета або цільового матеріалу, трубка може зламатися. Пошкоджені труби не підлягають ремонту, тому зниження витрат вимагає мінімізації заміни. Сучасні машини зазвичай мають функцію автоматичного виявлення зіткнень, щоб запобігти зіткненням зі змішувальною трубкою.
Відстань між змішувальною трубкою та цільовим матеріалом зазвичай становить від 0,010 до 0,200 дюйма, але оператор повинен пам'ятати, що відстань більше 0,080 дюйма призведе до утворення інею на верхній частині зрізаної кромки деталі. Підводне різання та інші методи можуть зменшити або усунути цю інею.
Спочатку змішувальна трубка виготовлялася з карбіду вольфраму та мала термін служби лише від чотирьох до шести годин різання. Сучасні недорогі композитні труби можуть досягати терміну служби різання від 35 до 60 годин і рекомендуються для чорнового різання або навчання нових операторів. Композитна трубка з цементованого карбіду збільшує термін служби до 80-90 годин різання. Високоякісна композитна трубка з цементованого карбіду має термін служби різання від 100 до 150 годин, підходить для прецизійної та щоденної роботи, а також демонструє найбільш передбачуваний концентричний знос.
Окрім забезпечення руху, гідроабразивні верстати також повинні мати спосіб закріплення заготовки та систему збору та утилізації води та сміття під час обробних операцій.
Стаціонарні та одновимірні машини є найпростішими гідроабразивними верстатами. Стаціонарні гідроабразивні верстати зазвичай використовуються в аерокосмічній промисловості для обрізання композитних матеріалів. Оператор подає матеріал у струмок, як стрічкова пилка, тоді як уловлювач збирає струмок та сміття. Більшість стаціонарних гідроабразивних верстатів є чистими гідроабразивними верстатами, але не всі. Різально-прорізний верстат є варіантом стаціонарного верстата, в якому такі продукти, як папір, подаються через верстат, а струмінь води ріже продукт на певну ширину. Поперечно-різальний верстат - це верстат, який рухається вздовж осі. Вони часто працюють з різально-прорізними верстатами для створення сітчастих візерунків на продуктах, таких як торговельні автомати, такі як тістечка. Різально-прорізний верстат ріже продукт на певну ширину, тоді як поперечно-різальний верстат поперечно ріже продукт, що подається під ним.
Операторам не слід вручну використовувати цей тип абразивного гідроабразивного різання. Важко переміщувати різаний об'єкт з певною та постійною швидкістю, і це надзвичайно небезпечно. Багато виробників навіть не пропонують машини для таких налаштувань.
XY-стіл, який також називають плоским різальним верстатом, є найпоширенішим двовимірним гідроабразивним різаком. Чистий водяний струмінь ріже прокладки, пластмаси, гуму та пінопласт, тоді як абразивні моделі ріжуть метали, композити, скло, камінь та кераміку. Верстат може мати розміри від 2 × 4 футів до 30 × 100 футів. Зазвичай керування цими верстатами здійснюється за допомогою ЧПУ або ПК. Серводвигуни, зазвичай із замкнутим зворотним зв'язком, забезпечують цілісність положення та швидкості. Базовий блок включає лінійні напрямні, корпуси підшипників та кулькові гвинтові приводи, тоді як мостовий блок також включає ці технології, а збірний бак включає опору для матеріалу.
Верстаки XY зазвичай бувають двох типів: портальний верстат із середньою рейкою включає дві напрямні рейки та міст, тоді як консольний верстат використовує основу та жорсткий міст. Обидва типи верстатів мають певну форму регулювання висоти головки. Це регулювання по осі Z може здійснюватися за допомогою ручного кривошипа, електричного гвинта або повністю програмованого сервогвинта.
Збірник на XY-верстаті зазвичай являє собою резервуар для води, заповнений водою, який оснащений решітками або планками для підтримки заготовки. Процес різання повільно витрачає ці опори. Пастка може очищатися автоматично, відходи зберігаються в контейнері, або це може бути ручним, і оператор регулярно перегріває контейнер.
Оскільки частка виробів майже без плоских поверхонь зростає, п'ятиосьові (або більше) можливості є важливими для сучасного гідроабразивного різання. На щастя, легка різальна головка та низька сила віддачі під час процесу різання надають інженерам-конструкторам свободу, якої немає під час фрезерування з високим навантаженням. П'ятиосьове гідроабразивне різання спочатку використовувало систему шаблонів, але користувачі незабаром перейшли до програмованого п'ятиосьового різання, щоб позбутися вартості шаблонів.
Однак, навіть зі спеціалізованим програмним забезпеченням, 3D-різання є складнішим, ніж 2D-різання. Композитна хвостова частина Boeing 777 є крайнім прикладом. Спочатку оператор завантажує програму та програмує гнучку штангу-«погонист». Мостовий кран транспортує матеріал деталей, пружинний стрижень відкручується на відповідну висоту, і деталі фіксуються. Спеціальна неріжуча вісь Z використовує контактний зонд для точного позиціонування деталі в просторі та вибірки точок для отримання правильної висоти та напрямку деталі. Після цього програма перенаправляється на фактичне положення деталі; зонд втягується, щоб звільнити місце для осі Z ріжучої головки; програма працює для керування всіма п'ятьма осями, щоб ріжуча головка була перпендикулярною до поверхні, що ріжеться, та працювала відповідно до вимог. Переміщення з точною швидкістю.
Для різання композитних матеріалів або будь-якого металу розміром більше 0,05 дюйма потрібні абразиви, а це означає, що ежектор повинен запобігти різанню пружинного стрижня та станини інструменту після різання. Спеціальне захоплення точки – найкращий спосіб досягти п'ятиосьового гідроабразивного різання. Випробування показали, що ця технологія може зупинити 50-сильний реактивний літак на товщині менше 6 дюймів. С-подібна рама з'єднує уловлювач із зап'ястям осі Z, щоб правильно вловлювати кульку, коли головка обрізає всю окружність деталі. Уловлювач точки також зупиняє стирання та споживає сталеві кульки зі швидкістю приблизно від 0,5 до 1 фунта на годину. У цій системі струмінь зупиняється розсіюванням кінетичної енергії: після того, як струмінь потрапляє в пастку, він зустрічається зі сталевою кулькою, що міститься в ній, і сталева кулька обертається, споживаючи енергію струменя. Навіть у горизонтальному та (в деяких випадках) перевернутому положенні точковий уловлювач може працювати.
Не всі п'ятиосьові деталі однаково складні. Зі збільшенням розміру деталі ускладнюється налаштування програми та перевірка положення деталі та точності різання. Багато цехів щодня використовують 3D-верстати для простого 2D-різання та складного 3D-різання.
Оператори повинні усвідомлювати, що існує велика різниця між точністю деталі та точністю руху машини. Навіть машина з майже ідеальною точністю, динамічним рухом, контролем швидкості та відмінною повторюваністю може бути не в змозі виготовляти «ідеальні» деталі. Точність готової деталі є поєднанням похибки процесу, похибки машини (продуктивність XY) та стабільності заготовки (кріплення, площинність та температурна стабільність).
Під час різання матеріалів товщиною менше 1 дюйма точність водного струменя зазвичай становить від ±0,003 до 0,015 дюйма (від 0,07 до 0,4 мм). Точність матеріалів товщиною понад 1 дюйм становить від ±0,005 до 0,100 дюйма (від 0,12 до 2,5 мм). Високопродуктивний стіл XY розроблений для точності лінійного позиціонування 0,005 дюйма або вище.
Потенційні помилки, що впливають на точність, включають помилки компенсації інструменту, помилки програмування та рух верстата. Компенсація інструменту – це значення, що вводиться в систему керування, щоб врахувати ширину різання струменя, тобто довжину шляху різання, яку необхідно розширити, щоб кінцева деталь отримала правильний розмір. Щоб уникнути потенційних помилок у високоточній роботі, оператори повинні виконувати пробні різання та розуміти, що компенсацію інструменту необхідно регулювати відповідно до частоти зносу змішувальної трубки.
Помилки програмування найчастіше виникають через те, що деякі елементи керування XY не відображають розміри в програмі обробки деталі, що ускладнює виявлення відсутності відповідності розмірів між програмою обробки деталі та кресленням CAD. Важливими аспектами руху машини, які можуть призвести до помилок, є зазор та повторюваність у механічному блоці. Регулювання сервоприводу також важливе, оскільки неправильне регулювання сервоприводу може спричинити помилки в зазорах, повторюваності, вертикальності та вібрації. Для малих деталей довжиною та шириною менше 12 дюймів не потрібно стільки столів XY, скільки для великих деталей, тому ймовірність помилок руху машини менша.
Абразиви становлять дві третини експлуатаційних витрат систем гідроабразивного різання. Інші витрати включають електроенергію, воду, повітря, ущільнення, зворотні клапани, отвори, змішувальні труби, фільтри на вході води та запасні частини для гідравлічних насосів і циліндрів високого тиску.
Спочатку робота на повній потужності здавалася дорожчою, але збільшення продуктивності перевищило витрати. Зі збільшенням витрати абразиву швидкість різання зростатиме, а вартість дюйма зменшуватиметься, доки не досягне оптимальної точки. Для максимальної продуктивності оператор повинен запускати ріжучу головку з найвищою швидкістю різання та максимальною потужністю для оптимального використання. Якщо система потужністю 100 кінських сил може працювати лише з головкою потужністю 50 кінських сил, то використання двох головок у системі може досягти такої ефективності.
Оптимізація абразивного гідроабразивного різання вимагає уваги до конкретної ситуації, але може забезпечити чудове підвищення продуктивності.
Нерозумно вирізати повітряний зазор більше 0,020 дюйма, оскільки струмінь відкривається в зазорі та грубо прорізає нижні рівні. Тісне укладання листів матеріалу один до одного може запобігти цьому.
Вимірюйте продуктивність з точки зору вартості дюйма (тобто кількості деталей, виготовлених системою), а не вартості години. Фактично, швидке виробництво необхідне для амортизації непрямих витрат.
Гідроабразивні струмені, які часто проколюють композитні матеріали, скло та каміння, повинні бути оснащені контролером, який може зменшувати та збільшувати тиск води. Вакуумна допомога та інші технології збільшують ймовірність успішного проколювання крихких або ламінованих матеріалів без пошкодження цільового матеріалу.
Автоматизація обробки матеріалів має сенс лише тоді, коли обробка матеріалів становить значну частину виробничих витрат на деталі. Абразивні гідроабразивні верстати зазвичай використовують ручне розвантаження, тоді як різання листів переважно використовує автоматизацію.
Більшість систем гідроабразивного різання використовують звичайну водопровідну воду, і 90% операторів гідроабразивних систем не роблять жодної підготовки, окрім пом'якшення води перед подачею її на вхідний фільтр. Використання зворотного осмосу та деіонізаторів для очищення води може бути спокусливим, але видалення іонів полегшує поглинання водою іонів металів у насосах та трубах високого тиску. Це може подовжити термін служби отвору, але вартість заміни балона високого тиску, зворотного клапана та торцевої кришки значно вища.
Підводне різання зменшує поверхневе обмерзання (також відоме як «запітніння») на верхній кромці абразивного гідроабразивного різання, а також значно зменшує шум струменя та хаос на робочому місці. Однак це зменшує видимість струменя, тому рекомендується використовувати електронний моніторинг продуктивності для виявлення відхилень від пікових умов та зупинки системи до пошкодження будь-яких компонентів.
Для систем, що використовують абразивні сітки різних розмірів для різних робіт, будь ласка, використовуйте додаткове сховище та дозатор для поширених розмірів. Малі (100 фунтів) або великі (500-2000 фунтів) транспортні засоби для сипучих матеріалів та відповідні дозувальні клапани дозволяють швидко перемикатися між розмірами сіток, зменшуючи час простою та клопоти, а також підвищуючи продуктивність.
Сепаратор може ефективно різати матеріали товщиною менше 0,3 дюйма. Хоча ці виступи зазвичай можуть забезпечити повторне заточування мітчика, вони можуть забезпечити швидшу обробку матеріалу. Твердіші матеріали матимуть менші етикетки.
Обробка абразивним струменем води та контроль глибини різання. Для потрібних деталей цей новий процес може стати переконливою альтернативою.
Компанія Sunlight-Tech Inc. використовувала лазерні мікрообробні та мікрофрезерні центри Microlution від GF Machining Solutions для виготовлення деталей з допусками менше 1 мікрона.
Гідроабразивне різання займає важливе місце в галузі виробництва матеріалів. У цій статті розглядається, як гідроабразивне різання працює у вашому магазині, та розглядається цей процес.
Час публікації: 04 вересня 2021 р.