Гідроабразивне різання може бути простішим методом обробки, але воно оснащено потужним пуансоном і вимагає від оператора усвідомлення зношеності та точності багатьох деталей.
Найпростішим водоструменевим різанням є процес різання матеріалів струменем води під високим тиском. Ця технологія зазвичай доповнює інші технології обробки, такі як фрезерування, лазер, EDM і плазма. Під час водоструминного процесу не утворюються шкідливі речовини чи пара, не утворюється зона термічного впливу чи механічних навантажень. Струмені води можуть різати надтонкі деталі на камені, склі та металі; швидко свердлити отвори в титані; нарізати їжу; і навіть знищувати патогени в напоях і соусах.
Усі гідроабразивні машини мають насос, який може нагнітати воду для доставки до ріжучої головки, де вона перетворюється на надзвуковий потік. Існує два основних типи насосів: насоси з прямим приводом і насоси з підкачуванням.
Роль насоса з прямим приводом подібна до роботи очисника високого тиску, а трициліндровий насос приводить у дію три плунжери безпосередньо від електродвигуна. Максимальний безперервний робочий тиск на 10-25% нижчий, ніж у подібних насосів підвищення тиску, але це все одно підтримує їх між 20 000 і 50 000 psi.
Насоси на основі інтенсифікатора складають більшість насосів надвисокого тиску (тобто насоси понад 30 000 psi). Ці насоси містять два контури рідини, один для води, а інший для гідравліки. Фільтр на вході води спочатку проходить через картриджний фільтр 1 мкм, а потім через фільтр 0,45 мкм для всмоктування звичайної водопровідної води. Ця вода надходить у підкачувальний насос. Перед тим, як він потрапить у підкачувальний насос, тиск підкачувального насоса підтримується приблизно на рівні 90 psi. Тут тиск підвищується до 60 000 psi. Перед тим, як вода остаточно покине насосний агрегат і по трубопроводу досягне ріжучої головки, вода проходить через амортизатор. Пристрій може пригнічувати коливання тиску, щоб покращити консистенцію та усунути імпульси, які залишають сліди на заготовці.
У гідравлічній схемі електродвигун між електродвигунами забирає масло з масляного бака і створює в ньому тиск. Масло під тиском надходить до колектора, а клапан колектора по черзі впорскує гідравлічне масло з обох сторін печива та плунжерного вузла, щоб створити робочий хід бустера. Оскільки поверхня поршня менша, ніж поверхня печива, тиск масла «підсилює» тиск води.
Бустер є поршневим насосом, що означає, що блок печива та плунжера подає воду під високим тиском з одного боку бустера, а вода низького тиску заповнює інший бік. Рециркуляція також дозволяє охолоджувати гідравлічне масло, коли воно повертається в бак. Зворотний клапан забезпечує течію води під низьким і високим тиском лише в одному напрямку. Циліндри високого тиску та торцеві кришки, які капсулюють плунжер і компоненти печива, повинні відповідати спеціальним вимогам, щоб витримувати сили процесу та постійні цикли тиску. Вся система сконструйована таким чином, щоб поступово виходити з ладу, а витік потраплятиме до спеціальних «зливних отворів», за якими оператор може стежити, 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. Вибраним матеріалом для цих труб є нержавіюча сталь, і існує три поширених розміру. Сталеві труби діаметром 1/4 дюйма досить гнучкі для підключення до спортивного обладнання, але не рекомендуються для транспортування води під високим тиском на великі відстані. Оскільки цю трубу легко зігнути навіть у рулон, довжиною від 10 до 20 футів можна досягти руху X, Y та Z. Більші 3/8-дюймові труби 3/8-дюймові зазвичай передають воду від насоса до нижньої частини рухомого обладнання. Незважаючи на те, що його можна згинати, він, як правило, не підходить для обладнання для руху трубопроводів. Найбільша труба розміром 9/16 дюймів найкраще підходить для транспортування води під високим тиском на великі відстані. Більший діаметр допомагає зменшити втрату 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 встановити фітинги.
Машина для різання струменем води є найпершою машиною для різання струменем води, її історію можна простежити на початку 1970-х років. Порівняно з контактом або вдиханням матеріалів, вони виробляють менше води на матеріалах, тому вони придатні для виробництва таких продуктів, як автомобільні салони та одноразові підгузки. Рідина дуже тонка (від 0,004 дюйма до 0,010 дюйма в діаметрі) і забезпечує надзвичайно детальну геометрію з дуже невеликою втратою матеріалу. Сила різання надзвичайно низька, а фіксація зазвичай проста. Ці машини найкраще підходять для цілодобової роботи.
Розглядаючи ріжучу головку для чисто водоструйної машини, важливо пам’ятати, що швидкість потоку – це мікроскопічні фрагменти або частинки матеріалу, що розривається, а не тиск. Щоб досягти такої високої швидкості, вода під тиском тече через невеликий отвір у дорогоцінному камені (зазвичай сапфірі, рубіні або діаманті), закріпленому на кінці сопла. Для типового різання використовується отвір діаметром від 0,004 дюйма до 0,010 дюйма, тоді як для спеціальних застосувань (наприклад, напилення бетону) можна використовувати розміри до 0,10 дюйма. При 40 000 psi потік з отвору рухається зі швидкістю приблизно 2 Маха, а при 60 000 psi потік перевищує 3 Маха.
Різні ювелірні вироби мають різний досвід гідроабразивного різання. Сапфір - найпоширеніший матеріал загального призначення. Вони тривають приблизно від 50 до 100 годин різання, хоча застосування абразивної гідроабразивної рідини скорочує цей час вдвічі. Рубіни не підходять для чистого гідроабразивного різання, але потік води, який вони утворюють, дуже підходить для абразивного різання. У процесі абразивного різання час різання рубінів становить від 50 до 100 годин. Діаманти набагато дорожчі за сапфіри та рубіни, але час ограновування становить від 800 до 2000 годин. Це робить діамант особливо придатним для 24-годинної роботи. У деяких випадках алмазний отвір також можна очистити ультразвуком і використовувати повторно.
В абразивній гідроабразивній машині механізмом видалення матеріалу не є сам потік води. І навпаки, потік прискорює абразивні частинки, щоб роз'їсти матеріал. Ці верстати в тисячі разів потужніші, ніж верстати чистого гідроабразивного різання, і можуть різати тверді матеріали, такі як метал, камінь, композитні матеріали та кераміку.
Абразивний потік більший, ніж струмінь чистої води, з діаметром від 0,020 дюйма до 0,050 дюйма. Вони можуть різати стопки та матеріали товщиною до 10 дюймів без створення зон термічного впливу або механічного навантаження. Хоча їх міцність зросла, сила різання струменя абразиву все ще менше одного фунта. Майже всі абразивно-струменеві операції використовують струминний пристрій, і можна легко перейти від використання з однією головкою до використання з кількома головками, і навіть струмінь абразивної води можна перетворити на струмінь чистої води.
Абразивом є твердий, спеціально підібраний і за розміром пісок, як правило, гранат. Різні розміри сітки підходять для різних робіт. Гладку поверхню можна отримати за допомогою абразивів 120 меш, тоді як абразиви 80 меш виявилися більш придатними для застосування загального призначення. Швидкість абразивного різання 50 меш вище, але поверхня трохи шорсткіша.
Незважаючи на те, що водяними струменями легше керувати, ніж багатьма іншими машинами, змішувальна трубка вимагає уваги оператора. Потенціал прискорення цієї труби подібний до ствола гвинтівки, з різними розмірами та різним ресурсом заміни. Довговічна змішувальна трубка є революційною інновацією в абразивному водоструменевому різанні, але трубка все ще дуже крихка: якщо ріжуча головка стикається з пристосуванням, важким предметом або цільовим матеріалом, трубка може зламатися. Пошкоджені труби неможливо відремонтувати, тому для зниження витрат потрібно звести до мінімуму заміну. Сучасні машини зазвичай мають функцію автоматичного виявлення зіткнень, щоб запобігти зіткненням із змішувальною трубкою.
Відстань між змішувальною трубкою та цільовим матеріалом зазвичай становить від 0,010 дюйма до 0,200 дюйма, але оператор повинен пам’ятати, що відстань понад 0,080 дюйма спричинить намерзання на верхній частині зрізаного краю деталі. Підводне різання та інші методи можуть зменшити або усунути цю глазур.
Спочатку змішувальна трубка виготовлялася з карбіду вольфраму і 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 чорного різання або навчання нових операторів. Композитна твердосплавна труба продовжує термін служби до 80-90 годин різання. Високоякісна композитна труба з твердого сплаву має термін служби різання від 100 до 150 годин, підходить для точної та щоденної роботи та демонструє найбільш передбачуваний концентричний знос.
Окрім забезпечення руху, гідроабразивні верстати також повинні включати спосіб кріплення заготовки та систему збору та збору води та сміття від операцій обробки.
До найпростіших водоструйних машин відносяться стаціонарні та одномірні машини. Стаціонарні водяні струмені зазвичай використовуються в аерокосмічній галузі для обробки композитних матеріалів. Оператор подає матеріал у струмок, як стрічкова пила, тоді як уловлювач збирає струмок і сміття. Більшість стаціонарних гідроабразивних машин є чисто гідроабразивними, але не всі. Машина для різання — це варіант стаціонарної машини, у якій такі продукти, як папір, подаються через машину, а струмінь води розрізає продукт на певну ширину. Поперечний верстат — це верстат, що рухається вздовж осі. Вони часто працюють із розрізними машинами, щоб створювати візерунки, схожі на сітку, на таких продуктах, як торговельні автомати, наприклад брауні. Машина для різання розрізає продукт певної ширини, тоді як машина поперечного різання розрізає продукт, що подається під нею.
Оператори не повинні вручну використовувати цей тип абразивної гідроструминної машини. Важко переміщати розрізаний предмет із певною та постійною швидкістю, і це надзвичайно небезпечно. Багато виробників навіть не пропонуватимуть машини для цих налаштувань.
Стіл XY, також званий планшетною машиною для різання, є найпоширенішою машиною для двовимірного гідроабразивного різання. Струмені чистої води ріжуть прокладки, пластик, гуму та піну, тоді як абразивні моделі ріжуть метали, композити, скло, камінь і кераміку. Верстак може мати розміри 2 × 4 фути або 30 × 100 футів. Зазвичай управління цими верстатами здійснюється за допомогою ЧПК або ПК. Серводвигуни, як правило, із замкнутим контуром зворотного зв’язку, забезпечують цілісність положення та швидкості. Базовий вузол включає в себе лінійні напрямні, корпуси підшипників і кулькові гвинтові передачі, тоді як мостовий вузол також включає ці технології, а збірний резервуар включає матеріальну підтримку.
Верстаки XY зазвичай бувають двох типів: портальний верстак із середньою рейкою включає дві базові напрямні та перемичку, тоді як консольний верстак використовує основу та жорсткий перемикач. Обидва типи машин мають певну форму регулювання висоти голови. Ця можливість регулювання осі Z може мати форму ручного кривошипа, електричного гвинта або повністю програмованого серво-гвинта.
Відстійник на верстаку XY зазвичай являє собою резервуар для води, наповнений водою, який оснащений решітками або планками для підтримки заготовки. Процес різання споживає ці опори повільно. Пастка може очищатися автоматично, відходи зберігаються в контейнері, або це можна зробити вручну, і оператор регулярно перелопачує банку.
Зі збільшенням частки предметів, які майже не мають плоских поверхонь, для сучасного гідроабразивного різання необхідні п’ятиосі (або більше). На щастя, легка різальна головка та низька сила віддачі під час процесу різання надають інженерам-конструкторам свободу, якої немає при фрезеруванні з високим навантаженням. П’ятиосьове гідроабразивне різання спочатку використовувало шаблонну систему, але незабаром користувачі перейшли до програмованого п’ятиосьового різання, щоб позбутися вартості шаблону.
Однак навіть із спеціальним програмним забезпеченням 3D-різання складніше, ніж 2D-різання. Композитна хвостова частина Boeing 777 є екстремальним прикладом. Спочатку оператор завантажує програму і програмує гнучкий штат «погостик». Мостовий кран транспортує матеріал деталей, а пружинна планка відкручується на відповідну висоту, і деталі фіксуються. Спеціальна вісь Z без різання використовує контактний щуп для точного позиціонування деталі в просторі та точки зразка для отримання правильного висоти та напрямку деталі. Після цього програма перенаправляється на фактичне положення деталі; щуп втягується, щоб звільнити місце для осі Z ріжучої головки; програма запускається для керування всіма п’ятьма осями, щоб утримувати ріжучу головку перпендикулярно до поверхні, яку потрібно розрізати, і працювати за потреби Рух із точною швидкістю.
Для різання композитних матеріалів або будь-якого металу розміром понад 0,05 дюйма потрібні абразиви, а це означає, що ежектор не повинен перерізати пружинний стрижень і станину інструменту після різання. Спеціальне захоплення точок є найкращим способом досягнення п’ятиосьового гідроабразивного різання. Випробування показали, що ця технологія може зупинити реактивний літак потужністю 50 кінських сил нижче 6 дюймів. С-подібна рама з'єднує ловлю з зап'ястям по осі Z, щоб правильно ловити м'яч, коли голова обрізає всю окружність частини. Уловлювач 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 натикається на сталеву кульку, що міститься, і сталева кулька обертається, споживаючи енергію струменя. Навіть у горизонтальному положенні та (у деяких випадках) догори дном плямоуловлювач може працювати.
Не всі п’ятиосьові частини однаково складні. Зі збільшенням розміру деталі ускладнюється настройка програми і перевірка положення деталі і точності різання. Багато магазинів щодня використовують 3D-машини для простого 2D-різання та складного 3D-різання.
Оператори повинні знати, що існує велика різниця між точністю деталей і точністю руху машини. Навіть машина з майже ідеальною точністю, динамічним рухом, контролем швидкості та чудовою повторюваністю може бути не в змозі виготовити «ідеальні» деталі. Точність готової деталі — це комбінація похибки процесу, похибки машини (продуктивність XY) і стабільності заготовки (кріплення, площинність і стабільність температури).
Під час різання матеріалів товщиною менше 1 дюйма точність струменя води зазвичай становить від ±0,003 до 0,015 дюйма (0,07 до 0,4 мм). Точність матеріалів товщиною більше 1 дюйма становить від ±0,005 до 0,100 дюйма (0,12-2,5 мм). Високоефективний XY-стіл розроблено для лінійної точності позиціонування 0,005 дюйма або вище.
Потенційні помилки, які впливають на точність, включають помилки компенсації інструменту, помилки програмування та рух машини. Компенсація інструменту – це значення, яке вводиться в систему керування для врахування ширини різання струменя, тобто величини траєкторії різання, яку необхідно розширити, щоб кінцева деталь отримала правильний розмір. Щоб уникнути можливих помилок під час високоточної роботи, оператори повинні виконувати пробні різання та розуміти, що компенсація інструменту повинна бути скоригована відповідно до частоти зносу змішувальної трубки.
Помилки програмування найчастіше виникають через те, що деякі елементи керування XY не відображають розміри в програмі обробки деталей, що ускладнює виявлення відсутності відповідності розмірів між програмою обробки деталей і кресленням CAD. Важливими аспектами руху машини, які можуть викликати помилки, є зазор і повторюваність у механічному блоці. Налаштування сервоприводу також важливе, тому що неправильне регулювання сервоприводу може спричинити помилки в зазорах, повторюваності, вертикальності та тріскотах. Дрібні деталі довжиною та шириною менше 12 дюймів не потребують стільки столів XY, як великі деталі, тому ймовірність помилок руху машини менша.
На абразиви припадає дві третини експлуатаційних витрат гідроабразивних систем. Інші включають електроживлення, воду, повітря, ущільнювачі, зворотні клапани, отвори, змішувальні труби, фільтри на вході води та запасні частини для гідравлічних насосів і циліндрів високого тиску.
Робота на повній потужності спочатку здавалася дорожчою, але приріст продуктивності перевищив витрати. Зі збільшенням швидкості потоку абразиву швидкість різання зростатиме, а вартість дюйма зменшуватиметься, поки не досягне оптимальної точки. Для досягнення максимальної продуктивності оператор повинен використовувати 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 ця ефективність може бути досягнута за допомогою двох головок системи.
Оптимізація абразивного водоструминного різання вимагає уваги до конкретної ситуації, але може забезпечити чудове підвищення продуктивності.
Нерозумно скорочувати повітряний зазор більше 0,020 дюйма, оскільки струмінь відкривається в зазорі та грубо розрізає нижні рівні. Укладання листів матеріалу впритул один до одного може запобігти цьому.
Вимірюйте продуктивність з точки зору вартості за дюйм (тобто кількості деталей, виготовлених системою), а не вартості за годину. Насправді швидке виробництво необхідне для амортизації непрямих витрат.
Гідроструми, які часто пробивають композитні матеріали, скло та каміння, повинні бути оснащені контролером, який може зменшувати та збільшувати тиск води. Вакуумна допомога та інші технології підвищують вірогідність успішного проколювання крихких або шаруватих матеріалів без пошкодження цільового матеріалу.
Автоматизація транспортування матеріалів має сенс лише тоді, коли транспортування матеріалів становить значну частину вартості виробництва деталей. У абразивних гідроабразивних машинах зазвичай використовується ручне розвантаження, тоді як для різання пластин в основному використовується автоматизація.
Більшість гідроабразивних систем використовують звичайну воду з-під крана, і 90% операторів гідроабразивних систем не проводять жодної підготовки, окрім пом’якшення води перед подачею води до вхідного фільтра. Використання зворотного осмосу та деіонізаторів для очищення води може бути спокусливим, але видалення іонів полегшує поглинання водою іонів металів у насосах і трубах високого тиску. Це може подовжити термін служби отвору, але вартість заміни циліндра високого тиску, зворотного клапана та торцевої кришки значно вища.
Підводне різання зменшує утворення інею (також відоме як «запотівання») 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, щоб виявити відхилення від пікових умов і зупинити систему до будь-якого пошкодження компонентів.
Для систем, які використовують різні розміри абразивного сита для різних завдань, будь ласка, використовуйте додаткове сховище та вимірювання для загальних розмірів. Малі (100 фунтів) або великі (від 500 до 2000 фунтів) конвеєри для сипучих матеріалів і пов’язані з ними дозувальні клапани дозволяють швидко перемикатися між розмірами сита, скорочуючи час простою та клопоту, одночасно підвищуючи продуктивність.
Сепаратор може ефективно різати матеріали товщиною менше 0,3 дюйма. Хоча ці наконечники зазвичай можуть забезпечити повторне шліфування мітчика, вони можуть досягти швидшої обробки матеріалу. Більш тверді матеріали матимуть менші етикетки.
Верстат з абразивним водоструменем і контролем глибини різання. Для правильних частин цей процес, що зароджується, може стати переконливою альтернативою.
Компанія Sunlight-Tech Inc. використовувала центри лазерної мікрообробки та мікрофрезерування Microlution компанії GF Machining Solutions для виготовлення деталей із допусками менше 1 мікрона.
Гідроабразивне різання займає важливе місце в галузі виробництва матеріалів. У цій статті розглядається, як гідроабразивні апарати працюють у вашому магазині, і розглядається процес.
Час публікації: 04 вересня 2021 р