El tall per raig d'aigua pot ser un mètode de processament més senzill, però està equipat amb un punxó potent i requereix que l'operador sigui conscient del desgast i la precisió de múltiples peces.
El tall per raig d'aigua més senzill és el procés de tallar materials amb raigs d'aigua a alta pressió. Aquesta tecnologia sol ser complementària a altres tecnologies de processament, com ara el fresat, el làser, l'electroerosió i el plasma. En el procés per raig d'aigua, no es formen substàncies nocives ni vapor, i no es forma cap zona afectada per la calor ni tensió mecànica. Els raigs d'aigua poden tallar detalls ultrafins en pedra, vidre i metall; perforar ràpidament forats en titani; tallar aliments; i fins i tot matar patògens en begudes i salses.
Totes les màquines de tall per raig d'aigua tenen una bomba que pot pressuritzar l'aigua per al seu lliurament al capçal de tall, on es converteix en un flux supersònic. Hi ha dos tipus principals de bombes: les bombes basades en accionament directe i les bombes basades en booster.
La funció de la bomba d'accionament directe és similar a la d'una netejadora d'alta pressió, i la bomba de tres cilindres acciona tres pistons directament des del motor elèctric. La pressió màxima de treball contínua és entre un 10% i un 25% inferior a la de bombes de reforç similars, però això encara les manté entre 20.000 i 50.000 psi.
Les bombes basades en intensificadors constitueixen la majoria de les bombes d'ultraalta pressió (és a dir, bombes de més de 30.000 psi). Aquestes bombes contenen dos circuits de fluid, un per a l'aigua i l'altre per a la hidràulica. El filtre d'entrada d'aigua passa primer per un filtre de cartutx d'1 micra i després per un filtre de 0,45 micres per aspirar aigua de l'aixeta ordinària. Aquesta aigua entra a la bomba de reforç. Abans d'entrar a la bomba de reforç, la pressió de la bomba de reforç es manté a uns 90 psi. Aquí, la pressió augmenta a 60.000 psi. Abans que l'aigua finalment surti del conjunt de la bomba i arribi al capçal de tall a través de la canonada, l'aigua passa a través de l'amortidor. El dispositiu pot suprimir les fluctuacions de pressió per millorar la consistència i eliminar els polsos que deixen marques a la peça.
En el circuit hidràulic, el motor elèctric entre els motors elèctrics extreu oli del dipòsit d'oli i el pressuritza. L'oli pressuritzat flueix cap al col·lector i la vàlvula del col·lector injecta alternativament oli hidràulic a banda i banda del conjunt de la galeta i l'èmbol per generar l'acció de carrera del servomotor. Com que la superfície de l'èmbol és més petita que la de la galeta, la pressió de l'oli "augmenta" la pressió de l'aigua.
El booster és una bomba alternativa, la qual cosa significa que el conjunt de la galeta i l'èmbol subministra aigua a alta pressió des d'un costat del booster, mentre que l'aigua a baixa pressió omple l'altre costat. La recirculació també permet que l'oli hidràulic es refredi quan torna al dipòsit. La vàlvula antiretorn garanteix que l'aigua a baixa i alta pressió només pugui fluir en una direcció. Els cilindres d'alta pressió i els taps que encapsulen els components de l'èmbol i la galeta han de complir uns requisits especials per suportar les forces del procés i els cicles de pressió constants. Tot el sistema està dissenyat per fallar gradualment i les fuites fluiran cap a "forats de drenatge" especials, que l'operador pot controlar per programar millor el manteniment regular.
Una canonada especial d'alta pressió transporta l'aigua al capçal de tall. La canonada també pot proporcionar llibertat de moviment per al capçal de tall, depenent de la mida de la canonada. L'acer inoxidable és el material escollit per a aquestes canonades, i hi ha tres mides comunes. Les canonades d'acer amb un diàmetre de 1/4 de polzada són prou flexibles per connectar-les a equips esportius, però no es recomanen per al transport d'aigua a alta pressió a llarga distància. Com que aquest tub és fàcil de doblegar, fins i tot en un rotlle, una longitud de 10 a 20 peus pot aconseguir moviments X, Y i Z. Les canonades més grans de 3/8 de polzada solen transportar aigua des de la bomba fins a la part inferior de l'equip en moviment. Tot i que es pot doblegar, generalment no és adequada per a equips de moviment de canonades. La canonada més gran, que mesura 9/16 de polzada, és la millor per transportar aigua a alta pressió a llargues distàncies. Un diàmetre més gran ajuda a reduir la pèrdua de pressió. Les canonades d'aquesta mida són molt compatibles amb bombes grans, perquè una gran quantitat d'aigua a alta pressió també té un risc més gran de pèrdua de pressió potencial. Tanmateix, les canonades d'aquesta mida no es poden doblegar i cal instal·lar accessoris a les cantonades.
La màquina de tall per raig d'aigua pura és la màquina de tall per raig d'aigua més antiga, i la seva història es remunta a principis dels anys setanta. En comparació amb el contacte o la inhalació de materials, produeixen menys aigua sobre els materials, per la qual cosa són adequades per a la producció de productes com ara interiors d'automòbils i bolquers d'un sol ús. El fluid és molt prim, de 0,004 polzades a 0,010 polzades de diàmetre, i proporciona geometries extremadament detallades amb molt poca pèrdua de material. La força de tall és extremadament baixa i la fixació sol ser senzilla. Aquestes màquines són les més adequades per a un funcionament de 24 hores.
Quan es considera un capçal de tall per a una màquina de raig d'aigua pura, és important recordar que la velocitat del flux són els fragments o partícules microscòpiques del material d'esquinçament, no la pressió. Per aconseguir aquesta alta velocitat, l'aigua a pressió flueix a través d'un petit forat en una gemma (normalment un safir, robí o diamant) fixat a l'extrem del broquet. El tall típic utilitza un diàmetre d'orifici de 0,004 polzades a 0,010 polzades, mentre que les aplicacions especials (com el formigó proyectat) poden utilitzar mides de fins a 0,10 polzades. A 40.000 psi, el flux de l'orifici viatja a una velocitat d'aproximadament Mach 2, i a 60.000 psi, el flux supera Mach 3.
Diferents joies tenen diferent experiència en el tall per raig d'aigua. El safir és el material d'ús general més comú. Duran aproximadament de 50 a 100 hores de temps de tall, tot i que l'aplicació de raig d'aigua abrasiu redueix a la meitat aquests temps. Els robins no són adequats per al tall per raig d'aigua pur, però el flux d'aigua que produeixen és molt adequat per al tall abrasiu. En el procés de tall abrasiu, el temps de tall dels robins és d'unes 50 a 100 hores. Els diamants són molt més cars que els safirs i els robins, però el temps de tall és d'entre 800 i 2.000 hores. Això fa que el diamant sigui especialment adequat per a un funcionament de 24 hores. En alguns casos, l'orifici del diamant també es pot netejar i reutilitzar per ultrasons.
En la màquina de tall per raig d'aigua abrasiu, el mecanisme d'eliminació de material no és el flux d'aigua en si. Per contra, el flux accelera les partícules abrasives per corroir el material. Aquestes màquines són milers de vegades més potents que les màquines de tall per raig d'aigua pur i poden tallar materials durs com ara metall, pedra, materials compostos i ceràmica.
El corrent abrasiu és més gran que el corrent de raig d'aigua pura, amb un diàmetre d'entre 0,020 polzades i 0,050 polzades. Poden tallar piles i materials de fins a 10 polzades de gruix sense crear zones afectades per la calor ni tensions mecàniques. Tot i que la seva resistència ha augmentat, la força de tall del corrent abrasiu encara és inferior a una lliura. Gairebé totes les operacions de raig abrasiu utilitzen un dispositiu de raig i poden canviar fàcilment de l'ús d'un sol capçal a l'ús de diversos capçals, i fins i tot el raig d'aigua abrasiu es pot convertir en un raig d'aigua pura.
L'abrasiu és sorra dura, especialment seleccionada i dimensionada, generalment granat. Diferents mides de malla són adequades per a diferents treballs. Es pot obtenir una superfície llisa amb abrasius de malla 120, mentre que els abrasius de malla 80 han demostrat ser més adequats per a aplicacions d'ús general. La velocitat de tall amb abrasiu de malla 50 és més ràpida, però la superfície és lleugerament més rugosa.
Tot i que els raigs d'aigua són més fàcils d'operar que moltes altres màquines, el tub de mescla requereix l'atenció de l'operador. El potencial d'acceleració d'aquest tub és com el d'un canó de rifle, amb diferents mides i diferents vides de substitució. El tub de mescla de llarga durada és una innovació revolucionària en el tall per raig d'aigua abrasiu, però el tub continua sent molt fràgil: si el capçal de tall entra en contacte amb un accessori, un objecte pesat o el material objectiu, el tub es pot trencar. Les canonades danyades no es poden reparar, per la qual cosa mantenir els costos baixos requereix minimitzar la substitució. Les màquines modernes solen tenir una funció automàtica de detecció de col·lisions per evitar col·lisions amb el tub de mescla.
La distància de separació entre el tub de mescla i el material objectiu sol ser de 0,010 polzades a 0,200 polzades, però l'operador ha de tenir en compte que una separació superior a 0,080 polzades provocarà glaçament a la part superior de la vora tallada de la peça. El tall sota l'aigua i altres tècniques poden reduir o eliminar aquest glaçament.
Inicialment, el tub de mescla estava fet de carbur de tungstè i només tenia una vida útil de quatre a sis hores de tall. Els tubs compostos de baix cost actuals poden arribar a una vida útil de tall de 35 a 60 hores i es recomanen per a talls en brut o per a la formació de nous operadors. El tub compost de carbur cimentat allarga la seva vida útil a 80 a 90 hores de tall. El tub compost de carbur cimentat d'alta qualitat té una vida útil de tall de 100 a 150 hores, és adequat per a treballs de precisió i diaris, i presenta el desgast concèntric més previsible.
A més de proporcionar moviment, les màquines-eina de raig d'aigua també han d'incloure un mètode per fixar la peça i un sistema per recollir i recollir aigua i restes de les operacions de mecanitzat.
Les màquines estacionàries i unidimensionals són els raigs d'aigua més simples. Els raigs d'aigua estacionaris s'utilitzen habitualment en l'aeroespacial per retallar materials compostos. L'operador alimenta el material al rierol com una serra de cinta, mentre que el receptor recull el rierol i les restes. La majoria dels raigs d'aigua estacionaris són raigs d'aigua purs, però no tots. La màquina de tall longitudinal és una variant de la màquina estacionària, en què productes com el paper s'alimenten a través de la màquina i el raig d'aigua talla el producte a una amplada específica. Una màquina de tall transversal és una màquina que es mou al llarg d'un eix. Sovint treballen amb màquines de tall longitudinal per fer patrons en forma de quadrícula en productes com ara màquines expenedores com ara brownies. La màquina de tall longitudinal talla el producte a una amplada específica, mentre que la màquina de tall transversal talla transversalment el producte alimentat per sota.
Els operadors no haurien d'utilitzar manualment aquest tipus de raig d'aigua abrasiu. És difícil moure l'objecte tallat a una velocitat específica i constant, i és extremadament perillós. Molts fabricants ni tan sols pressuposten màquines per a aquesta configuració.
La taula XY, també anomenada màquina de tall plana, és la màquina de tall per raig d'aigua bidimensional més comuna. Els raigs d'aigua pura tallen juntes, plàstics, cautxú i escuma, mentre que els models abrasius tallen metalls, materials compostos, vidre, pedra i ceràmica. El banc de treball pot ser tan petit com 2 × 4 peus o tan gran com 30 × 100 peus. Normalment, el control d'aquestes màquines-eina es gestiona mitjançant CNC o PC. Els servomotors, generalment amb retroalimentació de circuit tancat, garanteixen la integritat de la posició i la velocitat. La unitat bàsica inclou guies lineals, carcasses de coixinets i accionaments de cargol de boles, mentre que la unitat de pont també inclou aquestes tecnologies, i el dipòsit de recollida inclou suport de material.
Els bancs de treball XY solen tenir dos estils: el banc de treball de pòrtic amb carril central inclou dos rails de guia base i un pont, mentre que el banc de treball en voladís utilitza una base i un pont rígid. Ambdós tipus de màquina inclouen algun tipus d'ajust de l'alçada del capçal. Aquest ajust de l'eix Z pot prendre la forma d'una manovella manual, un cargol elèctric o un cargol servo totalment programable.
El dipòsit del banc de treball XY sol ser un dipòsit d'aigua ple d'aigua, equipat amb reixes o llistons per suportar la peça. El procés de tall consumeix aquests suports lentament. La trampa es pot netejar automàticament, els residus s'emmagatzemen al contenidor o pot ser manual i l'operador neteja regularment la llauna amb una pala.
A mesura que augmenta la proporció d'elements amb superfícies gairebé sense superfícies planes, les capacitats de cinc eixos (o més) són essencials per al tall per raig d'aigua modern. Afortunadament, el capçal de tall lleuger i la baixa força de retrocés durant el procés de tall proporcionen als enginyers de disseny una llibertat que el fresat d'alta càrrega no té. El tall per raig d'aigua de cinc eixos inicialment utilitzava un sistema de plantilla, però els usuaris aviat van recórrer als cinc eixos programables per desfer-se del cost de la plantilla.
No obstant això, fins i tot amb programari dedicat, el tall en 3D és més complicat que el tall en 2D. La part posterior composta del Boeing 777 n'és un exemple extrem. Primer, l'operador carrega el programa i programa el pal flexible "pogostick". La grua transporta el material de les peces, i la barra de ressort es desenrosca a una alçada adequada i les peces queden fixes. L'eix Z especial sense tall utilitza una sonda de contacte per posicionar amb precisió la peça a l'espai i prendre punts de mostreig per obtenir l'elevació i la direcció correctes de la peça. Després d'això, el programa es redirigeix a la posició real de la peça; la sonda es retreu per fer espai per a l'eix Z del capçal de tall; el programa s'executa per controlar els cinc eixos per mantenir el capçal de tall perpendicular a la superfície a tallar i per funcionar segons calgui. Desplaça't a una velocitat precisa.
Es necessiten abrasius per tallar materials compostos o qualsevol metall de més de 0,05 polzades, cosa que significa que cal evitar que l'expulsor talli la barra de ressort i el llit de l'eina després del tall. La captura de punts especial és la millor manera d'aconseguir el tall per raig d'aigua de cinc eixos. Les proves han demostrat que aquesta tecnologia pot aturar un avió a reacció de 50 cavalls de potència per sota de les 6 polzades. El marc en forma de C connecta el receptor al canell de l'eix Z per atrapar correctament la bola quan el capçal retalla tota la circumferència de la peça. El receptor de punts també atura l'abrasió i consumeix boles d'acer a una velocitat d'aproximadament 0,5 a 1 lliura per hora. En aquest sistema, el raig s'atura per la dispersió de l'energia cinètica: després que el raig entri a la trampa, es troba amb la bola d'acer continguda i la bola d'acer gira per consumir l'energia del raig. Fins i tot quan està horitzontalment i (en alguns casos) cap per avall, el receptor de punts pot funcionar.
No totes les peces de cinc eixos són igualment complexes. A mesura que augmenta la mida de la peça, l'ajust del programa i la verificació de la posició de la peça i la precisió del tall es tornen més complicats. Molts tallers utilitzen màquines 3D per a talls 2D simples i talls 3D complexos cada dia.
Els operadors han de ser conscients que hi ha una gran diferència entre la precisió de la peça i la precisió del moviment de la màquina. Fins i tot una màquina amb una precisió gairebé perfecta, moviment dinàmic, control de velocitat i una excel·lent repetibilitat pot no ser capaç de produir peces "perfectes". La precisió de la peça acabada és una combinació d'error de procés, error de màquina (rendiment XY) i estabilitat de la peça (fixació, planitud i estabilitat de la temperatura).
Quan es tallen materials amb un gruix inferior a 1 polzada, la precisió del raig d'aigua sol ser d'entre ±0,003 i 0,015 polzades (0,07 i 0,4 mm). La precisió dels materials de més d'1 polzada de gruix és d'entre ±0,005 i 0,100 polzades (0,12 i 2,5 mm). La taula XY d'alt rendiment està dissenyada per a una precisió de posicionament lineal de 0,005 polzades o superior.
Els possibles errors que afecten la precisió inclouen errors de compensació d'eines, errors de programació i moviment de la màquina. La compensació d'eines és el valor que s'introdueix al sistema de control per tenir en compte l'amplada de tall del raig, és a dir, la quantitat de trajectòria de tall que s'ha d'expandir perquè la peça final obtingui la mida correcta. Per evitar possibles errors en treballs d'alta precisió, els operadors han de realitzar talls de prova i entendre que la compensació d'eines s'ha d'ajustar per adaptar-se a la freqüència de desgast del tub de mescla.
Els errors de programació es produeixen amb més freqüència perquè alguns controls XY no mostren les dimensions al programa de la peça, cosa que dificulta la detecció de la manca de coincidència dimensional entre el programa de la peça i el dibuix CAD. Els aspectes importants del moviment de la màquina que poden introduir errors són el buit i la repetibilitat a la unitat mecànica. L'ajust del servo també és important, perquè un ajust incorrecte del servo pot causar errors en els buits, la repetibilitat, la verticalitat i la vibració. Les peces petites amb una longitud i amplada inferiors a 30 cm no requereixen tantes taules XY com les peces grans, de manera que la possibilitat d'errors de moviment de la màquina és menor.
Els abrasius representen dos terços dels costos operatius dels sistemes de raig d'aigua. Altres inclouen energia, aigua, aire, segells, vàlvules de retenció, orificis, canonades de mescla, filtres d'entrada d'aigua i peces de recanvi per a bombes hidràuliques i cilindres d'alta pressió.
El funcionament a plena potència semblava més car al principi, però l'augment de la productivitat va superar el cost. A mesura que augmenta el cabal d'abrasiu, la velocitat de tall augmentarà i el cost per polzada disminuirà fins que arribi al punt òptim. Per a una productivitat màxima, l'operador ha de fer funcionar el capçal de tall a la velocitat de tall més ràpida i a la màxima potència per a un ús òptim. Si un sistema de 100 cavalls de potència només pot fer funcionar un capçal de 50 cavalls de potència, aleshores fer funcionar dos capçals al sistema pot aconseguir aquesta eficiència.
L'optimització del tall per raig d'aigua abrasiu requereix atenció a la situació específica en qüestió, però pot proporcionar un augment excel·lent de la productivitat.
No és prudent tallar un espai d'aire superior a 0,020 polzades perquè el raig s'obre a l'espai i talla de manera aproximada els nivells inferiors. Apilar les làmines de material juntes pot evitar-ho.
Mesureu la productivitat en termes de cost per polzada (és a dir, el nombre de peces fabricades pel sistema), no de cost per hora. De fet, una producció ràpida és necessària per amortitzar els costos indirectes.
Els raigs d'aigua que sovint perforen materials compostos, vidre i pedres haurien d'estar equipats amb un controlador que pugui reduir i augmentar la pressió de l'aigua. L'assistència al buit i altres tecnologies augmenten la probabilitat de perforar amb èxit materials fràgils o laminats sense danyar el material objectiu.
L'automatització de la manipulació de materials només té sentit quan la manipulació de materials representa una gran part del cost de producció de les peces. Les màquines de raig d'aigua abrasives solen utilitzar la descàrrega manual, mentre que el tall de planxes utilitza principalment l'automatització.
La majoria dels sistemes de raig d'aigua utilitzen aigua de l'aixeta normal, i el 90% dels operadors de raig d'aigua no fan cap preparació més enllà d'estovar l'aigua abans d'enviar-la al filtre d'entrada. L'ús d'osmosi inversa i desionitzadors per purificar l'aigua pot ser temptador, però eliminar ions facilita que l'aigua absorbeixi ions dels metalls de les bombes i les canonades d'alta pressió. Pot allargar la vida útil de l'orifici, però el cost de substituir el cilindre d'alta pressió, la vàlvula antiretorn i la tapa final és molt més elevat.
El tall subaquàtic redueix la formació de glaç a la superfície (també coneguda com a "entelament") a la vora superior del tall amb raig d'aigua abrasiu, alhora que redueix considerablement el soroll del raig i el caos al lloc de treball. Tanmateix, això redueix la visibilitat del raig, per la qual cosa es recomana utilitzar la monitorització electrònica del rendiment per detectar desviacions de les condicions màximes i aturar el sistema abans que es faci malbé qualsevol component.
Per a sistemes que utilitzen diferents mides de malla abrasiva per a diferents treballs, utilitzeu emmagatzematge i dosificació addicionals per a mides comunes. El transport a granel petit (100 lliures) o gran (500 a 2.000 lliures) i les vàlvules dosificadores relacionades permeten un canvi ràpid entre les mides de malla de la malla, reduint el temps d'inactivitat i les molèsties, alhora que augmenta la productivitat.
El separador pot tallar eficaçment materials amb un gruix inferior a 0,3 polzades. Tot i que aquestes ungles normalment poden assegurar un segon rectificat del mascle, poden aconseguir una manipulació de materials més ràpida. Els materials més durs tindran etiquetes més petites.
Màquina amb raig d'aigua abrasiu i control de la profunditat de tall. Per a les peces adequades, aquest procés naixent pot proporcionar una alternativa atractiva.
Sunlight-Tech Inc. ha utilitzat els centres de micromecanitzat i microfresat làser Microlution de GF Machining Solutions per produir peces amb toleràncies inferiors a 1 micra.
El tall per raig d'aigua ocupa un lloc important en el camp de la fabricació de materials. Aquest article analitza com funcionen els raigs d'aigua per a la vostra botiga i analitza el procés.
Data de publicació: 04-09-2021