Waterstraalsnijden is misschien een eenvoudigere verwerkingsmethode, maar het vereist wel een krachtige pons en de operator moet goed op de slijtage en nauwkeurigheid van meerdere onderdelen letten.
De eenvoudigste vorm van waterstraalsnijden is het snijden van materialen met hogedrukwaterstralen. Deze technologie is meestal complementair aan andere verwerkingstechnologieën, zoals frezen, lasersnijden, vonken en plasmasnijden. Bij het waterstraalproces ontstaan geen schadelijke stoffen of stoom, en er is geen sprake van een hittebeïnvloede zone of mechanische spanning. Waterstralen kunnen ultradunne details in steen, glas en metaal snijden; snel gaten boren in titanium; voedsel snijden; en zelfs ziekteverwekkers in dranken en dips doden.
Alle waterstraalmachines zijn uitgerust met een pomp die het water onder druk kan zetten voor transport naar de snijkop, waar het wordt omgezet in een supersonische stroming. Er zijn twee hoofdtypen pompen: pompen met directe aandrijving en pompen met boosteraandrijving.
De werking van de direct aangedreven pomp is vergelijkbaar met die van een hogedrukreiniger, en de driecilinderpomp drijft drie plunjers rechtstreeks aan vanuit de elektromotor. De maximale continue werkdruk is 10% tot 25% lager dan bij vergelijkbare boosterpompen, maar blijft daarmee nog steeds tussen de 20.000 en 50.000 psi.
Pompen met een versterker vormen de meerderheid van de ultrahogedrukpompen (d.w.z. pompen boven 30.000 psi). Deze pompen bevatten twee vloeistofcircuits, één voor water en één voor hydrauliek. Het waterinlaatfilter stroomt eerst door een filterpatroon van 1 micron en vervolgens door een filter van 0,45 micron om gewoon kraanwater aan te zuigen. Dit water komt in de boosterpomp terecht. Voordat het de boosterpomp ingaat, wordt de druk van de boosterpomp op ongeveer 90 psi gehouden. Hier wordt de druk verhoogd tot 60.000 psi. Voordat het water uiteindelijk de pompset verlaat en via de pijpleiding de snijkop bereikt, passeert het water de schokdemper. Het apparaat kan drukschommelingen onderdrukken om de consistentie te verbeteren en pulsen te elimineren die sporen op het werkstuk achterlaten.
In het hydraulische circuit zuigt de elektromotor tussen de elektromotoren olie uit de olietank en brengt deze onder druk. De olie onder druk stroomt naar het verdeelstuk, en de klep van het verdeelstuk injecteert afwisselend hydraulische olie aan beide zijden van de biscuit- en plunjerconstructie om de slag van de booster te genereren. Omdat het oppervlak van de plunjer kleiner is dan dat van de biscuit, "verhoogt" de oliedruk de waterdruk.
De booster is een zuigerpomp, wat betekent dat de biscuit-plunjer-eenheid water onder hoge druk aan de ene kant van de booster levert, terwijl water onder lage druk de andere kant vult. Recirculatie zorgt er ook voor dat de hydraulische olie afkoelt wanneer deze terugstroomt naar de tank. De terugslagklep zorgt ervoor dat water onder lage en hoge druk slechts in één richting kan stromen. De hogedrukcilinders en eindkappen die de plunjer- en biscuitcomponenten omsluiten, moeten aan speciale eisen voldoen om de krachten van het proces en de constante drukcycli te weerstaan. Het hele systeem is ontworpen om geleidelijk te falen en lekkage zal naar speciale "aftapgaten" stromen, die door de operator kunnen worden gecontroleerd om het reguliere onderhoud beter te kunnen plannen.
Een speciale hogedrukleiding transporteert het water naar de snijkop. De leiding kan, afhankelijk van de grootte van de leiding, ook bewegingsvrijheid voor de snijkop bieden. Roestvrij staal is het materiaal dat voor deze leidingen wordt gebruikt en er zijn drie gangbare maten. Stalen leidingen met een diameter van 6 mm zijn flexibel genoeg om aan te sluiten op sportuitrusting, maar worden niet aanbevolen voor het transport van water onder hoge druk over lange afstanden. Omdat deze buis gemakkelijk te buigen is, zelfs tot een rol, kan een lengte van 3 tot 6 meter een X-, Y- en Z-beweging bereiken. Grotere leidingen van 9 mm (3/8 inch) transporteren meestal water van de pomp naar de onderkant van de bewegende apparatuur. Hoewel deze gebogen kan worden, is deze over het algemeen niet geschikt voor apparatuur die zich door pijpleidingen verplaatst. De grootste leiding, met een diameter van 2,9 mm (9/16 inch), is het meest geschikt voor het transport van water onder hoge druk over lange afstanden. Een grotere diameter helpt drukverlies te verminderen. Leidingen van deze maat zijn zeer geschikt voor grote pompen, omdat een grote hoeveelheid water onder hoge druk ook een groter risico op mogelijk drukverlies met zich meebrengt. Buizen van dit formaat kunnen echter niet gebogen worden en er moeten op de hoeken hulpstukken worden gemonteerd.
De zuiverwatersnijmachine is de eerste watersnijmachine en de geschiedenis ervan gaat terug tot begin jaren 70. Vergeleken met contact met of inademing van materialen, produceren ze minder water op de materialen, waardoor ze geschikt zijn voor de productie van producten zoals auto-interieurs en wegwerpluiers. De vloeistof is zeer dun - 0,004 inch tot 0,010 inch in diameter - en levert extreem gedetailleerde geometrieën met zeer weinig materiaalverlies. De snijkracht is extreem laag en de bevestiging is meestal eenvoudig. Deze machines zijn het meest geschikt voor 24-uurs gebruik.
Bij het overwegen van een snijkop voor een zuiverwaterstraalmachine is het belangrijk om te onthouden dat de stroomsnelheid de microscopische fragmenten of deeltjes van het scheurmateriaal bepaalt, niet de druk. Om deze hoge snelheid te bereiken, stroomt water onder druk door een klein gaatje in een edelsteen (meestal een saffier, robijn of diamant) dat aan het uiteinde van de spuitmond is bevestigd. Bij typisch snijden wordt een openingdiameter van 0,004 inch tot 0,010 inch gebruikt, terwijl speciale toepassingen (zoals spuitbeton) afmetingen tot 0,10 inch kunnen gebruiken. Bij 40.000 psi stroomt de stroom uit de opening met een snelheid van ongeveer Mach 2, en bij 60.000 psi overschrijdt de stroom Mach 3.
Verschillende sieraden hebben verschillende expertises op het gebied van waterstraalsnijden. Saffier is het meest voorkomende materiaal voor algemeen gebruik. Ze gaan ongeveer 50 tot 100 uur mee, hoewel de toepassing van abrasief waterstralen deze tijd halveert. Robijnen zijn niet geschikt voor puur waterstraalsnijden, maar de waterstroom die ze produceren is zeer geschikt voor abrasief snijden. Bij het abrasief snijproces bedraagt de snijtijd voor robijnen ongeveer 50 tot 100 uur. Diamanten zijn veel duurder dan saffieren en robijnen, maar de snijtijd ligt tussen de 800 en 2000 uur. Dit maakt diamant bijzonder geschikt voor 24-uurs gebruik. In sommige gevallen kan de diamantopening ook ultrasoon worden gereinigd en hergebruikt.
Bij de waterstraalsnijmachine is het mechanisme voor materiaalverwijdering niet de waterstroom zelf. Integendeel, de stroom versnelt de abrasieve deeltjes en corrodeert het materiaal. Deze machines zijn duizenden keren krachtiger dan pure waterstraalsnijmachines en kunnen harde materialen zoals metaal, steen, composietmaterialen en keramiek snijden.
De straalstroom is groter dan de straalstroom met zuiver water, met een diameter tussen 0,020 inch en 0,050 inch. Ze kunnen stapels en materialen tot 10 inch dik snijden zonder hittebeïnvloede zones of mechanische spanning te creëren. Hoewel hun sterkte is toegenomen, is de snijkracht van de straalstroom nog steeds minder dan een pond. Bijna alle straalbewerkingen met straalmiddelen maken gebruik van een straalapparaat en kunnen eenvoudig worden omgeschakeld van gebruik met één kop naar gebruik met meerdere koppen. Zelfs de straalwaterstraal kan worden omgebouwd tot een zuivere waterstraal.
Het schuurmiddel is hard, speciaal geselecteerd en gekorreld zand, meestal granaat. Verschillende korrelgroottes zijn geschikt voor verschillende toepassingen. Een glad oppervlak kan worden bereikt met schuurmiddel met een maaswijdte van 120, terwijl schuurmiddel met een maaswijdte van 80 geschikter is gebleken voor algemene toepassingen. De snijsnelheid van schuurmiddel met een maaswijdte van 50 is hoger, maar het oppervlak is iets ruwer.
Hoewel waterstralen gemakkelijker te bedienen zijn dan veel andere machines, vereist de mengbuis de nodige aandacht van de operator. Het acceleratiepotentieel van deze buis is vergelijkbaar met dat van een geweerloop, met verschillende maten en verschillende vervangingsduren. De duurzame mengbuis is een revolutionaire innovatie in abrasief waterstraalsnijden, maar de buis is nog steeds erg kwetsbaar: als de snijkop in contact komt met een onderdeel, een zwaar voorwerp of het doelmateriaal, kan de buis breken. Beschadigde buizen kunnen niet worden gerepareerd, dus om de kosten te drukken, is het belangrijk om vervanging te minimaliseren. Moderne machines beschikken meestal over een automatische botsingsdetectie om botsingen met de mengbuis te voorkomen.
De afstand tussen de mengbuis en het doelmateriaal bedraagt doorgaans 0,010 inch tot 0,200 inch, maar de operator moet er rekening mee houden dat een afstand groter dan 0,080 inch ijsvorming op de snijrand van het onderdeel veroorzaakt. Onderwatersnijden en andere technieken kunnen deze ijsvorming verminderen of elimineren.
Aanvankelijk was de mengbuis gemaakt van wolfraamcarbide en had deze slechts een levensduur van vier tot zes snij-uren. De huidige, goedkope composietbuizen kunnen een snijlevensduur van 35 tot 60 uur bereiken en worden aanbevolen voor ruw snijwerk of het opleiden van nieuwe operators. De composiet hardmetalen buis verlengt de levensduur tot 80 tot 90 snij-uren. De hoogwaardige composiet hardmetalen buis heeft een snijlevensduur van 100 tot 150 uur, is geschikt voor precisiewerk en dagelijks gebruik en vertoont de meest voorspelbare concentrische slijtage.
Waterstraalbewerkingsmachines moeten niet alleen voor de beweging zorgen, maar ook over een methode beschikken om het werkstuk vast te zetten en over een systeem voor het opvangen en verwerken van water en vuil uit bewerkingsbewerkingen.
Stationaire en eendimensionale machines zijn de eenvoudigste waterjets. Stationaire waterjets worden vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaart om composietmaterialen te snijden. De operator voert het materiaal in de beek als een lintzaag, terwijl de opvangbak het materiaal en het vuil opvangt. De meeste stationaire waterjets zijn pure waterjets, maar niet allemaal. De snijmachine is een variant van de stationaire machine, waarbij producten zoals papier door de machine worden gevoerd en de waterstraal het product in een specifieke breedte snijdt. Een dwarssnijmachine is een machine die langs een as beweegt. Ze werken vaak met snijmachines om rasterpatronen te maken op producten zoals verkoopautomaten voor brownies. De snijmachine snijdt het product in een specifieke breedte, terwijl de dwarssnijmachine het product dat eronder wordt ingevoerd dwars snijdt.
Operators mogen dit type waterstraal met abrasieve straal niet handmatig gebruiken. Het is moeilijk om het gesneden object met een specifieke en constante snelheid te verplaatsen, en het is extreem gevaarlijk. Veel fabrikanten geven zelfs geen prijsopgave voor machines met deze instellingen.
De XY-tafel, ook wel vlakbedsnijmachine genoemd, is de meest gebruikte tweedimensionale waterstraalsnijmachine. Met zuivere waterstralen worden pakkingen, kunststoffen, rubber en schuim gesneden, terwijl abrasieve modellen metalen, composieten, glas, steen en keramiek snijden. De werkbank kan variëren van 60 x 120 cm tot 90 x 300 cm. De besturing van deze bewerkingsmachines gebeurt meestal via een CNC- of pc-systeem. Servomotoren, meestal met closed-loop feedback, zorgen voor de juiste positie en snelheid. De basiseenheid omvat lineaire geleidingen, lagerhuizen en kogelomloopspindels, terwijl de brugeenheid ook deze technologieën omvat en de opvangbak materiaalondersteuning bevat.
XY-werkbanken zijn er meestal in twee uitvoeringen: de middenrail-portaalwerkbank met twee basisgeleiders en een brug, terwijl de cantilever-werkbank een basis en een vaste brug heeft. Beide machinetypen beschikken over een vorm van kophoogteverstelling. Deze Z-asverstelling kan bestaan uit een handkruk, een elektrische schroef of een volledig programmeerbare servoschroef.
De opvangbak op de XY-werkbank is meestal een met water gevulde watertank, voorzien van roosters of lamellen ter ondersteuning van het werkstuk. Het snijproces verbruikt deze steunen langzaam. De opvangbak kan automatisch worden gereinigd, waarbij het afval in de container wordt opgeslagen, of handmatig, waarbij de operator de container regelmatig schept.
Naarmate het aantal objecten met vrijwel geen vlakke oppervlakken toeneemt, zijn vijfassige (of meer) mogelijkheden essentieel voor modern waterstraalsnijden. Gelukkig bieden de lichtgewicht snijkop en de lage terugslagkracht tijdens het snijproces ontwerptechnici de vrijheid die frezen met hoge belasting niet biedt. Vijfassig waterstraalsnijden maakte aanvankelijk gebruik van een sjablonensysteem, maar gebruikers stapten al snel over op programmeerbare vijfassige systemen om de kosten van sjablonen te verlagen.
Zelfs met speciale software is 3D-snijden echter ingewikkelder dan 2D-snijden. De composietstaart van de Boeing 777 is een extreem voorbeeld. Eerst uploadt de operator het programma en programmeert de flexibele "pogostick"-staf. De bovenloopkraan transporteert het materiaal van de onderdelen, waarna de veerstaaf wordt losgeschroefd tot een geschikte hoogte en de onderdelen worden vastgezet. De speciale, niet-snijdende Z-as gebruikt een contacttaster om het onderdeel nauwkeurig in de ruimte te positioneren en bemonstert punten om de juiste hoogte en richting van het onderdeel te verkrijgen. Daarna wordt het programma omgeleid naar de werkelijke positie van het onderdeel; de taster trekt zich terug om ruimte te maken voor de Z-as van de snijkop; het programma draait om alle vijf assen te besturen om de snijkop loodrecht op het te snijden oppervlak te houden en naar behoefte te bewegen met een nauwkeurige snelheid.
Schuurmiddelen zijn nodig om composietmaterialen of metaal groter dan 0,05 inch te snijden. Dit betekent dat voorkomen moet worden dat de uitwerper na het snijden de veerstaaf en het gereedschapsbed doorsnijdt. Speciale puntopvang is de beste manier om vijfassig waterstraalsnijden te bereiken. Tests hebben aangetoond dat deze technologie een straalvliegtuig van 50 pk met een diameter van minder dan 6 inch kan stoppen. Het C-vormige frame verbindt de opvang met de Z-as pols om de kogel correct op te vangen wanneer de kop de volledige omtrek van het onderdeel afsnijdt. De puntopvanger stopt ook slijtage en verbruikt stalen kogels met een snelheid van ongeveer 0,5 tot 1 pond per uur. In dit systeem wordt de straal gestopt door de verspreiding van kinetische energie: nadat de straal de opvanger is binnengedrongen, komt deze in aanraking met de stalen kogel, die vervolgens roteert om de energie van de straal te verbruiken. Zelfs horizontaal en (in sommige gevallen) ondersteboven kan de spotopvanger werken.
Niet alle vijfassige onderdelen zijn even complex. Naarmate het onderdeel groter wordt, worden programma-aanpassingen en verificatie van de positie en snijnauwkeurigheid van het onderdeel complexer. Veel werkplaatsen gebruiken dagelijks 3D-machines voor zowel eenvoudig 2D- als complex 3D-snijden.
Operators moeten zich ervan bewust zijn dat er een groot verschil is tussen de nauwkeurigheid van onderdelen en de nauwkeurigheid van machinebewegingen. Zelfs een machine met een bijna perfecte nauwkeurigheid, dynamische beweging, snelheidsregeling en uitstekende herhaalbaarheid kan mogelijk geen "perfecte" onderdelen produceren. De nauwkeurigheid van het voltooide onderdeel is een combinatie van procesfouten, machinefouten (XY-prestaties) en werkstukstabiliteit (bevestiging, vlakheid en temperatuurstabiliteit).
Bij het snijden van materialen met een dikte van minder dan 2,54 cm ligt de nauwkeurigheid van de waterstraal doorgaans tussen ±0,003 en 0,015 inch (0,07 tot 0,4 mm). De nauwkeurigheid van materialen met een dikte van meer dan 2,54 cm ligt tussen ±0,005 en 0,100 inch (0,12 tot 2,5 mm). De hoogwaardige XY-tafel is ontworpen voor een lineaire positioneringsnauwkeurigheid van 0,005 inch of hoger.
Mogelijke fouten die de nauwkeurigheid beïnvloeden, zijn onder andere fouten in de gereedschapscompensatie, programmeerfouten en machinebewegingen. Gereedschapscompensatie is de waarde die in het besturingssysteem wordt ingevoerd om rekening te houden met de snijbreedte van de straal – dat wil zeggen de hoeveelheid snijpad die moet worden vergroot om het uiteindelijke onderdeel de juiste maat te geven. Om mogelijke fouten bij precisiewerk te voorkomen, moeten operators proefsnedes uitvoeren en begrijpen dat de gereedschapscompensatie moet worden aangepast aan de frequentie van slijtage van de mengbuis.
Programmeerfouten treden meestal op omdat sommige XY-besturingen de afmetingen in het onderdeelprogramma niet weergeven, waardoor het moeilijk is om het gebrek aan dimensionale overeenstemming tussen het onderdeelprogramma en de CAD-tekening te detecteren. Belangrijke aspecten van machinebeweging die fouten kunnen veroorzaken, zijn de speling en herhaalbaarheid in de mechanische eenheid. Servo-afstelling is ook belangrijk, omdat een onjuiste servo-afstelling fouten kan veroorzaken in speling, herhaalbaarheid, verticaliteit en trillingen. Kleine onderdelen met een lengte en breedte van minder dan 30 cm hebben minder XY-tafels nodig dan grote onderdelen, waardoor de kans op machinebewegingsfouten kleiner is.
Schuurmiddelen zijn goed voor twee derde van de bedrijfskosten van waterjetsystemen. Andere kosten zijn onder meer stroom, water, lucht, afdichtingen, terugslagkleppen, openingen, mengbuizen, waterinlaatfilters en reserveonderdelen voor hydraulische pompen en hogedrukcilinders.
Werken op vol vermogen leek aanvankelijk duurder, maar de productiviteitsverhoging overtrof de kosten. Naarmate de stroomsnelheid van het schuurmiddel toeneemt, neemt de snijsnelheid toe en dalen de kosten per inch totdat het optimale punt is bereikt. Voor maximale productiviteit moet de operator de snijkop op de hoogste snijsnelheid en het maximale vermogen laten draaien voor optimaal gebruik. Als een systeem met 100 pk slechts een snijkop met 50 pk kan aandrijven, kan deze efficiëntie worden bereikt door twee snijkoppen op het systeem te gebruiken.
Voor het optimaliseren van waterstraalsnijden is aandacht nodig voor de specifieke situatie, maar het kan wel een aanzienlijke productiviteitsverhoging opleveren.
Het is onverstandig om een luchtspleet groter dan 0,020 inch te snijden, omdat de straal zich in de spleet opent en de lagere niveaus ruw snijdt. Door de materiaalplaten dicht op elkaar te stapelen, kunt u dit voorkomen.
Meet de productiviteit in termen van kosten per inch (dat wil zeggen het aantal onderdelen dat door het systeem wordt geproduceerd), niet in kosten per uur. Snelle productie is in feite noodzakelijk om indirecte kosten af te schrijven.
Waterjets die vaak composietmaterialen, glas en stenen doorboren, moeten uitgerust zijn met een controller die de waterdruk kan verlagen en verhogen. Vacuümondersteuning en andere technologieën vergroten de kans op het succesvol doorboren van kwetsbare of gelamineerde materialen zonder het doelmateriaal te beschadigen.
Automatisering van materiaalverwerking is alleen zinvol wanneer materiaalverwerking een groot deel van de productiekosten van onderdelen uitmaakt. Abrasieve waterstraalmachines maken meestal gebruik van handmatig ontladen, terwijl plaatsnijden voornamelijk geautomatiseerd is.
De meeste waterjetsystemen gebruiken gewoon kraanwater en 90% van de waterjetgebruikers treft geen andere voorbereidingen dan het water te ontharden voordat het naar het inlaatfilter wordt gestuurd. Het gebruik van omgekeerde osmose en deïonisatoren om water te zuiveren kan verleidelijk zijn, maar het verwijderen van ionen maakt het gemakkelijker voor het water om ionen van metalen in pompen en hogedrukleidingen te absorberen. Het kan de levensduur van de opening verlengen, maar de kosten voor het vervangen van de hogedrukcilinder, terugslagklep en eindkap zijn veel hoger.
Onderwatersnijden vermindert de vorming van ijsvorming (ook wel "beslaan" genoemd) aan de bovenrand van abrasief waterstraalsnijden, en vermindert tegelijkertijd het geluid van de straal en de chaos op de werkplek aanzienlijk. Dit vermindert echter wel de zichtbaarheid van de straal. Daarom is het raadzaam om elektronische prestatiebewaking te gebruiken om afwijkingen van de piekcondities te detecteren en het systeem te stoppen voordat er schade aan componenten optreedt.
Voor systemen die verschillende schuurzeefformaten gebruiken voor verschillende toepassingen, dient u extra opslag en dosering te gebruiken voor gangbare formaten. Kleine (45 kg) of grote (227 tot 904 kg) bulktransport- en bijbehorende doseerkleppen maken snel wisselen tussen zeefmaaswijdtes mogelijk, wat downtime en gedoe vermindert en tegelijkertijd de productiviteit verhoogt.
De separator kan effectief materialen met een dikte van minder dan 0,3 inch snijden. Hoewel deze nokken doorgaans een tweede maal slijpen van de tap garanderen, kunnen ze ook een snellere materiaalverwerking mogelijk maken. Hardere materialen hebben kleinere labels.
Bewerk met een abrasieve waterstraal en regel de snijdiepte. Voor de juiste onderdelen kan dit opkomende proces een aantrekkelijk alternatief bieden.
Sunlight-Tech Inc. heeft de Microlution lasermicrobewerkings- en microfreescentra van GF Machining Solutions gebruikt om onderdelen te produceren met toleranties kleiner dan 1 micron.
Waterstraalsnijden neemt een plaats in binnen de materiaalverwerking. Dit artikel gaat over hoe waterstralen in uw winkel werken en over het proces.
Plaatsingstijd: 4 sep 2021