Waterstraalsnijden is misschien een eenvoudiger verwerkingsmethode, maar het is uitgerust met een krachtige pons en vereist dat de operator zich bewust blijft van de slijtage en nauwkeurigheid van meerdere onderdelen.
Het eenvoudigste waterstraalsnijden is het proces waarbij waterstralen onder hoge druk in materialen worden gesneden. Deze technologie is meestal complementair aan andere verwerkingstechnologieën, zoals frezen, laser, EDM en plasma. Bij het waterstraalproces ontstaan er geen schadelijke stoffen of stoom en ontstaat er geen hittebeïnvloede zone of mechanische spanning. Waterstralen kunnen ultradunne details op steen, glas en metaal snijden; snel gaten boren in titanium; voedsel snijden; en zelfs ziekteverwekkers in dranken en dips doden.
Alle waterjetmachines hebben een pomp die het water onder druk kan zetten voor levering aan de snijkop, waar het wordt omgezet in een supersonische stroom. Er zijn twee hoofdtypen pompen: pompen op basis van directe aandrijving en pompen op basis van booster.
De rol van de direct aangedreven pomp is vergelijkbaar met die van een hogedrukreiniger, en de driecilinderpomp drijft drie plunjers rechtstreeks vanuit de elektromotor aan. De maximale continue werkdruk is 10% tot 25% lager dan die van vergelijkbare boosterpompen, maar hierdoor blijven ze nog steeds tussen 20.000 en 50.000 psi.
Op versterkers gebaseerde pompen vormen het merendeel van de ultrahogedrukpompen (dat wil zeggen pompen van meer dan 30.000 psi). Deze pompen bevatten twee vloeistofcircuits, één voor water en één voor hydrauliek. Het waterinlaatfilter gaat eerst door een patroonfilter van 1 micron en vervolgens door een filter van 0,45 micron om gewoon kraanwater aan te zuigen. Dit water komt in de boosterpomp. Voordat het de boosterpomp binnengaat, wordt de druk van de boosterpomp op ongeveer 90 psi gehouden. Hier wordt de druk verhoogd tot 60.000 psi. Voordat het water uiteindelijk het pompaggregaat verlaat en via de leiding de snijkop bereikt, passeert het water de schokdemper. Het apparaat kan drukschommelingen onderdrukken om de consistentie te verbeteren en pulsen te elimineren die sporen achterlaten op het werkstuk.
In het hydraulische circuit zuigt de elektromotor tussen de elektromotoren olie uit de olietank en brengt deze onder druk. De onder druk staande olie stroomt naar het verdeelstuk, en de klep van het verdeelstuk injecteert afwisselend hydraulische olie aan beide zijden van het biscuit- en plunjersamenstel om de slagwerking van de booster te genereren. Omdat het oppervlak van de plunjer kleiner is dan dat van het koekje, ‘verhoogt’ de oliedruk de waterdruk.
De booster is een zuigerpomp, wat betekent dat het geheel van biscuit en plunjer water onder hoge druk levert vanaf de ene kant van de booster, terwijl water onder lage druk de andere kant vult. Door recirculatie kan de hydraulische olie ook afkoelen wanneer deze terugkeert 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 constante drukcycli te weerstaan. Het hele systeem is ontworpen om geleidelijk uit te vallen, en lekkage zal naar speciale “afvoergaten” vloeien, die door de operator kunnen worden gecontroleerd om het reguliere onderhoud beter te kunnen plannen.
Een speciale hogedrukleiding transporteert het water naar de snijkop. Ook kan de buis bewegingsvrijheid bieden voor de snijkop, afhankelijk van de maat van de buis. Roestvrij staal is het materiaal bij uitstek voor deze buizen en er zijn drie gangbare maten. Stalen buizen met een diameter van 1/4 inch zijn flexibel genoeg om op sportuitrusting aan te sluiten, maar worden niet aanbevolen voor het langeafstandstransport van water onder hoge druk. Omdat deze buis gemakkelijk te buigen is, zelfs tot een rol, kan een lengte van 3 tot 6 meter X-, Y- en Z-beweging bereiken. Grotere 3/8-inch pijpen van 3/8-inch transporteren meestal water van de pomp naar de bodem van de bewegende apparatuur. Hoewel het kan worden gebogen, is het over het algemeen niet geschikt voor apparatuur voor het verplaatsen van pijpleidingen. De grootste pijp, die 9/16 inch meet, is het beste voor het transporteren van water onder hoge druk over lange afstanden. Een grotere diameter helpt het drukverlies te verminderen. Leidingen van dit formaat zijn zeer compatibel met 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 worden gebogen en fittingen moeten op de hoeken worden geïnstalleerd.
De zuivere waterstraalsnijmachine is de eerste waterstraalsnijmachine en de geschiedenis ervan gaat terug tot het begin van de jaren zeventig. Vergeleken met contact 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 biedt uiterst 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-uursbedrijf.
Wanneer u een snijkop voor een zuivere waterstraalmachine overweegt, is het belangrijk om te onthouden dat de stroomsnelheid de microscopisch kleine fragmenten of deeltjes van het scheurmateriaal zijn, en 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) die aan het uiteinde van het mondstuk is bevestigd. Bij normaal snijden wordt een openingsdiameter van 0,004 inch tot 0,010 inch gebruikt, terwijl voor speciale toepassingen (zoals gespoten beton) maten tot 0,10 inch kunnen worden gebruikt. Bij 40.000 psi beweegt 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 algemene doeleinden. Ze gaan ongeveer 50 tot 100 uur snijtijd mee, hoewel de abrasieve waterstraaltoepassing deze tijden halveert. Robijnen zijn niet geschikt voor puur waterstraalsnijden, maar de waterstroom die ze produceren is wel zeer geschikt voor abrasief snijden. Bij het schurende snijproces bedraagt de snijtijd voor robijnen ongeveer 50 tot 100 uur. Diamanten zijn veel duurder dan saffieren en robijnen, maar de slijptijd ligt tussen de 800 en 2.000 uur. Dit maakt de diamant bijzonder geschikt voor 24-uurs gebruik. In sommige gevallen kan de diamantopening ook ultrasoon worden gereinigd en hergebruikt.
Bij de schurende waterstraalmachine is het mechanisme voor materiaalverwijdering niet de waterstroom zelf. Omgekeerd versnelt de stroom schurende deeltjes om het materiaal te corroderen. Deze machines zijn duizenden keren krachtiger dan zuivere waterstraalsnijmachines en kunnen harde materialen zoals metaal, steen, composietmaterialen en keramiek snijden.
De schurende stroom is groter dan de zuivere waterstraal, met een diameter tussen 0,020 inch en 0,050 inch. Ze kunnen stapels en materialen tot 25 cm dik snijden zonder dat er door hitte beïnvloede zones of mechanische spanning ontstaan. Hoewel hun kracht is toegenomen, bedraagt de snijkracht van de schuurmiddelstroom nog steeds minder dan één pond. Bijna alle straalbewerkingen maken gebruik van een straalapparaat en kunnen gemakkelijk overschakelen van gebruik met één kop naar gebruik met meerdere koppen, en zelfs de schurende waterstraal kan worden omgezet in een zuivere waterstraal.
Het schuurmiddel is hard, speciaal geselecteerd en gedimensioneerd zand, meestal granaat. Verschillende rastergroottes zijn geschikt voor verschillende klussen. Een glad oppervlak kan worden verkregen met schuurmiddelen met een maasgrootte van 120, terwijl schuurmiddelen met een maaswijdte van 80 geschikter zijn gebleken voor algemene toepassingen. De snijsnelheid van 50 mesh is sneller, maar het oppervlak is iets ruwer.
Hoewel waterstralen gemakkelijker te bedienen zijn dan veel andere machines, vereist de mengbuis de aandacht van de operator. Het versnellingspotentieel van deze buis is als dat van een geweerloop, met verschillende afmetingen en verschillende vervangingslevensduur. De duurzame mengbuis is een revolutionaire innovatie op het gebied van abrasief waterstraalsnijden, maar de buis is nog steeds erg kwetsbaar: als de snijkop in contact komt met een armatuur, een zwaar voorwerp of het doelmateriaal, kan de buis breken. Beschadigde leidingen kunnen niet worden gerepareerd, dus om de kosten laag te houden is vervanging tot een minimum beperkt. Moderne machines beschikken doorgaans over een automatische botsingsdetectiefunctie om botsingen met de mengbuis te voorkomen.
De scheidingsafstand tussen de mengbuis en het doelmateriaal is gewoonlijk 0,010 inch tot 0,200 inch, maar de operator moet er rekening mee houden dat een scheiding groter dan 0,080 inch ijsvorming op de bovenkant van de snijrand van het onderdeel zal veroorzaken. Onderwatersnijden en andere technieken kunnen deze glazuur 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 zagen of het trainen van nieuwe operators. De composiet hardmetalen buis verlengt de levensduur tot 80 tot 90 snij-uren. De hoogwaardige composiet hardmetalen buis heeft een snijduur van 100 tot 150 uur, is geschikt voor precisie- en dagelijks werk en vertoont de meest voorspelbare concentrische slijtage.
Naast het bieden van beweging moeten waterstraalwerktuigmachines ook een methode omvatten om het werkstuk vast te zetten en een systeem voor het opvangen en verzamelen van water en vuil afkomstig van machinale bewerkingen.
Stationaire en eendimensionale machines zijn de eenvoudigste waterjets. Stationaire waterstralen worden vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaart om composietmaterialen te trimmen. De operator voert het materiaal als een lintzaag in de kreek, terwijl de vanger de kreek en het puin verzamelt. De meeste stationaire waterjets zijn zuivere waterjets, maar niet allemaal. De snijmachine is een variant op de stationaire machine, waarbij producten zoals papier door de machine worden gevoerd en de waterstraal het product op een bepaalde breedte snijdt. Een afkortmachine is een machine die langs een as beweegt. Ze werken vaak met snijmachines om rasterachtige patronen te maken op producten zoals automaten zoals brownies. De snijmachine snijdt het product op een bepaalde breedte, terwijl de dwarssnijmachine het product dat eronder wordt aangevoerd, dwars doorsnijdt.
Operators mogen dit type schurende waterjet niet handmatig gebruiken. Het is moeilijk om het gesneden voorwerp met een specifieke en constante snelheid te verplaatsen, en het is uiterst gevaarlijk. Veel fabrikanten zullen machines niet eens opgeven voor deze instellingen.
De XY-tafel, ook wel vlakbedsnijmachine genoemd, is de meest voorkomende tweedimensionale waterstraalsnijmachine. Zuivere waterstralen snijden pakkingen, kunststoffen, rubber en schuim, terwijl schurende modellen metalen, composieten, glas, steen en keramiek snijden. De werkbank kan zo klein zijn als 2 x 4 voet of zo groot als 30 x 100 voet. Meestal wordt de besturing van deze werktuigmachines uitgevoerd door CNC of PC. Servomotoren, meestal met terugkoppeling, zorgen voor de integriteit van positie en snelheid. De basiseenheid omvat lineaire geleidingen, lagerhuizen en kogelomloopspindels, terwijl de brugeenheid ook deze technologieën omvat en de verzameltank materiaalondersteuning omvat.
XY-werkbanken zijn meestal in twee stijlen verkrijgbaar: de portaalwerkbank met middenrail bevat twee basisgeleiderails en een brug, terwijl de vrijdragende werkbank een basis en een stijve brug gebruikt. Beide machinetypes beschikken over een vorm van verstelbaarheid van de kophoogte. Deze verstelbaarheid op de Z-as kan de vorm aannemen van een handmatige zwengel, een elektrische schroef of een volledig programmeerbare servoschroef.
De opvangbak op de XY-werkbank is meestal een watertank gevuld met water, die is uitgerust met roosters of latten om het werkstuk te ondersteunen. Het snijproces verbruikt deze steunen langzaam. De val kan automatisch worden gereinigd, het afval wordt in de container opgeslagen, of dit kan handmatig gebeuren, waarbij de operator het blik regelmatig opschept.
Naarmate het aandeel items met vrijwel geen vlakke oppervlakken toeneemt, zijn mogelijkheden met vijf assen (of meer) essentieel voor modern waterstraalsnijden. Gelukkig bieden de lichtgewicht freeskop en de lage terugslagkracht tijdens het snijproces ontwerpingenieurs een vrijheid die frezen met hoge belasting niet heeft. Bij waterstraalsnijden met vijf assen werd aanvankelijk gebruik gemaakt van een sjabloonsysteem, maar gebruikers stapten al snel over op programmeerbare vijfassige sjablonen om de kosten van sjablonen weg te laten.
Maar zelfs met speciale software is 3D-snijden ingewikkelder dan 2D-snijden. Het composiet staartdeel van de Boeing 777 is een extreem voorbeeld. Eerst uploadt de operator het programma en programmeert het flexibele “pogostick” -personeel. De bovenloopkraan transporteert het materiaal van de onderdelen, waarna de veerstaaf op de juiste hoogte wordt losgeschroefd en de onderdelen worden vastgezet. De speciale niet-snijdende Z-as maakt gebruik van een contactsonde om het onderdeel nauwkeurig in de ruimte te positioneren, en van bemonsteringspunten om de juiste hoogte en richting van het onderdeel te verkrijgen. Daarna wordt het programma doorgestuurd naar de werkelijke positie van het onderdeel; de sonde trekt zich terug om ruimte te maken voor de Z-as van de snijkop; het programma regelt alle vijf de assen, houdt de snijkop loodrecht op het te snijden oppervlak en werkt indien nodig. Rijd met nauwkeurige snelheid.
Er zijn schuurmiddelen nodig om composietmaterialen of elk metaal groter dan 0,05 inch te snijden, wat betekent dat moet worden voorkomen dat de uitwerper de veerstaaf en het gereedschapsbed na het snijden doorsnijdt. Speciale puntopname is de beste manier om waterstraalsnijden met vijf assen te realiseren. Tests hebben aangetoond dat deze technologie een straalvliegtuig van 50 pk onder de 15 cm kan tegenhouden. Het C-vormige frame verbindt de vanger met de Z-aspols om de bal correct te vangen wanneer de kop de gehele omtrek van het onderdeel afsnijdt. De puntvanger stopt ook de 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 val binnengaat, komt hij de aanwezige stalen kogel tegen, en de stalen kogel roteert om de energie van de straal te verbruiken. Zelfs horizontaal en (in sommige gevallen) ondersteboven kan de spotvanger werken.
Niet alle vijfassige onderdelen zijn even complex. Naarmate de omvang van het onderdeel toeneemt, worden programma-aanpassing en verificatie van de positie van het onderdeel en de snijnauwkeurigheid ingewikkelder. Veel winkels gebruiken dagelijks 3D-machines voor eenvoudig 2D-snijden en 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 is mogelijk niet in staat om ‘perfecte’ onderdelen te produceren. De nauwkeurigheid van het voltooide onderdeel is een combinatie van procesfouten, machinefouten (XY-prestaties) en werkstukstabiliteit (opspanning, vlakheid en temperatuurstabiliteit).
Bij het snijden van materialen met een dikte van minder dan 1 inch ligt de nauwkeurigheid van de waterstraal gewoonlijk tussen ±0,003 en 0,015 inch (0,07 tot 0,4 mm). De nauwkeurigheid van materialen die meer dan 1 inch dik zijn, ligt binnen ±0,005 tot 0,100 inch (0,12 tot 2,5 mm). De krachtige XY-tafel is ontworpen voor een lineaire positioneringsnauwkeurigheid van 0,005 inch of hoger.
Mogelijke fouten die de nauwkeurigheid beïnvloeden, zijn onder meer gereedschapscompensatiefouten, 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 uitgebreid om ervoor te zorgen dat het laatste onderdeel de juiste maat krijgt. Om potentiële fouten bij uiterst nauwkeurig werk te voorkomen, moeten operators proefsneden uitvoeren en begrijpen dat de gereedschapscompensatie moet worden aangepast aan de frequentie van slijtage van de mengbuis.
Programmeerfouten komen meestal voor omdat sommige XY-besturingselementen de afmetingen in het onderdeelprogramma niet weergeven, waardoor het moeilijk wordt om het gebrek aan dimensionale afstemming tussen het onderdeelprogramma en de CAD-tekening te detecteren. Belangrijke aspecten van machinebeweging die fouten kunnen veroorzaken zijn de opening en herhaalbaarheid in de mechanische eenheid. Servo-afstelling is ook belangrijk, omdat onjuiste servo-afstelling fouten in gaten, herhaalbaarheid, verticaliteit en geratel kan veroorzaken. Voor kleine onderdelen met een lengte en breedte van minder dan 12 inch zijn niet zoveel XY-tafels nodig als voor grote onderdelen, waardoor de kans op machinebewegingsfouten kleiner is.
Schuurmiddelen zijn verantwoordelijk voor tweederde van de bedrijfskosten van waterjetsystemen. Andere omvatten stroom, water, lucht, afdichtingen, terugslagkleppen, openingen, mengleidingen, waterinlaatfilters en reserveonderdelen voor hydraulische pompen en hogedrukcilinders.
Bediening op vol vermogen leek aanvankelijk duurder, maar de productiviteitsstijging overtrof de kosten. Naarmate de stroomsnelheid van het schuurmiddel toeneemt, zal de snijsnelheid toenemen en zullen de kosten per inch afnemen totdat het optimale punt wordt bereikt. Voor maximale productiviteit moet de operator de snijkop op de hoogste snijsnelheid en maximale paardenkracht laten draaien voor optimaal gebruik. Als een systeem met 100 pk slechts een kop van 50 pk kan laten draaien, kan het gebruik van twee koppen op het systeem deze efficiëntie bereiken.
Het optimaliseren van abrasief waterstraalsnijden vereist aandacht voor de specifieke situatie, maar kan uitstekende productiviteitsverhogingen opleveren.
Het is onverstandig om een luchtspleet groter dan 0,020 inch te maken, omdat de straal zich in de opening opent en ruwweg lagere niveaus snijdt. Het dicht op elkaar stapelen van de materiaalvellen kan dit voorkomen.
Meet de productiviteit in termen van kosten per inch (dat wil zeggen het aantal door het systeem vervaardigde onderdelen), niet de kosten per uur. In feite is snelle productie noodzakelijk om de indirecte kosten af te schrijven.
Waterjets die vaak composietmaterialen, glas en stenen doorboren, moeten worden uitgerust met een controller die de waterdruk kan verlagen of verhogen. Vacuümondersteuning en andere technologieën vergroten de kans op het succesvol doorboren van kwetsbare of gelamineerde materialen zonder het doelmateriaal te beschadigen.
Automatisering van materiaaltransport heeft alleen zin als materiaaltransport een groot deel van de productiekosten van onderdelen voor zijn rekening neemt. Schurende waterstraalmachines maken meestal gebruik van handmatig lossen, terwijl het snijden van platen voornamelijk gebruik maakt van automatisering.
De meeste waterjetsystemen gebruiken gewoon kraanwater en 90% van de waterjetgebruikers treft geen andere voorbereidingen dan het verzachten van het water voordat het water naar het inlaatfilter wordt gestuurd. Het gebruik van omgekeerde osmose en de-ionisatoren om water te zuiveren kan verleidelijk zijn, maar het verwijderen van ionen maakt het voor het water gemakkelijker om ionen uit metalen in pompen en hogedrukleidingen te absorberen. Het kan de levensduur van de opening verlengen, maar de kosten voor het vervangen van de hogedrukcilinder, de terugslagklep en het einddeksel zijn veel hoger.
Onderwatersnijden vermindert de oppervlakterijping (ook bekend als ‘fogging’) op de bovenrand van abrasief waterstraalsnijden, terwijl ook het straalgeluid en de chaos op de werkplek aanzienlijk worden verminderd. Dit vermindert echter wel de zichtbaarheid van de jet, dus het wordt aanbevolen om elektronische prestatiemonitoring te gebruiken om afwijkingen van piekomstandigheden te detecteren en het systeem te stoppen voordat er schade aan onderdelen optreedt.
Voor systemen die voor verschillende klussen verschillende schuurzeefformaten gebruiken, dient u extra opslag en dosering te gebruiken voor gangbare formaten. Kleine (100 lb) of grote (500 tot 2.000 lb) bulktransport en bijbehorende doseerkleppen maken snel schakelen tussen zeefmaasgroottes mogelijk, waardoor uitvaltijd en gedoe worden verminderd, terwijl de productiviteit wordt verhoogd.
De separator kan effectief materialen snijden met een dikte van minder dan 0,3 inch. Hoewel deze nokken doorgaans voor een tweede keer slijpen van de kraan kunnen zorgen, kunnen ze ook een snellere materiaalhantering realiseren. Hardere materialen hebben kleinere labels.
Machine met schurende waterstraal en controle van de zaagdiepte. 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 van minder dan 1 micron.
Waterstraalsnijden neemt een plaats in op het gebied van materiaalproductie. In dit artikel wordt bekeken hoe waterjets voor uw winkel werken en wordt gekeken naar het proces.
Posttijd: 04-sep-2021