Słownik terminologii z zakresu technologii cięcia strumieniem wodnym

Poszerz swoją wiedzę na temat obrabiarek strumieniowych za pośrednictwem słownika terminologii z dziedziny technologii cięcia strumieniem wodnym.

A-F

Abrazyjny strumień wodny (zwany również strumieniem ściernym) nadaje przyspieszenie cząstkom ściernym, i to właśnie te cząstki, a nie woda, powodują żłobienie materiału. Strumień abrazyjny wykazuje znacznie silniejsze działanie niż strumień czystej wody; jest on w stanie przecinać twarde materiały, takie jak metale, szkło, kamień i kompozyty - żadnego z nich nie można przeciąć strumieniem czystej wody. Strumieniowe systemy abrazyjne o standardowych parametrach mogą ciąć materiały o twardości nieco wyższej niż twardość ceramiki na bazie tlenku glinu (często zwanej ceramiką korundową o czystości 99,9%). 
 

Właściwości strumienia abrazyjnego

  • Ogromna uniwersalność procesu
  • Brak stref wpływu ciepła
  • Brak naprężeń mechanicznych
  • Łatwość programowania
  • Cienki strumień (średnica od 0,5 do 1,27 mm)
  • Ogromna szczegółowość geometrii
  • Cięcie cienkich materiałów
  • Cięcie materiałów o grubości ponad 30 cm
  • Cięcie pakietowe
  • Niewielkie straty materiałowe podczas cięcia
  • Łatwość zakładania osprzętu mocującego
  • Niskie siły tnące (poniżej 0,45 kg w trakcie cięcia)
  • Jedno ustawienie strumienia dla wszystkich zadań cięcia strumieniem abrazyjnym
  • Łatwość przestawienia systemu z jednogłowicowego na kilkugłowicowy
  • Możliwość szybkiego przestawienia ze strumienia czystej wody na strumień abrazyjny
  • Redukcja liczby operacji wtórnych
  • Niewiele lub brak zadziorów

Dokładność wykonanej części stanowi wypadkową błędów procesu (strumienia wodnego), błędów maszyny (prędkość XY, płynność i dokładność ścieżki) i stabilności części (zamocowanie, płaskość, jednorodność, stabilność temperaturowa).

Strumień wodny nie jest sztywny i może ulegać zagięciu i przesunięciu w materiale.  Parametry strumienia wodnego i cecha braku sztywności mogą niekorzystnie wpłynąć na dokładność części (opóźnienie strumienia, ukos V-kształtny, prędkość przepływu środka abrazyjnego itd.) Od wielu lat dostawcy obrabiarek strumieniowych pracują nad metodami kontrolowania tych charakterystyk.

Dynamic Waterjet® zapewnia automatyczną kompensację opóźnienia strumienia i ukosu, umożliwiając 2 do 4 razy szybsze cięcie oraz minimalizując tolerancje w zakresie od 0,025 do 0,077 mm.

Technologia cięcia strumieniem wody, bardzo łatwa w skonfigurowaniu i obsłudze, to proces cięcia na zimno, przy użyciu którego można szybko wytworzyć małe lub duże partie części, nawet w przypadku skomplikowanych zadań. Cięcie strumieniem wody to proces erozji ponaddźwiękowej.  Strumień czystej wody przecina materiały, które można przeciąć nożem, natomiast strumień abrazyjny może przeciąć każdy materiał o większej twardości.

Waterjet slitting systems quickly and efficiently cut paper products. Operations that employ waterjet slitting systems enjoy profitability and cost savings. Waterjets produce no airborne dust. Dust free cutting will improve your working conditions, safety, and produce a higher quality product. In many tissue and towel applications, waterjet slitting eliminates rewinding so you save on capital equipment expense by slitting on-line.  A waterjet slitter can be installed directly on the machine, and the edge meets all requirements for converting operations. 

Dynamic Waterjet® to opatentowana technologia Flow, która zwiększa prędkość cięcia 2 do 4 razy, zapewniając jednocześnie dużo lepsze tolerancje wykończonej części.

Cięcie strumieniem wody o dużej prędkości wiąże się z wystąpieniem dwóch błędów:  opóźnienia strumienia oraz skosu. Opóźnienie strumienia polega na tym, że strumień wychodzi z obrabianej części za punktem wejścia. Skos ma kształt „V”. Zarówno opóźnienie strumienia jak i skos można zminimalizować poprzez zmniejszenie prędkości (zwykle do 15 - 20% maksymalnej prędkości cięcia), jednakże błędów tych nie można całkowicie wyeliminować.

Aby umożliwić cięcie z dużą prędkością, Dynamic Waterjet automatycznie ustawia głowicę pod kątem tak, aby całość skosu znalazła się po stronie odpadów, oraz lekko wychyla głowicę do przodu, aby skompensować opóźnienie strumienia. Kompensacja skosu i opóźnienia strumienia następuje automatycznie, za kulisami całej operacji. Ani operator, ani programista nie muszą programować tych kątów, ponieważ ustawia je system sterowania.  Automatyczna zmiana kąta następuje również wraz ze zmianą prędkości cięcia, aby możliwe było precyzyjne utworzenie naroży i łuków, gdy głowica tnąca zmienia prędkość w celu wykonania naroża.

Dysza mieszająca w systemie cięcia strumieniem abrazyjnym jest ostatnim komponentem głowicy tnącej. Podczas przechodzenia wody przez kryzę o bardzo małej średnicy ciśnienie wody zostaje zamienione na prędkość strumienia.

Następnie strumień z prędkością naddźwiękową wchodzi do komory mieszania, gdzie wskutek efektu Venturiego następuje wciągnięcie środka abrazyjnego do głowicy. Woda ze środkiem abrazyjnym przechodzi przez dyszę mieszającą i wychodzi jako mieszanina wody, środka abrazyjnego i niewielkiej ilości powietrza.

Średnica wewnętrzna dyszy mieszającej zawarta jest w zakresie od 0,4 mm do 1,78 mm, a jej długość wynosi od 38 mm do 150 mm. Dysza wyposażona jest w wewnętrzny stożek wejściowy. Zazwyczaj wewnętrzna średnica dyszy mieszającej wynosi 1,2 mm, a długość 10 cm. Najczęściej do dyszy jest wprowadzany środek abrazyjny o granulacji 80. Przy normalnym cięciu, średnica dyszy mieszającej wykonanej z materiału wysokiej jakości (nanoziarnisty kompozyt karbidowy z bardzo małą zawartością środka wiążącego w celu zmaksymalizowania odporności na erozję) powiększa się o 0,03 mm na każde 6 do 8 godzin pracy, przy czym jednocześnie postępuje zużycie koncentryczne.

Próżnia utworzona przez płyn lub inny środek poruszający się z dużą prędkością i przechodzący z przekroju o większej powierzchni do przekroju o mniejszej powierzchni. Podczas cięcia strumieniem abrazyjnym następuje wytworzenie efektu Venturiego wskutek przechodzenia strumienia czystej wody przez szerszą komorę mieszania, a następnie do wąskiej dyszy mieszającej.

Środek abrazyjny zostaje wciągnięty wskutek efektu Venturiego do komory mieszania, gdzie zyskuje przyspieszenie i jest wyrzucany z dyszy mieszającej jak pocisk ze strzelby, tworząc strumień abrazyjny.

G-K

Garnet, jako środek abrazyjny, używany jest w 99% obrabiarek strumieniowych ze względu na jego właściwości tnące, jednorodność, koszt, szybkość zużywania się głowicy tnącej oraz charakterystykę pozbawioną niebezpiecznych cech. Typowa granulacja cząstek garnetu używanego do cięcia strumieniowego wynosi zazwyczaj od 50 do 220, przy czym najczęściej używana jest granulacja 80. Im wyższy numer granulacji (sita), tym mniejsza jest cząstka. Granulacja 320 ma średnicę zbliżoną do kurzu.

W systemie cięcia strumieniowego gęstość mocy cięcia oznacza ilość energii włożonej na obszar o danym rozmiarze. Mniejszy strumień pod większym ciśnieniem oznacza, że strumień porusza się z większą prędkością i jego gęstość mocy będzie większa niż ma to miejsce w przypadku szerszego strumienia o niższym ciśnieniu/prędkości.  

Głowica tnąca to urządzenie, w którym ciśnienie wody zostaje zamienione na prędkość podczas przechodzenia wody przez kryzę o bardzo małej średnicy.  

W przypadku cięcia strumieniem abrazyjnym, głowica tnąca zawiera również komorę mieszania i dyszę mieszającą.  Czasem może ona być również wyposażona w zawór włączania/wyłączania.  Zawór ten znajduje się tuż nad kryzą i zawiera układ zatrzasku i gniazda, który umożliwia operatorowi lub sterownikowi CNC uruchomienie lub zatrzymanie strumienia wody.

Wartości granulacji nie określają cząstek o dokładnie zdefiniowanym rozmiarze, lecz przedstawiają rozkład wielkości cząstek. Granulacja 80 zawiera również cząstki większe jak i mniejsze od cząstek o rozmiarze dokładnie 80. Wielkości cząstek są zazwyczaj określane poprzez przepuszczanie środka abrazyjnego przez szereg sit – w miarę posuwania się w dół oczka sit są coraz mniejsze. Typowa granulacja (rozmiary sit) cząstek środka abrazyjnego stosowanego w obrabiarkach strumieniowych wynosi od 220 do 50, przy czym najczęściej używana jest granulacja 80 i 120. Im wyższy numer granulacji (sita), tym mniejsza jest cząstka.

HyperPressure™ określa pompę obrabiarki strumieniowej dostarczającą ciśnienie 5200 barów lub wyższe. Wysokie ciśnienie wynosi zazwyczaj od 2758 do 5200 barów, natomiast ciśnienie HyperPressure to 5200 barów i wyższe. Generalnie standardowe systemy strumieniowe pracują przy wysokim ciśnieniu od 3800 barów do 4100 barów, a w bardziej zaawansowanych systemach ciśnienie znamionowe pompy wynosi 6500 barów.

CFRP oznacza tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami węglowymi (Carbon Fiber Reinforced Plastic). Kompozyty z dodatkiem włókien węglowych używane są do produkcji rakiet tenisowych, kijów golfowych, protez i nowoczesnych samolotów. W przypadku tej definicji jako przykładu użyjemy samolotu rejsowego. Skrzydła, dźwigary, rozpórki, części ogona Boeinga i Airbusa wykonane są z kompozytu, który jest lepszym materiałem niż aluminium. Cięcie kompozytów tradycyjnymi metodami frezowania może spowodować rozwarstwienie, mikropęknięcia, wystrzępienie lub wyciągnięcie włókien. Cięcie przy użyciu systemu strumieniowego nie stwarza tych problemów.

Dostępne dzisiaj lekkie, nowoczesne materiały kompozytowe mogą charakteryzować się twardością i sztywnością taką jak stal lub mogą być elastyczne jak guma, i wytrzymywać naprężenia powstające podczas lotu z prędkością naddźwiękową. Te same właściwości, które sprawiają, że materiały te są tak wytrzymałe, są również przyczyną ogromnych trudności przy ich cięciu. Specjaliści zajmujący się kompozytami nieustannie wprowadzają nowe kombinacje materiałów, które uniemożliwiają ich obróbkę tradycyjnymi metodami.

Do niedawna, cięcie tych materiałów odbywało się za pomocą tradycyjnych metod, takich jak urządzenia z końcówkami diamentowymi lub karbidowymi, piły taśmowe, obcinarki i tarcze ścierne. Ze względu na skład i orientację włókien zaawansowanych technologicznie kompozytów, konwencjonalne metody cięcia powodowały uszkodzenie tych materiałów wskutek ich podgrzewania lub poprzez powstawanie wystrzępień albo rozwarstwienia krawędzi. Ponadto, metody te często były powolne, powodowały rozwarstwienie lub inne problemy wymagające kosztownej ponownej obróbki.

Kompozyty mogą występować w różnych postaciach. W wysokotemperaturowych silnikach stosowane są metale wzmacniane włóknami ceramicznymi (kompozyty metalowe). Zazwyczaj inżynierowie starają się zapewnić wysoką wytrzymałość, większą elastyczność i odporność temperaturową przy jednoczesnym obniżeniu ciężaru. Materiały te doprowadzają zakłady produkcyjne do szału, jednakże istnieje możliwość ich cięcia z dużą szybkością, precyzją i zachowaniem integralności przy zastosowaniu obrabiarek strumieniowych Flow .

Aby wytworzyć strumień czystej wody, ciśnienie wody musi zostać przetworzone na prędkość. Konwersja ta ma miejsce, gdy woda przechodzi przez maleńką kryzę (otwór). Średnica otworu w kryzie szafirowej, rubinowej lub diamentowej wynosi od 0,08 mm do 0,5 mm (najczęściej jest to 0,36 mm). Im większa kryza, tym więcej wody i mocy jest wymagane do utrzymania ciśnienia.

Wielkość kryzy nie decyduje o maksymalnym ciśnieniu wody - jest ono zależne tylko od mocy i rodzaju pompy. 

Górna krawędź kryzy jest bardzo ostra, co zapewnia spójność strumienia wody. Chropowata lub zaokrąglona krawędź spowodowałaby utworzenie rozmytego, turbulentnego strumienia oraz kątowy tor ruchu, co nie jest pożądane. 

Uszkodzenie kryzy w systemie strumieniowym może nastąpić z dwóch powodów. Pierwszy to nagromadzenie się na kryzie wapnia i jego oderwanie się, co nieuchronnie prowadzi do uszkodzenia kryzy. Drugi to spowodowane przez uderzenia cząstek zaokrąglenie lub pęknięcie krawędzi kryzy. W systemach strumieniowych kryza może być albo nieuszkodzona, albo uszkodzona - stopniowa jej degradacja jest zjawiskiem rzadkim. Okres trwałości kryzy szafirowej lub rubinowej, przy dobrej jakości wody, wynosi od 40 do 200 godzin, zależnie od typu wykonywanych zadań i ciśnienia. Kryza diamentowa może być 8-10-krotnie droższa, ale okres jej trwałości będzie również 8 do 10 razy dłuższy.

L-P

Oprogramowanie programujące zwane jest również programem CAM (komputerowo wspomagane wytwarzanie). Oprogramowanie programujące zazwyczaj znajduje się na komputerze, chociaż obróbkę można również zaprogramować na obrabiarce. Programista importuje wcześniej sporządzone rysunki CAD jako pliki typu .dxf lub .dwg (lub w innym formacie) lub tworzy je od nowa w pakiecie programu CAM.

Za pomocą oprogramowania programującego na maszynie, programista dodaje informacje na temat lokalizacji startu i zatrzymania strumienia wodnego, kierunku posuwu, kompensacji narzędzia oraz niezbędnej prędkości przesuwu. Następnie plik ten jest wysyłany do systemu sterowania i na podstawie zawartych w nim informacji następuje wycięcie części.

Liniowa pompa multiplikatorowa to pierwotnie zastosowana i najczęściej spotykana technologia używana w obrabiarkach strumieniowych. W pompach multiplikatorowych zwiększanie ciśnienia odbywa się w oparciu o “zasadę wzmocnienia”.

“Zasada wzmocnienia”, (lub proporcji) polega na zwiększeniu ciśnienia wskutek różnicy powierzchni pierścienia i trzpienia. Ciśnienie oleju hydraulicznego zostaje zwiększone, a olej o niskim ciśnieniu napiera na pierścień, którego powierzchnia czołowa jest 20-krotnie większa od powierzchni wysokociśnieniowego trzpienia, który napiera na wodę. Dlatego następuje 20-krotne “wzmocnienie” ciśnienia. Przykładowo, olej o ciśnieniu 205 barów wygeneruje ciśnienie wody równe 4100 barów ze względu na proporcję powierzchni pierścienia do powierzchni trzpienia wynoszącą 20:1.

Ponad 20% systemów strumieniowych na świecie wyposażonych jest w obrotowe pompy o napędzie bezpośrednim. W przeciwieństwie do pomp multiplikatorowych, obrotowa pompa o napędzie bezpośrednim nie ma pompy hydraulicznej. W pompie tej, zwanej również czasem pompą trójnurnikową, silnik elektryczny obraca wał korbowy za pośrednictwem trzech tłoków w celu wytworzenia wysokiego ciśnienia.

W procesie cięcia strumieniem wodnym, w miarę wzrostu ciśnienia wzrasta również prędkość strumienia.

Gdy strumień przejdzie przez kryzę, znaczenie ma już tylko prędkość. Po przejściu wody przez kryzę strumień jest pozbawiony ciśnienia.

W przypadku cięcia strumieniem abrazyjnym, im większa jest prędkość strumienia, tym szybciej odbywa się cięcie, tym mniejsza jest średnica strumienia i tym mniejsza ilość środka abrazyjnego jest wymagana. 

Przycisk zatrzymania awaryjnego to element, za pośrednictwem którego operator w dowolnym momencie może zatrzymać maszynę i ustawić ją w bezpiecznym trybie. Przyciski zatrzymania awaryjnego są zawsze czerwone i znajdują się w dobrze widocznym miejscu. W obrabiarce strumieniowej naciśnięcie przycisku E-stop spowoduje zatrzymanie procesu cięcia i ruchu, a jeśli jest on wyposażony w specjalną funkcję, również wyłączy pompy i usunie ciśnienie z przewodów wysokiego ciśnienia.

Q-U

W systemie posuwu silniki napędowe pobierają ze wzmacniaczy napędu CNC prąd dodatni/ujemny w celu zapewnienia ruchu w prawo lub w lewo. Obroty te wprawiają w ruch maszynę.

Cięcie maszyną strumieniową, której głowica tnąca przesuwa się płynnie i precyzyjnie, umożliwia utworzenie gładkiej krawędzi. Gdy prędkość cięcia przekroczy wartość około 50% prędkości maksymalnej, w dolnej części powierzchni cięcia zazwyczaj widoczna jest falistość. Zjawisko to jest zwane prążkowaniem. Strefa przejściowa to głębokość, na której gładkość przechodzi w prążkowanie. Przy prędkości cięcia równej 70% prędkości maksymalnej, strefa przejściowa będzie znajdować się w odległości większej niż 60% od powierzchni cięcia.

W oryginalnej metodzie cięcia strumieniowego wykorzystano strumień czystej wody. Pierwsze komercyjne zastosowania miały miejsce w połowie lat 70’, gdy urządzenia strumieniowego użyto do cięcia tektury falistej. Strumień czystej wody jest najczęściej stosowany do cięcia jednorazowych pieluch, bibuły oraz elementów wyposażenia wnętrza samochodów. W przypadku pieluch i bibuły, podczas procesu cięcia strumieniem wody wytwarzana jest mniejsza ilość wilgoci na materiale, niż ma to miejsce wskutek dotyku lub oddechu.

Strumień czystej wody może być również stosowany do usuwania powłok (np. farby na statkach). Więcej informacji na ten temat można uzyskać klikając.

Właściwości strumienia czystej wody

  • Bardzo cienki strumień (najczęściej średnica zawarta jest w zakresie 0,08 do 0,25)
  • Ogromna szczegółowość geometrii
  • Bardzo niewielkie straty materiałowe podczas cięcia
  • W trakcie cięcia nie jest generowane ciepło
  • Możliwość cięcia bardzo cienkich materiałów
  • Możliwość cięcia bardzo grubych materiałów
  • Zazwyczaj cięcie odbywa się bardzo szybko
  • Możliwość cięcia miękkich, lekkich materiałów
  • (np. izolacji z włókna szklanego o grubości do 60 cm)
  • Bardzo małe siły tnące
  • Prosty osprzęt
  • Możliwość pracy 24 godziny na dobę

System informacji zwrotnej dostarcza do systemu sterowania CNC informacje dotyczące systemu posuwu, takie jak pozycja i prędkość. Informuje on system sterowania, że maszyna wykonała zaprogramowane zadanie.

Im wyższa rozdzielczość napędu, silnika i informacji zwrotnej, tym bardziej precyzyjny jest ruch głowicy tnącej. System informacji zwrotnej może być koderem zamocowanym do silnika, skalą taśmową lub szklaną zamocowaną do ramy maszyny w kierunku przesuwu, lub może mieć inną postać.

W systemie posuwu, system sterowania pobiera informacje na temat zaprogramowanej części, prędkości oraz poleceń dotyczących włączenia/wyłączenia strumienia i przekłada je na język zrozumiały dla systemu elektrycznego. Zazwyczaj używany jest system sterowania CNC (sterowanie numeryczne za pomocą komputera [computer numerical control]), zainstalowany na komputerze system sterowania lub hybryda obu systemów.  

Wyjaśniając dokładniej, inżynier lub projektant, posługując się programem CAD (komputerowo wspomagane projektowanie [computer aided design]), takim jak AutoCAD®, może narysować kwadrat, który ma zostać wycięty za pomocą strumienia wodnego. Programista (może to być ta sama osoba) pobiera rysunek kwadratu jako plik .dxf lub .dwg i przenosi go do programu CAM (komputerowo wspomagane wytwarzanie [computer aided manufacturing]).  

Tutaj programista dodaje lokalizacje startu i zatrzymania strumienia wodnego, kierunek posuwu, kompensację narzędzia oraz niezbędne prędkości przesuwu. Następnie plik ten jest przesyłany do systemu sterowania, gdzie operator (znów może to być ta sama osoba) otwiera plik w systemie sterowania maszyną, umieszcza głowicę tnącą w położeniu startowym nad materiałem i naciska przycisk uruchamiania cyklu w celu wycięcia części.

W tym momencie system sterowania przekłada plik cięcia na prąd elektryczny przechodzący od układu sterowania napędu do silników maszyny, co wprawia maszynę w ruch.  System sterowania wysyła również cyfrowy sygnał wyjściowy w celu automatycznego włączenia i wyłączenia strumienia i środka abrazyjnego.  

Szczelinę definiuje się jako szerokość przecięcia, czyli rowka powstającego podczas cięcia. W przypadku cięcia strumieniem abrazyjnym szerokość szczeliny jest bezpośrednio zależna od średnicy dyszy mieszającej. Szczelina jest o około 10% większa od średnicy dyszy mieszającej.

A więc, w przypadku dyszy mieszającej o średnicy 0,76 mm, wielkość szczeliny wyniesie 0,84 mm. Oczywiście, wielkość szczeliny rośnie wraz ze wzrostem średnicy dyszy mieszającej. Średnica powiększa się o około 0,03 mm na każde 8 godzin włączonego strumienia.

Cienka szczelina stanowi dużą zaletę metody cięcia strumieniem wodnym, ponieważ umożliwia wycinanie skomplikowanych detali. Szerokość strumienia czystej wody wynosi od 0,08 mm do 0,4 mm, natomiast strumienia abrazyjnego od 0,4 mm do 1,78 mm (typowo 1,2 mm).

V-Z

W branży obrabiarek strumieniowych zdefiniowane są różne poziomy ciśnienia. Wysokie ciśnienie zawarte jest w zakresie od 2760 barów do 5170 barów. W urządzeniach strumieniowych większość pomp pracuje przy ciśnieniu 3790 - 4120 barów.

Wysokociśnieniowa instalacja hydrauliczna w obrabiarkach strumieniowych bezpiecznie transportuje wodę z generującej ciśnienie pompy do głowicy tnącej. W skład tej instalacji mogą wchodzić posiadające pewną elastyczność przewody ze stali nierdzewnej o średnicy zewnętrznej 1/4 cala, 3/8 cala lub 9/16 cala, trójniki, kolanka i połączenia obrotowe. Instalacja HyperPressure™ jest inaczej zaprojektowana i ma inne wartości znamionowe niż normalna wysokociśnieniowa instalacja hydrauliczna.

Zawory zwrotne znajdują się w pompach urządzeń strumieniowych. Są to jednokierunkowe wrota, które umożliwiają przepływ wody tylko w jednym kierunku.

Przykładowo, woda o niskim ciśnieniu przechodzi przez typowy niskociśnieniowy przewód i wchodzi do pompy, gdzie nastąpi zwiększenie jej ciśnienia. Po zwiększeniu ciśnienia, woda nie może wyjść przez zawór niskociśnieniowy, ponieważ nastąpiłoby natychmiastowe rozerwanie przewodu niskociśnieniowego. W takiej sytuacji następuje otwarcie drugiego zaworu zwrotnego, który umożliwi bezpieczny przepływ wody pod ciśnieniem przez wysokociśnieniowe przewody do głowicy tnącej.