Il taglio a getto d'acqua può essere un metodo di lavorazione più semplice, ma è dotato di un potente punzone e richiede che l'operatore mantenga la consapevolezza dell'usura e della precisione di più parti.
Il taglio a getto d'acqua più semplice è il processo di taglio dei materiali con getti d'acqua ad alta pressione. Questa tecnologia è solitamente complementare ad altre tecnologie di lavorazione, come fresatura, laser, elettroerosione e plasma. Nel processo a getto d'acqua non si formano sostanze nocive né vapore, non si formano zone interessate dal calore o sollecitazioni meccaniche. I getti d'acqua possono tagliare dettagli ultrasottili su pietra, vetro e metallo; praticare rapidamente fori nel titanio; tagliare il cibo; e persino uccidere gli agenti patogeni nelle bevande e nelle salse.
Tutte le macchine a getto d'acqua sono dotate di una pompa in grado di pressurizzare l'acqua per inviarla alla testa di taglio, dove viene convertita in un flusso supersonico. Esistono due tipi principali di pompe: pompe ad azionamento diretto e pompe booster.
Il ruolo della pompa ad azionamento diretto è simile a quello di un'idropulitrice e la pompa a tre cilindri aziona tre stantuffi direttamente dal motore elettrico. La pressione massima di esercizio continuo è inferiore dal 10% al 25% rispetto a pompe booster simili, ma ciò le mantiene comunque tra 20.000 e 50.000 psi.
Le pompe basate su intensificatore costituiscono la maggior parte delle pompe ad altissima pressione (ovvero pompe oltre 30.000 psi). Queste pompe contengono due circuiti del fluido, uno per l'acqua e l'altro per l'idraulica. Il filtro di ingresso dell'acqua passa prima attraverso un filtro a cartuccia da 1 micron e poi un filtro da 0,45 micron per aspirare la normale acqua del rubinetto. Quest'acqua entra nella pompa booster. Prima che entri nella pompa booster, la pressione della pompa booster viene mantenuta a circa 90 psi. Qui la pressione viene aumentata a 60.000 psi. Prima che l'acqua lasci definitivamente il gruppo pompa e raggiunga la testa di taglio attraverso la tubazione, l'acqua passa attraverso l'ammortizzatore. Il dispositivo può sopprimere le fluttuazioni di pressione per migliorare la consistenza ed eliminare gli impulsi che lasciano segni sul pezzo.
Nel circuito idraulico, il motore elettrico tra i motori elettrici aspira l'olio dal serbatoio dell'olio e lo pressurizza. L'olio pressurizzato scorre al collettore e la valvola del collettore inietta alternativamente olio idraulico su entrambi i lati del gruppo biscotto e stantuffo per generare l'azione di corsa del booster. Poiché la superficie dello stantuffo è più piccola di quella del biscotto, la pressione dell'olio “aumenta” la pressione dell'acqua.
Il booster è una pompa alternativa, il che significa che il gruppo biscotto e stantuffo eroga acqua ad alta pressione da un lato del booster, mentre l'acqua a bassa pressione riempie l'altro lato. Il ricircolo consente inoltre all'olio idraulico di raffreddarsi quando ritorna nel serbatoio. La valvola di ritegno garantisce che l'acqua a bassa e alta pressione possa fluire solo in una direzione. I cilindri ad alta pressione e i cappucci terminali che incapsulano lo stantuffo e i componenti del biscotto devono soddisfare requisiti speciali per resistere alle forze del processo e ai cicli a pressione costante. L'intero sistema è progettato per guastarsi gradualmente e le perdite confluiranno in appositi “fori di drenaggio”, che potranno essere monitorati dall'operatore per programmare al meglio la manutenzione periodica.
Uno speciale tubo ad alta pressione trasporta l'acqua alla testa di taglio. Il tubo può anche garantire libertà di movimento alla testa di taglio, a seconda delle dimensioni del tubo. L'acciaio inossidabile è il materiale scelto per questi tubi e esistono tre dimensioni comuni. I tubi in acciaio con un diametro di 1/4 di pollice sono sufficientemente flessibili per il collegamento ad attrezzature sportive, ma non sono consigliati per il trasporto a lunga distanza di acqua ad alta pressione. Poiché questo tubo è facile da piegare, anche in un rotolo, una lunghezza compresa tra 10 e 20 piedi può ottenere il movimento X, Y e Z. I tubi più grandi da 3/8 pollici solitamente trasportano l'acqua dalla pompa al fondo dell'attrezzatura in movimento. Sebbene possa essere piegato, generalmente non è adatto per le apparecchiature di movimento delle tubazioni. Il tubo più grande, che misura 9/16 pollici, è ideale per trasportare acqua ad alta pressione su lunghe distanze. Un diametro maggiore aiuta a ridurre la perdita di pressione. Tubi di queste dimensioni sono molto compatibili con pompe di grandi dimensioni, poiché una grande quantità di acqua ad alta pressione comporta anche un rischio maggiore di potenziale perdita di pressione. Tuttavia, i tubi di queste dimensioni non possono essere piegati e i raccordi devono essere installati agli angoli.
La macchina da taglio a getto d'acqua pura è la prima macchina da taglio a getto d'acqua e la sua storia può essere fatta risalire ai primi anni '70. Rispetto al contatto o all'inalazione dei materiali, producono meno acqua sui materiali, quindi sono adatti per la produzione di prodotti come interni automobilistici e pannolini usa e getta. Il fluido è molto sottile (da 0,004 pollici a 0,010 pollici di diametro) e fornisce geometrie estremamente dettagliate con una perdita di materiale minima. La forza di taglio è estremamente bassa e il fissaggio è generalmente semplice. Queste macchine sono più adatte per il funzionamento 24 ore su 24.
Quando si considera una testa di taglio per una macchina a getto d'acqua puro, è importante ricordare che la velocità del flusso corrisponde ai frammenti microscopici o alle particelle del materiale lacerabile, non alla pressione. Per raggiungere questa velocità elevata, l'acqua pressurizzata scorre attraverso un piccolo foro in una gemma (solitamente uno zaffiro, un rubino o un diamante) fissata all'estremità dell'ugello. Il taglio tipico utilizza un diametro dell'orifizio compreso tra 0,004 pollici e 0,010 pollici, mentre le applicazioni speciali (come il calcestruzzo spruzzato) possono utilizzare dimensioni fino a 0,10 pollici. A 40.000 psi, il flusso dall'orifizio viaggia a una velocità di circa Mach 2 e a 60.000 psi il flusso supera Mach 3.
Gioiellerie diverse hanno competenze diverse nel taglio a getto d'acqua. Lo zaffiro è il materiale per uso generale più comune. Durano circa dalle 50 alle 100 ore di taglio, anche se l'applicazione del getto d'acqua abrasivo dimezza questi tempi. I rubini non sono adatti al taglio a getto d'acqua puro, ma il flusso d'acqua che producono è molto adatto al taglio abrasivo. Nel processo di taglio abrasivo, il tempo di taglio dei rubini è di circa 50-100 ore. I diamanti sono molto più costosi di zaffiri e rubini, ma il tempo di taglio è compreso tra 800 e 2.000 ore. Ciò rende il diamante particolarmente adatto al funzionamento 24 ore su 24. In alcuni casi, l'orifizio diamantato può anche essere pulito e riutilizzato con gli ultrasuoni.
Nella macchina a getto d'acqua abrasiva, il meccanismo di rimozione del materiale non è il flusso d'acqua stesso. Al contrario, il flusso accelera le particelle abrasive fino a corrodere il materiale. Queste macchine sono migliaia di volte più potenti delle macchine da taglio a getto d'acqua puro e possono tagliare materiali duri come metallo, pietra, materiali compositi e ceramica.
Il flusso abrasivo è più grande del flusso del getto d'acqua pura, con un diametro compreso tra 0,020 pollici e 0,050 pollici. Possono tagliare cataste e materiali fino a 10 pollici di spessore senza creare zone interessate dal calore o stress meccanico. Sebbene la loro forza sia aumentata, la forza di taglio del flusso abrasivo è ancora inferiore a mezzo chilo. Quasi tutte le operazioni di getto abrasivo utilizzano un dispositivo a getto e possono facilmente passare dall'uso a testa singola a quello multitesta e persino il getto d'acqua abrasivo può essere convertito in un getto d'acqua pura.
L'abrasivo è una sabbia dura, particolarmente selezionata e di pezzatura, solitamente granata. Diverse dimensioni della griglia sono adatte a diversi lavori. Una superficie liscia può essere ottenuta con abrasivi da 120 mesh, mentre gli abrasivi da 80 mesh si sono rivelati più adatti per applicazioni generiche. La velocità di taglio dell'abrasivo da 50 mesh è più veloce, ma la superficie è leggermente più ruvida.
Sebbene i getti d'acqua siano più facili da usare rispetto a molte altre macchine, il tubo di miscelazione richiede l'attenzione dell'operatore. Il potenziale di accelerazione di questo tubo è come quello della canna di un fucile, con dimensioni diverse e durata di sostituzione diversa. Il tubo di miscelazione a lunga durata è un'innovazione rivoluzionaria nel taglio a getto d'acqua abrasivo, ma il tubo è ancora molto fragile: se la testa di taglio entra in contatto con un dispositivo, un oggetto pesante o il materiale target, il tubo potrebbe rompersi. I tubi danneggiati non possono essere riparati, quindi per contenere i costi è necessario ridurre al minimo le sostituzioni. Le macchine moderne sono generalmente dotate di una funzione di rilevamento automatico delle collisioni per evitare collisioni con il tubo di miscelazione.
La distanza di separazione tra il tubo di miscelazione e il materiale target è generalmente compresa tra 0,010 pollici e 0,200 pollici, ma l'operatore deve tenere presente che una separazione superiore a 0,080 pollici causerà la formazione di brina sulla parte superiore del bordo tagliato della parte. Il taglio subacqueo e altre tecniche possono ridurre o eliminare questa glassa.
Inizialmente il tubo di miscelazione era realizzato in carburo di tungsteno e aveva una durata di utilizzo di sole 4-6 ore di taglio. Gli attuali tubi compositi a basso costo possono raggiungere una durata di taglio compresa tra 35 e 60 ore e sono consigliati per tagli grossolani o per la formazione di nuovi operatori. Il tubo composito in carburo cementato prolunga la sua durata utile da 80 a 90 ore di taglio. Il tubo composito in carburo cementato di alta qualità ha una durata di taglio compresa tra 100 e 150 ore, è adatto per il lavoro quotidiano e di precisione e presenta un'usura concentrica più prevedibile.
Oltre a fornire movimento, le macchine utensili a getto d'acqua devono includere anche un metodo per fissare il pezzo in lavorazione e un sistema per raccogliere e raccogliere acqua e detriti dalle operazioni di lavorazione.
Le macchine fisse e monodimensionali sono i getti d'acqua più semplici. I getti d'acqua stazionari sono comunemente usati nel settore aerospaziale per rifinire i materiali compositi. L'operatore alimenta il materiale nel torrente come una sega a nastro, mentre il raccoglitore raccoglie il torrente e i detriti. La maggior parte dei getti d'acqua stazionari sono puri getti d'acqua, ma non tutti. La macchina da taglio è una variante della macchina stazionaria, in cui prodotti come la carta vengono alimentati attraverso la macchina e il getto d'acqua taglia il prodotto in una larghezza specifica. Una troncatrice è una macchina che si muove lungo un asse. Spesso lavorano con macchine da taglio per creare motivi a griglia su prodotti come i distributori automatici come i brownies. La macchina da taglio taglia il prodotto in una larghezza specifica, mentre la macchina da taglio trasversale taglia trasversalmente il prodotto alimentato sotto di essa.
Gli operatori non devono utilizzare manualmente questo tipo di getto d'acqua abrasivo. È difficile spostare l'oggetto tagliato a una velocità specifica e costante ed è estremamente pericoloso. Molti produttori non quotano nemmeno le macchine per queste impostazioni.
Il tavolo XY, chiamato anche macchina da taglio a base piana, è la macchina da taglio a getto d'acqua bidimensionale più comune. I getti d’acqua pura tagliano guarnizioni, plastica, gomma e schiuma, mentre i modelli abrasivi tagliano metalli, compositi, vetro, pietra e ceramica. Il banco da lavoro può essere piccolo quanto 2 × 4 piedi o grande quanto 30 × 100 piedi. Solitamente il controllo di queste macchine utensili è gestito da CNC o PC. I servomotori, solitamente con feedback ad anello chiuso, garantiscono l'integrità della posizione e della velocità. L'unità base comprende guide lineari, alloggiamenti dei cuscinetti e viti a ricircolo di sfere, mentre l'unità a ponte comprende anche queste tecnologie e la vasca di raccolta comprende il supporto del materiale.
I banchi da lavoro XY sono generalmente disponibili in due stili: il banco da lavoro a portale a binario intermedio comprende due binari di guida di base e un ponte, mentre il banco da lavoro a sbalzo utilizza una base e un ponte rigido. Entrambi i tipi di macchina includono una qualche forma di regolazione dell'altezza della testa. Questa regolabilità dell'asse Z può assumere la forma di una manovella manuale, di una vite elettrica o di una servovite completamente programmabile.
La vasca del banco da lavoro XY è solitamente un serbatoio pieno d'acqua, dotato di griglie o lamelle per sostenere il pezzo. Il processo di taglio consuma lentamente questi supporti. La pulizia della trappola può essere automatica, i rifiuti vengono stoccati nel contenitore, oppure può essere manuale, e l'operatore spala regolarmente il bidone.
Con l’aumento della percentuale di articoli che non presentano quasi superfici piane, le funzionalità a cinque assi (o più) sono essenziali per il moderno taglio a getto d’acqua. Fortunatamente, la testa di taglio leggera e la bassa forza di contraccolpo durante il processo di taglio offrono ai progettisti una libertà che la fresatura a carico elevato non possiede. Il taglio a getto d'acqua a cinque assi inizialmente utilizzava un sistema di dime, ma gli utenti presto passarono al cinque assi programmabile per eliminare il costo della dima.
Tuttavia, anche con un software dedicato, il taglio 3D è più complicato del taglio 2D. La coda composita del Boeing 777 è un esempio estremo. Per prima cosa l'operatore carica il programma e programma il flessibile staff “pogostick”. Il carroponte trasporta il materiale dei pezzi, la barra a molla viene svitata all'altezza adeguata e i pezzi vengono fissati. Lo speciale asse Z non tagliente utilizza una sonda a contatto per posizionare accuratamente la parte nello spazio e campionare i punti per ottenere l'elevazione e la direzione corrette della parte. Successivamente il programma viene reindirizzato alla posizione effettiva del pezzo; la sonda si ritrae per fare spazio all'asse Z della testa di taglio; il programma viene eseguito per controllare tutti e cinque gli assi per mantenere la testa di taglio perpendicolare alla superficie da tagliare e per operare come richiesto. Viaggio a velocità precisa.
Gli abrasivi sono necessari per tagliare materiali compositi o qualsiasi metallo di dimensioni superiori a 0,05 pollici, il che significa che è necessario impedire all'espulsore di tagliare la barra a molla e il basamento dell'utensile dopo il taglio. L'acquisizione di punti speciali è il modo migliore per ottenere il taglio a getto d'acqua a cinque assi. I test hanno dimostrato che questa tecnologia può fermare un aereo a reazione da 50 cavalli sotto i 6 pollici. Il telaio a forma di C collega il ricevitore al polso dell'asse Z per catturare correttamente la palla quando la testa taglia l'intera circonferenza della parte. Il raccoglitore di punti ferma anche l'abrasione e consuma le sfere d'acciaio a una velocità compresa tra circa 0,5 e 1 libbra all'ora. In questo sistema, il getto viene fermato dalla dispersione dell'energia cinetica: dopo che il getto entra nella trappola, incontra la sfera d'acciaio contenuta, e la sfera d'acciaio ruota per consumare l'energia del getto. Anche in posizione orizzontale e (in alcuni casi) capovolta, lo spot catcher può funzionare.
Non tutte le parti a cinque assi sono ugualmente complesse. All'aumentare delle dimensioni del pezzo, la regolazione del programma e la verifica della posizione del pezzo e della precisione del taglio diventano più complicate. Molti negozi utilizzano ogni giorno macchine 3D per tagli 2D semplici e tagli 3D complessi.
Gli operatori devono essere consapevoli che esiste una grande differenza tra la precisione del pezzo e la precisione del movimento della macchina. Anche una macchina con precisione quasi perfetta, movimento dinamico, controllo della velocità ed eccellente ripetibilità potrebbe non essere in grado di produrre parti “perfette”. La precisione del pezzo finito è una combinazione di errore di processo, errore della macchina (prestazioni XY) e stabilità del pezzo (fissaggio, planarità e stabilità della temperatura).
Quando si tagliano materiali con uno spessore inferiore a 1 pollice, la precisione del getto d'acqua è solitamente compresa tra ±0,003 e 0,015 pollici (da 0,07 a 0,4 mm). La precisione dei materiali con spessore superiore a 1 pollice è compresa tra ±0,005 e 0,100 pollici (da 0,12 a 2,5 mm). La tavola XY ad alte prestazioni è progettata per una precisione di posizionamento lineare di 0,005 pollici o superiore.
I potenziali errori che incidono sulla precisione includono errori di compensazione utensile, errori di programmazione e movimento della macchina. La compensazione utensile è il valore immesso nel sistema di controllo per tenere conto della larghezza di taglio del getto, ovvero della quantità di percorso di taglio che deve essere ampliato affinché la parte finale ottenga la dimensione corretta. Per evitare potenziali errori nei lavori di alta precisione, gli operatori dovrebbero eseguire tagli di prova e comprendere che la compensazione dell'utensile deve essere regolata per adattarsi alla frequenza di usura del tubo di miscelazione.
Gli errori di programmazione si verificano molto spesso perché alcuni controlli XY non visualizzano le dimensioni sul programma pezzo, rendendo difficile rilevare la mancanza di corrispondenza dimensionale tra il programma pezzo e il disegno CAD. Aspetti importanti del movimento della macchina che possono introdurre errori sono il divario e la ripetibilità nell'unità meccanica. Anche la regolazione del servo è importante, perché una regolazione impropria del servo può causare errori in termini di spazi, ripetibilità, verticalità e vibrazioni. Le parti piccole con lunghezza e larghezza inferiori a 12 pollici non richiedono tante tavole XY quanto le parti grandi, quindi la possibilità di errori di movimento della macchina è inferiore.
Gli abrasivi rappresentano i due terzi dei costi operativi dei sistemi a getto d'acqua. Altri includono energia, acqua, aria, guarnizioni, valvole di ritegno, orifizi, tubi di miscelazione, filtri di ingresso dell'acqua e pezzi di ricambio per pompe idrauliche e cilindri ad alta pressione.
Inizialmente il funzionamento a piena potenza sembrava più costoso, ma l’aumento della produttività ha superato il costo. All’aumentare della portata dell’abrasivo, la velocità di taglio aumenterà e il costo per pollice diminuirà fino a raggiungere il punto ottimale. Per la massima produttività, l'operatore dovrebbe far funzionare la testa di taglio alla massima velocità di taglio e alla massima potenza per un utilizzo ottimale. Se un sistema da 100 cavalli può far funzionare solo una testa da 50 cavalli, allora facendo funzionare due teste sul sistema si può raggiungere questa efficienza.
L’ottimizzazione del taglio a getto d’acqua abrasivo richiede attenzione alla situazione specifica in questione, ma può fornire eccellenti aumenti di produttività.
Non è saggio tagliare un traferro maggiore di 0,020 pollici perché il getto si apre nello spazio e taglia approssimativamente i livelli inferiori. L'impilamento dei fogli di materiale uno vicino all'altro può impedire ciò.
Misura la produttività in termini di costo per pollice (ovvero il numero di parti prodotte dal sistema), non di costo orario. Infatti, una produzione rapida è necessaria per ammortizzare i costi indiretti.
I getti d'acqua che spesso perforano materiali compositi, vetro e pietre dovrebbero essere dotati di un controller in grado di ridurre e aumentare la pressione dell'acqua. Il supporto del vuoto e altre tecnologie aumentano la probabilità di perforare con successo materiali fragili o laminati senza danneggiare il materiale target.
L’automazione della movimentazione dei materiali ha senso solo quando la movimentazione dei materiali rappresenta gran parte del costo di produzione delle parti. Le macchine a getto d'acqua abrasivo utilizzano solitamente lo scarico manuale, mentre il taglio delle lastre utilizza principalmente l'automazione.
La maggior parte dei sistemi a getto d'acqua utilizza normale acqua di rubinetto e il 90% degli operatori a getto d'acqua non effettua alcuna preparazione oltre all'addolcimento dell'acqua prima di inviarla al filtro di ingresso. L’uso dell’osmosi inversa e dei deionizzatori per purificare l’acqua può essere allettante, ma la rimozione degli ioni rende più facile per l’acqua assorbire gli ioni dai metalli nelle pompe e nei tubi ad alta pressione. Può prolungare la durata dell'orifizio, ma il costo di sostituzione del cilindro ad alta pressione, della valvola di ritegno e del coperchio terminale è molto più elevato.
Il taglio subacqueo riduce la formazione di brina superficiale (noto anche come “appannamento”) sul bordo superiore del taglio a getto d’acqua abrasivo, riducendo al tempo stesso notevolmente il rumore del getto e il caos sul posto di lavoro. Tuttavia, ciò riduce la visibilità del getto, pertanto si consiglia di utilizzare il monitoraggio elettronico delle prestazioni per rilevare deviazioni dalle condizioni di picco e arrestare il sistema prima che si verifichino danni ai componenti.
Per i sistemi che utilizzano diverse dimensioni di vagli abrasivi per lavori diversi, utilizzare stoccaggio e dosaggio aggiuntivi per dimensioni comuni. Il trasporto di prodotti sfusi piccoli (100 libbre) o grandi (da 500 a 2.000 libbre) e le relative valvole di dosaggio consentono un rapido passaggio tra le dimensioni delle maglie del vaglio, riducendo i tempi di fermo e i problemi, aumentando al tempo stesso la produttività.
Il separatore può tagliare efficacemente materiali con uno spessore inferiore a 0,3 pollici. Sebbene queste alette possano solitamente garantire una seconda rettifica del maschio, possono consentire una movimentazione del materiale più rapida. I materiali più duri avranno etichette più piccole.
Macchina con getto d'acqua abrasivo e controllo della profondità di taglio. Per le parti giuste, questo processo nascente può fornire un’alternativa convincente.
Sunlight-Tech Inc. ha utilizzato i centri di microlavorazione e microfresatura laser Microlution di GF Machining Solutions per produrre parti con tolleranze inferiori a 1 micron.
Il taglio a getto d'acqua occupa un posto nel campo della produzione dei materiali. Questo articolo esamina come funzionano i getti d'acqua per il tuo negozio e analizza il processo.
Orario di pubblicazione: 04-settembre-2021