Il taglio a getto d'acqua può essere un metodo di lavorazione più semplice, ma è dotato di un punzone potente e richiede all'operatore di prestare attenzione all'usura e alla precisione delle varie 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 a tuffo e plasma. Nel processo a getto d'acqua non si formano sostanze nocive o vapore, né zone alterate dal calore o stress meccanici. I getti d'acqua possono tagliare dettagli ultrasottili su pietra, vetro e metallo; praticare rapidamente fori nel titanio; tagliare alimenti; e persino eliminare agenti patogeni in bevande e salse.
Tutte le macchine a getto d'acqua sono dotate di una pompa in grado di pressurizzare l'acqua per convogliarla alla testa di taglio, dove viene convertita in un flusso supersonico. Esistono due tipi principali di pompe: pompe a trasmissione diretta e pompe booster.
Il ruolo della pompa a trasmissione diretta è simile a quello di un'idropulitrice ad alta pressione: la pompa a tre cilindri aziona tre pistoni direttamente dal motore elettrico. La pressione massima di esercizio continua è inferiore del 10-25% rispetto a quella di pompe booster simili, ma rimane comunque compresa tra 20.000 e 50.000 psi.
Le pompe con intensificatore di pressione costituiscono la maggior parte delle pompe ad altissima pressione (ovvero pompe con pressioni superiori a 30.000 psi). Queste pompe contengono due circuiti idraulici, uno per l'acqua e l'altro per l'impianto idraulico. Il filtro di ingresso dell'acqua passa prima attraverso un filtro a cartuccia da 1 micron e poi attraverso un filtro da 0,45 micron per aspirare l'acqua di rubinetto. Quest'acqua entra nella pompa booster. Prima di entrare 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 è in grado di sopprimere le fluttuazioni di pressione per migliorare l'uniformità ed eliminare le pulsazioni che lasciano segni sul pezzo in lavorazione.
Nel circuito idraulico, il motore elettrico tra i motori elettrici aspira l'olio dal serbatoio e lo pressurizza. L'olio pressurizzato fluisce verso il collettore, e la valvola del collettore inietta alternativamente olio idraulico su entrambi i lati del gruppo biscotto e stantuffo per generare la corsa del servofreno. 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 a pistone alternativo, il che significa che il gruppo pistone-biscotto 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 torna al 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 tappi terminali che incapsulano i componenti del pistone e del biscotto devono soddisfare requisiti specifici per resistere alle forze del processo e ai cicli di pressione costante. L'intero sistema è progettato per guastarsi gradualmente e le perdite confluiranno in appositi "fori di scarico", che possono essere monitorati dall'operatore per pianificare al meglio la manutenzione ordinaria.
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 prediletto per questi tubi e ne esistono tre dimensioni comuni. I tubi in acciaio con un diametro di 6 mm sono sufficientemente flessibili da poter essere collegati alle attrezzature sportive, ma non sono consigliati per il trasporto di acqua ad alta pressione su lunghe distanze. Poiché questo tubo è facile da piegare, anche in rotolo, una lunghezza da 3 a 6 metri può consentire il movimento X, Y e Z. I tubi più grandi da 9 mm (3/8 di pollice) di solito trasportano l'acqua dalla pompa alla base dell'attrezzatura in movimento. Sebbene possano essere piegati, generalmente non sono adatti per le attrezzature in movimento tramite condotte. Il tubo più grande, da 9 mm (9/16 di pollice), è ideale per il trasporto di acqua ad alta pressione su lunghe distanze. Un diametro maggiore contribuisce a ridurre le perdite di pressione. I 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 potenziali perdite di pressione. Tuttavia, tubi di queste dimensioni non possono essere piegati ed è necessario installare dei raccordi negli angoli.
La macchina da taglio a getto d'acqua puro è la prima macchina da taglio a getto d'acqua e la sua storia risale ai primi anni '70. Rispetto al contatto o all'inalazione dei materiali, produce meno acqua sui materiali, quindi è adatta alla produzione di prodotti come interni di automobili e pannolini usa e getta. Il fluido è molto fluido - da 0,004 pollici a 0,010 pollici di diametro - e consente di ottenere 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 ideali per un funzionamento 24 ore su 24.
Quando si sceglie una testa di taglio per una macchina a getto d'acqua puro, è importante ricordare che la velocità del flusso è data dai frammenti o particelle microscopiche del materiale da tagliare, non dalla pressione. Per raggiungere questa elevata velocità, l'acqua pressurizzata scorre attraverso un piccolo foro in una pietra preziosa (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 applicazioni speciali (come il calcestruzzo spruzzato) possono utilizzare diametri 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, la portata supera Mach 3.
Ogni tipo di gioielleria richiede una competenza specifica nel taglio a getto d'acqua. Lo zaffiro è il materiale più comune per uso generico. Dura circa dalle 50 alle 100 ore di taglio, sebbene l'applicazione a getto d'acqua abrasivo dimezzi 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 per i 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. Questo rende il diamante particolarmente adatto a un funzionamento 24 ore su 24. In alcuni casi, l'orifizio del diamante può anche essere pulito a ultrasuoni e riutilizzato.
Nelle macchine a getto d'acqua abrasivo, il meccanismo di rimozione del materiale non è il flusso d'acqua in sé. Al contrario, il flusso accelera le particelle abrasive, corrodendo 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 ampio del getto d'acqua pura, con un diametro compreso tra 0,020 pollici e 0,050 pollici. Possono tagliare pile e materiali fino a 10 pollici di spessore senza creare zone termicamente alterate o stress meccanico. Sebbene la loro resistenza sia aumentata, la forza di taglio del flusso abrasivo è ancora inferiore a 450 g. Quasi tutte le operazioni di getto abrasivo utilizzano un dispositivo di getto e possono facilmente passare dall'uso a una testa singola a quello a più teste, e persino il getto d'acqua abrasivo può essere convertito in un getto d'acqua pura.
L'abrasivo è una sabbia dura, appositamente selezionata e granulometrica, solitamente granato. Diverse granulometrie sono adatte a lavori diversi. Una superficie liscia può essere ottenuta con abrasivi da 120 mesh, mentre gli abrasivi da 80 mesh si sono dimostrati più adatti per applicazioni generiche. La velocità di taglio degli abrasivi da 50 mesh è maggiore, ma la superficie risulta 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 simile a quello di una canna di fucile, con dimensioni e durata di sostituzione diverse. Il tubo di miscelazione a lunga durata è un'innovazione rivoluzionaria nel taglio a getto d'acqua abrasivo, ma il tubo è comunque molto fragile: se la testa di taglio entra in contatto con un elemento di fissaggio, un oggetto pesante o il materiale da tagliare, 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 solitamente dotate di una funzione di rilevamento automatico delle collisioni per prevenire collisioni con il tubo di miscelazione.
La distanza di separazione tra il tubo di miscelazione e il materiale target è solitamente 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 di taglio del pezzo. Il taglio subacqueo e altre tecniche possono ridurre o eliminare questa brina.
Inizialmente, il tubo di miscelazione era realizzato in carburo di tungsteno e aveva una durata di taglio di sole quattro-sei ore. Gli attuali tubi compositi a basso costo possono raggiungere una durata di taglio di 35-60 ore e sono consigliati per tagli di sgrossatura o per la formazione di nuovi operatori. Il tubo composito in carburo cementato estende la sua durata di taglio a 80-90 ore. Il tubo composito in carburo cementato di alta qualità ha una durata di taglio di 100-150 ore, è adatto per lavori di precisione e quotidiani e presenta un'usura concentrica estremamente prevedibile.
Oltre a fornire movimento, le macchine utensili a getto d'acqua devono anche includere un metodo per fissare il pezzo in lavorazione e un sistema per raccogliere e smaltire l'acqua e i detriti derivanti dalle operazioni di lavorazione.
Le macchine fisse e monodimensionali sono i getti d'acqua più semplici. I getti d'acqua fissi sono comunemente utilizzati in ambito aerospaziale per rifilare materiali compositi. L'operatore alimenta il materiale nel canale di alimentazione come una sega a nastro, mentre il raccoglitore raccoglie il canale di alimentazione e i detriti. La maggior parte dei getti d'acqua fissi sono getti d'acqua puri, ma non tutti. La macchina da taglio è una variante della macchina fissa, in cui prodotti come la carta vengono alimentati attraverso la macchina e il getto d'acqua taglia il prodotto in una larghezza specifica. Una macchina da taglio trasversale è una macchina che si muove lungo un asse. Spesso lavorano con le macchine da taglio per creare motivi a griglia su prodotti come i brownies dei distributori automatici. La macchina da taglio taglia il prodotto in una larghezza specifica, mentre la macchina da taglio trasversale taglia trasversalmente il prodotto alimentato al di sotto di essa.
Gli operatori non dovrebbero 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 offrono nemmeno preventivi per macchine con queste impostazioni.
Il tavolo XY, chiamato anche macchina da taglio a letto piano, 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 di lavoro può avere dimensioni di soli 60 x 120 cm o di 9 x 30 metri. Solitamente, il controllo di queste macchine utensili è gestito da CNC o PC. Servomotori, solitamente con retroazione a circuito chiuso, garantiscono l'integrità di posizione e velocità. L'unità base include guide lineari, alloggiamenti per cuscinetti e viti a ricircolo di sfere, mentre l'unità a ponte include anch'essa queste tecnologie e il serbatoio di raccolta include il supporto del materiale.
I banchi da lavoro XY sono generalmente disponibili in due modelli: il banco da lavoro a portale con guida centrale include due guide 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 regolazione dell'asse Z può avvenire tramite una manovella manuale, una vite elettrica o una vite servoassistita completamente programmabile.
Il pozzetto di raccolta sul banco di lavoro XY è solitamente un serbatoio d'acqua, dotato di griglie o lamelle per sostenere il pezzo in lavorazione. Il processo di taglio consuma lentamente questi supporti. Il pozzetto può essere pulito automaticamente, con lo scarto raccolto nel contenitore, oppure manualmente, con l'operatore che svuota regolarmente il contenitore.
Con l'aumento della percentuale di oggetti con superfici quasi completamente prive di superfici piane, le capacità 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 rinculo durante il processo di taglio offrono ai progettisti una libertà che la fresatura ad alto carico non offre. Inizialmente, il taglio a getto d'acqua a cinque assi utilizzava un sistema di dime, ma gli utenti si sono presto rivolti al taglio a cinque assi programmabile per eliminare il costo delle dime.
Tuttavia, anche con un software dedicato, il taglio 3D è più complicato del taglio 2D. La parte composita della coda del Boeing 777 ne è un esempio estremo. Innanzitutto, l'operatore carica il programma e programma il bastone flessibile "pogostick". La gru a ponte trasporta il materiale dei pezzi, la barra a molla viene svitata all'altezza appropriata e i pezzi vengono fissati. Lo speciale asse Z non tagliente utilizza una sonda a contatto per posizionare accuratamente il pezzo nello spazio e campionare punti per ottenere la corretta elevazione e direzione del pezzo. 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 esegue il controllo di tutti e cinque gli assi per mantenere la testa di taglio perpendicolare alla superficie da tagliare e per operare come richiesto. Spostamento a velocità precisa.
Per tagliare materiali compositi o qualsiasi metallo di dimensioni superiori a 0,05 pollici (1,27 cm), è necessario utilizzare abrasivi, il che significa che è necessario impedire all'eiettore di tagliare la barra a molla e il letto utensile dopo il taglio. La cattura a 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 jet da 50 cavalli al di sotto di 6 pollici (15 cm). Il telaio a C collega il ricevitore al polso dell'asse Z per catturare correttamente la sfera quando la testa taglia l'intera circonferenza del pezzo. Il ricevitore a punti blocca anche l'abrasione e consuma le sfere d'acciaio a una velocità di circa 0,5-1 libbra (0,5-1 libbra) all'ora. In questo sistema, il getto viene arrestato dalla dispersione di energia cinetica: dopo essere entrato nella trappola, il getto incontra la sfera d'acciaio contenuta, che ruota per assorbire l'energia del getto. Anche in posizione orizzontale e (in alcuni casi) capovolta, il ricevitore a punti può funzionare.
Non tutti i pezzi a cinque assi hanno la stessa complessità. Con l'aumentare delle dimensioni del pezzo, la regolazione del programma e la verifica della posizione del pezzo e della precisione di taglio diventano più complesse. Molte officine utilizzano quotidianamente macchine 3D per il taglio 2D semplice e per il taglio 3D complesso.
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 una precisione pressoché perfetta, un movimento dinamico, un controllo della velocità e un'eccellente ripetibilità potrebbe non essere in grado di produrre pezzi "perfetti". La precisione del pezzo finito è una combinazione di errori di processo, errori della macchina (prestazioni XY) e stabilità del pezzo (fissaggio, planarità e stabilità della temperatura).
Quando si tagliano materiali con spessore inferiore a 2,5 cm, 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 per materiali con spessore superiore a 2,5 cm 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.
Tra i potenziali errori che incidono sulla precisione rientrano errori di compensazione dell'utensile, errori di programmazione e movimenti della macchina. La compensazione dell'utensile è il valore immesso nel sistema di controllo per tenere conto della larghezza di taglio del getto, ovvero la quantità di percorso di taglio che deve essere ampliata affinché il pezzo finale raggiunga le dimensioni corrette. Per evitare potenziali errori nelle lavorazioni ad alta precisione, gli operatori devono eseguire tagli di prova e comprendere che la compensazione dell'utensile deve essere regolata in base alla frequenza di usura del tubo di miscelazione.
Gli errori di programmazione si verificano più spesso perché alcuni controlli XY non visualizzano le quote sul part program, rendendo difficile rilevare la mancanza di corrispondenza dimensionale tra il part program e il disegno CAD. Aspetti importanti del movimento della macchina che possono introdurre errori sono il gap e la ripetibilità nell'unità meccanica. Anche la regolazione del servo è importante, poiché una regolazione impropria del servo può causare errori di gap, ripetibilità, verticalità e vibrazioni. I pezzi piccoli con lunghezza e larghezza inferiori a 30 cm non richiedono lo stesso numero di tavole XY dei pezzi grandi, quindi la possibilità di errori di movimento della macchina è minore.
Gli abrasivi rappresentano due terzi dei costi operativi dei sistemi a getto d'acqua. Altri costi includono energia elettrica, 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 di produttività ha superato il costo. All'aumentare della portata dell'abrasivo, la velocità di taglio aumenta e il costo per pollice diminuisce fino a raggiungere il punto ottimale. Per la massima produttività, l'operatore dovrebbe utilizzare la testa di taglio alla massima velocità di taglio e alla massima potenza per un utilizzo ottimale. Se un sistema da 100 cavalli può utilizzare solo una testa da 50 cavalli, l'utilizzo di due teste sul sistema può raggiungere tale efficienza.
Per ottimizzare il taglio a getto d'acqua abrasivo è necessario prestare attenzione alla situazione specifica del momento, ma è possibile ottenere notevoli incrementi di produttività.
È sconsigliato tagliare un'intercapedine d'aria più larga di 0,020 pollici (circa 5 mm) perché il getto si apre nell'intercapedine e taglia bruscamente i livelli inferiori. Impilare i fogli di materiale uno accanto all'altro può evitare questo inconveniente.
Misurate la produttività in termini di costo per pollice (ovvero il numero di pezzi prodotti dal sistema), non di costo orario. Infatti, la 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. L'assistenza del vuoto e altre tecnologie aumentano le probabilità di perforare con successo materiali fragili o laminati senza danneggiare il materiale bersaglio.
L'automazione della movimentazione dei materiali ha senso solo quando la movimentazione dei materiali rappresenta una parte significativa del costo di produzione dei componenti. Le macchine a getto d'acqua abrasivo utilizzano solitamente lo scarico manuale, mentre il taglio delle lamiere utilizza principalmente l'automazione.
La maggior parte dei sistemi a getto d'acqua utilizza normale acqua di rubinetto e il 90% degli operatori di sistemi a getto d'acqua non effettua alcuna preparazione se non addolcirla prima di inviarla al filtro di ingresso. Utilizzare l'osmosi inversa e i deionizzatori per purificare l'acqua può essere allettante, ma la rimozione degli ioni facilita l'assorbimento degli ioni dai metalli presenti nelle pompe e nelle tubazioni 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 ghiaccio superficiale (noto anche come "fogging") sul bordo superiore del taglio a getto d'acqua abrasivo, riducendo notevolmente anche il rumore del getto e il caos sul posto di lavoro. Tuttavia, questo riduce la visibilità del getto, quindi si consiglia di utilizzare il monitoraggio elettronico delle prestazioni per rilevare eventuali deviazioni dalle condizioni ottimali e arrestare il sistema prima che si verifichino danni ai componenti.
Per i sistemi che utilizzano diverse dimensioni di reti abrasive per lavori diversi, si prega di utilizzare sistemi di stoccaggio e dosaggio aggiuntivi per le dimensioni più comuni. Il trasporto di materiali sfusi di piccole dimensioni (45 kg) o grandi (da 227 a 900 kg) e le relative valvole di dosaggio consentono un rapido passaggio da una dimensione di maglia all'altra, riducendo i tempi di fermo e le difficoltà, e aumentando al contempo la produttività.
Il separatore può tagliare efficacemente materiali con uno spessore inferiore a 0,8 cm. Sebbene queste alette possano solitamente garantire una seconda rettifica del maschio, consentono una movimentazione più rapida del materiale. I materiali più duri avranno tagli più piccoli.
Macchina con getto d'acqua abrasivo e controllo della profondità di taglio. Per i pezzi giusti, questo processo nascente potrebbe rappresentare un'alternativa interessante.
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 importante nel campo della produzione di materiali. Questo articolo illustra come il taglio a getto d'acqua può essere utilizzato per il vostro negozio e ne illustra il processo.
Data di pubblicazione: 04/09/2021