El corte por chorro de agua puede ser un método de procesamiento más simple, pero está equipado con un punzón potente y requiere que el operador esté atento al desgaste y la precisión de varias piezas.
El corte por chorro de agua más sencillo consiste en cortar materiales mediante chorros de agua a alta presión. Esta tecnología suele complementar otras tecnologías de procesamiento, como el fresado, el láser, la electroerosión y el plasma. En el proceso de chorro de agua, no se generan sustancias nocivas ni vapor, ni zonas afectadas por el calor ni tensiones mecánicas. El chorro de agua permite cortar detalles ultrafinos en piedra, vidrio y metal; perforar rápidamente agujeros en titanio; cortar alimentos; e incluso eliminar patógenos en bebidas y salsas.
Todas las máquinas de corte por chorro de agua cuentan con una bomba que presuriza el agua para su suministro al cabezal de corte, donde se convierte en un flujo supersónico. Existen dos tipos principales de bombas: bombas de accionamiento directo y bombas de refuerzo.
La función de la bomba de accionamiento directo es similar a la de una hidrolimpiadora, y la bomba de tres cilindros acciona tres émbolos directamente desde el motor eléctrico. La presión máxima de trabajo continua es entre un 10 % y un 25 % inferior a la de bombas de refuerzo similares, pero esto la mantiene entre 20 000 y 50 000 psi.
Las bombas con intensificador constituyen la mayoría de las bombas de ultraalta presión (es decir, bombas de más de 30 000 psi). Estas bombas contienen dos circuitos de fluido: uno para el agua y otro para el sistema hidráulico. El filtro de entrada de agua pasa primero por un filtro de cartucho de 1 micrón y luego por uno de 0,45 micras para aspirar agua corriente. Esta agua entra en la bomba de refuerzo. Antes de entrar en la bomba, la presión de esta se mantiene a unos 90 psi. En este punto, la presión se incrementa a 60 000 psi. Antes de que el agua salga finalmente del conjunto de la bomba y llegue al cabezal de corte a través de la tubería, pasa por el amortiguador. El dispositivo puede suprimir las fluctuaciones de presión para mejorar la consistencia y eliminar las pulsaciones que dejan marcas en la pieza de trabajo.
En el circuito hidráulico, el motor eléctrico entre los motores eléctricos extrae aceite del tanque de aceite y lo presuriza. El aceite presurizado fluye al colector, y la válvula del colector inyecta alternativamente aceite hidráulico a ambos lados del conjunto de bizcocho y émbolo para generar la carrera del servomotor. Dado que la superficie del émbolo es menor que la de la bizcocho, la presión del aceite aumenta la presión del agua.
El amplificador es una bomba reciprocante, lo que significa que el conjunto de bizcocho y émbolo suministra agua a alta presión desde un lado del amplificador, mientras que el agua a baja presión llena el otro lado. La recirculación también permite que el aceite hidráulico se enfríe al regresar al tanque. La válvula de retención garantiza que el agua, tanto a baja como a alta presión, fluya solo en una dirección. Los cilindros de alta presión y las tapas que encapsulan los componentes del émbolo y el bizcocho deben cumplir requisitos especiales para soportar las fuerzas del proceso y los ciclos de presión constante. Todo el sistema está diseñado para fallar gradualmente, y las fugas fluirán hacia orificios de drenaje especiales, que el operador puede monitorear para programar mejor el mantenimiento regular.
Una tubería especial de alta presión transporta el agua hasta el cabezal de corte. Esta tubería también proporciona libertad de movimiento al cabezal, dependiendo de su tamaño. El acero inoxidable es el material predilecto para estas tuberías, y existen tres tamaños comunes. Las tuberías de acero con un diámetro de 6 mm (1/4 de pulgada) son lo suficientemente flexibles como para conectarse a equipos deportivos, pero no se recomiendan para el transporte de agua a alta presión a largas distancias. Dado que este tubo es fácil de doblar, incluso en rollo, una longitud de 3 a 6 metros (10 a 20 pies) permite el movimiento en X, Y y Z. Las tuberías más grandes, de 9/8 de pulgada (3/8 de pulgada), suelen transportar el agua desde la bomba hasta la parte inferior del equipo móvil. Aunque se pueden doblar, generalmente no son adecuadas para equipos de movimiento de tuberías. La tubería más grande, de 2,4 mm (9/16 de pulgada), es la más adecuada para transportar agua a alta presión a largas distancias. Un diámetro mayor ayuda a reducir la pérdida de presión. Las tuberías de este tamaño son muy compatibles con bombas grandes, ya que una gran cantidad de agua a alta presión también conlleva un mayor riesgo de pérdida de presión. Sin embargo, las tuberías de este tamaño no se pueden doblar y es necesario instalar accesorios en las esquinas.
La máquina de corte por chorro de agua pura es la más antigua, y su historia se remonta a principios de la década de 1970. En comparación con el contacto o la inhalación de materiales, produce menos agua sobre ellos, por lo que es ideal para la producción de productos como interiores de automóviles y pañales desechables. El fluido es muy fino (de 0,004 a 0,010 pulgadas de diámetro) y proporciona geometrías extremadamente detalladas con mínima pérdida de material. La fuerza de corte es extremadamente baja y la fijación suele ser sencilla. Estas máquinas son ideales para un funcionamiento continuo.
Al considerar un cabezal de corte para una máquina de chorro de agua puro, es importante recordar que la velocidad del flujo se refiere a los fragmentos o partículas microscópicas del material a desgarrar, no a la presión. Para alcanzar esta alta velocidad, el agua presurizada fluye a través de un pequeño orificio en una gema (generalmente un zafiro, un rubí o un diamante) fijado al extremo de la boquilla. El corte típico utiliza un diámetro de orificio de entre 0,004 y 0,010 pulgadas, mientras que en aplicaciones especiales (como el hormigón proyectado) se pueden utilizar tamaños de hasta 0,10 pulgadas. A 40.000 psi, el flujo del orificio viaja a una velocidad aproximada de Mach 2, y a 60.000 psi, supera Mach 3.
Cada joyería tiene una experiencia diferente en el corte por chorro de agua. El zafiro es el material más común para uso general. Su vida útil es de aproximadamente 50 a 100 horas, aunque la aplicación de chorro de agua abrasivo reduce este tiempo a la mitad. Los rubíes no son aptos para el corte por chorro de agua puro, pero el flujo de agua que producen es muy adecuado para el corte abrasivo. En el proceso de corte abrasivo, el tiempo de corte de los rubíes es de aproximadamente 50 a 100 horas. Los diamantes son mucho más caros que los zafiros y los rubíes, pero su tiempo de corte oscila entre 800 y 2000 horas. Esto hace que el diamante sea especialmente adecuado para un funcionamiento continuo. En algunos casos, el orificio del diamante también puede limpiarse por ultrasonidos y reutilizarse.
En las máquinas de corte por chorro de agua abrasivo, el mecanismo de eliminación de material no es el flujo de agua en sí. Por el contrario, el flujo acelera las partículas abrasivas, corroyendo el material. Estas máquinas son miles de veces más potentes que las máquinas de corte por chorro de agua puro y pueden cortar materiales duros como metal, piedra, materiales compuestos y cerámica.
El chorro abrasivo es más grande que el chorro de agua pura, con un diámetro de entre 0,020 y 0,050 pulgadas. Permite cortar pilas y materiales de hasta 10 pulgadas de espesor sin crear zonas afectadas por el calor ni tensión mecánica. Aunque su resistencia ha aumentado, la fuerza de corte del chorro abrasivo sigue siendo inferior a una libra. Casi todas las operaciones de chorro abrasivo utilizan un dispositivo de chorro y permiten cambiar fácilmente de un cabezal a varios, e incluso el chorro de agua abrasiva puede convertirse en un chorro de agua pura.
El abrasivo es una arena dura, especialmente seleccionada y de gran tamaño, generalmente granate. Diferentes tamaños de malla son adecuados para distintos trabajos. Se puede obtener una superficie lisa con abrasivos de malla 120, mientras que los de malla 80 han demostrado ser más adecuados para aplicaciones generales. La velocidad de corte con abrasivos de malla 50 es mayor, pero la superficie es ligeramente más rugosa.
Aunque los chorros de agua son más fáciles de operar que muchas otras máquinas, el tubo mezclador requiere la atención del operador. La aceleración de este tubo es similar a la del cañón de un rifle, con diferentes tamaños y distinta vida útil. Este tubo mezclador de larga duración es una innovación revolucionaria en el corte por chorro de agua abrasivo, pero sigue siendo muy frágil: si el cabezal de corte entra en contacto con un accesorio, un objeto pesado o el material a cortar, podría romperse. Las tuberías dañadas no se pueden reparar, por lo que para reducir los costos es necesario minimizar las sustituciones. Las máquinas modernas suelen contar con una función automática de detección de colisiones para evitar colisiones con el tubo mezclador.
La distancia entre el tubo mezclador y el material de destino suele ser de entre 0,010 y 0,200 pulgadas, pero el operador debe tener en cuenta que una separación superior a 0,080 pulgadas provocará escarcha en la parte superior del borde cortado de la pieza. El corte subacuático y otras técnicas pueden reducir o eliminar esta escarcha.
Inicialmente, el tubo mezclador se fabricaba con carburo de tungsteno y solo tenía una vida útil de cuatro a seis horas de corte. Los tubos compuestos de bajo costo actuales pueden alcanzar una vida útil de 35 a 60 horas y se recomiendan para cortes de desbaste o para la capacitación de nuevos operadores. El tubo compuesto de carburo cementado extiende su vida útil a 80 a 90 horas de corte. El tubo compuesto de carburo cementado de alta calidad tiene una vida útil de 100 a 150 horas, es adecuado para trabajos de precisión y cotidianos, y presenta el desgaste concéntrico más predecible.
Además de proporcionar movimiento, las máquinas herramienta de chorro de agua también deben incluir un método para asegurar la pieza de trabajo y un sistema para recolectar y recoger agua y residuos de las operaciones de mecanizado.
Las máquinas estacionarias y unidimensionales son los chorros de agua más simples. Los chorros de agua estacionarios se usan comúnmente en la industria aeroespacial para recortar materiales compuestos. El operador alimenta el material en el arroyo como una sierra de cinta, mientras que el recogedor recoge el arroyo y los escombros. La mayoría de los chorros de agua estacionarios son chorros de agua puros, pero no todos. La máquina cortadora es una variante de la máquina estacionaria, en la que productos como el papel se alimentan a través de la máquina, y el chorro de agua corta el producto en un ancho específico. Una máquina de corte transversal es una máquina que se mueve a lo largo de un eje. A menudo trabajan con máquinas cortadoras para hacer patrones similares a cuadrículas en productos como máquinas expendedoras como brownies. La máquina cortadora corta el producto en un ancho específico, mientras que la máquina de corte transversal corta transversalmente el producto alimentado por debajo de ella.
Los operadores no deben utilizar manualmente este tipo de chorro de agua abrasivo. Es difícil mover el objeto cortado a una velocidad específica y constante, y es extremadamente peligroso. Muchos fabricantes ni siquiera ofrecen máquinas para estas configuraciones.
La mesa XY, también llamada máquina de corte de superficie plana, es la máquina de corte por chorro de agua bidimensional más común. Los chorros de agua pura cortan juntas, plásticos, caucho y espuma, mientras que los modelos abrasivos cortan metales, compuestos, vidrio, piedra y cerámica. El banco de trabajo puede tener dimensiones tan pequeñas como 60 x 120 cm o tan grandes como 9 x 30 metros. Generalmente, el control de estas máquinas herramienta se realiza mediante CNC o PC. Los servomotores, generalmente con retroalimentación de bucle cerrado, garantizan la integridad de la posición y la velocidad. La unidad básica incluye guías lineales, carcasas de rodamientos y accionamientos de husillo de bolas, mientras que la unidad de puente también incluye estas tecnologías, y el tanque de recolección incluye soporte de material.
Los bancos de trabajo XY suelen presentarse en dos estilos: el banco de trabajo de pórtico con riel central incluye dos rieles guía de base y un puente, mientras que el banco de trabajo voladizo utiliza una base y un puente rígido. Ambos tipos de máquina incluyen algún tipo de ajuste de la altura del cabezal. Este ajuste del eje Z puede realizarse mediante una manivela manual, un tornillo eléctrico o un servotornillo totalmente programable.
El sumidero del banco de trabajo XY suele ser un tanque lleno de agua, equipado con rejillas o listones para sostener la pieza. El proceso de corte consume estos soportes lentamente. La trampa puede limpiarse automáticamente, almacenando los residuos en el contenedor, o manualmente, y el operador palea el contenedor regularmente.
A medida que aumenta la proporción de artículos con superficies prácticamente nulas, las capacidades de cinco ejes (o más) son esenciales para el corte por chorro de agua moderno. Afortunadamente, el cabezal de corte ligero y la baja fuerza de retroceso durante el proceso de corte brindan a los ingenieros de diseño una libertad que el fresado de alta carga no ofrece. El corte por chorro de agua de cinco ejes inicialmente utilizaba un sistema de plantillas, pero pronto los usuarios optaron por el sistema de cinco ejes programables para eliminar el costo de las plantillas.
Sin embargo, incluso con software dedicado, el corte 3D es más complicado que el corte 2D. La parte de cola compuesta del Boeing 777 es un ejemplo extremo. Primero, el operador carga el programa y programa el personal flexible "pogostick". La grúa aérea transporta el material de las piezas, y la barra de resorte se desenrosca a una altura adecuada y las piezas se fijan. El eje Z especial sin corte utiliza una sonda de contacto para posicionar con precisión la pieza en el espacio y puntos de muestra para obtener la elevación y dirección correctas de la pieza. Después de eso, el programa se redirige a la posición real de la pieza; la sonda se retrae para hacer espacio para el eje Z del cabezal de corte; el programa se ejecuta para controlar los cinco ejes para mantener el cabezal de corte perpendicular a la superficie a cortar y para operar según sea necesario. Desplazamiento a la velocidad precisa.
Se requieren abrasivos para cortar materiales compuestos o cualquier metal de más de 0,05 pulgadas, lo que significa que se debe evitar que el eyector corte la barra de resorte y la base de la herramienta después del corte. La captura de puntos especial es la mejor manera de lograr un corte por chorro de agua de cinco ejes. Las pruebas han demostrado que esta tecnología puede detener un avión a reacción de 50 caballos de fuerza por debajo de 6 pulgadas. El marco en forma de C conecta el receptor a la muñeca del eje Z para atrapar correctamente la bola cuando el cabezal recorta toda la circunferencia de la pieza. El receptor de puntos también detiene la abrasión y consume bolas de acero a una velocidad de aproximadamente 0,5 a 1 libra por hora. En este sistema, el chorro se detiene por la dispersión de energía cinética: después de que el chorro entra en la trampa, se encuentra con la bola de acero contenida, y esta gira para consumir la energía del chorro. Incluso en horizontal y (en algunos casos) boca abajo, el receptor de puntos puede funcionar.
No todas las piezas de cinco ejes son igual de complejas. A medida que aumenta el tamaño de la pieza, el ajuste del programa y la verificación de su posición y precisión de corte se vuelven más complejos. Muchos talleres utilizan máquinas 3D para cortes 2D simples y 3D complejos a diario.
Los operadores deben ser conscientes de la gran diferencia entre la precisión de la pieza y la precisión del movimiento de la máquina. Incluso una máquina con una precisión casi perfecta, movimiento dinámico, control de velocidad y excelente repetibilidad podría no ser capaz de producir piezas "perfectas". La precisión de la pieza terminada es una combinación de errores de proceso, errores de la máquina (rendimiento XY) y estabilidad de la pieza (estabilidad de la fijación, planitud y temperatura).
Al cortar materiales con un espesor inferior a 2,54 cm (1 pulgada), la precisión del chorro de agua suele estar entre ±0,07 y 0,4 mm (±0,003 y 0,015 pulgadas). La precisión para materiales con un espesor superior a 2,54 cm (1 pulgada) es de entre ±0,12 y 2,5 mm (±0,005 y 0,100 pulgadas). La mesa XY de alto rendimiento está diseñada para una precisión de posicionamiento lineal de 0,127 cm (0,005 pulgadas) o superior.
Los posibles errores que afectan la precisión incluyen errores de compensación de la herramienta, errores de programación y movimiento de la máquina. La compensación de la herramienta es el valor que se introduce en el sistema de control para tener en cuenta el ancho de corte del chorro, es decir, la amplitud de la trayectoria de corte que debe expandirse para que la pieza final tenga el tamaño correcto. Para evitar posibles errores en trabajos de alta precisión, los operarios deben realizar cortes de prueba y comprender que la compensación de la herramienta debe ajustarse según la frecuencia de desgaste del tubo mezclador.
Los errores de programación suelen ocurrir porque algunos controles XY no muestran las dimensiones en el programa de la pieza, lo que dificulta detectar la falta de correspondencia dimensional entre el programa y el dibujo CAD. Aspectos importantes del movimiento de la máquina que pueden introducir errores son la separación y la repetibilidad en la unidad mecánica. El ajuste del servo también es importante, ya que un ajuste incorrecto puede causar errores en la separación, la repetibilidad, la verticalidad y la vibración. Las piezas pequeñas con una longitud y un ancho inferiores a 30 cm no requieren tantas mesas XY como las piezas grandes, por lo que la posibilidad de errores de movimiento de la máquina es menor.
Los abrasivos representan dos tercios de los costos operativos de los sistemas de corte por chorro de agua. Otros costos incluyen energía, agua, aire, sellos, válvulas de retención, orificios, tuberías de mezcla, filtros de entrada de agua y repuestos para bombas hidráulicas y cilindros de alta presión.
Al principio, operar a máxima potencia parecía más costoso, pero el aumento de productividad superó el costo. A medida que aumenta el caudal de abrasivo, aumenta la velocidad de corte y el costo por pulgada disminuye hasta alcanzar el punto óptimo. Para maximizar la productividad, el operador debe operar el cabezal de corte a la velocidad más alta y con la máxima potencia para un uso óptimo. Si un sistema de 100 caballos de fuerza solo puede operar un cabezal de 50 caballos de fuerza, usar dos cabezales en el sistema puede lograr esta eficiencia.
La optimización del corte por chorro de agua abrasivo requiere prestar atención a la situación específica en cuestión, pero puede proporcionar excelentes aumentos de productividad.
No es recomendable cortar un espacio de aire mayor de 0,020 pulgadas, ya que el chorro se abre en el espacio y corta bruscamente los niveles inferiores. Apilar las láminas de material muy juntas puede evitar esto.
Mida la productividad en términos de costo por pulgada (es decir, la cantidad de piezas que fabrica el sistema), no de costo por hora. De hecho, la producción rápida es necesaria para amortizar los costos indirectos.
Los chorros de agua que suelen perforar materiales compuestos, vidrio y piedras deben estar equipados con un controlador que pueda reducir y aumentar la presión del agua. La asistencia por vacío y otras tecnologías aumentan la probabilidad de perforar con éxito materiales frágiles o laminados sin dañar el material objetivo.
La automatización del manejo de materiales solo tiene sentido cuando representa una parte importante del costo de producción de las piezas. Las máquinas de chorro de agua abrasivo suelen utilizar la descarga manual, mientras que el corte de placas se realiza principalmente mediante automatización.
La mayoría de los sistemas de chorro de agua utilizan agua corriente, y el 90 % de los operadores no realizan ninguna preparación aparte de ablandar el agua antes de enviarla al filtro de entrada. Usar ósmosis inversa y desionizadores para purificar el agua puede ser tentador, pero la eliminación de iones facilita la absorción de iones de los metales en bombas y tuberías de alta presión. Esto puede prolongar la vida útil del orificio, pero el costo de reemplazar el cilindro de alta presión, la válvula de retención y la tapa del extremo es mucho mayor.
El corte subacuático reduce la formación de escarcha superficial (también conocida como "empañamiento") en el borde superior del corte por chorro de agua abrasivo, a la vez que reduce considerablemente el ruido del chorro y el caos en el lugar de trabajo. Sin embargo, esto reduce la visibilidad del chorro, por lo que se recomienda utilizar un sistema de monitorización electrónica del rendimiento para detectar desviaciones de las condiciones óptimas y detener el sistema antes de que se produzcan daños en los componentes.
Para sistemas que utilizan diferentes tamaños de malla abrasiva para distintos trabajos, utilice almacenamiento y dosificación adicionales para los tamaños comunes. El transporte a granel pequeño (45 kg) o grande (227 a 900 kg) y las válvulas dosificadoras correspondientes permiten cambiar rápidamente entre tamaños de malla, lo que reduce el tiempo de inactividad y las complicaciones, a la vez que aumenta la productividad.
El separador puede cortar eficazmente materiales con un espesor inferior a 0,3 pulgadas. Si bien estas orejetas suelen garantizar un segundo rectificado del macho, permiten una manipulación más rápida del material. Los materiales más duros tendrán etiquetas más pequeñas.
Máquina con chorro de agua abrasivo y control de profundidad de corte. Para las piezas adecuadas, este nuevo proceso puede ser una alternativa atractiva.
Sunlight-Tech Inc. ha utilizado los centros de micromecanizado y microfresado láser Microlution de GF Machining Solutions para producir piezas con tolerancias inferiores a 1 micrón.
El corte por chorro de agua ocupa un lugar destacado en el campo de la fabricación de materiales. Este artículo analiza cómo funcionan los chorros de agua en su tienda y el proceso.
Hora de publicación: 04-sep-2021