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 consciente del desgaste y la precisión de múltiples piezas.
El corte por chorro de agua más simple es el proceso de cortar materiales con chorros de agua a alta presión.Esta tecnología suele ser complementaria a otras tecnologías de procesamiento, como fresado, láser, electroerosión y plasma.En el proceso de chorro de agua no se forman sustancias nocivas ni vapor, ni zonas afectadas por el calor ni tensiones mecánicas.Los chorros de agua pueden cortar detalles ultrafinos en piedra, vidrio y metal;taladre rápidamente agujeros en titanio;cortar la comida;e incluso matar patógenos en bebidas y salsas.
Todas las máquinas de chorro de agua tienen una bomba que puede presurizar el agua para enviarla al cabezal de corte, donde se convierte en un flujo supersónico.Hay 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 limpiadora de alta presión, y la bomba de tres cilindros acciona tres émbolos directamente desde el motor eléctrico.La presión máxima de trabajo continuo es entre un 10 % y un 25 % más baja que la de bombas de refuerzo similares, pero esto aún las mantiene entre 20 000 y 50 000 psi.
Las bombas basadas en intensificadores constituyen la mayoría de las bombas de presión ultraalta (es decir, bombas de más de 30 000 psi).Estas bombas contienen dos circuitos de fluido, uno para agua y otro para hidráulico.El filtro de entrada de agua pasa primero a través de un filtro de cartucho de 1 micra y luego por un filtro de 0,45 micras para aspirar agua corriente del grifo.Esta agua ingresa a la bomba de refuerzo.Antes de ingresar a la bomba de refuerzo, la presión de la bomba de refuerzo se mantiene en aproximadamente 90 psi.Aquí, la presión aumenta a 60.000 psi.Antes de que el agua finalmente salga del grupo motobomba y llegue a través de la tubería al cabezal de corte, el agua pasa a través del amortiguador.El dispositivo puede suprimir las fluctuaciones de presión para mejorar la consistencia y eliminar impulsos 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 hacia el colector y la válvula del colector inyecta alternativamente aceite hidráulico en ambos lados del conjunto de galleta y émbolo para generar la acción de carrera del propulsor.Dado que la superficie del émbolo es más pequeña que la de la galleta, la presión del aceite "aumenta" la presión del agua.
El propulsor es una bomba alternativa, lo que significa que el conjunto de galleta y émbolo suministra agua a alta presión desde un lado del propulsor, mientras que el agua a baja presión llena el otro lado.La recirculación también permite que el aceite hidráulico se enfríe cuando regresa al tanque.La válvula de retención garantiza que el agua de baja y alta presión solo pueda fluir en una dirección.Los cilindros de alta presión y las tapas de los extremos que encapsulan el émbolo y los componentes de la galleta 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.
Un tubo especial de alta presión transporta el agua hasta el cabezal de corte.El tubo también puede proporcionar libertad de movimiento al cabezal de corte, dependiendo del tamaño del tubo.El acero inoxidable es el material elegido para estas tuberías y existen tres tamaños comunes.Los tubos de acero con un diámetro de 1/4 de pulgada son lo suficientemente flexibles 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 10 a 20 pies puede lograr movimientos X, Y y Z.Las tuberías más grandes de 3/8 de pulgada generalmente transportan agua desde la bomba hasta la parte inferior del equipo en movimiento.Aunque se puede doblar, generalmente no es adecuado para equipos de movimiento de tuberías.La tubería más grande, que mide 9/16 pulgadas, es la mejor 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, porque una gran cantidad de agua a alta presión también tiene un mayor riesgo de pérdida potencial 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 primera máquina de corte por chorro de agua y su historia se remonta a principios de la década de 1970.En comparación con el contacto o la inhalación de materiales, producen menos agua en los materiales, por lo que son adecuados para la producción de productos como interiores de automóviles y pañales desechables.El fluido es muy delgado (de 0,004 a 0,010 pulgadas de diámetro) y proporciona geometrías extremadamente detalladas con muy poca pérdida de material.La fuerza de corte es extremadamente baja y la fijación suele ser sencilla.Estas máquinas son las más adecuadas para funcionar las 24 horas.
Al considerar un cabezal de corte para una máquina de chorro de agua pura, es importante recordar que la velocidad del flujo son los fragmentos o partículas microscópicas del material desgarrado, no la presión.Para lograr esta alta velocidad, el agua a presión fluye a través de un pequeño orificio en una gema (normalmente un zafiro, un rubí o un diamante) fijada en el extremo de la boquilla.El corte típico utiliza un diámetro de orificio de 0,004 pulgadas a 0,010 pulgadas, mientras que las aplicaciones especiales (como concreto proyectado) pueden usar tamaños de hasta 0,10 pulgadas.A 40.000 psi, el flujo desde el orificio viaja a una velocidad de aproximadamente Mach 2, y a 60.000 psi, el flujo excede Mach 3.
Diferentes joyas tienen diferentes conocimientos en el corte por chorro de agua.El zafiro es el material de uso general más común.Duran aproximadamente de 50 a 100 horas de corte, aunque la aplicación de chorro de agua abrasivo reduce estos tiempos a la mitad.Los rubíes no son adecuados para el corte con 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 el tiempo de corte oscila entre 800 y 2000 horas.Esto hace que el diamante sea especialmente adecuado para un funcionamiento de 24 horas.En algunos casos, el orificio de diamante también se puede limpiar y reutilizar mediante ultrasonidos.
En la máquina de chorro de agua abrasiva, el mecanismo de eliminación del material no es el flujo de agua en sí.Por el contrario, el flujo acelera las partículas abrasivas para corroer el material.Estas máquinas son miles de veces más potentes que las máquinas de corte por chorro de agua pura y pueden cortar materiales duros como metal, piedra, materiales compuestos y cerámica.
La corriente abrasiva es más grande que la corriente en chorro de agua pura, con un diámetro de entre 0,020 pulgadas y 0,050 pulgadas.Pueden cortar pilas y materiales de hasta 10 pulgadas de espesor sin crear zonas afectadas por el calor ni tensión mecánica.Aunque su fuerza ha aumentado, la fuerza de corte de la corriente abrasiva sigue siendo inferior a una libra.Casi todas las operaciones de chorro abrasivo utilizan un dispositivo de chorro y pueden cambiar fácilmente del uso de un solo cabezal al uso de varios cabezales, e incluso el chorro de agua abrasivo se puede convertir en un chorro de agua pura.
El abrasivo es arena dura, especialmente seleccionada y calibrada, normalmente granate.Diferentes tamaños de rejilla son adecuados para diferentes trabajos.Se puede obtener una superficie lisa con abrasivos de malla 120, mientras que los abrasivos de malla 80 han demostrado ser más adecuados para aplicaciones de uso general.La velocidad de corte del abrasivo de malla 50 es más rápida, 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.El potencial de aceleración de este tubo es como el cañón de un rifle, con diferentes tamaños y diferentes vidas útiles.El tubo de mezcla de larga duración es una innovación revolucionaria en el corte con chorro de agua abrasivo, pero el tubo sigue siendo muy frágil: si el cabezal de corte entra en contacto con un accesorio, un objeto pesado o el material objetivo, el tubo puede romperse.Las tuberías dañadas no se pueden reparar, por lo que mantener bajos los costos requiere minimizar el reemplazo.Las máquinas modernas suelen tener una función de detección automática de colisiones para evitar colisiones con el tubo mezclador.
La distancia de separación entre el tubo de mezcla y el material objetivo suele ser de 0,010 pulgadas a 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 bajo el agua y otras técnicas pueden reducir o eliminar este glaseado.
Inicialmente, el tubo mezclador estaba fabricado de carburo de tungsteno y sólo tenía una vida útil de cuatro a seis horas de corte.Los tubos compuestos de bajo costo actuales pueden alcanzar una vida útil de corte de 35 a 60 horas y se recomiendan para cortes preliminares o capacitación de nuevos operadores.El tubo compuesto de carburo cementado extiende su vida útil de 80 a 90 horas de corte.El tubo compuesto de carburo cementado de alta calidad tiene una vida útil de corte de 100 a 150 horas, es adecuado para trabajos diarios y de precisión 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 desechos de las operaciones de mecanizado.
Las máquinas estacionarias y unidimensionales son los chorros de agua más simples.Los chorros de agua estacionarios se utilizan comúnmente en el sector aeroespacial para recortar materiales compuestos.El operador introduce el material en el arroyo como una sierra de cinta, mientras que el receptor 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 cortadora transversal es una máquina que se mueve a lo largo de un eje.A menudo trabajan con máquinas cortadoras para crear patrones en forma de cuadrícula en productos como máquinas expendedoras como brownies.La máquina cortadora corta el producto en un ancho específico, mientras que la máquina cortadora transversal corta el producto que se alimenta 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 cotizan máquinas para estas configuraciones.
La mesa XY, también llamada máquina de corte 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 ser tan pequeño como 2 × 4 pies o tan grande como 30 × 100 pies.Normalmente, el control de estas máquinas herramienta se realiza mediante CNC o PC.Los servomotores, normalmente con retroalimentación de circuito cerrado, garantizan la integridad de la posición y la velocidad.La unidad básica incluye guías lineales, carcasas de rodamientos y husillos de bolas, mientras que la unidad puente también incluye estas tecnologías y el tanque de recolección incluye soporte de material.
Los bancos de trabajo XY generalmente vienen en dos estilos: el banco de trabajo de pórtico con riel medio incluye dos rieles guía de base y un puente, mientras que el banco de trabajo en voladizo utiliza una base y un puente rígido.Ambos tipos de máquinas incluyen alguna forma de ajuste de la altura del cabezal.Esta capacidad de ajuste del eje Z puede tomar la forma de una manivela manual, un tornillo eléctrico o un servotornillo totalmente programable.
El sumidero del banco de trabajo XY suele ser un tanque de agua lleno de agua, que está equipado con rejillas o listones para soportar la pieza de trabajo.El proceso de corte consume estos soportes lentamente.La trampa se puede limpiar automáticamente, los residuos se almacenan en el contenedor, o puede ser manual y el operador palea periódicamente la lata.
A medida que aumenta la proporción de elementos que casi no tienen superficies planas, las capacidades de cinco ejes (o más) son esenciales para el corte por chorro de agua moderno.Afortunadamente, el cabezal de corte liviano y la baja fuerza de retroceso durante el proceso de corte brindan a los ingenieros de diseño una libertad que el fresado con cargas elevadas no tiene.El corte por chorro de agua de cinco ejes utilizó inicialmente un sistema de plantilla, pero los usuarios pronto recurrieron a cinco ejes programables para deshacerse del costo de la plantilla.
Sin embargo, incluso con un software dedicado, el corte 3D es más complicado que el corte 2D.La cola compuesta del Boeing 777 es un ejemplo extremo.Primero, el operador carga el programa y programa el bastón flexible "pogostick".El puente grúa transporta el material de las piezas, se desenrosca el pasador a una altura adecuada y se fijan las piezas.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 es redirigido a la posición real de la pieza;la sonda se retrae para dejar espacio al 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. Viaje a una 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 especiales es la mejor manera de lograr un corte con chorro de agua de cinco ejes.Las pruebas han demostrado que esta tecnología puede detener un avión a reacción de 50 caballos de fuerza a menos de 6 pulgadas.El marco en forma de C conecta el receptor con la muñeca del eje Z para atrapar correctamente la pelota cuando la cabeza recorta toda la circunferencia de la pieza.El receptor de puntos también detiene la abrasión y consume bolas de acero a un ritmo de aproximadamente 0,5 a 1 libra por hora.En este sistema, el chorro se detiene mediante la dispersión de energía cinética: después de que el chorro entra en la trampa, encuentra la bola de acero contenida y la bola de acero gira para consumir la energía del chorro.Incluso en posición horizontal y (en algunos casos) al revés, el captador de manchas puede funcionar.
No todas las piezas de cinco ejes son igualmente complejas.A medida que aumenta el tamaño de la pieza, el ajuste del programa y la verificación de la posición de la pieza y la precisión del corte se vuelven más complicados.Muchos talleres utilizan máquinas 3D para cortes 2D simples y cortes 3D complejos todos los días.
Los operadores deben ser conscientes de que existe una gran diferencia entre la precisión de las piezas y la precisión del movimiento de la máquina.Incluso una máquina con una precisión casi perfecta, movimiento dinámico, control de velocidad y excelente repetibilidad puede no ser capaz de producir piezas “perfectas”.La precisión de la pieza terminada es una combinación de error del proceso, error de la máquina (rendimiento XY) y estabilidad de la pieza de trabajo (fijación, planitud y estabilidad de la temperatura).
Al cortar materiales con un espesor inferior a 1 pulgada, la precisión del chorro de agua suele estar entre ±0,003 y 0,015 pulgadas (0,07 a 0,4 mm).La precisión de materiales de más de 1 pulgada de espesor está dentro de ±0,005 a 0,100 pulgadas (0,12 a 2,5 mm).La mesa XY de alto rendimiento está diseñada para una precisión de posicionamiento lineal de 0,005 pulgadas o más.
Los errores potenciales que afectan la precisión incluyen errores de compensación de herramientas, errores de programación y movimiento de la máquina.La compensación de herramienta es el valor ingresado en el sistema de control para tener en cuenta el ancho de corte del chorro, es decir, la cantidad de trayectoria de corte que debe ampliarse para que la pieza final obtenga el tamaño correcto.Para evitar posibles errores en trabajos de alta precisión, los operadores deben realizar cortes de prueba y comprender que la compensación de la herramienta debe ajustarse para que coincida con la frecuencia de desgaste del tubo de mezcla.
Los errores de programación ocurren con mayor frecuencia porque algunos controles XY no muestran las dimensiones en el programa de pieza, lo que dificulta detectar la falta de coincidencia dimensional entre el programa de pieza y el dibujo CAD.Los aspectos importantes del movimiento de la máquina que pueden introducir errores son el espacio y la repetibilidad en la unidad mecánica.El ajuste del servo también es importante, porque un ajuste inadecuado del servo puede causar errores en los espacios, la repetibilidad, la verticalidad y la vibración.Las piezas pequeñas con una longitud y un ancho inferiores a 12 pulgadas 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 costes operativos de los sistemas de chorro de agua.Otros incluyen energía, agua, aire, sellos, válvulas de retención, orificios, tuberías mezcladoras, filtros de entrada de agua y repuestos para bombas hidráulicas y cilindros de alta presión.
El funcionamiento a plena potencia parecía más caro al principio, pero el aumento de la productividad superó el coste.A medida que aumenta el caudal de abrasivo, la velocidad de corte aumentará y el costo por pulgada disminuirá hasta llegar al punto óptimo.Para obtener la máxima productividad, el operador debe hacer funcionar el cabezal de corte a la velocidad de corte más rápida y con la máxima potencia para un uso óptimo.Si un sistema de 100 caballos de fuerza solo puede hacer funcionar un cabezal de 50 caballos de fuerza, entonces utilizar dos cabezales en el sistema puede lograr esta eficiencia.
La optimización del corte por chorro de agua abrasivo requiere atención a la situación específica en cuestión, pero puede proporcionar excelentes aumentos de productividad.
No es aconsejable cortar un espacio de aire superior a 0,020 pulgadas porque el chorro se abre en el espacio y corta aproximadamente los niveles inferiores.Esto se puede evitar apilando las hojas de material muy juntas.
Mida la productividad en términos de costo por pulgada (es decir, la cantidad de piezas fabricadas por el sistema), no en términos de costo por hora.De hecho, es necesaria una producción rápida para amortizar los costos indirectos.
Los chorros de agua que a menudo perforan 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 sólo tiene sentido cuando el manejo de materiales representa una gran parte 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 utiliza principalmente la automatización.
La mayoría de los sistemas de chorro de agua utilizan agua corriente del grifo y el 90% de los operadores de chorro de agua no hacen más preparativos que ablandar el agua antes de enviarla al filtro de entrada.Usar ósmosis inversa y desionizadores para purificar el agua puede resultar tentador, pero la eliminación de iones facilita que el agua absorba los iones de los metales en bombas y tuberías de alta presión.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 bajo el agua reduce la formación de escarcha en la superficie (también conocida como “empañamiento”) en el borde superior del corte con chorro de agua abrasivo, al tiempo que reduce en gran medida 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 el control electrónico del rendimiento para detectar desviaciones de las condiciones máximas y detener el sistema antes de que se dañe algún componente.
Para sistemas que utilizan diferentes tamaños de tamiz abrasivo para diferentes trabajos, utilice almacenamiento y medición adicionales para tamaños comunes.El transporte a granel pequeño (100 lb) o grande (500 a 2000 lb) y las válvulas dosificadoras relacionadas permiten un cambio rápido entre tamaños de malla de criba, lo que reduce el tiempo de inactividad y las molestias, al tiempo que aumenta la productividad.
El separador puede cortar eficazmente materiales con un espesor inferior a 0,3 pulgadas.Aunque estas orejetas normalmente pueden garantizar un segundo rectificado del grifo, pueden lograr un manejo más rápido del material.Los materiales más duros tendrán etiquetas más pequeñas.
Máquina con chorro de agua abrasivo y control de la profundidad de corte.Para las partes correctas, este proceso incipiente puede proporcionar una alternativa convincente.
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 en el campo de la fabricación de materiales.Este artículo analiza cómo funcionan los chorros de agua para su tienda y analiza el proceso.
Hora de publicación: 04-sep-2021