Cięcie wodą

Od wieków energia wody obracała koła wodnych młynów, wprawiała w ruch różnego rodzaju maszyny w kuźniach i tartakach, a obecnie napędza turbiny w elektrowniach wodnych. Od tysięcy lat człowiek buduje wodociągi, które doprowadzają wodę do domów. Początkowo woda płynęła do mieszkań pod wpływem sił grawitacji, później wynaleziono pompy, które umożliwiły tłoczenie wody pod ciśnieniem do instalacji hydraulicznych. Okazało się wtedy, że strumień wody pod wysokim ciśnieniem może wyrządzić duże szkody- może uszkodzić budynki, może wypłukać duże obszary gruntu w miejscu awarii i doprowadzić do zapadania jezdni i budynków. Okazało się, że te destrukcyjne działania można wykorzystać w sposób praktyczny, na przykład do mycia różnych przedmiotów lub w hydromonitorach- armatkach wodnych używanych w kopalniach odkrywkowych do usuwania gruntu.

Technologia cięcia strumieniem wody o wysokim ciśnieniu.

W latach 60 pojawiła się idea, by energię kinetyczną wody wykorzystać do cięcia materiałów, na początku takich jak żywność, papier, materiały z tworzyw sztucznych. Prace i próby trwały blisko dekadę i na początku lat 70 zaczęto używać tą technologię na skalę przemysłową. W tym okresie urządzenia do cięcia wodą pracowały przy ciśnieniach rzędu 2500-3000 atmosfer (250-350 MPa). W wyniku dalszych badań granica ta przesuwała się w górę, by na początku lat 80 dotrzeć do wartości ok. 4000 atmosfer (400MPa).

$400 MPa to ciśnienie, jakie odpowiada ciśnieniu hydrostatycznemu, jakie wytwarza słup wody o wysokości ponad 40 km. Dla lepszego porównania można przyjąć, że są to ciśnienia tego samego rzędu, co ciśnienia, jakie działają na pocisk w lufie armatniej w momencie odpalenia.

waterjet łódź- głowicaPrzy tej prędkości niewielkie cząstki wody niosą ze sobą energię kinetyczną, która jest w stanie przecinać nawet bardzo twarde materiały. Początkowo stosowana była zwykła woda, dobrze oczyszczona z drobin, które powodowały zapchanie dyszy. W miarę rozwoju technologii zaczęto stosować zwykłą wodę, aż wreszcie w latach 80 opracowano technologię, która pozwoliła na dodanie do wody cząsteczek materiałów trących, dzięki którym możliwe stało się cięcie materiałów takich jak szkło, czy metale. Technologia ta nosi nazwę metody cięcia abrazywnego, jako materiału ciernego używa się w niej głównie piasku granatu. W tym przypadku zasadniczą rolę w cięciu materiału odgrywają drobiny piasku, woda jest tu głównie nośnikiem materiału ciernego, służącym do nadania mu odpowiedniej energii kinetycznej.

Dla technologii cięcia strumieniem wody przyjęła się angielska nazwa HydroJet lub WatherJet. Ze względu na olbrzymie możliwości, wysoką wydajność, precyzję technologia ta jest cały czas dynamicznie rozwijana. Obecnie na rynku dostępne są maszyny, w których można uzyskać ciśnienie wody rzędu 600 MPa.

Zasadniczą rolę w uzyskaniu strumienia wody o średnicy 0.2-0.8mm pod ciśnieniem rzędu 400-600 MPa pełnią dwa elementy: dysza, przez którą wypływa woda, oraz pompa, która jest w stanie wytworzyć wodę o odpowiednim ciśnieniu.

Budowa Dyszy

Najwięcej problemów w tej technologii sprawiało wykonanie dyszy o odpowiedniej średnicy. Niemal od początku były to urządzenia zaprojektowane jako elementy wymienne, montowane w głowicy tnącej w zależności od wymaganej precyzji. Im mniejsza dysza, tym większa precyzja, z jaką można wykonać dany element. Zasadniczym problemem w konstrukcji dyszy jest to, że podlega ona tym samym siłom, jakie działają na cięty materiał, siły te powodują więc jej zużycie. Do budowy dysz stosuje się bardzo twarde materiały, głównie węgliki spiekane, borazon, sztuczny szafir.

Wysiłki konstruktorów skupiły się również na odpowiednim kształcie dyszy, który zapewniał wysokie ciśnienie strumienia wody, a jednocześnie redukował do minimum zużycie urządzenia. Sytuacja skomplikowała się w chwili dodania do wody materiałów ciernych, które w znacznym stopniu przyczyniają się do zużycia dysz. Jednym z rozwiązań tego problemu jest ukształtowanie strumienia w taki sposób, żeby w miejscach kontaktu z ze ściankami dyszy znajdowała się czysta woda, która otacza tą część strumienia, w której znajduje się materiał cierny.

Pompa

Do uzyskania tak dużych ciśnień stosuje się pompy tłokowe lub nurnikowe, które pozwalają uzyskać ciśnienie rzędu kilku barów. Woda pod takim stosunkowo niewielkim ciśnieniem podawana jest do tak zwanego multiplikatora ciśnienia, który działa w oparciu o zasadę prasy hydraulicznej. W dużym uproszczeniu jest to zespół dwóch połączonych ze sobą tłoków o różnej powierzchni.

waterjet łódź- mnożnik hydrauliczny

Zgodnie z zasadami fizyki siła działająca na tłok roboczy (mniejszy) jest proporcjonalna do stosunku powierzchni tłoków oraz siły działającej na większy tłok:

F2=F1(S2/S1)

W praktycznych rozwiązaniach większy tłok jest sterowany przez obwód pompy olejowej, która porusza tłokiem raz w jedną stronę, raz w drugą. Ciśnienie, jakie działa na tłok osiąga wartości rzędu 20MPa , zaś stosunek powierzchni tłoków wynosi ok 30:1. Biorąc pod uwagę, że siła jest wprost proporcjonalna do ciśnienia, możemy łatwo obliczyć o podany wyżej wzór, że ciśnienie, jakie jest w stanie wytworzyć tłok roboczy osiąga wartość 600 MPa. Aby zapewnić stałą wartość ciśnienia, niezależną od pracy multiplikatora stosuje się tłumiki hydrauliczne, które stabilizują ciśnienie wody na określonym poziomie.

Zasada działania pompy wysokociśnieniowej. A- tłok, B- Pompa olejowa, C-dopływ wody, D- zawory zwrotne, E- wylot

Zalety technologii WaterJet

Cięcie strumieniem wody ma szereg zalet. Najważniejszą z nich jest to, że podczas cięcia ciepło wydziela się w bardzo ograniczonym zakresie. Temperatura ciętej powierzchni nie przekracza 40 stopni celsjusza. Czyni to metodę WaterJet niezastąpioną przy obróbce wszelkiego rodzaju tworzyw sztucznych, wrażliwych na działanie temperatury. Krawędź ciętej powierzchni jest równa i nie ulega termicznym odkształceniom. Podobnie jest w przypadku innych materiałów, wrażliwych na temperaturę- struktura materiału w miejscu obróbki nie ulega zmianie.

Kolejną zaletą są znikome siły, jakie działają na cięty przedmiot. Eliminuje to konieczność stosowania skomplikowanych uchwytów w celu zapewnienia stabilnego położenia obrabianego przedmiotu względem głowicy. Materiał w miejscu cięcia nie ulega odkształceniu, co ma zasadnicze znaczenie przy wycinaniu przedmiotów ze skóry, pianki lub innych, elastycznych materiałów. Zastosowanie do takich materiałów wykrojników mechanicznych powoduje zwykle zdeformowanie materiału wzdłuż krawędzi cięcia.

WaterJet to metoda przyjazna środowisku. Podczas procesu obróbki nie wydzielają się żadne gazy i opary, zużycie wody, jest stosunkowo niewielkie, poza tym po zastosowaniu filtrów może ona pracować w obiegu zamkniętym.

Technologia WaterJet umożliwia wykonywanie otworów o przekrojach prostokątnych, których w wielu przypadkach nie da się wykonać przy użyciu tradycyjnych metod obróbki.


Skandom © 2013