Technologia cięcia wodą

Wykonali:

Monika Włudarczyk, semestr 4

Mateusz Styś, semestr 4

Spis treści:

1. Wstęp.

2. Charakterystyka technologii cięcia wodą.

3. Parametry cięcia.

4. Możliwości zastosowania metody.

5. Zalety i wady metody.

6. Podsumowanie i wnioski.

7. Literatura.

1. Wstęp

Technologia cięcia wodą, popularniej znana na całym świecie jako waterjet, jest stosunkowo młodą technologią i bardzo prężnie rozwijającym się sposobem na obróbkę wielu rodzajów materiałów. Technologia polega na przecinaniu materiałów przy pomocy wody pod bardzo dużym ciśnieniem i wypływającej z dyszy urządzenia do cięcia z ogromną prędkością, często do wody dodawany jest także materiał ścierny, ale więcej o samej technologii, materiałach, wadach i zaletach opisane zostanie w następnych punktach tego referatu.

Technologia wysokociśnieniowego cięcia wodą znana jest na zachodzie już od lat 70’ ubiegłego wieku, ale dopiero w latach 90’ nastąpił znaczący jej rozwój i wzrost możliwości zastosowania jej w przemyśle. Upowszechnienie się tej metody zaowocowało dużą ilością firm świadczących usługi cięcia wodą obok tradycyjnej technologii skrawania, a także zastosowaniem tej technologii w przemyśle jako doskonałego uzupełnienia już istniejących sposobów obróbki materiałów.

1. Charakterystyka technologii cięcia wodą

Technologia cięcia wodą bardzo często nazywana ogólnie technologią waterjet co nie do końca jest poprawne. Sama technologia waterjet polega na cięciu przy użyciu samej wody pod bardzo wysokim ciśnieniem, która wystrzeliwana jest z urządzenia przy bardzo wysokiej prędkości. Jednakże ta metoda jest ograniczona jeżeli chodzi o jej zastosowanie i nie nadaje się do wszystkich materiałów. Doskonałym jej uzupełnieniem jest technologia abrasive water jet (AWJ) co można przetłumaczyć na język Polski jako przecinanie wodą z dodatkiem ścierniwa. Metoda ta jest bardzo zbliżona do waterjet jednakże jej zastosowanie jest dużo szersze. Trzecią metodą jest często zapominana i pomijana we wszelkich opisach technologia abrasive Water suspension jet (AWSJ) polegająca na bezpośrednim wytwarzaniu zawiesiny wodno-ściernej.

Waterjet

Technologia ta znana i stosowana była już od lat 60’ i polega ona na podniesieniu ciśnienia strugi wody do bardzo wysokich wartości rzędu 1500-4000 barów co pozwala na „przeciśnięcie” wody przez bardzo mały otwór w tzw. dyszy, w której osadzony jest najczęściej diament.

Średnica typowego otworu dyszy to 0,18-0,4 mm, a strumień wody wytworzony w ten sposób i skoncentrowany na bardzo małej powierzchni daje wystarczającą prędkość i energię do przecięcie materiałów takich jak: guma, pianka itp.

Abrasive water jet

W późniejszych latach technologia waterjet została udoskonalona o dodatek ścierniwa, które razem w wodą uczestniczy w procesie cięcia. Zasada powstawania strugi tnącej polega na wykorzystaniu wody do przyspieszenia ziaren ścierniwa, którym najczęściej jest granat.

Wykorzystując tutaj zjawisko inżektorowego zasysania ścierniwa, polegającego na powstawaniu podciśnienia poniżej poziomy dyszy wodnej, które zasysa ścierniwo do komory mieszania, gdzie następuje zmieszanie go z wodą. Następnie tak zmieszany materiał tnący formowany jest w odpowiedni strumień w dyszy miksującej i kierowany na cięty materiał.

Dzięki zastosowaniu ścierniwa i ulepszeniu metody waterjet uzyskano idealne urządzenie do bardzo precyzyjnego cięcia nawet najtwardszych materiałów o znacznej grubości.

Abrasive water suspension jet

Na przełomie lat 1985/1986 została opracowana metoda bezpośredniego wytwarzania zawiesiny wodno-ściernej, która zaraz po tym została opatentowana przez brytyjski zespół naukowców reprezentujących The British Hydromechanics Research Association (BHRA). Metodzie tej nadano nazwę DIAJET.

Poniżej znajduje się schemat ideowy metody DIAJET.

Bezpośrednie wytwarzanie zawiesiny wodno-ściernej polega na dodawaniu w zbiorniku ciśnieniowym do wody odpowiedniej ilości ścierniwa, które następnie się mieszają i są pod ciśnieniem kierowane poprzez elastyczny przewód do głowicy wyposażonej w jedną dyszę formującą strumień tnący.

Zdecydowaną przewaga tej metody nad poprzednio opisywaną metodą AWJ jest nadawanie większej prędkości ścierniwa, do około 300km/h, co pozwana na efektywniejsze cięcie materiałów. Metoda ta ma jednak swoją wadę polegającą głównie na trudności szybkiego i sprawnego wyłączenia strugi tnącej co nie przeszkadza w jej szerokim wykorzystaniu przez straż pożarną i wojsko np. w celu wycinania otworów w cysternach z łatwopalnymi materiałami, czy do unieszkodliwiania pocisków, metoda ta jest na stałym wyposażeniu NATO.

1. Parametry cięcia wodą

Parametry cięcia wodą przedstawione zostanę poniżej dla każdej z trzech wcześniej opisanych metod osobno.

Waterjet

Ciśnienie do jakiego należy podnieść wodę osiąga wartości około 1300-4000 bar. Przy takim ciśnieniu woda jest przeciskana przez otwór w dyszy o średnicy od 0,18mm do 0,4mm.

Abrasive water jet

Ciśnienie robocze osiąga wartości rzędu 35-60MPa. Wydatek wody na jedną minutę pracy wacha się od 3 do 6 litrów natomiast wydatek ścierniwa na ten sam czas to około 300-500g.

Średnica dyszy wodnej do około 0,3-0,4mm, a dyszy formującej 0,8-1mm.

Abrasive water suspension jet

Ciśnienie robocze to około 30-70MPa. Wydatek wody na minutę pracy to około 5-50 litrów, a udział ścierniwa w strudze to około 15%. Wewnętrzna średnica dyszy to 0,5-2,2mm.

1. Możliwości zastosowania metody

Możliwości zastosowania wody różnią się dla poszczególnych głowic.

Przy użyciu głowicy wodnej możemy ciąć np.: miękką gumę, piankę, folię, tkaniny, miękkie wykładziny PVC, papier i tekturę, miękkie lub cienkie drewno, żywność i wszystkie inne rodzaje miękkich materiałów.

Natomiast używając głowicy wodno-ściernej możemy ciąć: stal zwykła, stal nierdzewną, stal narzędziową, aluminium, miedź, mosiądz, brąz, inconel, materiały nietypowe, twarde lub grube drzewo, szkoło zwykłe, szkło kuloodporne, tworzywa sztuczne, nylon, grafit, ceramikę, włókno węglowe, kompozyty, kevlar, kamień, marmur, granit, materiały mieszane.

1. Zalety i wady metody

Do zalet użycia metody cięcia wodą niewątpliwie można zaliczyć szeroką gamę zastosowań wśród wielu materiałów przeznaczonych do cięcia w prawie każdej firmie zajmującej się obróbką jakichkolwiek materiałów. Ogromną zaletą docenianą niewątpliwie przez stoczniowców jest zminimalizowanie strefy wpływów ciepła do absolutnego minimum co nie ma zauważalnego odbicia na własnościach fizycznych ciętych materiałów ( w przeciwieństwie do cięcia gazowego, czy mechanicznego). Kolejnym czynnikiem przemawiającym za używaniem tej metody jest jej pełna automatyzacja, a udział człowieka ograniczony jest jedynie do zaprogramowania maszyny tnącej, dzięki temu dokładności wycinanych kształtów są nieporównywalne z dokładnością ludzkiej ręki i oka w przypadku użycia np. palnika.

Ogólnie zalety można bez zbędnego opisywania wymienić kolejno:

• Możliwość cięcia praktycznie wszystkich materiałów o grubości 0,1 do 170 mm.

• wysoka jakość krawędzi ciętej

• wysoka precyzja procesu cięcia,

• uniwersalność zastosowania,

• możliwość cięcia twardych materiałów o znacznej grubości,

• koszt cięcia - niższy od cięcia laserowego w przypadku cięcia elementów o grubości powyżej 4-5 mm, niższy od cięcia i obrabiania metodą tradycyjną,

• niska temperatura procesu - max 40°C (eliminuje to ryzyko zmian w strukturze materiału, nie przypala krawędzi elementu wycinanego),

• przy cięciu wodą blachy gatunkowej nie następuje ulepszenie ( utwardzenie ) krawędzi cięcia co pozwala na obróbkę skrawaniem bez dodatkowego odpuszczania

• wysoka precyzja wykonania części z dokładnością do 0,20 mm

• technologia ta praktycznie eliminuje powstawanie napięć i mikropęknięć w obrabianym materiale

• nie ma potrzeby stosowania dodatkowej obróbki wykończeniowej, wysoka jakość krawędzi ciętej

• Krawędzie przecinanych detali w odróżnieniu od obróbki laserowej nie ulegają odbarwieniom, utwardzeniu termicznemu oraz nie zachodzą w nich przemiany strukturalne będące skutkiem oddziaływania cieplnego

• Obróbka na zimno - materiał nie jest nagrzewany, nie występują żadne zmiany struktury materiału, brak mikropęknięć, zahartowania miejscowego, naprężeń wewnętrznych materiału.

• Wysoka liniowa prędkość cięcia, mała szerokość cięcia.

• Wysoka dokładność

• zadawalający koszt w porównaniu z innymi metodami – niższy od metod tradycyjnych oraz od cięcia laserem (w tym wypadku powyżej grubości ok. 5mm).

Głównymi wadami cięcia wodą jest ograniczenie grubości ciętych materiałów ponieważ w wyniku cięcia materiałów o znacznych grubościach struga wody nie zachowuje nadanego jej kształtu, zagina się i zmniejsza się dokładność cięcia dolnej krawędzi materiału. Kolejna wadą jest ograniczenia wykorzystania metody jedynie do płaskich powierzchni. Ważną wadą jest także koszt użycia metody, gdyż w wyniku pracy urządzenia bardzo szybko zużywa się głowica (około 500 godzin pracy).

1. Podsumowanie i wnioski

Podsumowując metoda ta jest bardzo wydajna i niewątpliwie chętnie wykorzystywana przez firmy, których wyroby muszą odznaczać się niezwykłą dokładnością wykonania, a przy których nie można sobie pozwolić na nadmierny wpływ strefy ciepła co mogłoby niekorzystnie wpłynąć na wytrzymałość wykonanych elementów.

Mimo dużych kosztów w porównaniu do metod cięcia gazowego i mechanicznego metoda ta cały czas znajduje coraz większe zastosowanie w wielu dziedzinach, a także coraz więcej firm wprowadza do gamy swoich usług i metod wykorzystywanych w cięciu materiałów metodę cięcia wodą.

1. Literatura

www.wikipedia.pl

www.waterjet.org.pl