KMT Waterjet Produkte - Die vielseitigste Schneidtechnologie

Das abrasives Wasserstrahlschneiden funktioniert nach dem Prinzip, dass durch die Pumpe erzeugtes Hochdruckwasser einen Hochgeschwindigkeitsstrom durch eine Edelstein-Düse erzeugt. Der Edelstein ist der Punkt, an dem das Hochdruckwasser in Hochgeschwindigkeitswasser übergeht. Dieser Wasserstrahl erzeugt in einer Mischkammer ein Vakuum, in dem Schleifpartikel in den Hochgeschwindigkeitsstrom eingesaugt werden. Durch Impulsübertragung beschleunigen sich die Schleifpartikel auf Geschwindigkeiten, die denen des Wasserstrahls nahekommen, und werden durch ein an die Mischkammer angrenzendes Fokussierrohr zu einem gebündelten Schneidstrahl gebündelt (siehe Abbildung 3 auf der nächsten Registerkarte).

Diese Mischung aus Wasser und Schleifmittel, die aus dem Mischrohr austritt, bildet den sichtbaren Schneidstrahl. Bei Metallen sind die Schleifpartikel für die Schneidleistung des Strahls verantwortlich, die durch Erosion zustande kommt. Bei weicheren Werkstoffen trägt das Hochdruckwasser zur Schneidwirkung bei.

Führt ein höherer Druck zu schnelleren Schnittgeschwindigkeiten, niedrigeren Kosten pro Teil und folglich zu einer höheren Produktivität? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst einige Begriffe definieren, darunter die verfügbare Leistung des Strahls. Wie von den Wasserstrahlherstellern definiert, kann die Leistung in der folgenden Gleichung dargestellt werden, wobei K eine Konstante, P der Druck und A die Querschnittsfläche der Düse ist:

Leistung = K × ^P15 × A

Aus der Gleichung geht hervor, dass bei einer konstanten Leistung ein höherer Druck eine kleinere Düsengröße erfordert und eine größere Düsengröße nur einen niedrigeren Druck unterstützt. Eine 50-PS-Pumpe, die bei 4.100 bar läuft, benötigt beispielsweise eine maximale Düsengröße von 0,014 Zoll bei einer größeren Durchflussmenge. Bei gleicher Leistung und 6.200 bar wird eine maximale Düsengröße von 0,010 Zoll bei einer geringeren Durchflussmenge benötigt.

Wenn beide Strahlen die gleiche Leistung haben, wie wirkt sich dann das Potenzial für eine höhere Schnittgeschwindigkeit aus? Die Antwort lässt sich durch eine weitere Vereinfachung der Gleichung ermitteln, indem man die Leistung durch die Querschnittsfläche des Strahls (A) teilt, um die Leistungsdichte (Pd) zu erhalten. Wie zuvor ist K eine Konstante und P der Druck.

Pd = K × ^P15

Die Leistung aus der früheren Gleichung hängt von Druck und Volumen ab, aber die Leistungsdichte hängt nur von dem Druck ab, den die Pumpe erzeugt, und damit auch von der Strahlgeschwindigkeit.

Erinnern Sie sich an die Physik eines Abrasiv-Wasserstrahlverfahrens. Die Abrasivpartikel werden durch den Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl beschleunigt. Je höher die Strahlgeschwindigkeit, desto schneller verlassen die Abrasivpartikel das Mischrohr und desto größer ist die Leistungsdichte.

Diese höhere Leistungsdichte des 90-KSI-Strahls ermöglicht schnellere Schnittgeschwindigkeiten. Anders ausgedrückt: Ein höherer Druck führt zu einem schnelleren Wasserstrahl, schnelleren Abrasivpartikeln und letztlich zu einem schnelleren Schnitt.

Das Schleifmittel hat einen erheblichen Einfluss auf die Betriebseffizienz eines Wasserstrahlschleifverfahrens und macht einen wesentlichen Teil der Betriebskosten aus. Bei typischen Anwendungen wird Granat als Schleifmittel verwendet, das entweder alluvialer Herkunft (locker, wie an Stränden) oder abgebaut und chemisch inert ist.

Schleifmittel werden in Maschenweiten gemessen, wobei sich diese auf die Größe der Siebe bezieht; höhere Maschenzahlen stehen für feinere Schleifmittel. So weist beispielsweise die Maschenweite 220 feinere Partikel auf als die Maschenweite 80. Das Schneiden spröder Materialien wie Glas erfordert unter Umständen weichere Schleifmittel wie Olivin, um Absplitterungen und Risse zu vermeiden; daher ist es wichtig, das Schleifmittel auf die jeweilige Anwendung abzustimmen.

Jede Maschenzahl hat einen Bereich (oder eine Verteilung) von Partikelgrößen, und bei der Auswahl eines Fokussierrohrs muss darauf geachtet werden, dass es nicht durch zu große Schleifpartikel verstopft wird. Als allgemeine Regel gilt, dass der Innendurchmesser des Fokussierrohrs dreimal so groß sein sollte wie die Größe des größten Schleifpartikels in der Verteilung.

Ein Wasserstrahl bei einem bestimmten Druck kann nur eine endliche Anzahl an Schleifpartikeln aufnehmen, bevor sich die Partikel gegenseitig behindern. Zu viel Schleifmittel verringert die Effizienz der Impulsübertragung und verlangsamt die Schnittgeschwindigkeit. Diese Grenze wird gemeinhin als Spitzenbeladungsverhältnis oder maximale Schleifmittelzufuhrrate bezeichnet. Je größer die Düsenöffnung und der Durchfluss durch die Düse sind, desto höher muss die Schleifmittelzufuhrrate sein, um die maximale Schneidleistung des Strahls zu erreichen. Dies wirkt sich auch auf die Gesamtkosten pro Teil aus. Je mehr Schleifmittel im Prozess verbraucht wird, desto höher sind die Kosten pro Teil.

Kehren wir zum Beispiel mit 50 PS und der geringeren Durchflussmenge der 0,010-Zoll-Düse bei 90 KSI zurück: Wenn der Strahl sein maximales Belastungsverhältnis erreicht, verfügt er über die maximale Schneidkraft. Bei gleicher Leistung und einem Druck von 60 KSI hat der Strahl aus der 0,014-Zoll-Düse aufgrund der höheren Durchflussrate noch nicht sein maximales Belastungsverhältnis erreicht. Bei 60 KSI erfordert der Prozess zusätzliches Strahlmittel, um seine maximale Leistung zu erreichen, was zu einem höheren Gesamtstrahlmittelverbrauch führt, der sich wiederum auf die Betriebskosten und die Kosten pro Teil auswirkt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein höherer Druck dazu führt, dass weniger Abrasivmittel benötigt wird, um die maximale Schneidleistung zu erreichen, was zu einem geringeren Abrasivmittelverbrauch und niedrigeren Kosten pro Teil führt.

Ein wichtiger Aspekt bei jeder Erörterung zum Thema Wasserstrahlschneiden unter ist der Einfluss der Schnittspalte. Was ist die Schnittspalte? Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um die Breite des Materials, das während des Schneidvorgangs abgetragen wird. Je größer die Düsenöffnung, desto breiter ist die Schnittspalte.

Insbesondere beim Schneiden von teurem Material bietet das Wasserstrahlschneiden mit breiter Schnittfuge keinerlei Vorteile. Die hohe Leistungsdichte, die kleine Düse und die schmale Schnittfuge eines 90-KSI-Systems tragen dazu bei, den abrasiven Wasserstrahl auch in engen Radien und Ecken präzise zu steuern. Bei Wasserstrahlsystemen mit niedrigerem KSI-Wert und größeren Düsenöffnungen können Anpassungen vorgenommen werden, beispielsweise durch Verringerung des Verhältnisses von Fokussierrohrdurchmesser zu Düsenöffnungsdurchmesser auf einen Wert näher an 2,0 – das heißt, für einen 0,014-Zoll-Strahl würde ein 0,030-Zoll-Fokussierrohr verwendet werden. Dies kann jedoch die Lebensdauer des Fokussierrohrs verkürzen, da während des Refokussiervorgangs mehr abrasive Partikel mit den Rohrwänden in Kontakt kommen.