Jak ciśnienie wpływa na prędkość cięcia, szerokość rzazu i zużycie materiału ściernego.
W ciągu ostatnich trzech dekad maszyny do cięcia strumieniem wody ewoluowały od stosunkowo prymitywnego narzędzia tnącego w latach 80. do wyrafinowanej obrabiarki wykorzystywanej w sektorach od lotnictwa po przemysł spożywczy.
Ewolucja ta nastąpiła w dużej mierze dzięki rozwojowi materiałów, wydajnym projektom systemów, lepszej kontroli nad narzędziem waterjet i naturalnemu postępowi w kierunku wyższego ciśnienia.
JAK DZIAŁAJĄ POMPY
Podczas pierwszych dwóch dekad cięcia strumieniem wody, typowe były stosunkowo niewielkie przyrosty ciśnienia pompy do 60.000 PSI (4.100 bar); w ostatniej dekadzie ciśnienie pompy skoczyło do ciśnienia 90.000 PSI (6.200 bar).
Nowoczesne maszyny do cięcia strumieniem wody wykorzystują pompę intensyfikującą lub pompę z napędem bezpośrednim do generowania wysokiego ciśnienia wymaganego do wytworzenia strumienia tnącego o dużej prędkości. Pompy intensyfikujące (patrz rysunek 1) wykorzystują hydraulikę i tak zwaną zasadę intensyfikacji, jak pokazano na rysunku 2. Zasada ta jest podobna do tej obserwowanej w prasie hydraulicznej, gdzie ciśnienie razy powierzchnia, lub P x A, jest stałą.
Olej pompowany do cylindra hydraulicznego pod niskim ciśnieniem naciska na tłok, który jest połączony z tłokiem. Powierzchnia tłoka jest 20 do 30 razy większa od powierzchni końca tłoka. Tak więc niższe ciśnienie na większej powierzchni tłoka jest przekształcane w wyższe ciśnienie na mniejszej powierzchni tłoka. Generuje to ciśnienie wody w zakresie od 60 KSI do 90 KSI wychodzące z zaworu zwrotnego na końcu cylindra.
CIŚNIENIE I PRĘDKOŚĆ
Czy wyższe ciśnienie przekłada się na większą prędkość cięcia, niższy koszt części, a w konsekwencji wyższą produktywność? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy najpierw zdefiniować kilka pojęć, w tym dostępną moc strumienia. Zgodnie z definicją producentów strumieni wody, moc może być przedstawiona w następującym równaniu, gdzie K jest stałą, P jest ciśnieniem, a A jest polem przekroju poprzecznego kryzy:
Moc = K x P15 x A
Z równania jasno wynika, że dla stałej mocy wyższe ciśnienie wymaga mniejszego rozmiaru kryzy, a większy rozmiar kryzy będzie obsługiwał tylko niższe ciśnienie. Na przykład, pompa o mocy 50 KM pracująca przy ciśnieniu 4.100 barów będzie obsługiwać maksymalny rozmiar kryzy 0,014 cala. przy większym natężeniu przepływu; użycie tej samej mocy przy 6.200 bar będzie wymagało maksymalnego rozmiaru kryzy 0,010 cala. przy zmniejszonym natężeniu przepływu.
Jeśli oba strumienie mają taką samą moc, to gdzie leży potencjał zwiększonej prędkości cięcia? Odpowiedź można znaleźć poprzez dalsze uproszczenie równania, dzieląc moc przez pole przekroju strumienia (A), aby uzyskać gęstość mocy (Pd). Tak jak poprzednio, K jest stałą i ciśnieniem Pis.
Pd= K x p15
Moc z wcześniejszego równania zależy od ciśnienia i objętości, ale gęstość mocy zależy tylko od ciśnienia wytwarzanego przez pompę, a tym samym od prędkości strumienia.
Przypomnijmy sobie fizykę działania strumienia wody ściernej. Cząstki ścierne są przyspieszane przez strumień wody o dużej prędkości; im większa prędkość strumienia, tym szybciej cząstki ścierne opuszczają rurę mieszającą i tym większa jest gęstość mocy.
Zwiększona gęstość mocy strumienia 90 KSI umożliwia szybsze cięcie. Innymi słowy, wyższe ciśnienie prowadzi do strumienia wody o większej prędkości, szybszych cząstek ściernych i ostatecznie szybszego cięcia.
Rysunek 2
Zasadę intensyfikacji można opisać następującym równaniem: Ciśnienie oleju (niskie) x Powierzchnia tłoka (duża) = Ciśnienie wody (wysokie) x Powierzchnia tłoka (mała).
Zastosowanie materiałów ściernych
Materiał ścierny ma znaczący wpływ na wydajność operacyjną strumienia wody ściernej i stanowi główną część kosztów operacyjnych. Typowe zastosowania wykorzystują granat jako materiał ścierny, który jest aluwialny (luźny, jak na plażach) lub wydobywany i chemicznie obojętny.
Materiały ścierne są mierzone w rozmiarach oczek, co stanowi odniesienie do rozmiarów sit procesowych, przy czym większa liczba oczek oznacza drobniejsze materiały ścierne. Na przykład, 220 mesh ma drobniejsze cząstki niż 80 mesh. Cięcie kruchych materiałów, takich jak szkło, może wymagać bardziej miękkich materiałów ściernych, takich jak oliwin, aby zapobiec odpryskiwaniu i pękaniu, dlatego ważne jest, aby dopasować materiał ścierny do zastosowania.
Każda liczba oczek ma zakres (lub rozkład) rozmiarów cząstek i należy zachować ostrożność przy wyborze rury ogniskującej, aby zapobiec zatykaniu się przez zbyt duże cząstki ścierne. Zgodnie z ogólną zasadą, wewnętrzna średnica rury ogniskującej powinna być trzykrotnie większa od rozmiaru największej cząstki ściernej w rozkładzie.
Strumień wody pod danym ciśnieniem ma skończoną liczbę cząstek ścierniwa, które można do niego dodać, zanim cząstki zaczną sobie nawzajem przeszkadzać. Zbyt duża ilość ścierniwa zmniejsza wydajność przenoszenia pędu i spowalnia prędkość cięcia. Limit ten jest powszechnie określany jako współczynnik obciążenia szczytowego lub maksymalna prędkość posuwu ścierniwa . Im większy rozmiar otworu i przepływ przez otwór, tym większa szybkość podawania ścierniwa wymagana do osiągnięcia maksymalnej mocy cięcia strumienia. Ma to również wpływ na całkowity koszt jednej części. Im więcej ścierniwa zużywa proces, tym wyższy jest koszt jednej części.
Wracając do przykładu 50 KM z niższym natężeniem przepływu 0,010 cala. przy 90 KSI, gdy strumień osiąga szczytowy współczynnik obciążenia, strumień ma maksymalną moc cięcia. Dla tej samej mocy przy ciśnieniu 60 KSI, strumień z kryzy 0,014 cala. nadal nie osiąga szczytowego współczynnika obciążenia z powodu wyższego natężenia przepływu. Przy 60 KSI, proces wymaga dodatkowego ścierniwa, aby osiągnąć swój szczyt, a tym samym większe całkowite zużycie ścierniwa, co wpływa na koszt operacji i koszt na część.
Podsumowując, wyższe ciśnienie prowadzi do mniejszej ilości ścierniwa wymaganego do osiągnięcia maksymalnej mocy cięcia, co prowadzi do mniejszego zużycia ścierniwa i niższego kosztu na część.
Szerokość szczeliny
Ważną częścią każdej rozmowy dotyczącej cięcia strumieniem wody jest wpływ szerokości rzazu. Czym jest szerokość rzazu? Mówiąc najprościej, jest to szerokość materiału usuwanego podczas procesu cięcia. Im większy otwór, tym szersza szczelina cięcia.
Szczególnie w przypadku cięcia drogich materiałów, cięcie strumieniem wody z szerokim rzazem nie ma żadnych zalet. Wysoka gęstość mocy, mały otwór i wąski rzaz systemu 90-KSI pomagają kontrolować strumień wody ściernej wokół ciasnych promieni i narożników (patrz rysunek 3). W systemach strumieniowych o niższym KSI z większymi kryzami można wprowadzić korekty, takie jak zmniejszenie stosunku średnicy rury ogniskującej do średnicy kryzy do 2,0 – czyli strumień o średnicy 0,014 cala będzie wykorzystywał kryzę o średnicy 0,030 cala. strumień używałby rury ogniskującej o średnicy 0,030 cala. rury ogniskującej. Może to jednak skrócić żywotność rury ogniskującej, ponieważ więcej cząstek ściernych wchodzi w kontakt ze ściankami rury podczas funkcji ponownego ogniskowania.
Rysunek 3
W typowej głowicy do cięcia strumieniem wody cząstki ścierniwa przyspieszają do prędkości zbliżonej do prędkości strumienia wody i są ponownie skupiane w spójny strumień tnący przez rurę ogniskującą.
Wybór odpowiedniego ciśnienia
Wyższe ciśnienie wpływa na zdolność strumienia wody ściernej do szybszego cięcia, ale to pytanie jest często zadawane: Czy wyższe ciśnienie spowoduje krótsze cykle konserwacji i skrócenie żywotności podzespołów, zwiększając koszt każdej części? Tak, jeśli pompa zaprojektowana dla ciśnienia 60.000 PSI będzie pracować przy ciśnieniu 90.000 PSI.
Nowa generacja pomp strumieniowych o ciśnieniu 6.200 barów została zaprojektowana do pracy przy tak wysokich ciśnieniach. Średni okres eksploatacji podzespołów w obecnych pompach 90-KSI jest porównywalny z okresem eksploatacji podzespołów w pompach 60-KSI, co skutkuje podobnymi cyklami konserwacji, a producenci pomp strumieniowych oferują umowy serwisowe. Podobnie jak w przypadku wielu nowych technologii, niektóre pompy strumieniowe 90-KSI mają ograniczenia dotyczące korzystania z wewnętrznych lub zewnętrznych dostawców do niektórych zadań konserwacyjnych.
Niemniej jednak, technologia pomp strumieniowych nadal idzie naprzód, a presja jest coraz większa. Decyzja w mniejszym stopniu zależy od ciśnienia, z jakim pompa ma pracować, 60 KSI czy 90 KSI, ale bardziej od tego, jak obsługiwać pompę 90 KSI zgodnie z wymaganiami produktywności warsztatu.
