ウォータージェット切断は、より単純な加工方法ですが、強力なパンチを備えているため、作業者は複数の部品の摩耗や精度を常に意識する必要があります。
最もシンプルなウォータージェット切断は、高圧水ジェットを用いて材料を切断するプロセスです。この技術は通常、フライス加工、レーザー加工、放電加工、プラズマ加工などの他の加工技術と相補的に使用されます。ウォータージェット加工では、有害物質や蒸気は発生せず、熱影響部や機械的応力も発生しません。ウォータージェットは、石材、ガラス、金属の極薄部分を切断したり、チタンに素早く穴を開けたり、食品を切断したり、さらには飲料やディップに含まれる病原菌を殺菌したりすることも可能です。
すべてのウォータージェットマシンには、水を加圧してカッティングヘッドへ送り、そこで超音速流に変換できるポンプが搭載されています。ポンプには、主にダイレクトドライブ式ポンプとブースター式ポンプの2種類があります。
ダイレクトドライブポンプの役割は高圧洗浄機に似ており、3気筒ポンプが電動モーターから直接3つのプランジャーを駆動します。最大連続作動圧力は、同様のブースターポンプに比べて10%～25%低くなりますが、それでも20,000～50,000psiの範囲に保たれます。
超高圧ポンプ（30,000 psiを超えるポンプ）の大部分は、増圧ポンプをベースとしたタイプです。これらのポンプには、水用と油圧用の2つの流体回路があります。給水フィルタは、まず1ミクロンのカートリッジフィルタを通過し、次に0.45ミクロンのフィルタを通過して、通常の水道水を吸い込みます。この水はブースターポンプに入ります。ブースターポンプに入る前は、ブースターポンプの圧力は約90 psiに維持されています。ここで、圧力は60,000 psiに増加します。水が最終的にポンプセットから出てパイプラインを通って切断ヘッドに到達する前に、水はショックアブソーバを通過します。この装置は圧力変動を抑制して一貫性を向上させ、ワークピースに跡を残す脈動を排除します。
油圧回路では、電動モーター間の電動モーターがオイルタンクからオイルを引き出し、加圧します。加圧されたオイルはマニホールドに流れ込み、マニホールドのバルブがビスケットとプランジャーの両側に交互に作動油を噴射することで、ブースターのストローク動作を生み出します。プランジャーの表面積はビスケットの表面積よりも小さいため、油圧によって水圧が「増強」されます。
ブースターは往復ポンプです。ビスケットとプランジャーのアセンブリがブースターの片側から高圧水を送り出し、もう片側には低圧水を満たします。この循環により、作動油はタンクに戻る際に冷却されます。チェックバルブは、低圧水と高圧水が一方向にのみ流れるようにします。プランジャーとビスケット部品を包む高圧シリンダーとエンドキャップは、プロセスの力と一定の圧力サイクルに耐えるために特別な要件を満たす必要があります。システム全体は徐々に故障するように設計されており、漏れは特別な「ドレンホール」に流れ込みます。オペレーターはこれらのホールを監視することで、定期メンテナンスのスケジュールをより適切に立てることができます。
特殊な高圧パイプが水をカッティングヘッドに送ります。パイプのサイズに応じて、カッティングヘッドの動きを自由に制御できます。これらのパイプの材質としてはステンレス鋼が選ばれており、一般的なサイズは3つあります。直径1/4インチの鋼管は、スポーツ用具に接続するのに十分な柔軟性がありますが、高圧水の長距離輸送にはお勧めできません。このチューブは簡単に曲げることができ、ロール状にもできるため、10～20フィートの長さでX、Y、Z方向の動きを実現できます。より太い3/8インチのパイプは通常、ポンプから可動装置の底部まで水を運びます。曲げることはできますが、一般的にパイプラインモーション装置には適していません。最大のパイプは9/16インチで、高圧水を長距離輸送するのに最適です。直径が大きいほど圧力損失が少なくなります。このサイズのパイプは大型ポンプと非常に相性が良く、大量の高圧水は潜在的な圧力損失のリスクも高くなるためです。ただし、このサイズのパイプは曲げることができず、角に継手を取り付ける必要があります。
純水ジェット切断機は最も古いウォータージェット切断機であり、その歴史は1970年代初頭にまで遡ります。材料への接触や吸入に比べて、材料への水滴付着量が少ないため、自動車内装や使い捨ておむつなどの製品の製造に適しています。液径は0.004インチから0.010インチと非常に薄く、材料ロスを最小限に抑えながら極めて微細な形状を実現します。切断力は非常に低く、固定も容易です。これらの機械は24時間稼働に最適です。
ピュアウォータージェットマシンのカッティングヘッドを検討する際には、流速は圧力ではなく、破砕材料の微細な破片または粒子の速度であることを覚えておくことが重要です。この高速を実現するために、加圧された水は、ノズルの先端に固定された宝石（通常はサファイア、ルビー、またはダイヤモンド）の小さな穴を通って流れます。一般的な切断では、オリフィス径は0.004インチから0.010インチですが、特殊な用途（吹付コンクリートなど）では最大0.10インチまでのサイズを使用できます。40,000 psiでは、オリフィスからの流れはおよそマッハ2の速度で移動し、60,000 psiではマッハ3を超えます。
ウォータージェット切断における専門知識は、宝飾品によってそれぞれ異なります。サファイアは最も一般的な汎用素材です。サファイアの切断時間は約50～100時間ですが、研磨ウォータージェットを適用すると、この時間が半分に短縮されます。ルビーはピュアウォータージェット切断には適していませんが、ルビーが生成する水流は研磨切断に非常に適しています。研磨切断工程では、ルビーの切断時間は約50～100時間です。ダイヤモンドはサファイアやルビーよりもはるかに高価ですが、切断時間は800～2,000時間です。そのため、ダイヤモンドは24時間稼働に特に適しています。場合によっては、ダイヤモンドのオリフィスを超音波洗浄して再利用することもできます。
研磨ウォータージェット加工機では、材料を除去するメカニズムは水流そのものではなく、水流によって研磨粒子が加速され、材料を腐食させることです。これらの加工機は、純粋なウォータージェット切断機の数千倍の出力を持ち、金属、石材、複合材料、セラミックなどの硬質材料を切断できます。
研磨材流は純水ジェット流よりも大きく、直径は0.020インチから0.050インチです。熱影響部や機械的ストレスを発生させることなく、最大10インチの厚さの積層材や材料を切断できます。強度は向上していますが、研磨材流の切断力は依然として1ポンド未満です。ほぼすべての研磨材ジェット加工ではジェット装置が使用されており、シングルヘッドからマルチヘッドへの切り替えが容易で、研磨材ウォータージェットを純水ジェットに転換することも可能です。
研磨材は硬く、特別に選別され、粒度調整された砂（通常はガーネット）です。作業内容に応じて、適切なグリッドサイズが異なります。120メッシュの研磨材で滑らかな表面が得られますが、80メッシュの研磨材は汎用用途に適していることが証明されています。50メッシュの研磨材は切削速度が速くなりますが、表面は若干粗くなります。
ウォータージェットは他の多くの機械よりも操作が簡単ですが、ミキシングチューブにはオペレーターの注意が必要です。ミキシングチューブの加速ポテンシャルはライフルの銃身のように大きく、サイズによって交換寿命が異なります。長寿命のミキシングチューブは、研磨ウォータージェット切断における革新的な技術ですが、それでも非常に壊れやすく、切断ヘッドが固定具、重量物、または対象物に接触すると、チューブが破損する可能性があります。損傷したパイプは修理できないため、コストを抑えるには交換を最小限に抑える必要があります。現代の機械には通常、ミキシングチューブへの衝突を防ぐための自動衝突検知機能が搭載されています。
混合チューブと対象材料間の距離は通常0.010インチから0.200インチですが、0.080インチを超えると部品の切断面上部に霜が付着する可能性があるため、オペレーターは注意が必要です。水中切断などの技術を用いることで、この霜付着を軽減または除去することができます。
当初、ミキシングチューブはタングステンカーバイド製で、切削寿命はわずか4～6時間でした。今日の低価格な複合管は、切削寿命が35～60時間に達し、粗切削や新人作業者のトレーニングに推奨されています。複合セメントカーバイドチューブは、切削寿命を80～90時間に延長します。高品質の複合セメントカーバイドチューブは、切削寿命が100～150時間で、精密作業や日常作業に適しており、同心円状の摩耗が最も予測可能です。
ウォータージェット工作機械には、動きを提供することに加えて、ワークピースを固定する方法と、加工作業から出る水と破片を収集および回収するシステムも含まれている必要があります。
固定式および1次元の機械は、最もシンプルなウォータージェットです。固定式ウォータージェットは、航空宇宙分野で複合材料のトリミングに広く使用されています。オペレーターはバンドソーのように材料をクリークに送り込み、キャッチャーがクリークと破片を回収します。ほとんどの固定式ウォータージェットは純粋なウォータージェットですが、すべてがそうではありません。スリッター機は固定式機械の一種で、紙などの製品を機械に送り込み、ウォータージェットが製品を特定の幅に切断します。クロスカッティング機は、軸に沿って移動する機械です。クロスカッティング機は、ブラウニーなどの自動販売機で製品に格子状の模様をつけるために、スリッター機と連携して使用されることがよくあります。スリッター機は製品を特定の幅に切断し、クロスカッティング機は、その下に送り込まれた製品を横方向に切断します。
オペレーターは、このタイプの研磨ウォータージェットを手動で使用すべきではありません。切断対象物を特定の速度で一定に動かすことは困難であり、非常に危険です。多くのメーカーは、このような設定での機械の見積もりすら出しません。
XYテーブル（フラットベッド切断機とも呼ばれる）は、最も一般的な2次元ウォータージェット切断機です。純水ジェットはガスケット、プラスチック、ゴム、フォームを切断し、研磨モデルは金属、複合材料、ガラス、石材、セラミックを切断します。作業台のサイズは、2×4フィート（約60×120cm）から30×100フィート（約90×300cm）まで様々です。これらの工作機械の制御は通常、CNCまたはPCによって行われます。サーボモーターは通常、閉ループフィードバックを備えており、位置と速度の整合性を保証します。基本ユニットにはリニアガイド、ベアリングハウジング、ボールねじ駆動装置が含まれ、ブリッジユニットにもこれらの技術が組み込まれ、収集タンクには材料支持装置が含まれます。
XYワークベンチには通常2つのスタイルがあります。ミッドレールガントリーワークベンチは2本のベースガイドレールとブリッジで構成され、カンチレバーワークベンチはベースと固定ブリッジで構成されます。どちらのタイプも、ヘッドの高さ調整機能を備えています。Z軸の調整機能は、手動クランク、電動スクリュー、または完全にプログラム可能なサーボスクリューのいずれかで行うことができます。
XYワークベンチのサンプは通常、水を満たした水槽で、ワークを支えるための格子またはスラットが取り付けられています。切断工程では、これらの支持材が徐々に消耗します。トラップは自動で清掃され、廃棄物はコンテナに保管されます。また、手動で清掃し、オペレーターが定期的にコンテナをシャベルで掃除することもできます。
平面がほとんどない製品の割合が増加するにつれ、現代のウォータージェット切断には5軸（またはそれ以上）の機能が不可欠となっています。幸いなことに、軽量のカッターヘッドと切断工程中の低い反動により、設計エンジニアは高負荷のフライス加工では得られない自由度を得ることができます。5軸ウォータージェット切断は当初テンプレートシステムを使用していましたが、ユーザーはすぐにテンプレートのコストを削減するためにプログラム可能な5軸制御へと移行しました。
ただし、専用ソフトウェアを使用しても、3D切断は2D切断よりも複雑です。ボーイング777の複合材尾部は極端な例です。まず、オペレーターはプログラムをアップロードし、柔軟な「ポゴスティック」スタッフをプログラムします。オーバーヘッドクレーンが部品の材料を運び、バネ棒が適切な高さまで緩められ、部品が固定されます。特殊な非切断Z軸は、接触プローブを使用して部品を空間に正確に配置し、サンプルポイントを使用して正しい部品の仰角と方向を取得します。その後、プログラムは部品の実際の位置にリダイレクトされ、プローブが引っ込んで切断ヘッドのZ軸のためのスペースを作ります。プログラムが実行されて5つの軸すべてが制御され、切断ヘッドが切断面に対して垂直に保ち、必要な操作が正確な速度で移動します。
複合材料や0.05インチより大きい金属を切断するには研磨剤が必要です。つまり、切断後にエジェクタがスプリングバーとツールベッドを切断しないようにする必要があります。 5軸ウォータージェット切断を実現するには、特別なポイントキャプチャが最適です。テストでは、この技術により、50馬力のジェット機を6インチ以下で停止できることが示されています。 C字型フレームは、キャッチャーをZ軸リストに接続して、ヘッドが部品の全周をトリミングするときにボールを正しくキャッチします。 ポイントキャッチャーは摩耗も止め、1時間あたり約0.5〜1ポンドの割合で鋼球を消費します。 このシステムでは、ジェットは運動エネルギーの分散によって停止します。ジェットがトラップに入った後、含まれている鋼球に遭遇し、鋼球が回転してジェットのエネルギーを消費します。 水平方向でも（場合によっては）逆さまの場合でも、スポットキャッチャーは機能します。
5軸加工部品の複雑さは、どれも同じではありません。部品のサイズが大きくなるにつれて、プログラム調整や部品位置の検証、切削精度の検証はより複雑になります。多くの工場では、単純な2D切削から複雑な3D切削まで、3D工作機械を日常的に使用しています。
オペレーターは、部品精度と機械動作精度の間には大きな違いがあることを認識する必要があります。ほぼ完璧な精度、動的な動作、速度制御、優れた再現性を備えた機械であっても、「完璧な」部品を製造できるとは限りません。完成品の精度は、プロセス誤差、機械誤差（XY性能）、そしてワークの安定性（治具、平坦度、温度安定性）の組み合わせによって決まります。
厚さ1インチ未満の材料を切断する場合、ウォータージェットの精度は通常±0.003～0.015インチ（0.07～0.4 mm）です。厚さ1インチを超える材料の精度は±0.005～0.100インチ（0.12～2.5 mm）です。高性能XYテーブルは、0.005インチ以上の直線位置決め精度を実現するように設計されています。
精度に影響を与える潜在的なエラーには、工具補正エラー、プログラミングエラー、機械の動きなどがあります。工具補正とは、ジェットの切断幅、つまり最終部品を正しいサイズにするために拡張する必要がある切断パスの量を考慮して制御システムに入力される値です。高精度作業における潜在的なエラーを回避するために、オペレーターは試し切りを行い、ミキシングチューブの摩耗頻度に合わせて工具補正を調整する必要があることを理解する必要があります。
プログラミングエラーは、XY制御の一部で寸法がパートプログラムに表示されないために発生することが多く、パートプログラムとCAD図面の寸法不一致を検出するのが困難です。機械動作においてエラーの原因となる重要な要素として、機械ユニットのギャップと再現性があります。サーボ調整も重要です。サーボ調整が不適切だと、ギャップ、再現性、垂直性、チャタリングにエラーが生じる可能性があります。長さと幅が12インチ未満の小型部品は、大型部品ほど多くのXYテーブルを必要としないため、機械動作エラーの可能性は低くなります。
研磨材はウォータージェットシステムの運用コストの3分の2を占めます。その他には、電力、水、空気、シール、チェックバルブ、オリフィス、ミキシングパイプ、給水フィルター、油圧ポンプおよび高圧シリンダーのスペアパーツなどがあります。
フルパワー運転は当初コストが高く感じられましたが、生産性の向上がコストを上回りました。研磨剤の流量が増加すると、切断速度が上昇し、インチあたりのコストは最適なポイントに達するまで低下します。生産性を最大限に高めるには、オペレーターはカッティングヘッドを最高速度と最大馬力で稼働させる必要があります。100馬力のシステムで50馬力のヘッドしか稼働させられない場合、システムで2つのヘッドを稼働させることで、この効率を実現できます。
研磨ウォータージェット切断を最適化するには、特定の状況に注意を払う必要がありますが、生産性の大幅な向上が期待できます。
0.020インチを超えるエアギャップを切断するのは賢明ではありません。ジェットが隙間に開き、下層を粗く切断してしまうからです。材料シートを密に積み重ねることで、これを防ぐことができます。
生産性は、時間当たりのコストではなく、インチ当たりのコスト（つまり、システムで製造される部品の数）で測定します。実際、間接費を償却するには、迅速な生産が不可欠です。
複合材料、ガラス、石材などを穿孔することが多いウォータージェットには、水圧を増減できるコントローラーを装備する必要があります。真空アシストなどの技術を活用することで、脆い材料や積層材料であっても、対象材料を損傷することなく穿孔できる可能性が高まります。
材料ハンドリングの自動化は、部品の生産コストの大部分を材料ハンドリングが占める場合にのみ意味を持ちます。研磨ウォータージェット加工機では通常、手作業による荷降ろしが行われますが、板金切断では主に自動化が行われます。
ほとんどのウォータージェットシステムは普通の水道水を使用しており、ウォータージェットオペレーターの90%は、水を入口フィルターに送る前に軟水化する以外の準備を行っていません。逆浸透膜や脱イオン装置を使用して水を浄化するのは魅力的かもしれませんが、イオンを除去すると、ポンプや高圧配管内の金属から水がイオンを吸収しやすくなります。オリフィスの寿命は延びますが、高圧シリンダー、チェックバルブ、エンドカバーの交換コストははるかに高くなります。
水中切断は、アブレシブウォータージェット切断の上端面の霜付き（「曇り」とも呼ばれます）を軽減するとともに、ジェットの騒音と作業場の混乱を大幅に軽減します。ただし、ジェットの視認性は低下するため、電子性能監視システムを使用してピーク状態からの逸脱を検知し、部品の損傷前にシステムを停止することをお勧めします。
作業内容に応じて異なる研磨スクリーンサイズを使用するシステムでは、共通サイズ用の追加の保管庫と計量装置をご利用ください。小型（100ポンド）または大型（500～2,000ポンド）のバルク搬送システムと関連する計量バルブにより、スクリーンメッシュサイズを迅速に切り替えることができ、ダウンタイムと手間を削減し、生産性を向上させます。
セパレーターは、厚さ0.3インチ未満の材料を効果的に切断できます。これらのラグは通常、タップの2回目の研磨が必要になりますが、より迅速な材料処理を実現します。硬い材料には、より小さなラベルが付きます。
研磨水ジェットを備えた機械で切削深さを制御します。適切な部品であれば、この新しい加工方法は魅力的な代替手段となる可能性があります。
Sunlight-Tech Inc. は、GF Machining Solutions の Microlution レーザー マイクロマシニングおよびマイクロミリング センターを使用して、許容差が 1 ミクロン未満の部品を製造しています。
ウォータージェット切断は、材料製造の分野で重要な位置を占めています。この記事では、ウォータージェットが店舗でどのように機能するか、そしてそのプロセスについて解説します。
投稿日時: 2021年9月4日