ウォータージェット切断は、より単純な加工方法であるかもしれませんが、強力なパンチを備えているため、オペレーターは複数の部品の摩耗と精度を意識し続ける必要があります。
最も単純なウォーター ジェット切断は、高圧ウォーター ジェットを材料に切断するプロセスです。このテクノロジーは通常、フライス加工、レーザー、EDM、プラズマなどの他の加工テクノロジーを補完します。ウォータージェットプロセスでは、有害物質や蒸気が発生せず、熱影響部や機械的ストレスも発生しません。ウォーター ジェットは、石、ガラス、金属の極薄の細部を切断できます。チタンに素早く穴を開けます。食べ物を切る。さらには飲み物やディップに含まれる病原菌も殺します。
すべてのウォータージェット機械には、水を加圧してカッティングヘッドに送り、そこで超音速の流れに変換できるポンプが装備されています。ポンプには、ダイレクト ドライブ ベースのポンプとブースター ベースのポンプの 2 つの主なタイプがあります。
ダイレクト ドライブ ポンプの役割は高圧洗浄機の役割に似ており、3 シリンダー ポンプは 3 つのプランジャーを電気モーターから直接駆動します。最大連続作動圧力は同様のブースター ポンプより 10% ～ 25% 低くなりますが、それでも 20,000 ～ 50,000 psi の間に維持されます。
増圧器ベースのポンプは、超高圧ポンプ (つまり、30,000 psi を超えるポンプ) の大部分を占めます。これらのポンプには 2 つの流体回路が含まれており、1 つは水用、もう 1 つは油圧用です。給水口フィルターは、まず 1 ミクロンのカートリッジフィルターを通過し、次に 0.45 ミクロンのフィルターを通過して、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、ブースター ポンプの圧力は約 90 psi に維持されます。ここで、圧力は 60,000 psi まで増加します。水が最終的にポンプセットを出てパイプラインを通ってカッティングヘッドに到達する前に、水はショックアブソーバーを通過します。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パルスを排除します。
油圧回路では、電動機間の電動機がオイルタンクからオイルを汲み上げて加圧します。加圧されたオイルはマニホールドに流れ、マニホールドのバルブがビスケットとプランジャー アセンブリの両側に作動油を交互に噴射して、ブースターのストローク動作を生成します。プランジャーの表面はビスケットの表面よりも小さいため、油圧が水圧を「強化」します。
ブースターは往復ポンプです。つまり、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一方の側から高圧水を送り出し、もう一方の側は低圧水で満たされます。再循環により、作動油がタンクに戻るときに冷却することもできます。逆止弁は、低圧水と高圧水が一方向にのみ流れることを保証します。プランジャーとビスケットのコンポーネントを封入する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の特別な要件を満たさなければなりません。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「排水穴」に流れ込みます。オペレーターはこの穴を監視して、定期メンテナンスの計画を立てることができます。
特別な高圧パイプが水をカッティングヘッドに輸送します。パイプのサイズに応じて、パイプはカッティングヘッドの自由な動きを提供します。これらのパイプにはステンレス鋼が最適な材料であり、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、スポーツ用品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推奨されません。このチューブはロール状にでも曲げやすいため、10 ～ 20 フィートの長さで X、Y、Z 運動を実現できます。通常、3/8 インチの大きな 3/8 インチのパイプがポンプから可動装置の底部まで水を運びます。曲げることは可能ですが、一般にパイプラインモーション機器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。大径化により圧力損失の低減に貢献します。大量の高圧水には潜在的な圧力損失のリスクも大きいため、このサイズのパイプは大型ポンプと非常に適合します。ただし、このサイズのパイプは曲げることができず、コーナー部分に金具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初期のウォータージェット切断機であり、その歴史は1970年代初頭に遡ります。材料への接触や吸入に比べて材料上の水分発生が少ないため、自動車内装材や紙おむつなどの製品の製造に適しています。この流体は直径が 0.004 インチから 0.010 インチと非常に薄く、材料の損失がほとんどなく、非常に詳細な形状が得られます。切削抵抗は極めて低く、固定は通常簡単です。これらの機械は 24 時間稼働に最適です。
純粋なウォータージェット機械のカッティングヘッドを検討する場合、流速は圧力ではなく、引き裂く材料の微細な破片や粒子であることを覚えておくことが重要です。この高速度を達成するために、ノズルの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) の小さな穴を加圧水が流れます。一般的な切断では 0.004 インチから 0.010 インチのオリフィス直径が使用されますが、特殊な用途 (吹き付けコンクリートなど) では最大 0.10 インチ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 の速度で進み、60,000 psi では流れはマッハ 3 を超えます。
ジュエリーが異なれば、ウォータージェット カッティングの専門知識も異なります。サファイアは最も一般的な汎用素材です。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その時間が半分になります。ルビーは純粋な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。研磨カットプロセスでは、ルビーのカット時間は約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 時間かかります。このため、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機械では、材料除去のメカニズムは水流そのものではありません。逆に、流れは研磨粒子を加速して材料を腐食させます。これらの機械は、純粋なウォータージェット切断機よりも数千倍強力で、金属、石材、複合材料、セラミックなどの硬い材料を切断できます。
研磨剤の流れは純水ジェットの流れより大きく、直径は 0.020 インチから 0.050 インチの間です。熱影響部や機械的ストレスを生じることなく、最大 10 インチの厚さのスタックや材料を切断できます。強度は向上しましたが、研磨ストリームの切削力は依然として 1 ポンド未満です。アブレイシブジェットのほとんどの操作はジェッティング装置を使用しており、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、アブレイシブウォータージェットから純水ジェットへの変換も可能です。
研磨剤は硬く、特別に選択され、サイズが調整された砂 (通常はガーネット) です。異なるグリッド サイズは、異なるジョブに適しています。 120 メッシュの研磨材を使用すると滑らかな表面が得られますが、汎用用途には 80 メッシュの研磨材がより適していることが証明されています。 50メッシュ砥粒の方が切断速度は速いですが、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に比べて操作が簡単ですが、混合チューブにはオペレーターの注意が必要です。このチューブの加速能力はライフル銃のようなもので、サイズや交換寿命が異なります。耐久性の高いミキシング チューブは、アブレシブ ウォーター ジェット切断における革新的な技術革新ですが、チューブは依然として非常に壊れやすいため、切断ヘッドが固定具、重量物、またはターゲット材料と接触すると、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。最近の機械には通常、混合チューブとの衝突を防ぐための自動衝突検出機能が備わっています。
混合チューブとターゲット材料の間の分離距離は通常 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端の上部に曇りが発生することにオペレータは留意する必要があります。水中切断やその他の技術により、この曇りを軽減または除去できます。
当初、混合チューブはタングステンカーバイドでできており、耐用年数は切断時間 4 ～ 6 時間しかありませんでした。現在の低コストの複合パイプは、切断寿命が 35 ～ 60 時間に達することがあり、荒切断や新しいオペレータのトレーニングに推奨されます。複合超硬合金チューブにより、耐用年数が 80 ～ 90 時間の切削時間に延長されます。高品質の複合超硬合金チューブは 100 ～ 150 時間の切削寿命を持ち、精密作業や日常作業に適しており、最も予測可能な同心摩耗を示します。
ウォータージェット工作機械は、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や破片を収集および収集するシステムも備えている必要があります。
静止型および一次元のマシンは、最も単純なウォータージェットです。固定ウォータージェットは、複合材料をトリミングするために航空宇宙分野で一般的に使用されています。オペレーターは帯鋸のように材料をクリークに供給し、キャッチャーはクリークと瓦礫を収集します。ほとんどの固定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。スリッター機は定置式の機械の一種で、紙などの製品を機械に送り込み、ウォーター ジェットによって製品を特定の幅に切断します。クロスカッティングマシンは、軸に沿って移動する機械です。彼らは、ブラウニーなどの自動販売機などの製品に格子状の模様を付けるためにスリッター機を使用することがよくあります。スリッティングマシンは製品を特定の幅にカットし、クロスカットマシンはその下に供給された製品をクロスカットします。
オペレータはこのタイプの研磨ウォータージェットを手動で使用しないでください。切断対象物を一定の速度で動かすことは難しく、非常に危険です。多くのメーカーは、これらの設定についてマシンを見積もることさえしません。
XY テーブルはフラットベッド切断機とも呼ばれ、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、発泡体を切断し、研磨モデルは金属、複合材料、ガラス、石、セラミックを切断します。ワークベンチは、小さいものは 2 × 4 フィート、大きいものは 30 × 100 フィートです。通常、これらの工作機械の制御はCNCやPCで行われます。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、位置と速度の完全性を保証します。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 ネジ ドライブが含まれており、ブリッジ ユニットにもこれらの技術が含まれており、収集タンクには材料サポートが含まれています。
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 ワークベンチには 2 つのベース ガイド レールとブリッジが含まれ、カンチレバー ワークベンチにはベースと剛性ブリッジが使用されます。どちらのマシンタイプにも、何らかの形式のヘッド高さ調整機能が含まれています。この Z 軸調整機能は、手動クランク、電動ネジ、または完全にプログラム可能なサーボ ネジの形式をとることができます。
XY ワークベンチのサンプは通常、水で満たされた水タンクであり、ワークピースを支えるグリルまたはスラットが装備されています。切断プロセスにより、これらのサポートはゆっくりと消費されます。トラップは自動的に掃除され、廃棄物はコンテナに保管されます。または手動で行うこともでき、オペレーターが定期的に缶をシャベルします。
平らな面がほとんどないアイテムの割合が増加するため、最新のウォータージェット切断には 5 軸 (またはそれ以上) の機能が不可欠です。幸いなことに、カッターヘッドが軽量で、切削プロセス中の反動が低いため、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では当初テンプレート システムが使用されていましたが、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 軸に注目しました。
ただし、専用ソフトウェアを使用したとしても、3D 切断は 2D 切断よりも複雑です。ボーイング 777 の複合材尾翼部分はその極端な例です。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。天井クレーンで部品の材料を運び、適切な高さまでバネ棒を緩めて部品を固定します。特別な非切削 Z 軸は、接触プローブを使用して空間内で部品を正確に位置決めし、サンプル点を使用して正しい部品の高さと方向を取得します。その後、プログラムはパーツの実際の位置にリダイレクトされます。プローブは後退してカッティングヘッドの Z 軸のためのスペースを確保します。プログラムは、5 つの軸すべてを制御してカッティング ヘッドを切削面に対して垂直に保ち、必要に応じて動作するように実行されます。正確な速度で移動します。
複合材料や 0.05 インチを超える金属を切断するには研磨材が必要です。つまり、切断後にエジェクターがスプリング バーやツール ベッドを切断しないようにする必要があります。特別なポイントキャプチャは、5 軸ウォータージェット切断を実現する最良の方法です。テストでは、この技術が 50 馬力のジェット機を 6 インチ未満で停止できることが示されています。 C 型フレームはキャッチャーを Z 軸リストに接続し、ヘッドがパーツの全周をトリムするときにボールを正確にキャッチします。また、ポイントキャッチャーは摩耗を防ぎ、1 時間あたり約 0.5 ～ 1 ポンドの速度で鋼球を消費します。このシステムでは、運動エネルギーの分散によってジェットを停止させます。ジェットがトラップに入った後、閉じ込めら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。水平および（場合によっては）逆さまでも、スポットキャッチャーは機能します。
すべての 5 軸部品が同じように複雑であるわけではありません。部品のサイズが大きくなるにつれて、プログラムの調整や部品の位置や切断精度の検証はより複雑になります。多くの店舗では、単純な 2D 切断と複雑な 3D 切断に 3D 機械を毎日使用しています。
オペレータは、部品の精度と機械の動作の精度には大きな違いがあることを認識する必要があります。完璧に近い精度、ダイナミックな動き、速度制御、優れた再現性を備えた機械であっても、「完璧な」部品を製造できない場合があります。完成品の精度は、プロセス誤差、機械誤差 (XY 性能)、ワークピースの安定性 (治具、平面度、温度の安定性) 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。厚さが 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) の範囲内です。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、機械の動作などがあります。工具補正は、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するために、制御システムに入力される値です。高精度の作業における潜在的なエラーを回避するために、オペレータは試し切りを実行し、混合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 エラーが最も多く発生するのは、一部の XY コントロールがパーツ プログラム上の寸法を表示しないため、パーツ プログラムと CAD 図面の間の寸法の不一致を検出することが困難になるためです。エラーを引き起こす可能性のある機械の動作の重要な側面は、機械ユニットのギャップと再現性です。サーボ調整が適切でないと、ギャップ、再現性、垂直性、ビビリなどの誤差が発生する可能性があるため、サーボ調整も重要です。長さと幅が 12 インチ未満の小さな部品は、大きな部品ほど多くの XY テーブルを必要としないため、機械の動作エラーが発生する可能性が低くなります。
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、動力、水、空気、シール、逆止弁、オリフィス、混合パイプ、給水口フィルター、油圧ポンプや高圧シリンダーのスペアパーツなどが含まれます。
フルパワーでの動作は最初はコストがかかるように思えましたが、生産性の向上はコストを上回りました。砥粒流量が増加すると、最適点に達するまで切断速度が増加し、インチあたりのコストが減少します。生産性を最大限に高めるには、オペレータは最高の切断速度と最適な使用のための最大馬力でカッティング ヘッドを動作させる必要があります。 100 馬力のシステムが 50 馬力のヘッドしか実行できない場合、システム上で 2 つのヘッドを実行すると、この効率を達成できます。
アブレシブウォータージェット切断を最適化するには、当面の特定の状況に注意を払う必要がありますが、生産性を大幅に向上させることができます。
ジェットがギャップ内で開き、より低いレベルを乱暴にカットするため、0.020 インチより大きいエアギャップをカットするのは賢明ではありません。素材シートを隙間なく重ね合わせるとこれを防ぐことができます。
時間あたりのコストではなく、インチあたりのコスト (つまり、システムによって製造される部品の数) の観点から生産性を測定します。実際、間接コストを償却するには迅速な生産が必要です。
複合材料、ガラス、石を貫通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。真空アシストやその他の技術により、ターゲット材料を損傷することなく、脆弱な材料や積層材料を貫通できる可能性が高まります。
マテリアルハンドリングの自動化は、マテリアルハンドリングが部品の製造コストの大部分を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機械は通常手動でアンローディングを使用しますが、プレート切断では主に自動化が使用されます。
ほとんどのウォータージェット システムは通常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水を軟化させる以外の準備をしていません。逆浸透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、水がポンプや高圧パイプ内の金属からイオンを吸収しやすくなります。オリフィスの寿命を延ばすことができますが、高圧シリンダー、逆止弁、エンドカバーの交換コストははるかに高くなります。
水中切断により、アブレシブウォータージェット切断の上端の表面の曇り（「曇り」とも呼ばれる）が軽減され、ジェット騒音や職場の混乱も大幅に軽減されます。ただし、これによりジェットの可視性が低下するため、電子パフォーマンス監視を使用してピーク状態からの逸脱を検出し、コンポーネントが損傷する前にシステムを停止することをお勧めします。
作業ごとに異なる研磨スクリーン サイズを使用するシステムの場合は、共通のサイズに追加のストレージと計量を使用してください。小型 (100 ポンド) または大型 (500 ～ 2,000 ポンド) のバルク搬送および関連計量バルブにより、スクリーン メッシュ サイズ間の迅速な切り替えが可能になり、ダウンタイムと手間が軽減され、生産性が向上します。
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 回目の研削を確実に行うことができますが、より高速な材料処理を実現できます。硬い素材ほどラベルは小さくなります。
アブレシブウォータージェットを使用して加工し、切り込み深さを制御します。適切な部分については、この初期段階のプロセスが魅力的な代替手段となる可能性があります。
Sunlight-Tech Inc. は、GF Machineing Solutions の Microlution レーザー微細加工および微細フライス加工センターを使用して、公差 1 ミクロン未満の部品を製造しました。
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のか、そのプロセスについて説明します。
投稿時間: 2021 年 9 月 4 日