Typowa maszyna, centrum obróbkowe, wykorzystujące wodę do przecinania składa się z następujących komponentów:

Typowa maszyna waterjet (zdjęcie Resato International B.V.)

         Sercem maszyny jest pompa wysokociśnieniowa (nurnikowa wysokoobrotowa lub multiplikator). Zasilanie w wodę zapewnia pompa wstępna zabudowana w pobliżu pompy właściwej. Woda zanim trafi do pompy głównej przechodzi przez zestaw kolejnych filtrów. Woda pod wysokim ciśnieniem doprowadzana jest specjalnymi przewodami do głowicy. W przypadku dyszy wodno-ściernej dodatkowym wężykiem elastycznym doprowadzone jest także ścierniwo. Podawane jest ono z odpowiednim wydatkiem (stałym lub regulowanym). System podawania ścierniwa składa się najczęściej ze zbiornika zasypowego oraz z mniejszego zbiornika pośredniego zamontowanego blisko głowicy roboczej. Głowica (lub zestaw głowic ) zamontowana jest na ruchomym ramieniu lub bramie. Ruch głowicy odbywa się w kierunkach osi X/Y. Napęd dla ruchomych ramion stanowią silniki krokowe lub serwomotory sprzężone z kontrolerem i oprogramowaniem sterującym pracą maszyny. Pod głowicą znajduje się obszar roboczy. Materiał przecinany układa się na tzw. ruszcie, ruszt powinien być idealnie wypoziomowany ponieważ odległość dyszy od obrabianego materiału jest niewielka. Ruszt zabudowany jest w "wannie" wypełnionej wodą. Na dnie wanny ułożone są grube stalowe płyty ochronne. Woda w wannie wyhamowuje strugę a po podniesieniu jej poziomu tak aby "zalać" strefę obróbki zmniejsza znacząco hałas związany procesem przecinania.

         Maszyny dostępne na rynku można zakupić w różnych rozmiarach i opcjach. Do maszyn można dodatkowo dokupić np. systemy odsysające ścierniwo z wanny, dynamiczne głowice (o zmiennym kącie nachylenia), systemy zamkniętego obiegu wody, instalacje zmiękczania wody. Bardzo ważne jest aby przy wyborze sprzętu dobrze przeanalizować proponowaną konfigurację pod kątem profilu produkcji i możliwości jej optymalnego wykorzystania. Polecam skorzystanie z fachowego doradztwa w tej kwestii.

Pompa - serce maszyny

         Istnieją obecnie dwa podstawowe typy wysokociśnieniowych pomp wodnych. Pierwszą, zarówno w ujęciu historycznym jak również powszechności jej stosowania, jest pompa multiplikatorowa z napędem hydraulicznym. Ogólny widok współczesnej pompy multiplikatorowej oraz samego wzmacniacza hydraulicznego pokazano na rys. poniżej.

Pompy wysokociśnieniowe wzmacniaczowe: po lewej: ogólny widok pompy wzmacniaczowej(zdjęcie KMT Waterjet Inc), po prawej: wzmacniacz hydrauliczny (zdjęcie Resato International B.V.)

         Silnik elektryczny napędza pompę hydrauliczną, która tłoczy olej do dwupołożeniowego rozdzielacza hydraulicznego. Rozdzielacz ten steruje dopływem oleju naprzemiennie do dwóch komór wzmacniacza, który pełni funkcję podwójnej pompy nurnikowej. Zespół taki zbudowany jest z niskociśnieniowego cylindra dwustronnego działania, do którego bocznych pokryw przymocowane są współosiowo, po jednym na stronę, cylindry wysokociśnieniowej pompy nurnikowej. Wewnątrz niskociśnieniowego cylindra znajduje się tłok z współosiowo zamocowanymi po jego obu stronach nurnikami, które współpracują z cylindrami pompy wysokociśnieniowej.

         Medium napędowym jest olej hydrauliczny naprzemiennie doprowadzany do dwóch komór niskociśnieniowego cylindra dwustronnego działania, którego ciśnienie wymusza ruch posuwisto-zwrotny zespołu złożonego z tłoka i dwu nurników wewnątrz niskociśnieniowego cylindra i cylindrów wysokociśnieniowej pompy nurnikowej. Właściwą pracę urządzenia umożliwiają zawory jednokierunkowego przepływu, które są zamontowane w cylindrach. Podczas suwu tłoczenia w pierwszym cylindrze pompy wysokociśnieniowej, realizowany jest suw ssania w drugim cylindrze tej pompy, a następnie na odwrót itd.

         W momencie zmiany zwrotu kierunku układu, następuje całkowite zatrzymanie zespołu nurnikowego, któremu towarzyszy gwałtowny spadek ciśnienia w instalacji. W celu zminimalizowania pulsacji ciśnienia wytwarzanej strugi zamontowano układ tłumiący w postaci wysokociśnieniowego akumulatora hydraulicznego. Pole powierzchni porzecznego przekroju tłoka hydraulicznego jest wielokrotnie większe od pola powierzchni przekroju poprzecznego nurników. Stosunek ten określa poziom wzmocnienia, którego typowa wartość wynosi około 20:1. Takie wzmocnienie jest wystarczające do wytworzenia strugi o ciśnieniu około 400 MPa. Najnowsze pompy tego typu pracują nawet przy ciśnieniu dochodzącym do 1000 MPa.

         Drugim typem wysokociśnieniowej pompy wodnej, coraz częściej stosowanym w technologii obróbki wysokociśnieniową strugą wodną, jest wysokoobrotowa pompa nurnikowa z bezpośrednim napędem elektrycznym. Taka pompa wyposażona jest w trzy nurniki napędzane za pośrednictwem wału korbowego, które są przesunięte w fazie o 120^o, a niekiedy tych nurników jest więcej. Zastosowane w cylindrach pompy zawory jednokierunkowego przepływu umożliwiają tłoczenie wody podczas czynnego suwu nurnika i pobieranie wody do komory cylindra podczas suwu powrotnego. Typowa prędkość obrotowa takiej pompy wynosi 400-500 obr/min.

Widok ogólny pompy wysokoćiśnieniowej o napędzie bezpośrednim (zdjęcie: FLOW INC.)

         Pozytywnymi skutkami takiego rozwiązania konstrukcyjnego są: większa sprawność układu napędowego i stabilne ciśnienie robocze nie wymagające stosowania akumulatora hydraulicznego. Wadą, która przez lata powstrzymywała rozwój tych pomp, jest duża prędkość liniowa nurników. Konsekwencją wysokiej prędkości przemieszczania się nurników było szybkie zużywanie się uszczelnień, czyniąc konstrukcję zawodną i nieekonomiczną w eksploatacji przemysłowej. Dopiero osiągnięcia ostatnich lat w inżynierii materiałowej, umożliwiły zastosowanie odpowiednich materiałów na uszczelnienia wysokociśnieniowe, gwarantujące niezawodną pracę tego rodzaju pomp przez setki godzin.

         Innym (ciekawym) rozwiązaniem konstrukcyjnym w tej dziedzinie jest wysokociśnieniowa pompa wodna zaprezentowana w 2010 roku przez australijską firmę TECHNI Waterjet. Pompa ta zbudowana jest z dwóch przeciwsobnie pracujących nurników napędzanych bezpośrednio przez elektryczny silnik wrzecionowy. Posiada ona zalety pompy wzmacniaczowej przy jednoczesnym wyeliminowaniu wad związanych z napędem pośrednim. Zastosowanie napędu bezpośredniego umożliwiło uzyskanie wysokiej sprawności pompy na poziomie około 85 % w szerokim zakresie obciążenia oraz obniżenie hałasu pracy do wartości <68 dB. Obecnie oferowane pompy tego typu umożliwiają wytworzenie strugi tnącej o maksymalnym ciśnieniu roboczym 3700, 4500 i 5300 bar, oraz wydatku wody odpowiednio 3,8; 3 i 2,8 dm3/min.

Serwo-pompa Techni Waterjet (zdjęcie: TECHNI WATERJET)

Głowice dynamiczne

         Wieloletnie prace rozwojowe i postęp technologiczny, uczyniły przecinanie strugą wodno-ścierną, obróbką niezawodną, umożliwiającą uzyskanie wysokiej jakości przeciętych powierzchni bez termicznego wpływu na obrabiany materiał. Istotną wadą tej metody przecinania w kontekście jakości obróbki jest przebieg procesu erozji skutkujący ugięciem strugi i niestabilnym kształtem szczeliny obróbkowej podczas przecinania materiału.

         Zwykle, przecinanie materiałów z prędkością posuwową poniżej 30% prędkości maksymalnej (umożliwiającej rozdzielenie materiału) powoduje powstawanie szczeliny cięcia o kształcie odwróconego "v" a powyżej tej wartości o kształcie litery "v". Równoległość bocznych powierzchni przeciętego materiału występuje przy prędkości posuwowej stanowiącej około 30% maksymalnej prędkości posuwowej, umożliwiającej przecięcie materiału.

Po lewej: głowica dynamiczna Tilt-A-Jet firmy Omax, po prawej: głowica dynamiczna firmy Flow

         Prędkość posuwowa w kontekście obróbki jakościowej ma wpływ na trzy główne zjawiska, to jest: kąt pochylenia bocznej powierzchni, przesunięcie wybiegu strugi względem linii wejścia w obrabiany materiał, oraz chropowatość przeciętych powierzchni. Wartości wymienionych parametrów ulegają pogorszeniu w miarę wzrostu prędkości posuwowej. Dobór prędkości posuwowej uzależniony jest od oczekiwanej jakości przeciętych powierzchni. W praktyce przemysłowej wartość maksymalnej prędkości (rozdzielającej) posuwowej podzielona jest na 4 lub 5 wartości umożliwiających wycinanie z wybraną jakością.

         Stosowanie małej (ok. 30% wartości maksymalnej) prędkości posuwu w celu uzyskania wysokiej jakości przecinanych powierzchni jest rozwiązaniem nieekonomicznym, dlatego też opracowano odpowiedni mechanizm umożliwiający dynamiczne odchylanie głowicy tnącej w czasie przecinania, co koryguje błędy pochylenia powierzchni cięcia oraz odsunięcia wybiegu strugi.

         Kompensację kąta pochylenia przeciętej powierzchni uzyskuje się dzięki poprzecznemu odchyleniu głowicy tnącej względem kierunku cięcia. Kompensacja odsunięcia wybiegu strugi jest dokonywana przez odchylenie głowicy w kierunku cięcia. Zastosowanie głowicy dynamicznej znacząco skraca czas obróbki przy zachowaniu wysokiej jakości przecinanych powierzchni. Korzyści związane ze stosowaniem takiej głowicy zwiększają się w miarę wzrostu grubości przecinanych materiałów.

Zestaw głowic roboczych

Systemy podawania ścierniwa

         Aby było możliwe sprawne dostarczenie świeżego ścierniwa do głowicy roboczej niezbędny jest system jego transportu. System taki zwykle składa się z dwóch zasadniczych elementów. Pierwszy z nich to większy, zasypowy, zasobnik ścierniwa, zwykle znajdujący się w pewnej odległości od maszyny. Zbiornik ten w zależności od swojej pojemności zasypuje się ścierniwem porcjowanym w mniejsze (25 kg) worki lub z jedego większego (tzw. big bag) o wadze 1 tony. Zasobnik o pojemności 1 tony jest korzystniejszym rozwiązaniem ze względów ekonomicznych (ścierniwo pakowane w jedno tonowe worki jest zwylke tańsze od tego porcjowanego w workach po 25 kg).

         Ścierniwo ze zbiornika zasypowego, przy pomocy sprężonego powietrza oraz systemu automatyki, dostarczane jest do mniejszego (precyzyjnego) podajnika ścierniwa zamontowanego w pobliżu głowicy roboczej. Podajnik ten wyposażony jest w pośredni zbiornik ścierniwa oraz system odmierzania odpowiedniej porcji ścierniwa. Sposób precyzyjnego wydatkowania ścierniwa może bazować na systemach tasiemkowych, sterowanych silnikiem krokowym lub prostszych rozwiazaniach takich jak system grawitacyjny.

Elementy instalacji podawania ścierniwa, po lewej: zbiornik zasypowy, po prawej: precyzyjny podajnik zamontowany nad głowica roboczą

Ruszt

         Ruszt na którym układany jest materiał to najczęściej pasy blachy lub specjalne kratownice. Elementy rusztu zużywają się w wyniku działania strugi i podlegają wymianie. Jeżeli jest potrzeba wycinania małych elementów z cieńszych blach można zastosować specjalne podkłady z tworzywa sztucznego.

Po lewej: ruszt na którym układany jest przecinany materiał; po prawej: specjalny podkład z tworzywa sztucznego pomocny przy wycinaniu małych elementów

Zmiękczacz wody

         Zmiękczacz wody stosuje się w celu usunięcia z wody składników mających wpływ na jej twardość spowodowaną obecnością jonów wapnia i magnezu (kationów podstawowych), żelaza, glinu, manganu oraz kationów metali ciężkich. Zbyt duża twardość wody powoduje powstawanie kamienia kotłowego. Osadzające się w instalacji wodnej związki minerałów mogą spowodować szybsze zużywanie się dysz wodnych i zapychanie filtrów. Oderwany kawałek osadu przepływając przez dyszę wodną o średnicy rzędu 0.25mm może spowodować jej nieodwracalne uszkodzenie. Zmiękczanie wody polega na usuwaniu twardości na drodze wymiany jonowej podczas przepływu przez złoże żywiczne. Kiedy zdolność jonowymienna złoża zostanie wyczerpana, jest ono poddawane regeneracji roztworem soli kuchennej (NaCl). Cały proces jest zautomatyzowany, specjalny sterownik odmierza odpowiednią ilość wody po której następuje regeneracja złoża. Sam proces regeneracji zachodzi najczęściej w czasie kiedy woda nie jest pobierana.

Usuwanie zużytego ścierniwa

         Systemy usuwania zużytego ścierniwa z dna zbiornika maszyny oferowane są zwykle jako opcja przy zakupie urządzenia waterjet. Zalety z posiadania takiego systemu są znaczące. W szczególności chodzi o możliwość utrzymania maszyny waterjet w ciągłej gotowości do pracy. W przypadku braku takiej instalacji wcześniej czy później zużyte ścierniwo wypełni wannę i uniemożliwi lub utrudni normalne jej funkcjonowanie. Jedynym rozwiązaniem ,w takim wypadku, jest wyłączenie maszyny z procesu produkcyjnego i ręczne oczyszczenie zbiornika. Nie dość, że proces może zająć kilka godzin i prace te wykonuje operator lub inni pracownicy, to zwykle zanieczyszczona zostaje także strefa wokół maszyny. Taka sytuacja nie występuje w przypadku korzystania z urządzenia do usuwania zużytego ścierniwa, które dzięki odpowiedniej instalacji, umieszczonej na dnie wanny, odsysa ścierniwo i gromadzi je w specjalnym worku BIG BAG.

         W zależności od rozwiązania, systemy te mogą pracować z różną wydajnością. Dostępne na rynku urządzenia można podzielić na: tzw. przelewowe bez separatora oraz zdecydowanie bardziej wydajne systemy z separatorem (oddzielające wodę od ścierniwa). W przypadku systemów przelewowych zużyte ścierniwo wraz z wodą dostarczane jest do wysoko przesiąkliwego worka BIG BAG. Po wypełnieniu worka znajdująca się w nim, oprócz ścierniwa, woda musi odciec, co zajmuje znaczną ilość czasu. Bardziej wydajne są systemy z separatorami, które oddzielają wodę od ścierniwa już podczas odsysania, a ich wydajność dochodzi do 1 tony na godzinę.

Systemy zamkniętego obiegu wody

         Zastosowanie instalacji odzyskującej wodę ma bardzo wiele zalet. Przede wszystkim dbamy o środowisko naturalne gdzie deficyt wody to poważny problem. Instalacje tego typu umożliwiają odzysk wody na poziomie 95% co sprawia, że koszty związane ze zużyciem wody są minimalne. Kolejną zaletą wynikającą z zastosowania takiego systemu jest to, że nie jest wymagane doprowadzenie do maszyny wysoko wydajnego zasilania w wodę.

         To tylko część informacji które mają się tu znaleźć, rozdział jeszcze jest dopracowywany. Prosimy o cierpliwość. Strona jest regularnie uaktualniana.