برش واترجت

قیمت برش واترجت

در میان فرآیندهای برش معمول در صنعت، سه فرآیند برش واترجت ، برش پلاسما و برش لیزر فلزات فرآیند های نوین محسوب می شوند. در نتیجه، نیاز به سطح تکنولوژی بالاتر، تجهیزات جدیدتر و معمولا هزینه اولیه و هزینه عملکرد بیشتری دارند. قیمت برش واترجت را می توان از دو نقطه نظر مقایسه با فرآیند های برش دیگر و پارامترهای برش واترجت بررسی کرد.

مقایسه برش واترجت با فرآیندهای برش دیگر

 قیمت برش واترجت از نظر هزینه اولیه دستگاه گرانتر از دستگاه برش پلاسما و ارزان تر از برش لیزر است. هر چند از نظر هزینه عملکرد، یعنی هزینه مواد مصرفی، از قبیل مایع و ذرات ساینده و هزینه نگه داشت ابزار برش واتر جت گرانترین فرآیند بین فرآیند های برش است و نرخ تولید پایینی نیز دارد. با این وجود برش واتر جت سطح برش بهتری دارد و دقت ابعادی بسیار بیشتری را به تولید کننده ارائه می دهد. تصویر زیر کیفیت سطح برش واترجت را با برش پلاسما مقایسه می کند.

طیف مواد قابل برش با فرایند برش واتر جت نیز بسیار وسیع تر از دو فرآیند دیگر است. پلاسما برای مواد غیر رسانا کارایی ندارد و لیزر بیشتر برای مواد فلزی به کار می رود. 

تاثیر پارامترهای فرآیند روی برش واترجت

کم هزینه ترین پارامتر در فرآیند برش واتر جت مصرف آب است. برش های سنگین تر و طولانی تر مصرف آب بیشتری دارند. پارامتر موثر بعدی مصرف برق مورد نیاز است. پمپ های با نیروی اسب بخار بیشتر فشار آب بیشتری ارائه می کنند و در نتیجه مصرف برق بیشتری دارند. در نهایت استفاده از ذرات ساینده برای برش و کیفیت و سختی ذرات عامل مهم دیگری روی قیمت برش واترجت است. انتخاب ذرات ساینده بر اساس ماده تحت برش و سرعت مدنظر فرآیند انجام می شود. کنترل دقیق متغیرها در برش CNC واترجت می تواند هزینه های برش را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

اجزای دستگاه برش واترجت

نازل ها و محفظه های سر برش واترجت معمولا از الماس و یاقوت ساخته می شود. تصویر زیر شماتیک سیستم برش واتر جت را نمایش می دهد.

پمپ های مورد استفاده در این فرآیند اغلب به دو دسته پمپ های شدت دهنده خطی (Linear Intensifier Pump) و پمپ های جابجایی مثبت یا محرک مستقیم (Direct Drive Pump)  تقسیم می شوند. پمپ های شدت دهنده خطی از سیلندر هیدرولیک برای افزایش فشار و پمپ های با محرک مستقیم از پیستون برای افزایش فشار آب استفاده می کنند. پمپ های شدت دهنده خطی که معمول ترین روش افزایش فشار در برش واتر جت هستند تا 94000 psi  و پمپ های با محرک مستقیم تا 60000 psi فشار آب را افزایش می دهند.

محفظه نگه دارنده در سیستم برش واترجت وظیفه جمع آوری ذرات حاصل از فرآیند برش و مواد اولیه فرآیند را دارد. این محفظه همچنین صدای ناشی از فرآیند را نیز کاهش می دهد

شماتیک سری برش واتر جت و نازل در تصویر زیر ترسیم شده است. در سری برش واترجت آب با ذرات ساینده ترکیب می شود و با فشار بالا روی قطعه کار تاثیر کرده و فرآیند برش را انجام می دهد.

فرآیند برش واترجت

در فرایند برش واتر جت حاوی مواد ساینده، ذرات سخت با هدف افزایش نرخ برداشت مواد و سرعت معمول فرایند برش با آب وارد آب تحت فشار می شوند. از جمله این ذرات می توان به سدیم بیکربنات، خرمهره های شیشه ای، گارنت، سیلیکون کارباید، اکسید آلومینیم و سیلیکا اشاره کرد. می توان از این فرآیند به منظور برش طیف وسیعی از مواد چقرمه یا ترد (پلیمر، پلاستیک، چوب، شیشه، سنگ، کامپوزیتها، فلزات آهنی یا غیر آهنی) و مواد بسیار سخت استفاده کرد.

این فرایند بر مبنای ساییدگی مکانیکی عمل می کند. طی این فرآیند شتاب بالای مواد ساینده خارج شده از آبفشان پرفشار به منظور برش ماده مورد نظر استفاده می شود. افزایش انرژی جنبشی در برش واترجت به دلیل افزایش فشار آب رخ می دهد و منجر به افزایش تکانه ذرات ساینده می شود و ماده هدف بوسیله برخورد و تغییرات تکانه ماده ساینده بریده می شود. یک دستگاه برش واتر جت ساینده در حالت عادی فشار عملکردی تقریبا 300 تا 450 مگاپاسکال دارد، که به منظور رسیدن به سرعت خروجی آب تا 900 متر بر ثانیه کافی است.

برخی از مهمترین پارامترهای برش واترجت

پارامترهای بسیاری روی کیفیت خروجی و سرعت تولید فرآیند برش واترجت موثر هستند که در ادامه به تعدادی از آن ها اشاره می شود.

نوع ماده ساینده در برش واترجت

هرچه ماده سخت تر باشد، ذرات ساینده سخت تری انتخاب می شوند. البته معمولا از ساینده های نرم تر از قبیل دولومیت ها و خرمهره های شیشه ای به منظور صیقلی کردن، تمیز کردن و اچ کردن استفاده می شود. استفاده از ساینده های سخت تر زبری سطح را کاهش داده و سرعت فرآیند تولید را افزایش می دهد.

 کشفیات جدیدی که در تکنولوژی دستگاه برش واترجت انجام شده است، نشان می دهد که ذرات یخ نیز قابلیت استفاده به عنوان مواد ساینده را دارند که در عین کم کردن هزینه فرآیند و بهینه بودن برای محیط زیست، سطح برش قطعه کار را نیز آلوده نمی کنند.

ابعاد ذرات ساینده در برش واترجت

در فرآیند برش واترجت ، ابعاد ذرات نیز نقش مهمی بازی میکند. ذرات ریز اغلب برای صیقلی کردن و تکمیل کاری سطحی و ذرات درشت معمولا برای فرایند برش استفاده می شود.

فشار برش واترجت

انرژی جنبشی و توان برداشت مواد توسط ذرات ساینده با افزایش فشار آب افزایش می یابد و در همین حال زبری سطح بریده شده کاهش می باید و مدت زمان فرایند کمتر می شود. با این وجود، فشار بسیار بالای واترجت می تواند روی توان برندگی ذرات اثر منفی داشته باشد و منجر به پخش شدن بیش از حد آنها شود.

فاصله نازل تا قطعه

فاصله نازل تا قطعه اگر از حد خاصی بیشتر شود، منجر به افزایش شدید قطر فواره آب و کاهش انرژی جنبشی واترجت در لحظه برخورد به سطح قطعه می شود. در نتیجه فاصله زیاد برش تا قطعه برش ناکافی و کیفیت برش ضعیف خواهد شد. بنابراین فاصله کمتر منجر به صاف تر شدن سطح برش و افزایش کارایی فرایند برش می شود.

قطر نازل

کمتر شدن قطر نازل در فشار ثابت، منجر به کاهش حداکثر سرعت فرآیند برش واترجت و شتاب فواره خواهد شد. همچنین ممکن است که بر اثر ناکافی بودن قطر نازل، هوا در نازل حبس شده و قابلیت برش دچار اختلال شود. بنابراین با توجه به فشار آب و شرایط قطعه کار، قطر ایده آل برای نازل بایستی لحاظ گردد.

نرخ جریان مواد ساینده

با افزایش نرخ جریان مواد ساینده، عمق برش نیز به طور مستقیم تحت تاثیر قرار می گیرد. افزایش نرخ جریان مواد ساینده در فرآیند برش واتر جت منجر به افزایش کیفیت سطح برش و سرعت انجام فرآیند برش با آب نیز می شود. تنها عامل بازدارنده در افزایش نرخ جریان، قیمت برش واترجت است.

سرعت انتقالی

 سرعت انتقالی عبارت از سرعت حرکت نازل روی قطعه کار به منظور انجام عمل ماشین کاری است. سرعت بالای انتقال در عین افزایش نرخ برش فرایند موجب کاهش تاثیر ساینده ها روی قطعه می شود. توان بهینه فرآیند برش بسته به فشار آب، جنس مواد و ضخامت آن ها تغییر می کند. برای مثال در شرایط ثابت سرعت فرآیند برش واترجت برای آلیاژ های تیتانیوم تا 1.5 برابر سرعت برش برای فولادهای کربنی است.

نقاط قوت فرایند برش واترجت

1. برش واترجت فرآیندی بسیار انعطاف پذیر و مناسب برای طیف گسترده ای از مواد است.
2. در برش واترجت بر خلاف سایر فرآیند های پیشرفته ماشین کاری از قبیل برش با لیزر ، برش هواگاز یا فرایند های بر پایه تخلیه الکتریکی، منطقه متاثر از حرارت وجود ندارد. وجود حرارت روی خواص بعضی مواد تحت برش و ماشینکاری تاثیر می گذارد.
3. فرآیند برش با آب از سختی و رسانایی ماده مورد برش مستقل است.
4. مواد اولیه فرآیند مثل آب و ذرات ساینده بعد از پایان فرآیند تا حد زیادی بازیافت شده و به چرخه فرآیند باز می گردند.
5. بر خلاف باقی فرآیند های مکانیکی برش، برش واترجت نیازی به روانساز ها و روغن های خنک کننده ندارد.
6. بخارهای سمی و ذرات غبار در هوا پخش نمی شود و در نتیجه این فرایند به عنوان فرآیندی سالم و سازگار با محیط زیست شناخته می شود.

نقاط ضعف فرآیند برش واترجت

1. هزینه نسبتا بالا باعث می شود که واترجت برای بسیاری از مواد پرکاربرد گزینه اقتصادی نباشد.
2. عمر کاری کوتاه برخی از تجهیزات تشکیل دهنده مانند روزنه ها یا نازل که منجر به افزایش هزینه تعمیرات و هزینه عملیاتی این فرایند می شود.
3. احتمال دارد که سطح قطعه کار با مواد ساینده آلوده شود و نیاز به تمیز کاری داشته باشد. این مورد به خصوص در مورد فلزات نرم تر ایجاد مشکل بسیاری می کند.

موارد کاربرد برش واترجت

بسیاری از صنایع میتوانند از نقاط قوت این فرایند در جهت تامین نیازهای تکنولوژیک و اقتصادی خود بهره ببرند. از بین این صنایع میتوان به موارد زیر اشاره کرد.

در صنعت خودرو، این تکنولوژی جهت تولید قطعاتی ازجمله اجزای فایبرگلس ماشین استفاده می شود. در صنایع الکترونیک از این فرایند در تولید و برش برد مدار چاپی استفاده می شود. در صنایع هوافضا به منظور ماشین کاری و برش فلزاتی از جمله فولاد زنگ نزن، تیتانیوم، آلومینیم و اینکونل به فرایند برش واترجت به عنوان جایگزینی مناسب برای فرایند های سنتی نگاه می شود. در صنایع معدنی در عوض روش های ماشین کاری سنتی و پیشرفته دیگر به دلیل وجود احتمال انفجار در نتیجه تولید حرارت، از این فرایند برای ماشین کاری و برش استفاده می شود. در صنایع سنگ و سرامیک نیز به منظور برش موادی که با فرایندهای سنتی تطابق ندارند، از جمله پرسلان ها، از فرایند برش واترجت استفاده می شود. از فرآیند برش واترجت حتی می توان در صنایع کاغذ و مواد غذایی نیز استفاده کرد.

برش CNC واترجت

سیستمهای برش واترجت قابلیت نصب روی سیستم های CNC یا کنترل کننده عددی کامپیوتری را دارند. برش CNC واترجت به صورت اتومات و به وسیله مدل سازی قطعات های از پیش انجام شده توسط نرم افزار هایی همچون کورل، اتوکد یا کتیا انجام می گیرد. طرح های از پیش انجام شده وارد سیستم دستگاه شده و برش CNC واترجت توسط مدل های آماده و متغیرهای وارد شده به سیستم انجام خواهد شد.