وبلاگ

همه آن چیزی که باید درباره فناوری برش واترجت بدانید

راهنمای مهندسی برای برش واترجت

با اختراع دستگاه واترجت شما به روح مهندسی بسیار نزدیک شده اید. دکتر جان اولسن یکی از مخترعان تکنولوژی واترجت و در حال حاضر سرپرست عملیات اوماکس واترجت گفته که سالها پیش در حدود سال ۱۹۷۱ تحقیقاتم را شروع کردم. تحقیقات بعضی دوستانم در انگلستان در مورد برش سنگ خواندنی بود و من به این فکر افتادم که میتوانم این کار سرگرم کننده برای آنها را با استفاده از پمپ های قوی تر انجام دهم و از همان روز بررسی هایم را در پارکینگ منزل مسکونی خودم آغاز کردم.

از مخترعین دستگاه واترجت
دکتر جان اولسن از مخترعین دستگاه واترجت

این داستان می تواند مشابه بسیاری از داستان هایی که در مورد اختراع وسایل دیگر می شنوید جذاب باشد اما ارتباطات و محاسبات بین تکنولوژی واترجت بسیار پیچیده تر از آن است که فکر می کنید. همان گونه که دکتر جان اولسن توضیح داده است:

یکی از بزرگترین تغییراتی که پروژه اوماکس در این صنعت ایجاد کرد اتصال این وسیله به کامپیوترها بود. یک جت، ابزاری سفت و سخت نیست. این ماشین فقط به وسیله نوک مخروطی شکل خود هر چیزی که احتیاج به برشکاری دقیق دارد و هر شکلی را که شما بخواهید خواهد برید. در آن زمان به ما گفته شد که ساخت چنین فناوری ای غیر ممکن است ولی امروزه اعتقاد نداشتن به این تکنولوژی خنده دار است.

مبانی واترجت

آب خالص و مواد ساینده

نازل برش واترجت
نازل برش واترجت

در معنای وسیع تر اصطلاح واترجت شامل هر ابزاری است که از یک جریان با فشار بالای آب استفاده می کند. به طور خاص واترجت را می توان به زیرشاخه های خالص و ساینده تقسیم کرد. اصطلاح واترجت خالص به ابزارهای برشی اشاره  می کند که تنها از آب استفاده می کنند در حالی که واترجت ساینده یا جت ساینده همراه با آب از مواد ساینده نیز استفاده می کنند.
از واترجت خالص برای برش مواد نرم تر، از جمله واشر، فوم، مواد غذایی، کاغذ، پلاستیک و فرش و موکت استفاده می شود.

واترجت ساینده برای برش مواد سخت تر مانند فلز، سرامیک، سنگ، چوب و شیشه استفاده می شود.

ساینده های واترجت به طور معمول ازشنهای مخصوص (گارنت) ساخته شده اند، با اندازه دانه در محدوده ۵۰ تا ۲۲۰ مش، هر چند سایز ۸۰ رایج ترین آنهاست. بسیاری از دستگاه های جت آب قادر به تعویض از برش جت آب خالص به برش جت آب ساینده هستند زیرا ساختار آنها چند بعدی است.

موادی که واترجت برش می دهد

نمودار سرعت برش در مواد مختلف
نمودار سرعت برش واترجت در مواد مختلف

انعطاف پذیری یکی از نقاط قوت فن آوری واترجت است. چیپ بورنهام، معاون رییس بازاریابی جهانی شرکت Flow International Corporation، برای نشان دادن تعداد قابل توجهی از مواد که می توان آنها را با استفاده از واترجت برش داد، فهرستی از مواد را از سرعت برش کمتر تا بیشترین سرعت برش ارائه داده است:

معنی این لیست این نیست که همه اشیا اجناس میتوانند به وسیله واترجت برش داده شوند بلکه به گفته آقای برنام “تنها چند چیز هستند که من در تحقیقاتم نتوانستم آنها را برش دهم.” یکی از آنها شیشه حرارت دیده (سکوریت) است. شیشه های سکوریت به دلیل حرارتی که در کوره می بینند هیچ استرسی را قبول نمی کنند و وقتی شما آنها را با واترجت برش می دهید این تنش داخلی از بین ذرات آن برداشته شده و حالت رها به خود می گیرند.” من چیزهای زیادی را با این نوع شیشه ها برش میدادم و در سال های اولیه با واترجت ساخت خودم شیشه سازان را شگفت زده می کردم اما وقتی روز بعد به آزمایشگاه خودم برمی گشتم قطعاتی را میدیدم که میلیون ها تکه ریز تبدیل شده اند”

Scott Wirtanen، مدیر فروش منطقه ای در Jet Edge، در تایید واترجت تاکید کرد: “واترجت تقریبا در هر ماده ای یکسان عمل می کند. بنابراین تنوع برش واترجت، هم در برش مواد و هم در ضخامت مواد، بی نظیر است. ”

فشار واترجت

اگر مدت مانی را با مهندسین سازنده واترجت صرف کرده باشید احتمالا این سوال به ذهن شما خطور می کند که: این دستگاه چه مقدار فشار بر روی قطعه ایجاد می کند؟ یکی از راه های درک میزان فشار آب بر روی قطعه مورد نظر اندازه گیری آن با مقیاس psi (پوند بر اینچ مربع) می باشد.

نمودار فشارخروجی آب از منابع مختلف

همانطور که در نمودار بالا مشخص است اختلاف در فشار آب می تواند منجر به واکنش های متفاوتی شود. از شستن دستها گرفته تا بریدن آهن به وسیله آن. اما این تغییرات در فشار آب در مقیاس خیلی باریک اتفاق می افتد. چیزی بین ۶۰٫۰۰۰ تا ۹۰٫۰۰۰ psi.

برخی از مهندسان معتقدند فشار بالاتر کلید برش سریعتر است، در حالی که برخی دیگر معتقدند که کارایی موتور واقعا مهم است.

برای اینکه به هر دو طرف یک لرزش عادلانه بدهیم، بگذارید یک لحظه استدلال های مربوطه آنها را بررسی کنیم.

۹۰٫۰۰۰ psi  در برابر ۶۰٫۰۰۰ psi

طرفداران ۹۰k  می گویند که افزایش فشار پمپ واترجت از ۶۰۰۰۰ به ۹۰۰۰ موجب افزایش سرعت آب شده و معتقدند این افزایش تا ۵۰ درصد یا بیشتر در سرعت برشکاری تاثیر گذار خواهد بود.

برش واترجت 4 محوره
برش واترجت ۴ محوره

آنها همچنین معتقدند که برش ۹۰۰۰۰ ، درصد استفاده از مواد ساینده را کاهش می دهد زیرا استفاده ازهر مقدار شن ریز بیشتر در مصرف انرژی نیز تتاثیر می گذارد. در نهایت، فشار کار بالاتر در هنگام سوراخ کردن و برش، باعث لایه لایه شدن مواد کامپوزیتی می شود.

مهندس برنام می گوید:”سرعت برش مستقیما به قدرت اسب بخار نازل متصل است. بنابراین مصرف اسب بخار، تابعی از مقدار آب و فشاری است که از دهانه نازل خارج می شود. دهانه خروج کوچکتر با مصرف فشار کمتر قدرت خیلی کمتری مصرف می کند و در نهایت برش با سرعت آرام تری خواد داشت. در مقابل دهانه و نازل های بزرگ با فشار بالا مصرف انرژی بیشتری مصرف می کنند و در نتیجه سرعت برش بسیار بالا می رود. این مقدار فشار و مصرف آب دقیقا همان قدرت اسب بخار است. مهندسین می گویند که اگر شما از یک ترکیب مخزن نازل استفاده می کنید، همان مقدار ساینده و همان حجم آب را در هر دو قدرت ۹۰۰۰۰ و ۶۰۰۰۰ مصرف می کنید. با این حال زمانی که  شما شروع به نگاه کردن هدهای برش می کنید شاید کمی مبهم به نظر برسد. به عنوان مثال یک پمپ تشدید کننده ۶۰۰۰۰ پوندی در ۱۰۰ اسب بخار دو گالن آب مصرف خواهد کرد که در مقابل، یک پمپ ۹۰۰۰۰ پوندی با صد اسب بخار قدرت، چیزی حدود ۱٫۵ گالن در دقیقه مصرف خواهد داشت.

با قدرت ۱۰۰ اسب بخار و فشار ۹۰۰۰۰ psi  و ۱٫۵ gpm  شما قادر به اجرای برشکاری به نازکی ۰٫۰۱۱ اینچ هستید. اما با همان مقدار قدرت پمپ و فشار ۶۰۰۰۰ شمما می توانید تا ضخامت ۰٫۰۱۵ را برش دهید. با توجه به مقدار gpm(gallons per minute) و اختلاف آنها برش با همان سرعت با دو سر انجام می شود.

برش واترجت ۴ محوره با دو سر برش مجزا

در پاسخ به این ادعا، طرفداران ۶۰k اشاره می کنند که اگر فشار را افزایش دهید، باید اندازه نازل را کاهش دهید. این بر اساس درست است که قدرت، متناسب با فشار حجم جریان باشد، همانطور که در فرمول نشان داده شده است:

Power = kPV

طرفداران ۹۰ k  ممکن است پاسخ دهند که فشار بالاتر، نازل حجم کوچکتر سریعتر می شود، زیرا دارای تراکم قدرت بیشتری است (یعنی همان مقدار قدرت در یک منطقه کوچکتر)، اما طرفداران ۶۰ کیلوگرم انکار می کنند زیرا که این خارج از توان کاربردی واترجت واقعی است.

آقای اولسن می گوید یکی از مهمترین مسایلی که اگر شما با فشار ۹۰۰۰۰ پمپاژ کنید این است که احتمال گیر کردن گیربکس و نا کارآمدی دستگاه پمپاژ را داشته باشید.

این موضوع باعث تمایز مهم در واترجت و موضوع بحث انگیز دیگری می شود: تقویت کننده ها و پمپ های مستقیم درایو.

پمپ های واترجت: تقویت کننده ها و درایو مستقیم

واتر جت

دو نوع اساسی پمپ در,واترجت وجود دارد: درایو مستقیم و تقویت کننده. پمپ های درایو مستقیم از یک میل لنگ برای حرکت دادن پیستونهای فشار آب استفاده می کنند، در حالی که تقویت کننده ها از شیلنگ های هیدرولیکی استفاده می کنند.
هر نوع دارای مزایا و معایبی است، که مهندس ویرتانن توضیح می دهد:
پمپ های درایو مستقیم ذاتا طراحی سادهتری دارند، اما نیاز به نگهداری نسبتا پائین تر از یک پمپ تقویت کننده دارند. از آنجا که طرح آنها بسیارساده هستند، برای سرمایه گذاری اولیه ارزان ترند، اما در دراز مدت، هزینه پمپ های تقویت کننده به طور چشمگیری پایین تر از درایو مستقیم است.

از این رو، اگر سرمایه اولیه شما نگرانی اصلی شما باشد، پس یک پمپ مستقیم مستقیم راه اصلی است. از سوی دیگر، اگر شما به دنبال کمترین هزینه نگهداری هستید، یک پمپ تقویت کننده بهترین گزینه است. این یکی از اصول اساسی تولید را نشان می دهد: همه اینها به کاربرد خاص شما بستگی دارد.

هزینه های دستگاه برش واترجت

با هر تکنولوژی ساخت و ساز، راه های متعدد برای محاسبه هزینه های واترجت وجود دارد. با این حال، برخی ارزیابی دقیق تر از دیگران را ارائه می دهند. به عنوان مثال، تلاش برای محاسبه هزینه ها از لحاظ دلاری یا هزینه ریالی آن در هر ساعت از زمان استفاده از ماشین مشکل است زیرا واترجت ها را می توان با سری برش مختلف و یا چند روش برش پیکربندی، که بر زمان برش تاثیر می گذارد تقسیم بندی کرد.

برش پلاستیک با واترجت
قطعات پلاستیکی ضخیم توسط یک جت آب جت پویا XD Flow Mach 4c بریده شده است.

محدوده قیمت معمول برای یک جت آب با یک سر برش تقریبا ۱۰۰ تا ۱۳۵ دلار در هر ساعت است، هرچند بخش های این هزینه ها در پایان می توانند تا ۲۰۰۰ دلار در ساعت بسته به نوع مواد و ضخامت و غیره تغییر کنند. این سه فاکتور همان چیزی است که هزینه های آب جت را با توجه به دلار در هر اینچ مربع از برداشت مواد، محاسبه می کند، زیرا همه آنها باعث کاهش زمان بریدن می شود.
بهترین روش برای محاسبه هزینه های واترجت، از لحاظ دلاربستگی به یک لیست بزرگ از عوامل دارد که به چنین محاسباتی می رسد، از جمله:

  1. زمان لازم برای برنامه ریزی مسیر برش
  2. خطر شکستگی با مواد شکننده
  3. تعداد سوراخ های کار مورد نظر
  4. هزینه مواد مصرفی
  5. زمان راه اندازی، تخلیه و تعمیر و نگهداری
  6. تعداد قطعات

 

اشتباهات معمول در مورد برش واترجت

سر برش واترجت
سر برش واترجت ساخت شرکت MAXIEM 1515 JetMachining Center

مخترع دستگاه برش واترجت توضیح می دهد: زمانی که آنها شروع به کار کردند ابزار های دقیقی برای اندازه گیری نداشتند و از همان ابزارهایی استفاده می کردند که ۸۰ سال پیش استفاده می شد. به همین خاطر نمونه های برشی که روی مواد انجام می دادند از دقت خوبی برخوردار نبود و نمی توانست نظر مشتریان را به خود جلب کند. و از طرفی کیفیت برش دستگاهی که ساخته بودند بسیار شبیه به برش هواگاز بود. آنها راهی بسیار طولانی را گذرانده اند تا بتوانند ماشینی تولید کنند که اکنون به عنوان یکی از روشهای دقیق ماشین کاری پذیرفته شود.

یکی دیگر از اشتباهات رای درباره برش واترجت این است که مردم خیال می کنند که این فناوری نمی تواند هر ماده ای را برش دهد. اما همان طور که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد این ماشن قادر است تا هر نوع ماده ای را با کمی افزایش یا کاهش سرعت، برش دهد.

دنده فولادی
دنده فولادی ضخیم برش شده

شواهد نشان می دهد، افرادی در دنیا هستند که موادی با ضخامت ۲۴ اینچ را برش داده اند و به قطعات کوچک تر تقسیم کرده اند. اما این کار خیلی معمول نیست و این فناوری امروزه قادر است تا بیشتر برای برش مواد با ضخامت کمتر از سه اینچ خدمت رسانی کند. این امری بدیهی است که شما با استفاده از فناوری برش با آب در زمان و منابع انرژی خود صرفه جویی کرده اید اما بدین معنی نیست که از برش پلاسما یا برش لیزر سریعتر باشد.

ویرتانن گفته که: “بسیاری از مشتریان انتظار دارند که با سرعتی مشابه با یک لیزر یا پلاسما برش داشته باشند، اما قطعا کندتر است، بنابر این اهمیت دستگاه های با دو سر برش یا بیشتر مطمئنا قابل چشم پوشی نیست.”

مقایسه فناوری های برش مواد شاید کار چندان درستی نباشد ولی قطعا هر کدام دارای مزایایی است. همین مزایا و معایب اغلب باعث می شود تا برش مواد با آب کار مرقون به صرفه ای به نظر نرسد و از آن عبور کنند. برخی نیز معتقدند که دنیا در حال تغییر و نو شدن است و همچنین این فناوری در حال پیشرفت. و صنعتگران در ده سال آینده بسیار از خدمات برشکاری ورق را به وسیله واترجت انجام خواهند داد.

بنابراین مزایای استفاده از waterjet چیست؟

مزایای برش واترجت

Waterjet  دارای دو مزیت عمده در مقایسه با سایر تکنیک های برش است: همه کاره بودن و سادگی.

تطبیق پذیری آن با تنوع گسترده ای از مواد و ضخامت هایی است که می تواند بر روی یک جت آب بریده شود، ثابت شده است، اما سادگی آن با مقایسه با لیزر، پلاسما و برش شعله بهترین است.

واترجت در مقایسه با لیزر

برش لیزر
برش لیزر در مقابل واترجت

در برش لیزر، یک پرتو متمرکز نور برای ذوب شدن، سوختن یا تبخیر ماده مورد برش استفاده می شود. لیزر می تواند استاتیک باشد، با مواد زیر آن حرکت می کند، یا می تواند در اطراف ماده ای که در محل ثابت باقی می ماند حرکت کند. در مورد دوم، اپتیک های اضافی برای جبران تغییرات در فاصله از انتهای نوری لیزر مورد نیاز است.

اگر چه برش لیزری اغلب در مقابل Waterjet مقبول تر است اما بسیاری از مغازه ها با استفاده از هر دو تکنولوژی، مزایای متفاوتی به مشتریان خود ارائه می دهند.

“به عنوان مثال، در مقایسه با لیزر، هنگامی که شما به تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم نگاه می کنید ظرفیت محدودی در رابطه با ضخامت وجود دارد. من فکر می کنم حداکثر ضخامت به طور کلی در حدود یک اینچ و یک چهارم تا یک اینچ و نیم است.

“می توان این نکته را نیز اضافه کرد هنگامی که شما به قابلیت های لیزر نگاه می کنید، معمولا متوجه می شوید که در بازتاب نور در مواد بازتابنده مانند آلومینیوم و یا هر فلز زرد مانند برنز و مس وجود دارد. ”

به عبارت دیگر ضخامت مواد و جنس مواد که لیزر برای لیزر مشکل آفرین هستند اما نمی توانند، برای یک جت آب مشکل ایجاد کنند. این قابلیت کاهش مواد ضخیم یکی از دلایلی است که Waterjet یک انتخاب محبوب برای فلزات سرخ است.

نکته زیبا این است که در این نوع برش بعد از اتمام برش کاری تغییر و تنش در قطعه ایجاد شده ندارید و قطعه مورد نظر اماده استفاده در ماشن آلات و صنوف مختلف است در حالی که در برش لیزر یا برش پلاسما یا هواگاز، قطعات فلزی با تنش و تغییر شکل بعد از برش همراهند.

یکی از بزرگترین مزایایی که بریدن جت آب به ارمغان می آورد فقدان مناطق آسیب دیده (HAZ) است. این یک مشکل برای برش لیزر و یکی دیگر از تکنولوژی ساخت رقیب است: مثل برش پلاسما.

واترجت در مقایسه با پلاسما

برش پلاسما
مقایسه واترجت با پلاسما

برش پلاسما بر روی مواد رسانا با استفاده از یک جریان شتاب دهنده گاز که از طریق قوس الکتریکی به پلاسما و سپس تبخیر می شود عمل می کند. پلاسما ماده را با ذوب شدن سریع به اندازه کافی متلاشی می کند تا فلز مذاب را از منطقه برش عبور دهد.

اگر چه به طور معمول سریعتر است اما هنگامی که به تعداد مواد می رسیم در درجه پایین تری قرار دارد. همچنین اگر در قطعه ای کیفیت لبه ها مهم باشد این برش با آب است که نهایتا پیروز است زیرا برش پلاسما به هیچ وجه نمی تواند لبه های تیز و زاویه داری را ارئه دهد.

همچنین عملیات ثانویه مانند چکش کاری و جوشکاری در مواد برش خورده با پلاسما کار را کمی سخت می کنند زیرا به علت تغییر ساختار این مواد این قطعات خوب جوش بر نمی دارند.

مزیت دیگر Waterjet بیش از پلاسما به طور خاص توانایی برش موادی است که به راحتی ذوب نمی شوند، مانند گرانیت، یا موادی که از طریق ذوب نابود می شوند، مانند ورقه های نازک.

واترجت در مقایسه با شعله برش هواگاز

برش هواگاز برش شعله
برش هواگاز

برش شعله، که فقط برای آهن و فولاد استفاده می شود، شامل گرمایش فلزات به درجه حرارت بالا و سپس فشار اکسیژن خالص برای ریختن فلز گرم شده است. فلز گرم به اکسید واکنش نشان می دهد و اکسید آهن را تشکیل می دهد که دارای نقطه ذوب پایین تر از خود فلز است.

یک بار دیگر این برش واترجت است که مزیت خود را در برش مواد مختلف به رخ می کشد و نشام می دهد که فلزات و قطعات بیشتری را به نسبت هواگاز میتواند برش دهد. لازم به ذکر است که دما در برش با آب نیز افزایش می یابد ولی این چیز نگران کننده ای نیست چون این دما فقط ۴۹ درجه سانتیگراد است.

آینده ی واترجت ونتیجه گیری

با وجود همه کاره بودن و سادگی آن، Waterjet  یک تکنیک برش نسبتا با شکوه است. دلایل متعددی برای این وضعیت وجود دارد، اما مهندس برنهام به طور خاص بر آن تاکید دارد:

شایع ترین مواد سخت برای برش چیست؟ لیزر میتواند آن را برش دهد. پلاسما نیز می تواند. اما از آنجا که ما در بعضی صنایع احتیاج به برش مواد ملایم تری داریم بهترین گزینه همین اختراع دکتر جانسون است. چون از کنار این دستگاه وسایل بسیار عجیب و غریب تری بیرون می آید که می تواند هر بیننده ای را شگفت زده کند. و این شما را مجبور می کند تا در قلمرو جت ها پا بگذارید.

چرخ دنده

نمونه برش واترجت

اگر کمی در دنیای اطراف خود دقت کرده باشید میبینید که احتیاج بشر به مواد عجیب و غریب بیشتر و بیشتر می شود و قاعدتا برای برش آنها باید از چیزی استفاده کرد که قابلیت کار با همه نوع موادی را داشته باشد. به همین علت تقاضا برای واترجت افزایش چشمگیری خواهد داشت.

سازنده این دستگاه توصیه می کند که قبل از استفاده از خدمات این فناوری پیشرفته چند سوال را از خودتان بپرسید:

دقت کار شما چقدر است؟

زمان کافی دارید یا خیر؟

جنس قطعه مورد نظر شما از چیست؟

و چقدر هزینه برای کار خود کنار گذاشته اید؟

اگر به این سوالات جواب دادید می توانید خدمات مورد نظر خود را بیابید.

تلفن تماس: ۶۶۳۱۲۸۶۴-۰۹۰۳۱۲۴۱۱۴۴

 

بازدید: 154

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *