Nowoczesne wycinarki wodne w branży metalowej (cz. I)

2008-05-21

W dzisiejszych czasach nie można już sobie wyobrazić nowoczesnych technologii cięcia bez zastosowania strumienia wody, który jeszcze przed kilkudziesięciu laty jako narzędzie tnące był zupełnie nieznany, a obecnie w technikach cięcia zajmuje bardzo wysoką pozycję.

Technologia XXI wieku, UHP (Ultra High Pressure) - hydrodynamiczne przecinanie materiałów strumieniem wody pod bardzo wysokim ciśnieniem z dodatkiem ścierniwa, przez intensywne badania naukowe i postęp techniczny jest obecnie najnowocześniejszą i najszybciej się rozwijającą technologią obróbki plastycznej (cięcie i kształtowanie powierzchni) dla prawie wszystkich materiałów (niezależnie od ich rodzaju i grubości) w wielu branżach technicznych.

Wykorzystuje ona skoncentrowaną energię wąskiego strumienia czystej wody sprężonej do roboczego ciśnienia rzędu 4.000 bar (słup wody o wysokości 40 km). Czysta woda, wypływając z głowicy tnącej (ciśnienie wody spada do zera), osiąga bardzo dużą prędkość (ok. 1.000 m/sek) i wyzwolona olbrzymia energia kinetyczna wody skoncentrowana na małej powierzchni przecina materiał. Rolę ostrza tnącego pełni wypływający z głowicy tnącej pod wysokim ciśnieniem wąski strumień czystej wody lub wody ze ścierniwem. W przypadku abrazywnego przecinania twardych materiałów woda jest tylko nośnikiem piasku granatu, który przecina materiał ostrymi krawędziami ziaren.

Trochę historii

Od kilkudziesięciu lat zjawisko erozji jest wykorzystywane w celach technicznych. Od ok. 1950 r. zaczęto prowadzić pierwsze próby cięcia materiałów strumieniem czystej wody o małym ciśnieniu, ok. 100 bar. Od ok. 1970 r. strumień czystej wody pod wysokim ciśnieniem rzędu 1.000-3.000 bar jest stosowany do przemysłowego przecinania miękkich, wrażliwych i trudnych materiałów, jak np.: guma, gąbka, pianka, skóra, papier, tkaniny, żywność. Od ok 1990 r budowane są urządzenia waterjet do cięcia w technologii abrazywnej (z dodatkiem ścierniwa - drobnoziarnistego piasku granatu) pod wysokim ciśnieniem rzędu 4.000 bar. Od ok. 2005 r. produkowane są pompy wodne wysokociśnieniowe (Flow, Uhde), wytwarzające bardzo wysokie ciśnienie wody 6.000 bar, prowadzone są próby laboratoryjne z pompami wodnymi o ciśnieniu 10.000 bar.

Ze wzrostem ciśnienia wzrasta energia kinetyczna strumienia wody, może zmniejszyć się jego średnica i ilość wody tnącej. Wyższe ciśnienie wody zwiększa wydajność produkcji (szybsze cięcie grubych i twardych materiałów) przy mniejszym zużyciu piasku granatu, przez co maleją koszty jednostkowe procesu. Aktualnie problemem jest jeszcze mała żywotność uszczelnień wysokociśnieniowych pomp wodnych. Rozwój technologii cięcia wodą obok wzrostu trwałości uszczelnień wysokociśnieniowych zmierza do wzrostu ciśnienia pracy pomp i niedługo będą pracować wycinarki z pompami o roboczym ciśnieniu pracy ponad 5.000 bar. Wówczas będzie można przecinać np. aluminium o grubości 1 - 2 mm bez ścierniwa, przez co zmniejszą się koszty eksploatacji urządzeń.

Technologia waterjet i pierwsze wycinarki wodne pochodzą z USA, gdzie początkowo były zastosowane do cięcia bardzo trudnych i twardych materiałów dla przemysłu zbrojeniowego i dla NASA (badanie przestrzeni kosmicznej) oraz dla cięcia miękkich wyrobów papierowych (m.in. pampersy bez ostrych krawędzi cięcia). W Europie technologia cięcia strumieniem wody jest bardzo popularna, rozwija się dynamicznie i w wielu branżach pracuje kilka tysięcy urządzeń. Ta nowoczesna, opatentowana i silnie strzeżona technologia oraz urządzenia były ze względów politycznych długo niedostępne dla państw UW i dlatego jej rozwój w Polsce nastąpił dopiero w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych. Początkowo przy wysokich cenach urządzeń mogły je kupić tylko nieliczne firmy.

Obecnie urządzenia są znacznie tańsze i coraz więcej firm interesuje się tą innowacyjną, jeszcze mało rozpowszechnioną technologią. W różnych branżach pracuje ponad 100 wycinarek wodnych, przy czym najstarsze od ok. 10 lat. Kilka firm ma po dwa lub trzy urządzenia, przeważnie wykonujące podstawowe prace oraz usługi cięcia dla innych firm z branży metalowej czy kamieniarskiej. Przeważają urządzenia kilkuletnie, często zdekapitalizowane, o małej wydajności produkcyjnej (małe: stół roboczy, moc, ciśnienie i wydatek wody pompy wodnej, szybkości cięcia i przesuwu mostka, grubości materiałów). Rocznie przybywa kilkanaście nowoczesnych wycinarek wodnych. Na naszym rynku nie ma w odsprzedaży maszyn używanych, gdyż firma kupująca następne urządzenie na już posiadanym prowadzi bieżącą produkcję. Pomoc finansowa UE na modernizację firm i tzw. innowacyjne technologie powoduje, że obecnie w Polsce firmy produkcyjne i usługowe przecinające różne materiały inwestują w zakup wycinarki wodnej.

Szybki postęp techniczny w budowie wycinarek wodnych (mocne i wydajne pompy wodne, głowice tnące, trwałe normalnie się zużywające części, jak uszczelnienia pomp, dysze wodne, rurki fokusujące, precyzyjne rozwiązania mechanizmów napędowych, sterowanie CNC, wydajne oprogramowania) i konkurencja producentów wywarły duży wpływ na spadek cen na kompletne urządzenia.

Zastosowania i zalety technologii cięcia wodą

Codziennie spotykamy się z nowymi zastosowaniami technologii cięcia wodą związanymi z nowoczesnymi metodami konstrukcyjnymi i nowymi materiałami. Optymalizacja procesów technologicznych zmusza producentów do wybierania efektywniejszych technologii i urządzeń, które zwiększą wydajność produkcji i zmniejszą koszty. Technologia cięcia strumieniem wody jest przyszłościową metodą cięcia wielu materiałów, gdyż łączy automatyzację produkcji z wysoką wydajnością cięcia. Zastosowanie odpowiedniej techniki cięcia zależy od wielu czynników procesu produkcyjnego, jednak najważniejszym jest koszt i jakość wytworzonego produktu. Zastosowanie technologii cięcia wodą ze względu na jej uniwersalność jest bardzo duże i oferta wycinania usługowego jest kierowana do szerokiego kręgu odbiorców. Wśród jej użytkowników ok. 50% stanowi obróbka metalu, ok. 20% przemysł samochodowy (zrobotyzowane urządzenia 3D), ok. 20% obróbka kamienia i ok. 10% inne zastosowania przemysłowe. Obecnie w technologii abrazywnej przecina się ok. 90 % twardych materiałów, a czystą wodą tylko ok. 10% miękkich materiałów.

Wysokie ciśnienie wywołujące przepływ strumienia wody z ponad trzykrotną prędkością dźwięku umożliwia nowe zastosowania tej technologii jako np. frezowanie (części z tytanu stosowane w technice kosmicznej) i grawerowanie. Najważniejszą jej zaletą jest wycinanie części z różnych materiałów we własnej produkcji i możliwość świadczenie usług cięcia firmom w innych branżach. Technologia jest uniwersalna (różne materiały i wyroby), elastyczna (krótkie i długie serie produkcyjne) i tania (małe koszty obsługowe pracy, części normalnie się zużywające, energia elektryczna, woda, piasek), a od termicznych metod cięcia (laser, plazma) odróżnia ją możliwość przecinania blach ułożonych w pakiety. Umożliwia jednostkową i seryjną produkcję unikalnych ze względu na kształt wyrobów z nietypowych materiałów w nowoczesnym wzornictwie przemysłowym, zapewniając wysoką jakość i dokładność wykonania.

Cięcie strumieniem wody pozwala na bardzo duże wykorzystanie materiału niemożliwe przy innych technologiach, a jakość procesu cięcia i bezodpadowość produkcji zależy od standardu technicznego urządzenia i doświadczenia operatora. Nie ma dodatkowego oprzyrządowania, wymiany narzędzi i przezbrajania urządzenia przy zmianie przecinanego materiału, a cięcie można rozpocząć i zakończyć w dowolnym punkcie materiału. Wyeliminowane są dodatkowe prace wykończeniowe związane z dalszą obróbką mechaniczną przecinanych powierzchni i krawędzi, gdyż proces cięcia zapewnia dużą dokładność obróbki oraz gładkie i ostre krawędzie bez uszkodzeń materiału. Cięcie wykonywane jest na zimno (temp.6mm lub stal konstrukcyjna>15mm). Nowoczesny przemysł zapoczątkował szybki rozwój tej technologii dla cięcia nowych materiałów wielowarstwowych, materiałów hartowanych i metali o niskiej temperaturze topnienia (aluminium, metale kolorowe).

W przemyśle lotniczym przecinane są wrażliwe na duże temperatury i naprężenia materiały o strukturze włóknistej i wielowarstwowe, a w innowacyjnych projektach często są łączone różne materiały np. metal ze szkłem. Materiały miękkie i wrażliwe są przecinane strumieniem czystej wody, materiały twarde są przecinane w technologii abrazywnej wodą przy pomocy piasku granatu (głowica tnąca wytwarza strumień wodnościerny). Można przecinać materiały cienkie, kruche, łamliwe i łatwo odkształcalne.

Ciąć wodą można wszystkie gatunki stali: węglowe i stopowe, nierdzewne, kwasoodporne, specjalne, konstrukcyjne, narzędziowe, trudnościeralne typu Hardox, Xar, pancerne, blachy platerowane, metale kolorowe: miedź, mosiądz, brązy, żeliwo, cyrkon, tantal, niob, molibden, magnez, stopy: aluminium, niklu, kobaltu, tytanu, a także kamień naturalny (granit, marmur, piaskowiec) i kamień sztuczny, ceramikę, gres, szkło (klejone, pancerne, warstwowe), beton. I wreszcie tworzywa sztuczne: poliuretan, poliamid, glastherm, włókna węglowe, kruche grafitowe uszczelnienia, materiały cierne, nowoczesne materiały kompozytowe, gumę, gąbkę, piankę, skórę, włókninę, filc, papier, drewno.

Jakość, tolerancje, prędkości cięcia

Materiały przecinane są relatywnie szybko (tabela prędkości), czas cięcia zależy od: twardości i grubości materiału, skomplikowania i długości linii cięcia, otworów i żądanej jakości powierzchni, parametrów technicznych wycinarki wodnej. Grubość przecinanego materiału zależy od parametrów technicznych urządzenia. Na jakość cięcia ma wpływ grubość materiału, szybkość cięcia i stopień zużycia części głowicy tnącej (dysza wodna i rurka fokusująca). Im grubszy materiał, tym strumień wody szybciej traci energię kinetyczną i aby utrzymać żądaną jakość cięcia, prędkość przesuwu głowicy tnącej jest mniejsza. Odpowiednią jakość przecinanej powierzchni uzyskuje się przez dobór ciśnienia wody, prędkości cięcia oraz ilości i granulacji dodawanego ścierniwa.

Wąski strumień wody tworzy szczelinę cięcia o szerokości ok. 0,5 - 1,5 mm (strumień wody przy cięciu czystą wodą ma średnicę ok. 0,5 mm, przy cięciu wodą z piaskiem ok. 1,5 mm), przy której są zachowane tolerancje cięcia zgodne z normą DIN 7168, a tolerancja kątów prostych krawędzi cięcia jest poniżej setnych części milimetra. Materiały o grubości do 30mm przecinane są z tolerancją ± 0,1 mm, 30 - 60 mm z tolerancją ± 0,2mm, ze wzrostem grubości materiału tolerancja wykonania rośnie. Chropowatość powierzchni cięcia: standard (V=60-80% Vmax) - Rz=16, cięcie wysokiej jakości (V=20-40% Vmax) - Rz=10, cięcie bardzo wysokiej jakości - Rz=6,3. Przy zastosowaniu specjalnego oprzyrządowania można osiągnąć dokładność wykonania części poniżej ± 0,05mm przy grubości 20-50mm i chropowatość powierzchni o parametrze Ra rzędu 1,5 µm.

Pozycjonowanie głowicy tnącej wynosi ± 0.03 mm/m, powtarzalność ± 0.01 mm. Można wycinać detale o promieniu cięcia 1mm i otwory o średnicy powyżej 1mm. Przy zastosowaniu specjalnych rozwiązań technicznych wycinarek wodnych (w porównaniu z konwencjonalnymi systemami cięcia 2D) można znacznie skrócić czas cięcia i otrzymać części o większej dokładności i jakości. Można wycinać wyroby o skomplikowanych kształtach, bez błędów kątowych krawędzi cięcia i z ostrymi narożnikami, szczególnie przy grubych blachach, z nachylonymi krawędziami, o małych promieniach krzywizn, bez konieczności wstępnego nawiercania i w znacznie krótszym czasie, osiągając przy tym wyższe dokładności części.

Orientacyjne porównanie prędkości cięcia blachy St37-2 o grubości 20 mm dla różnych technologii (cięcie wodą przy ciśnieniu 3.400 bar). Plazma - 1 m/min, Laser - 0,7 m/min, Palnik - 0,6 m/min, Woda - 0,1 m/min.





Ekologia

Technologia cięcia wodą jest ekologiczna i przyjazna dla środowiska naturalnego, gdyż go nie zanieczyszcza, a stosowane materiały ścierne są pochodzenia naturalnego i podczas cięcia nie powstają niebezpieczne odpady (naturalny mineralny piasek granatu z cząstkami materiałów ciętych). Do napędu urządzeń wykorzystywana jest energia elektryczna, a do cięcia używana jest woda (uzdatniona i przefiltrowana). Woda odpływa do kanalizacji (lub może być odczyszczana i płynąć w obiegu zamkniętym). Nie wydzielają się szkodliwe gazy, pyły i kurz, jest niski poziom hałasu (<75dB).

Elementy odpadowe po cięciu są łatwe do segregacji i recyklingu. Może być zastosowany automatyczny system odbioru i odzyskiwania ścierniwa (efektywność do 65%). Ze zbiornika wycinarki w sposób ciągły jest odbierana masa (piasek z cząstkami ciętego materiału i woda), która jest podawana do wstępnej segregacji (odseparowanie odpadu o granulacji poniżej 80 µm), następnie osuszenie pozostałej masy i dalsza segregacja na czysty piasek ścierny o granulacji 80-100 µm oraz odpad. Woda po podczyszczeniu wraca do obiegu.

Źródło: Andrzej Stryjecki - BIURO BRANŻOWE WATERJET - STAL Metale & Nowe Technologie, NR 5-6/2008