Bezkontaktowe maszyny tnące. Część 1 - cięcie strumieniem wody, tlenowe, plazmą i laserem

CIĘCIE STRUMIENIEM WODY

Rys. 1. Pompa ze wzmacniaczem

Maszyny do cięcia wodą wytwarzane są w dwóch rodzajach. Pierwszym są urządzenia do cięcia strumieniem czystej wody - tzw. waterjety (pure waterjet), drugim natomiast - tzw. abradżety (abrasive waterjet) - wykorzystuje się tutaj wodę zmieszaną z materiałem ściernym. Waterjetami tnie się przede wszystkim miękkie materiały na przykład żywność, papier, gumę, pianki, natomiast abradżetami materiały o dużej twardości - na przykład metal, szkło oraz kamień.

W obu przypadkach energię niezbędną do nacięcia materiału uzyskuje się, przepuszczając strumień wody pod dużym ciśnieniem - około 4000 barów (400 MPa) - przez otwór o bardzo małej średnicy (poniżej pół milimetra). Kosztem spadku ciśnienia przy przelocie przez tę szczelinę prędkość strumienia wody na wylocie dyszy gwałtownie rośnie do wartości nawet kilkakrotnie przewyższającej prędkość dźwięku. W efekcie strumień, uderzając o powierzchnię materiału, rozcina go.

W przypadku maszyn ze ścierniwem materiał ten, przyspieszony przez strumień wody, nacina obrabianą powierzchnię, żłobiąc w niej tzw. cięcie abrazyjne. Jako ścierniwo wykorzystuje się najczęściej minerały takie jak granat lub oliwin. W zależności od ich ziarnistości uzyskać można różną jakość cięcia. Na przykład krawędzie po cięciu ścierniwem o rozmiarze ziarna 120 są gładsze niż te wycięte ścierniwem o ziarnistości 80 (najczęściej używanym) i 50. Tym ostatnim można z kolei ciąć szybciej niż pozostałymi.

POMPA, CZYLI SERCE MASZYNY

Rys. 2. Dysza w maszynie do cięcia wodą z materiałem ściernym

Najważniejszym komponentem waterjeta jest pompa, która decyduje o wydajności i szybkości cięcia całej maszyny. Najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje pomp: ze wzmacniaczem oraz z wałem korbowym o bezpośrednim napędzie. Urządzenia pierwszego typu (rys. 1) składają się z napędzanej silnikiem elektrycznym pompy hydraulicznej, która pompuje olej pod dużym ciśnieniem do komory wzmacniacza, czyli pompy tłokowej.

Tłok przemieszczając się, wywiera siłę na przemian na dwa przymocowane do jego boków nurniki o małej średnicy, które sprężają wodę proporcjonalnie do stosunku powierzchni przekroju poprzecznego tłoka i nurnika. Gdy tłok cofa się, woda jest doprowadzana do komory jednego z nurników przez zawór zwrotny. W tym samym czasie z drugiej strony woda pod wysokim ciśnieniem, wypchnięta przez tłok, wpływa do jednego z przewodów wylotowych mających ujście w komorze wyrównywania ciśnień.

Case study: Waterjety na dnie Zatoki Meksykańskiej Fot. 1. Jet Edge na zamówienie BP dostarczyło waterjet z pompą ze wzmacniaczem, którą zainstalowano na dnie Zatoki Meksykańskiej na głębokości 1,5 km Niedawny wyciek ropy w Zatoce Meksykańskiej był przez długi czas głównym tematem większości programów informacyjnych. Okazuje się, że w jego powstrzymaniu udział brały też....waterjety firmy Jet Edge. Zostały one wykorzystane do usuwania kryształów hydratów, które osadzały się na kopule tamującej wyciek. Dostarczona przez Jet Edge maszyna do cięcia strumieniem wody morskiej lub ciekłego gazu pod dużym ciśnieniem została zainstalowana na głębokości ponad 1,5 km. Pozycją głowicy maszyny sterował robot. Firma zdecydowała się wykorzystać waterjet zasilany pompą ze wzmacniaczem. Maszynę odpowiednio zabezpieczono przed wpływem otoczenia, stosując m.in. system filtrów oraz dodatkowe uszczelnienia. Fot. 2. Dyszę waterjeta obsługiwał robot Fot. 3. Maszyna Jet Edge posłużyła do usunięcia osadów z kopuły

Rys. 3. Głowica do cięcia tlenem

Jest ona niezbędna, by zmniejszyć wahania ciśnienia wody sprężanej naprzemiennie przez oba nurniki, dzięki czemu strumień na wyjściu waterjeta jest ciągły i równomierny. Bez komory wyrównawczej pulsacje strumienia wody byłyby widoczne i słyszalne, a przede wszystkim pozostawiałyby ślady na ciętym materiale. Innym rodzajem pompy jest wersja z napędem bezpośrednim. Ten typ pomp wykorzystuje wał korbowy, który wprawia w ruch zestaw tłoków i nurników w cylindrach.

Przepływ wody do i z cylindrów regulowany jest za pośrednictwem zaworów zwrotnych. Gdy nurnik podnosi się, do cylindra wpływa woda, gdy nurnik opada - woda pod dużym ciśnieniem wpływa do dyszy. W pompach tego typu nie jest potrzebna komora do wyrównywania ciśnień, ponieważ zazwyczaj liczbę tłoków dobiera się w taki sposób, by przy danej prędkości posuwu ograniczyć pulsacje i uzyskać strumień wody o wyrównanym ciśnieniu.

Ze względu na to, że płyn hydrauliczny w czasie pracy nagrzewa się, w przypadku pomp ze wzmacniaczem wymagane jest chłodzenie. Dodatkowy pobór wody i energii elektrycznej zużywanej w tym celu wpływa na sprawność energetyczną pomp tego typu, która jest przez to mniejsza (przeważnie około 70%) niż w pompach z wałem korbowym (nawet 90%). Koszty początkowe i późniejszej konserwacji oraz ewentualnych napraw są wyższe w przypadku pomp ze wzmacniaczem. Pompy z napędem korbowym pracują też ciszej.

DYSZE W ABRADŻETACH

Rys. 4. Dodatek sproszkowanego żelaza ułatwia usuwanie trudnotopliwych tlenków

Przewody wylotowe pompy znajdują ujście w dyszy, która w przypadku abradżetów ma konstrukcję dwustopniową (rys. 2). Najpierw jest w niej formowany skoncentrowany strumień wody, który po przejściu przez zwężkę wpływa do komory z umieszczonym z boku wlotem, z którego zasysany jest materiał ścierny. Ścierniwo wraz z wodą przepływają następnie przez rurę, którą opuszczają dyszę jako spójny strumień tnący.

Konstrukcja dysz tego typu wymaga dużej precyzji. W szczególności istotne jest, aby zwężka, przez którą wpływa strumień wody, i rura, w której miesza się on z materiałem ściernym, były współśrodkowe. W przeciwnym wypadku strumień wyjściowy dyszy będzie niespójny, co pogorszy jakość cięć oraz skróci czas użytkowania rury. Żywotność tej ostatniej wydłuża się też, wykorzystując odpowiednio wytrzymałe materiały do ich budowy.

Popularne są na przykład kompozyty węglikowe - rury z nich wykonane mogą pracować nieprzerwanie nawet ponad 100 godzin. Ponieważ rury są też podatne na uszkodzenie na skutek kontaktu z ciętym materiałem, w wielu nowoczesnych maszynach tnących wykorzystuje się dodatkowe systemy detekcji kolizji dyszy, które takim zdarzeniom zapobiegają.