Vízsugaras vágás

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.

Vízsugaras vágógéppel lemezből kivágott villáskulcs.
(A kép bal felső sarkában látható a munkadarabot tartó rács, az alsó részen a vágás során felhalmozódott abrazív homok. A jobb felső részen látható a nagynyomású vízet szállító acél cső. A fejen lévő szivacs a vágás során kifröccsenő víz ellen véd.)

Vízsugaras (injektoros) vágógép működési vázlata.
(1: nagynyomású víz; 2: fókuszáló; 3: keverőkamra; 4: védősapka; 5: fröccsenő víz; 6: munkadarab; 7: a munkadarabot tartó rács; 8: a kádban lévő víz; 9: a munkadarab már vágott része; 10: fúvóka; 11: abrazív homok)

A vízsugaras vágás (vagy röviden vízvágás) egy olyan sokélű forgácsolási technológia, amelynél a forgácsolást nagy sebességgel (500-1500 m/s) áramló vízzel, vagy vízzel kevert abrazív homokkal végzik. 2D-s lemezprofilú alkatrészek megmunkálását teszi lehetővé, ill. egyszerűsített kivitelben 1D-s vonalmenti darabolást. A gép felépítése megegyezik a lézervágásnál, lángvágásnál és plazmavágásnál található gépekkel.

A vágás technológiája (az előbbiekben említett három eljárással ellentétben) nem az anyag megömlesztésére épül, hanem a víznek mint sokélű forgácsolószerszámnak (hasonlóan a köszörűhöz) anyagleválasztó, koptató hatására. Az anyagleválasztás és a víz együttes használatának köszönhetően a kialakuló hőmérsékletemelkedés a vágott felület mentén minimális, ezért ott (és annak környékén) az anyag szerkezete nem változik meg, ezért vágható pl. üveg, kerámia vagy bármely olyan egyéb anyag, amelynél a hőbevitel a későbbi felhasználás szempontjából káros elváltozásokat eredményez (ez lehet elszíneződés, vetemedés vagy molekuláris változás) a vágási felület mentén.

A vágás során az előtolás sebessége 1 mm/perctől akár 20 m/percig is terjedhet. A vágható anyag vastagsága az anyag minőségétől függően tág határok között mozog (akár 30-60 cm is lehet, pl. habok esetén), vas esetén is meghaladja a 10 cm-es vágási vastagságot. Az eljárás által kínált vágórés 0,03 mm-től a kicsit több, mint 1,5 mm-ig terjed, amely minimális anyagveszteséget jelent.

A vágáshoz szükséges nagy nyomású vizet (400-6000 bar, összehasonlításképpen a háztartásokban lévő víz nyomása 3-5 bar) hidraulikus nyomásfokozó munkahengerekkel érik el. A nagynyomású vizet a szivattyútól a vágófejig 5-8 mm átmérőjű és 1-2 mm belső átmérőjű „hajlékony” acélcsöveken továbbítják. A vágófejben nagyon kis keresztmetszetre leszűkítve érik el az elképesztően nagy áramlási sebességet.

[szerkesztés] Története

Az 1950-es években Dr. Norman Franz erdőmérnök kísérletezett egy korai változattal, favágás céljából. A technológia azonban nem fejlődött az 1970-es évekig, amikor Dr. Mohamed Hashish először kevert koptató hatású anyagot a vízhez.

Manapság a vízsugaras vágás egyedülálló például a vágható anyagok számának és a vágás finomságának tekintetében.

[szerkesztés] A vízsugaras vágás változatai

Alapvetően kétféle változata létezik:

vízsugaras vágás: ekkor önmagában a víz eróziós hatását használják fel
abrazív vízsugaras vágás (abrazív: „koptató hatás”): a vizet homokkal keverve, annak sokkal nagyobb koptatási erejét használja, ennek kétféle változata létezik:
- injektoros (AWJ) és
- szuszpenziós (ASJ).

A kétféle változat a homok vízzel való keverésének módjában különbözik. Az injektoros esetében a már fókuszált vízsugárba keverik vákuumos és egyben gravitációs úton (szó szerint beleejtik) az abrazív szemcséket. A szuszpenziós vágásnál magához a magas nyomású vízhez keverik és egyfajta iszapot képeznek. Ez utóbbi eljárásnak komoly technikai akadályai vannak:

sugár elindítása és lezárása,
a zárást végző szerkezet is mindenképpen erős koptató hatást szenved el és
abrazív tároló folyamatos töltése.

Maga az iszap nem tartalmaz levegőt, így a hatásfoka sokkal jobb. Ipari alkalmazásban az injektoros megoldás terjedt el. A nyitást és zárást végző szerkezet élettartama nagyon magas (többnyire tűszelepes), a keverés a fókuszálás után megy végbe, így csak magát a fúvókát érinti a koptató hatás. E keverési eljárás hátránya, hogy a víz és abrazív mellé nagy térfogatszázalékban (ami akár 90% is lehet) levegő keveredik, amely a vágás hatásfokát nagy mértékben lerontja.

[szerkesztés] A vágható anyagok listája

Üvegből kivágott formák

Korrózióálló acél vágása

vas és egyéb vas alapú fémek (pl. acél, orvosi acél, korrózióálló acél, gyorsacél stb.) tetszőleges edzési és egyéb kezelési fázisban
nemesfémek (ezüst, arany, platina stb.)
további fémek (alumínium, titán, ólom stb.)
márvány, gránit
kerámia és egyéb kerámia alapú anyagok (pl. csempe)
beton, tégla, gipsz és egyéb építőipari anyagok
fa
aptakorit
műanyag származékok (pl. gumi, teflon, bakelit, habok stb.)
üveg
élelmiszer (fagyasztott húsok, nagyiparban használt dolgok szétválasztásakor) (tetszőleges hűtési fázisban)
stb.

Ezzel a módszerrel sem vágható az edzett üveg, ami tulajdonságaiból következően apró darabokra törik.

[szerkesztés] A vágási felület jellemzői

20 mm vastag gránit vágása két különböző előtolással.
A baloldali 330 mm/perces, míg a jobboldali 380 mm/perces előtolással lett kivágva. A jobboldali felülete szemmel láthatóan érdesebb.
A képen jól megfigyelhető a vízsugár elhajlása az anyag felületén a vágás során. A recésedés az anyag különböző szilárdságú részei és a víz nyomásának ingadozása miatt alakul ki.

A vágott felület minőségét befolyásoló tényezők:

anyag minősége,
vágási magasság,
előtolási sebesség,
abrazív mennyiség és minőség, és
a víz nyomása.

A felület jellemzően éles, sorjás és többnyire recés (a nagynyomású pumpa alternáló mozgása miatt). A felületi érdesség a vágási sebesség csökkentésével és megnövelt abrazív homok adagolással finomítható, akár a lézervágásra jellemző sima felület is elérhető.

[szerkesztés] A vízsugaras vágógép fő részegységei

Különálló abrazív adagoló egység

Munkaasztal (kád): egy vízzel teli kád, amelynek a tetején vasrácsok tartják a munkadarabot. A kádba kerül a fúvókából kiáramló víz, az abrazív homok és a munkadarabról leváló részecskék, darabok. A vágás folyamata során a sugár nem áll meg a vágott anyag alsó felületénél, hanem belevág az alatt lévő rácsba is, ezért a rácsokat időről-időre cserélni kell.
Nagynyomású vízszivattyú: ez az egység állítja elő a nagynyomású folyadékot (igény szerint további hűtőberendezéssel).
Vágófej: ez végzi a vágást. Fókuszálja a vizet, keveri az abrazív homokkal, és a kevert elegyet egy fúvókán keresztül a munkadarab felé továbbítja. A fej része továbbá egy érzékelő, amely azt figyeli, hogy beleakadt-e vagy ütközött-e valamivel a gép feje. Az ütközés általában a vészleállás gomb megnyomásával egyenértékű.
Abrazív adagoló és puffertartály: a megadott mennyiségű folyamatos adagolás és tárolás a feladata. Lehet a fej fölött egy egyszerű gravitációs adagoló formájában, vagy külső egységgel (ez utóbbi esetben a fejnél található egy kis méretű áthidaló tartály) és a fejre szerelt pontos adagoló egységgel. A külső egységes megoldás esetén a gép megállítása nélkül is lehetőség van feltölteni, utánatölteni a tartályt. Általában 100-200 kg abrazív homok tárolására alkalmas, ellentétben a gravitációs adagolóval, amely csak 5-10 kg tárolására képes.
Mechanikus mozgást végző szerkezet: hosszanti, kereszt és függőleges szán, a nagy vágási sebesség elérése érdekében ún. nullás illesztésű fogaskerék-fogasléces.
Vezérlő: ez végzi a motorok összhangban való mozgatását, része továbbá egy (vagy több) kézi kezelőfelület és általában egy számítógép is, amelyen a kívánt vágási program elkészíthető és a gép paraméterei beállíthatók.

[szerkesztés] Az eljárás előnyei és hátrányai

A vízsugaras vágás technológiájának legnagyobb előnye, hogy maga a folyamat hidegvágási eljárás és gyakorlatilag bármely anyag vágható. Legnagyobb hátránya, hogy viszonylag költséges technológia.

Előnyei:

a vágás során nem keletkeznek, illetve nem használnak környezetre káros anyagokat (mert nincs hűtő- és kenőfolyadék, nincsenek felszabaduló gázok, stb.)
a vágási felületen nem keletkezik salakanyag
a vágható anyagi minőség skálája igen széles
a vágható anyagok vastagsága akár 30 cm is lehet, még vas esetén is meghaladja a 10 cm-t
a kicsi vágórésnek (0,03-1,6 mm) köszönhetően minimális az anyagveszteség
a vágás gyors
bonyolult alakzatok hozhatók létre
a vágási felületen nincs hőmérséklet-emelkedés, ezáltal a vágott anyag belső tulajdonságai nem változnak meg

Hátrányai:

pontossági problémák (az anyagfüggő koptatási hatás miatt kialakuló vágórés az adott anyagi összetételre jellemző, nem sima felületű)
a fókuszálók viszonylag alacsony élettartama
vízpára keletkezése
a vágás közben fröccsenő víz és egyéb anyagok
a magas zajszint
a nagynyomású szivattyú gyakori kötelező szervizelése (tömítések cseréje)
a vágóasztalt képező kádban időről-időre felgyülemlő abrazív homok és egyéb beleeső, a vágáskor keletkező anyagdarabok, amelyet a gép szüneteltetése mellett ki kell takarítani