برش واتر جت به معنی برش مواد با استفاده از فشار زیاد آب است. آب با خروج از نازلی با قطر خیلی کوچک به سبب فشار زیادی که دارد سرعتی در حدود 900 متر برثانیه پیدا می کند که می تواند هر ماده ای را برش دهد. با کنترل کلمپیوتری این نیرو می توان اشکال مورد نظر را تولید کرد.

 

تاریخچه :

این موتورهای آبی ، در زمینه تکنولوژی به مدت بیش از یکصد سال استفاده می شده است، بعنوان مثال در زمینه استخراج معدن و ساخت تونل برای سنگ شویی کردن سنگ و زمین از آن استفاده می شده .اولین تلاشها برای بریدن مواد نرم با استفاده از واتر جت از سال 1960 آغاز شده است. از اواسط دهه هشتاد واتر جت در ترکیب با مواد ساینده برای بریدن مواد سخت مثل فلزات و سنگها وپلاستیکها نیز مورد استفاده قرار گرفت .
اخیراً بر طبق گزارش Frost و Sullivan که یک شرکت بازاریابی کار می‌کنند، اعلام نموده‌اند که abrasive waterjet به نحو چشمگیری رشد و گسترش قابل ملاحظه‌ای پیدا کرده است. رشد 1/9 درصد در فاصله سال‌های 2002-1997 برای بازار واترجت و جت مواد درآینده پیش‌بینی می‌شود.
هم واترجت و هم لیزر قادرند فلزات و دیگر مواد را برش دهند. ولیکن دستگاه‌های واترجت ارزان‌تر از دستگاه‌های لیزر می‌باشند.

این فرآیند برای برشکاری و شیار زنی غیر فلزات متخلخل مانند: چوب , چرم , اسفنج و... مناسب است . از آن همچنین برای برشکاری کامپوزیت ها , برداشتن روکش سیم ها و پلیسه گیری استفاده می شود .این فرایند با بهره گیری از اصل تاثیرات فرسایشی یک جت آب با قطر کم وسرعت بالا کار می کند. کیفیت لبه های ماشین کاری شده در این فرآیند به طور معمول بهتر از دیگر فرآیند های برشی رایج است .
جت آب یک ابزار برشی است که هرگز کند نمی شود و یا نمی شکند . این فرآیند گرد و غبار تولید نمی کند , پس از این رو خطرات موجود در ماشین کاری کامپوزیت های الیافی و آزبست ها به حد اقل می رسند .

فرآیند های مشابه:

ماشین کاری با جت ساینده (AJM)

ماشین کاری جریان ساینده (AFM)

ماشین کاری جت آب ساینده (AWJM)

دراین فرآیند ها از مواد ساینده, جت آب ویا هر دو آنها برای ماشین کاری استفاده می کنند.

ماشین کاری با جت ساینده (AJM) مواد ساینده به وسیله فشار هوا به سطح قطعه کار برخورد می کند و باعث ماشین کاری می شود. در واتر جت فقط آب ماشینکاری میکند .

ابزار برش, آب خالص یا آب به همراه مواد ساینده است. فرآیند برش با آب خالص معمولا برای مواد کم استحکام مانند کاغذ, شیشه, فایبر گلاس ومقوا وفرآیند برش به همراه مواد ساینده , برای مواد مستحکم مانند فلزات و آلیاژها مورد استفاده قرار می گیرد.

 

سازوکار واتر جت:

سازوکار واتر جت ازیک باریکه آب، با سرعت بالا که یک ماده ساینده به منظور برش مواد سخت به آن تزریق شده ، تشکیل شده است .مخلوط آب ومواد ساینده یک بریدگی باریک را روی قطعه کار ایجاد می کند

عنصر کلیدی در این فرآیند آب است که با سرعت 900 متر بر ثانیه حرکت می کند و به هنگام برخورد این جریان به سطح قطعه کار ماده بر اثر نیروی آب به سرعت برداشته می شود.

اجزای تشکیل دهنده :

به طور کلی میتوان این دستگاه را به دو قسمت زیر تقسیم کرد:

1-- سیستم کم فشار شامل موتور الکتریکی ، تانک , لوله های فشار ضعیف وفیلترها .

موتور الکتریکی : از این موتور برای به حرکت درآوردن پمپ روغن استفاده می شود و معمولا قدرتی در حدود Hp 75 دارد .

تانک:برای جمع آوری آب وبرگشت آب اضافه از آن استفاده می کنند.

 

لوله های فشار ضعیف: برای انتقال آب از تانک به پمپ وبرای برگشت آب ازسیستم به تانک استفاده میکند چون که این لوله ها تحت فشار نیستند پس میتوان جنس آنها راضعیف در نظر گرفت.

فیلتر : برای جدا کردن ذرات ساینده از آب استفاده می شود. در ماشین کاری مواد ساینده با جت آب فیلتر کردن اهمیت کمتری دارد ولی در برشکاری با جت آب از اهمیت بیشتری برخوردار است , زیرا عمر نازل تا حدود زیادی , به تمیز بودن آب بستگی دارد. در دو قسمت از مدار فیلتر قرار می گیرد , یکی در مسیر ورودی آب به تقویت کننده , که محافظت لازم را از تقویت کننده به عمل می آورد.اگر از آب شهری که املاح معدنی دارد استفاده شود اهمیت تصفیه آب بیشتر می شود,زیرا آب شهری دارای کلسیم,آهن,سدیم وغیره می باشد که ته نشین می شوند.دقت این فیلتر 45/0میکرون می باشد. دومین فیلتر بعد از انباره ودر مسیر ورود به نازل قرار می گیرد.

2-- سیستم پرفشارکه شامل سیستم پمپاژ , لوله های فشار قوی , انباره (آکومولاتور) , سیستم تغذیه مواد ساینده ( در AWJM ) ، شیر قطع و وصل و مجموعه نازل است .

سیستم پمپاژ: این سیستم از دو قسمت تشکیل شده است:واحد هیدرولیک وقسمت تقویت کننده فشار.

واحد هیدرولیک: شامل یک موتور الکتریکی و یک پمپ هیدرولیکی روغن است. پمپ روغن به موتورالکتریکی متصل است وانرژی خود را از طریق آن تامین می کند. پمپ روغن , روغن را از منبع آن کشیده وفشار آن را افزایش می دهد.

پمپ روغن :

این پمپ برای بوجود آوردن فشار لازم بر روی روغن استفاده می شود و نیروی خود را از موتور الکتریکی گرفته و روغن را از مخزن روغن کشیده و به سیستم تقویت کننده می فرستد . این پمپ ها بیشتر از نوع دنده ای هستند . به دلیل اینکه بحث در مورد پمپ ها در حوصله این بحث نمی گنجد از توضیح در مورد آنها منصرف شده و تنها به عکس ها یی این پمپ ها اکتفا می کنیم . ولی این نکته قابل توجه است که هر پمپ یک سوپاپ اطمینان دارد که در صورت زیاد تر از حد مجاز شدن فشار بصورت یک فشار شکن عمل می کند .

تقویت کننده فشار :

چگونه فشار آب بسیار زیاد می شود ؟ پمپ روغن ، روغن را با فشار 200 بار به داخل این سیستم می فرستد .روغن پمپ شده به طور متناوب روی دو طرف پیستون بزرگ عمل کرده و موجب حرکت آن به چپ و راست می شود . زمانی که روغن از سمت چپ وارد سیلندر روغن می شود ، پیستون بزرگ به سمت راست حرکت می کند و این حرکت سبب جابجایی پیستون کوچک سیلندر آب به طرف راست می گردد و فشار منفی نسبی کمتر از فشار جو بوجود می آورد . فشار آب در نقطه ورود آب به سیلندر در حدود فشار جو است و اگر از پمپ برای هدایت آب استفاده شود ، کمی بیشتر از فشار جو خواهد بود . این اختلاف فشار موجب هدایت آب به داخل سیلندر می شود .شیرهای یک طرفه ی ساچمه ای تضمین کننده ی جریان مایع در جهت های مناسب و صحیح هستند . وقتی پیستون بزرگ به انتهای سمت راست سیلندر روغن برسد ، جهت جریان روغن تغییر می کند و روغن از سمت راست وارد می شود که این خود موجب رانش پیستون بزرگ به سمت چپ گشته و سبب جابجایی پیستون کوچک در سیلندر آب به طرف چپ و انتقال آب با فشار بسیار زیاد به بیرون می گردد. در ضمن پیستون کوچک در سیلندر آب طرف راست نیز به سمت چپ حرکت کرده و با ایجاد مکش ، آب را از ورودی سمت راست به سیلند آب هدایت می کند . این روند با رفت و برگشت پیستون بزرگ ادامه می یابد .

همان طور که در شکل دیده می شود چهار شیر یک طرفه در این سیلندر وجود دارد که مانعی بین قسمت های پر فشار و کم فشار است . جوری که دو شیر یکطرفه بالا از خروج آب جلوگیری می کنند و دو شیر یکطرفه پایین از ورود آب . این سیلندر فشار آب را تا Mpa 415 بالا می برد .

انباره ( Accumulator) : چون که سیستم تقویت کننده فشار آب بصورت دو طرفه کار می کند نمی تواند جریان یکنواختی را فراهم کند بنابراین آب پر فشار خارج شده ازاین سیستم در انباره جمع می شود تا یک جریا ن پیوسته و دائم را به نازل هدایت کند . آبی که به نازل می رسد نوسان کمتری دارد . (کمتر از 5 درصد ) در صورتی که بدون انباره این نوسانات به 50 درصد هم می رسد . از طرفی آبی که در حدود Mpa 415 فشار دارد ولی در حدود 12 درصد تراکم پذیر است ، درصد این تراکم پذیری نسبت به تغییرات فشار تغییر می کند . ولی هنگامی که آب در انباره جمع می شود این درصد ثابت می ماند .

سیستم تغذیه مواد ساینده :

این سیستم باید یک جریان کنترل شده ی ذرات ساینده را به نازل برساند . این سیستم یک جریان از ساینده خشک را به نازل می رساند . این سیستم نیاز به تولید فشار زیادی ندارد , زیرا فشار و سرعت آبی که در نازل وجود د ارد ذرات ساینده را از مجرای خودش مکش می کند ( دقیقا مانند بالا کشیده شدن بنزین در کاربراتور موتور خودرو) . این سیستم نمی تواند ساینده های خشک را به طور مداوم در فاصله طولانی به نازل ارسال کند . اما اگر ساینده بصورت دوغ آب در آمده باشد یعنی آب و ساینده قبل از رسیدن به نازل با هم مخلوط شوند , این مشکل برطرف می شود .

نازل:

جهت تبدیل مایع فشار قوی به جت با سرعت زیاد به کار می رود.

قطر سوراخ نازل بین 5/0 تا 07/0 میلی متر بوده و در موارد نادر این قطر به 1 میلی متر هم می رسد . ولی هر چه قطر نازل بیشتر باشد برای فراهم کردن دبی مناسب جریان به موتور ها و پمپ های قوی و گران قیمت نیاز است و کمتر استفاده می شود . در عمل عمر مفید هر نازل در حدود 200 ساعت از کارکردش می باشد . البته اگر تصفیه کردن آب به خوبی انجام گیرد ( تصفیه با کیفیت بالا تر از 45 /0 میکرون ) , عمر نازل نیز بیشتر می شود .ونیز اگر آب دی یونیزه هم شود عمر نازل باز هم افزایش می یابد ولی این روش بسیار پر هزینه است . اگر موارد بالا رعایت شود عمر نازل بین 250 تا 500 ساعت می شود .

 

در کل نازل دو وظیفه دارد:

1-- مخلوط کردن جت ساینده و آب

2-- تشکیل یک جت آب ساینده با سرعت بالا.

نازل یک جریان همگرا در دهانه خود بوجود می آورد . اگر فرآیند بدون مواد ساینده باشد خوردگی نازل از اهمیت کمتری بر خوردار است . ولی در فرآیند ماشین کاری با مواد ساینده این موضوع اهمیت بیشتری پیدا می کند . جنس دهانه نازل از یاقوت کبود ( نوعی جواهر صنعتی ) , تنگستن کارباید و یا برن کارباید ساخته می شود .

البته می توان از الماس هم استفاده کرد که کارایی بیشتری دارد ولی به دلیل گرانی از آن در موارد خاص استفاده می شود .

 

یک مجموعه کامل نازل واترجت حدود 500 تا 1000 دلار می‌باشد در صورتی که نازل جت سازنده حدود 800 تا 2000 دلار هزینه در بر دارد.

در بیشتر موارد دو نوع نازل وجود دارد :

1- نازل با یک جت و تغذیه کناری

2- نازل با چندین جت و تغذیه مرکزی

1) در این نازل آب از وسط نازل و مواد ساینده از کنار با جت آب مخلوط می شوند . مزیت ها : هزینه ساخت کمتر , برای برش جاهای پر پیچ و خم و دور از دسترس مناسب است, ساخت آن آسان تر است .

معایب : راندمان مخلوط شدن بهینه ای را فراهم نمی کند و فرسایش سریعی در قسمت خروجی نازل بوجود می اید . زیرا ساینده از بغل تغذیه می شود.

2) در این نازل مواد ساینده از مرکز نازل وارد شده و آب از کناره ها بصورت یک حلقه ی همگرا ی آب با آن مخلوط می شود.

مزیت ها :عمر بیشتری دارد و مخلوط بهتری از ساینده هارا در جت آب ایجاد می کند .

معایب : تولید آن به دلیل زاویه همگرایی مشکل و پر هزینه است .

ساینده ها :

جنس ساینده ها معمولا سیلیکون کارباید , سیلیس و یا لعل است که بسته به جنسی که باید ماشین کاری شود انتخاب می شود . مواد ساینده پس از مصرف قابل بازیافت نیستند . اندازه ذرات ساینده معمولا بین 150 تا 1000 است . نسبت حجمی آب و ذرات ساینده یک نقطه بحرانی دارد که اگر مقدار نسبت حجمی کمتر یا مساوی آن باشد بیشترین راندمان را داریم ولی با بیشتر شدن نسبت ذرات ساینده در آب راندمان پایین می اید .

طرز کار:

موتور الکتریکی نیروی خود را از برق شهر گرفته و نیروی لازم برای به حرکت درآوردن پمپ روغن را تولید می کند. پمپ روغن نیز با این نیرو شروع به چرخیدن کر ده و روغن را از منبع روغن مکیده و فشار آن را بالا می برد . این روغن از طریق لوله های رابط به سیستم تقویت کننده می رسد . البته ممکن است این روغن قبل یا بعد از پمپ از یک فیلتر بگذرد . روغن به سیستم تقویت کننده رسیده و همان طوری که توضیح آن گذشت فشار آب را بالا برد ه و خود روغن مانند یک چرخه به هر دو طرف پیستون می آید . آب نیز قبل از رسیدن به تقویت کننده از فیلتر عبور می کند . آب خارج شده که دارای فشار زیادی است وارد انباره می شود . آب پر فشار از انباره وارد لوله های فشار قوی می شود و از یک شیر قطع و وصل گذشته و به نازل می رسد . نازل نیز همانند انژکتور موتور های دیزل کار می کند . یعنی با کوچک کردن سطح مقطع فشار و سرعت را بالا می برد . در درون نازل برای همگرا کردن آب و مواد سایند ه از یک سنگ گرانبها استفاده می شود .

کاربرد برنامه های CADCAM :

هنگامی می توانیم بگوییم ماشین کاری صورت گرفته است که فشار حاصل از آب و مواد ساینده بر نیروی بین مولکولی قطعه کار غلبه کند .نازل برای برشکاری میتواند ثابت و یا متحرک باشد. در ضمن حرکت تجهیزات متصل به دستگاه دارای رنج ومحدوده حرکتی متقاطع بین 2 یا 3محور میباشند درست همانند محورهای متعددو چندگانه روباتای صنعتی و .... برای این منظور نرم افزارهایCAD/CAM با کنترلرها و تنظیم کننده های CNC ترکیب میشوند تا بتواند نقشه ها و طرحهای مورد نظر را به مسیرهای برنامه ریزی شده دیجیتالی قابل فهم برای ماشین تبدیل کند تا عملیات برشکاری توسط کله گی سیستم اجرا گردد.

فواید water jet cutting :

یکی از برترین فواید ومزایای water jet cutting این است که ذاتاً دارای خاصیت برشکاری سرد میباشد و ایجاد حرارت نمی کند .

که همین خاصیت به مواد اجازه برش میدهد در صورتیکه در سایر روشهای برشکاری یا مواد می سوزند و یا ذوب شده ویا اینکه ترک بر می دارند .

درضمن بعضی از فرآیندهای حرارتی سبب تاب برداشتن و سخت شدن سطح قطعه گشته و یا اینکه موجب ساتع شدن گازهای خطرناک از جسم میشود .

در مواد متضاد ومقابل هم که توسط واتر جت برش میخورند بنا به همین مزیت هیچ گونه تنش حرارتی را تحمل نمی کنند و هر گونه نتایج ناخوشایند را از آنها دور میسازد .

برشکاری سرد میتواند بر مناطقی که دچار سختی نشده اند تأ ثیر گذاشته و می تواند در هر سمت وجهتی عملیات سوراخکاری ویا برشکاری را انجام دهد .

این روش می تواند بدون ایجاد سوراخهای اولیه برای انجام عملیات سوراخکاری اقدام به انجام عمل سوراخکاری در هر نوع ماده و قالب ویژه وحتی در فواصل بسیار نزدیک به هم نماید و هیچگونه احتیاجی به انجام عملیات ثانویه یا نهایی بر روی قـــطعه نمی باشد .

کمتر تجهیزاتی میباشند که حافظ محیط زیست بوده و کمترین گرد وغبار را در محیط انتشار دهند .

و یا مانع از ساتع شدن گازهای خطرناکی که در حین فرایندهای تنشی به علت این تنشهای آزاد ایجاد میگردد شوند . در صورتیکه در واتر جت تمامی این موارد رعایت و اعمال میشود .مثلا ماشین کاری آسبست تولید دود خطرناکی میکند که برای کاربران عوارض خطرناکی دارد، ولی دراین روش هیچ گونه خطری متوجه کاربران نیست.همچنین این روش صداهای ناهنجاری که شنیده نمی شوند ولی روی اعصاب تاثیر منفی می گذارند را تولید نمی کند(مانند امواج با فرکانس های بالا که توسط ماشینکاری الترا سونیک تولید میشود) .محدوده شنوایی انسان حدود 20 هرتز تا20 کیلو هرتز است ولی در التراسونیک امواجی با فرکانس 20 کیلو هرتز به بالا تولید می کند.

علاوه بر اینها ماشینهای یکپارچه ای میباشند که باعث صرفه جویی در استفاده از مواد خام و اولیه می گردند .

می توانند برشهای عرضی بسیارکوچک ایجاد نمایند و یا در برشهای تو در تو وپیچیده مورد استفاده قرار گیرند .

بسیار سریعتر از ابزارهای برش معمولی می باشند .

از دیگر فواید آنها توانایی انجام برش بر روی رشته های بسیار محمکم از فلزات ، مواد صیقلی ، ویا با سطح ناهموار و لایه های متفاوت جمع شده می باشد .

پس از آنکه فرایندهای مکانیکی برروی سطوح ذره بینی اتفاق افتاد سطوح مورد نظر با موادی که دارای عوامل خطر زا نمی باشند کامل میگردد.

انرژی جنبشی در واتر جت باعث تغییر شکل در اجسام شده و وهمین انرژی سبب ایجاد سوراخ با درستی وصحت بالا دراجسام میشود ، بدون باقی گذاشتن لبه ، تراشه یا پوسته ای بر روی آنها .

این فرایند بسیار عالی بوده ودارای کیفیت سطح بسیار بالا با لبه هایی عالی می باشد که در بسیاری موارد احتیاج ما را به فرایند تمام کاری رفع می نماید .

واتر جت در تولید اجسام وطرحهای پیچیده بسیار باصرفه میباشد و مواد می توانند در فئال نزدیکی از هم برش بخورند .

همچنین ایجاد گوشــــــه های تیز واریب و سوراخهای شکافدار و شکلـــهایی با گوشه های شعاع بسیار کوچک امکان پذیر می باشد .

همچنین انجام عملیات بر روی مواد روی هم قرار گرفته ، چندین قطعه ای ، و عملیات تو در تویی مـــــــــــــواد کردن را به معنای واقعی در کمترین زمان برش می دهد .

واتر جت همچنین محافظ محیط زیست می باشد و فرایندی پاک و تمیز می باشد و تولید تراشه و خرده های فلزی و گازهای خطرناک نمی نماید.

همچنین به مواد روغنی و محلولهای خنک کننده در طول فرآیند نیازی نمی باشد .

در جهان امروزی با وجود قیمت بالای مواد اولیه و وجود منابع محدود ، انجام برشهای کوچک وچاکدار ویا برشهای عرضی و انجام عملیات تو در تویی بر روی قطعات امکان بهینه سازی مصرف مواد اولیه را برای ما همراه با افزایش سود آوری فراهم می سازد .

با استفاده از آب خالص امکان برش پارچه ، مواد الاستیکی (elastomers)، مواد غیر بافته (non-wovens)، مواد پلاستیکی و پلیمرهای نازک ، محصولات غذایی و بسیاری تولیدات دیگر وجود دارد .

با سرعتی چند صد برابر حالتهای معمولی در دقیقه .

با افزایش مواد ساینده میتوان مواد بسیار سخت همانند فلزات ، سنگ ، شیشه های گلوله ای شکل ، سرامیکها و غیره را براحتی برش داد .

نظرات شما عزیزان: