Podstawową zaletą cięcia strumieniem wody jest bardzo duża wszechstronność zastosowania tej metody ze względu na możliwe rodzaje ciętego materiału, co daje jej przewagę nad innymi technologiami. Przykładowe materiały, ich grubości i zalecane prędkości cięcia czystym strumieniem wody przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Wybrane materiały, ich grubości i zalecane prędkości cięcia czystym strumieniem wody

Rodzaj materiału

Grubość materiału, mm

Prędkość cięcia, m/min

tworzywo sztuczne ABS

2,0

2,0

karton

1,4

6,0

karton falisty

6,4

3,0

płytka obwodu scalonego

2,6

25,4

skóra

1,6

96,0

pleksiglas

3,0

0,9

guma

1,3

90,0

dywan z podkładką gumową

9,5

150,0

drewno

3,2

1,0

 źródło: Klimpel 2009

Metodą tą można przecinać przede wszystkim materiały miękkie, jednak wykorzystuje się ją także do trasowania i nacinania materiałów o średniej twardości. Przy cięciu tylko wodą rozdzielenie materiału następuje na skutek erozji lub zmęczenia ścinającego. W celu cięcia materiałów twardych, takich jak metale, szkło czy ceramika, do strumienia wody dodaje się ziarna ściernego w postaci garnetu. W tabeli 2 przedstawiono przykładowe materiały, ich grubości i zalecane prędkości cięcia strumieniem wody z dodatkiem ścierniwa.

Tabela 2. Wybrane materiały, ich grubości i zalecane prędkości cięcia strumieniem wody z proszkiem ściernym

Rodzaj materiału

Grubość materiału, mm

Prędkość cięcia, m/min

aluminium

12,5

0,48

mosiądz

25,4

0,12

miedź

16,0

0,18

stal węglowa

19,0

0,18

stale odporne na korozję

25,4

0,12

tytan

12,7

0,3

guma

7,6

5,0

ceramika w osnowie aluminium

0,6

0,150

szkło

19,2

1,0

włókno szklane

2,5

5,0

kevlar

25,4

0,07

źródło: Klimpel 2009

Garnet ma postać drobnego proszku. Najczęściej stosuje się garnet z krzemionki, oliwinu lub granatu. O jego jakości świadczy czystość ścierniwa, ilość płukań oraz ziarnistość o dolnej granicy nawet 0,088 mm, a górnej zazwyczaj 0,3 mm. Ziarnistość cząstek garnetu używanego do cięcia nazywana jest granulacją i zazwyczaj wynosi od 50 do 220 jednostek, przy czym najczęściej używana jest granulacja 80.

Obróbka hydro-ścierna

Technologia cięcia z dodatkiem ścierniwa nazywana jest obróbką hydro-ścierną lub abrazyjnym cięciem strumieniem wody (z ang. abrasive water jet – AWJ). Istota procesu w zasadzie nie różni się od cięcia czystym strumieniem wody. Jedyna różnica polega na użyciu garnetu podawanego do komory mieszania. Schemat abrazyjnego cięcia strumieniem wody przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat procesu cięcia strumieniem wody ze ścierniwem

źródło: Klimpel 2009

Sprężona woda zasilana przez pompę dociera przewodami do komory mieszania, gdzie dostarczany jest garnet. Istotną kwestią, często zmienną w zależności od producenta wycinarek, jest wydajność podawania ścierniwa do komory, wyrażana w kg/min. Poza rodzajem i grubością ciętego materiału wpływ na wydajność podawania ścierniwa ma jego wilgotność i czystość. W miejscu podawania ścierniwa do komory mieszania może dojść do zapchania się ujścia przewodu, podobnie zatkać się może sama dysza tnąca. Przełoży się to na utratę jakości powierzchni ciętej, prędkości cięcia, a nawet może skutkować brakiem przecięcia.

Dysza tnąca

Dysza tnąca odpowiedzialna jest za ostateczne tworzenie się strumienia tnącego. Zazwyczaj jej średnica mieści się w granicach 0,5÷3 mm w zależności od obsługiwanego przez pompę ciśnienia wody i obecności garnetu.

Żywotność dyszy ze względu na jakość i rodzaj ścierniwa szacunkowo może osiągać od 20 do nawet 120 godzin pracy. Po upływie określonej przez producenta godzin pracy lub po kontroli wymiarów krytycznych należy wymienić dyszę na nową. Wynika to z wycierania przez ścierniwo jej ścianek wewnętrznych, co zwiększa jej średnicę, a więc powoduje również większe zużycie garnetu i utratę dokładności wymiarowej. W celu optymalizacji pracy maszyny trzeba więc wybrać odpowiedni garnet i zwrócić uwagę na ewentualne błędy na poziomie programowania i wykonywania operacji, takie jak niewłaściwe wykorzystywanie szybkich posuwów czy brak korekty odległości dyszy od arkusza blachy, który może zostać odkształcony przy transporcie lub ułożeniu.

Ważna ochrona wanny

Do istotnych czynników wpływających na uwarunkowania cięcia należą również głębokość wanny z wodą i ruszta na wannie, na których ułożone są arkusze blachy. Długość strumienia wody nie jest wartością kontrolowaną, co powoduje, że jest on bardzo niebezpieczny. Stwarza ryzyko przebicia dna wanny, co może skutkować jej niszczeniem i cieknięciem wody.

Aby zniwelować problem doboru głębokości wanny i zahamować energię strumienia, stosuje się stalowe kule bądź kamienie rzeczne, które układa się na dnie wanny. Dzięki temu woda skutecznie traci swoją energię przed dotarciem do podłoża. Jest to jednak znaczne utrudnienie w procesie oczyszczania wanny z garnetu i resztek odpadowych, które powstają w wyniku cięcia. Maszyna musi więc posiadać systemy wzburzające wodę od podłoża, umożliwiające czyszczenie i konserwację wanny wycinarki.

Ruszta natomiast wymagają ciągłej kontroli i renowacji. Istnieje bowiem duże prawdopodobieństwo przebicia – w procesie cięcia – materiału, z jakiego są wykonane ruszta, i ich nacięcia, co po pewnym czasie mogą być przyczyną zarysowań ciętych materiałów, powstających podczas układania arkusza na stole.

Parametry cięcia

Podstawowe parametry cięcia strugą wodno-ścierną są następujące:
• prędkość cięcia (m/min),
• ciśnienie wody (MPa lub bary),
• wydajność podawania proszku (kg/min),
• rodzaj i ziarnistość proszku ściernego (mm),
• odległość dyszy od przedmiotu (mm),
• geometria dyszy.

Ścierniwo to ok. 0,1% objętości całej strugi. Łączy się ono w komorze mieszania ze strumieniem, dając natychmiastowe przyspieszenie, co może powodować miejscowe zakłócenia stabilności strugi oraz spadek energii i siły naporu. Tak powstała mieszanka uderza w materiał, wykorzystując swoją dużą energię kinetyczną.

Prędkość strugi zależna jest głównie od ciśnienia wody. Zaraz po wyjściu z dyszy natychmiast wytraca swoją prędkość, a co za tym idzie – również zdolność erozyjną strumienia. Ziarna powodują miejscową deformację podczas kontaktu z powierzchnią i powstawanie mikrowiórów usuwanych z wodą z miejsca obróbki. Po obróbce ziarna te mają najczęściej zaostrzone krawędzie i w większości nie nadają się do późniejszego użycia. Aby ścierniwo przebiło całą grubość arkusza, potrzebny jest czas. Musi to nastąpić przed przejściem strumienia na właściwą trasę cięcia.

Podstawowe zalety technologii cięcia strumieniem wody – poza uniwersalnością, jeśli chodzi o rodzaj ciętego materiału – to: duża dokładność cięcia, bardzo dobra jakość ciętej powierzchni, brak wpływu temperatury na zmianę struktury (temperatura nie przekracza 100ºC). Natomiast do wad tej technologii zaliczyć należy duże zużycie wody i energii potrzebnej do sprężenia ciśnienia przez pompę, dużą ilość wykorzystywanego środka ściernego oraz hałas dochodzący do 120 dB. Również koszty eksploatacyjne są znaczne. Generują je: regularna wymiana dyszy tnącej i elementarnych części pompy, oczyszczanie wanny z garnetu i złomu odpadowego oraz sam zakup garnetu.

Droga cięcia

Na drogę cięcia składają się trzy elementy: punkt przebicia, linia cięcia i tzw. mostek. Punkt przebicia ze względu na jakość wycinanego elementu powinien być zawsze poza linią cięcia. W przypadku wykrawania elementów wewnętrznych, np. otworów, należy cięcie wykonać zawsze od strony odpadu, zwracając uwagę na możliwość ewentualnego wykorzystania kawałka odpadowego blachy (rys. 2).

Rys. 2. Wycięty krążek odpadowy z widocznym miejscem przebicia

 

źródło: archiwum autora

Ze względu na to, że miejsce przebicia powstaje poza linią cięcia, jakość tego etapu odgrywa zupełnie drugoplanową rolę, a najważniejszym czynnikiem jest czas przebicia. Proces ten można przyspieszyć poprzez zwiększenie: ciśnienia podawanej strugi wody, wysokości dyszy względem powierzchni arkusza blachy, kąta padania strumienia, poziomu zużycia dyszy, rodzaju oraz sypliwości garnetu. Z reguły producent określa w zaleceniach, po jakim czasie głowica może zacząć przemieszczanie. Służy to zapewnieniu użytkownika, że przy spełnieniu zaleceń materiał zostanie przecięty na całej grubości lub droga, jaką ma do przebycia głowica do wejścia na linię cięcia, wystarczy, aby strumień zdążył się przebić przez materiał.

Po zakończeniu etapu przebijania materiału następuje przejście wiązki tnącej w stronę linii cięcia. Jest ona ważnym czynnikiem z uwagi na potrzebę korekcji kształtu strumienia tnącego (rys. 3).

Rys. 3. Schemat kształtowania strumienia wody

 

źródło: Xie 2017

Po opuszczeniu dyszy wiązka strumienia wody tworzy kształt stożka, co bez korekty miałoby niekorzystny wpływ na jakość ciętej powierzchni i prowadziło do dużej zmiany geometrii wyciętego detalu (prostopadłość górnej powierzchni arkusza z powierzchnią ciętą byłaby w zasadzie niemożliwa do uzyskania). Ponieważ nie ma możliwości korekcji samego kształtu strumienia, w celu zminimalizowania tego zjawiska koryguje się położenie strumienia względem powierzchni. Głowicę tnącą należy tak ustawić, aby powierzchnia boczna spełniała wymagania kształtowe, a skutki niekorzystnego wpływu geometrii strumienia przeniesione zostały na część odpadową materiału.

Na jakość ciętej powierzchni wpływ ma również odchylenie strugi tnącej w kierunku przeciwnym do ruchu głowicy (rys. 4).

Rys. 4. Schemat odchylenia strugi wody podczas cięcia

źródło: Borkowski 2010

Wypływ strumienia ze szczeliny jest opóźniony w stosunku do punktu wejścia w arkusz. Odchylenie to ma wpływ na powstawanie na powierzchni bocznej elementu zakrzywionych, równoległych rowków. Ich intensywność jest zauważalnie rosnąca w dolnej strefie cięcia (rys. 5).

Rys. 5. Powierzchnia po cięciu strumieniem wody z widocznymi strefami jakości: strefa 1 powierzchnia wykonana bez odchylenia strugi, strefa 2 powierzchnia wykonana z odchyloną strugą

źródło: archiwum autora

Odchylenie strugi wynika z nierównomiernego rozkładu energii kinetycznej strumienia tnącego. W strefie 1 podczas przecinania warstw bliżej powierzchni większość cząsteczek ściernych ma dużą energię kinetyczną, co pozwala na obróbkę o wysokiej jakości. Wraz ze wzrostem głębokości przecinania energia kinetyczna cząsteczek maleje, a ich nierówny rozkład prowadzi do powstawania widocznych śladów po cięciu w strefie 2. Na szerokość śladu strugi wpływa głównie średnica dyszy i ciśnienie wody.

Ostatnim elementem drogi cięcia jest tzw. mostek – jest to mały element łączący początek linii cięcia z jej zakończeniem. Pełni on funkcję zabezpieczającą przed tym, by wycięty element nie spadł między ruszta wanny lub bezpośrednio do wody. Mostek stosuje się w przypadku wycinania małych elementów.

Cięcie strumieniem wody przewyższa inne technologie cięcia przede wszystkim tym, że pozwala na obróbkę praktycznie każdego rodzaju materiału. Ważną cechą wyróżniającą cięcie jest również brak strefy wpływu ciepła – w ciętym materiale nie następują żadne zmiany strukturalne. Natomiast do niekorzystnych cech cięcia wodą w stosunku do innych technologii należą długi czas cięcia i znaczne koszty związane ze zużyciem wody i ścierniwa oraz jego odzyskiem.

Literatura
Borkowski P.J., 2010, Podstawy wysokociśnieniowych technologii hydrostrumieniowych. Koszalin.
Klimpel A., 2009, Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali, Warszawa.
Krajcarz D., 2014, Comparison Metal Jet Cutting with Laser and Plasma Cutting, “Procedia Engineering”, vol. 69.
Xie J. i in., 2017, A two-dimensional model for metallic surface roughness resulting from pure waterjet peening, “International Journal of Engineering Science”, vol. 120.