Cortadora por chorro de agua
Herramienta industrial
Diagrama de un cortador por chorro de agua.
  1. Entrada de agua a alta presión
  2. joya (rubí o diamante)
  3. abrasivo (granate)
  4. tubo mezclador
  5. guardia
  6. chorro de agua de corte
  7. material cortado

Un cortador por chorro de agua , también conocido como chorro de agua o waterjet , es una herramienta industrial capaz de cortar una amplia variedad de materiales utilizando un chorro de agua a presión extremadamente alta , o una mezcla de agua y una sustancia abrasiva . El término chorro abrasivo se refiere específicamente al uso de una mezcla de agua y un abrasivo para cortar materiales duros como metal, piedra o vidrio, mientras que los términos chorro de agua puro y corte solo con agua se refieren al corte por chorro de agua sin el uso de abrasivos añadidos, a menudo utilizados para materiales más blandos como madera o caucho. [1]

El corte por chorro de agua se utiliza a menudo durante la fabricación de piezas de maquinaria. Es el método preferido cuando los materiales que se cortan son sensibles a las altas temperaturas generadas por otros métodos; ejemplos de dichos materiales incluyen plástico y aluminio . El corte por chorro de agua se utiliza en varias industrias, incluidas la minería y la aeroespacial , para cortar, dar forma y escariar . [2]

Historia

Máquina de corte CNC por chorro de agua

Chorro de agua

Si bien el uso de agua a alta presión para la erosión se remonta a mediados del siglo XIX con la minería hidráulica , no fue hasta la década de 1930 cuando comenzaron a aparecer los chorros estrechos de agua como dispositivo de corte industrial. En 1933, la Paper Patents Company de Wisconsin desarrolló una máquina dosificadora, cortadora y enrolladora de papel que utilizaba una boquilla de chorro de agua que se movía en diagonal para cortar una hoja de papel continuo que se movía en horizontal. [3] Estas primeras aplicaciones se realizaban a baja presión y estaban restringidas a materiales blandos como el papel.

La tecnología de chorro de agua evolucionó en la era de posguerra a medida que los investigadores de todo el mundo buscaban nuevos métodos de sistemas de corte eficientes. En 1956, Carl Johnson de Durox International en Luxemburgo desarrolló un método para cortar formas de plástico utilizando un chorro de agua a alta presión de corriente fina, pero esos materiales, como el papel, eran materiales blandos. [4] En 1958, Billie Schwacha de North American Aviation desarrolló un sistema que utilizaba líquido a presión ultraalta para cortar materiales duros. [5] Este sistema utilizaba una bomba de 100.000 psi (690 MPa) para suministrar un chorro de líquido hipersónico que podía cortar aleaciones de alta resistencia como el acero inoxidable PH15-7-MO. Utilizado para cortar laminado de panal para el North American XB-70 Valkyrie Mach 3 , este método de corte resultó en deslaminación a alta velocidad, lo que requirió cambios en el proceso de fabricación. [6]

Aunque no fue eficaz para el proyecto XB-70, el concepto era válido y se siguieron realizando investigaciones para desarrollar el corte por chorro de agua. En 1962, Philip Rice de Union Carbide exploró el uso de un chorro de agua pulsante a hasta 50.000 psi (340 MPa) para cortar metales, piedra y otros materiales. [7] La ​​investigación de SJ Leach y GL Walker a mediados de la década de 1960 amplió el corte por chorro de agua tradicional con carbón para determinar la forma ideal de la boquilla para el corte por chorro de agua a alta presión de piedra, [8] y Norman Franz a fines de la década de 1960 se centró en el corte por chorro de agua de materiales blandos disolviendo polímeros de cadena larga en el agua para mejorar la cohesión de la corriente de chorro. [9] A principios de los años 1970, el deseo de mejorar la durabilidad de la boquilla de chorro de agua llevó a Ray Chadwick, Michael Kurko y Joseph Corriveau de Bendix Corporation a idear la idea de utilizar cristal de corindón para formar un orificio de chorro de agua, [10] mientras que Norman Franz amplió esta idea y creó una boquilla de chorro de agua con un orificio tan pequeño como 0,002 pulgadas (0,051 mm) que funcionaba a presiones de hasta 70.000 psi (480 MPa). [11] John Olsen, junto con George Hurlburt y Louis Kapcsandy de Flow Research (posteriormente Flow Industries), mejoraron aún más el potencial comercial del chorro de agua al demostrar que tratar el agua de antemano podía aumentar la vida útil de la boquilla. [12]

Máquina de corte por chorro de agua de 5 ejes

Presión alta

Con la llegada de la energía a vapor, los recipientes y bombas de alta presión se volvieron asequibles y fiables. A mediados del siglo XIX, las locomotoras de vapor eran comunes y el primer motor de bomberos a vapor eficiente estaba en funcionamiento. [13] A principios de siglo, la fiabilidad de la alta presión mejoró y la investigación sobre locomotoras condujo a un aumento de seis veces en la presión de las calderas, algunas de las cuales alcanzaron los 1600 psi (11 MPa). Sin embargo, la mayoría de las bombas de alta presión en ese momento operaban a alrededor de 500-800 psi (3,4-5,5 MPa).

Los sistemas de alta presión fueron moldeados por las industrias de aviación, automotriz y petrolera. Los fabricantes de aeronaves como Boeing desarrollaron sellos para sistemas de control impulsados ​​hidráulicamente en la década de 1940, [14] mientras que los diseñadores de automóviles siguieron investigaciones similares para los sistemas de suspensión hidráulica. [15] Las presiones más altas en los sistemas hidráulicos en la industria petrolera también llevaron al desarrollo de sellos y empaquetaduras avanzados para evitar fugas. [16]

Estos avances en la tecnología de sellado, además del auge de los plásticos en los años de posguerra, llevaron al desarrollo de la primera bomba de alta presión confiable. La invención de Marlex por Robert Banks y John Paul Hogan de la Phillips Petroleum Company requirió que se inyectara un catalizador en el polietileno. [17] McCartney Manufacturing Company en Baxter Springs, Kansas, comenzó a fabricar estas bombas de alta presión en 1960 para la industria del polietileno. [18] Flow Industries en Kent, Washington sentó las bases para la viabilidad comercial de los chorros de agua con el desarrollo del intensificador de fluidos de alta presión por parte de John Olsen en 1973, [19] un diseño que se perfeccionó aún más en 1976. [20] Luego, Flow Industries combinó la investigación de la bomba de alta presión con su investigación de la boquilla de chorro de agua e introdujo el corte por chorro de agua en el mundo de la fabricación. [ cita requerida ]

Chorro de agua abrasivo

La evolución de la boquilla de chorro de agua abrasiva

Si bien es posible cortar con agua materiales blandos, la adición de un abrasivo convirtió al chorro de agua en una herramienta de mecanizado moderna para todos los materiales. Esto comenzó en 1935, cuando Elmo Smith desarrolló la idea de agregar un abrasivo al chorro de agua para el granallado abrasivo líquido. [21] El diseño de Smith fue perfeccionado aún más por Leslie Tirrell de Hydroblast Corporation en 1937, lo que dio como resultado un diseño de boquilla que creaba una mezcla de agua a alta presión y abrasivo para el granallado húmedo. [22]

Las primeras publicaciones sobre el corte por chorro de agua abrasivo (AWJ) moderno fueron publicadas por Mohamed Hashish en las actas de BHR de 1982, donde se mostraba, por primera vez, que los chorros de agua con cantidades relativamente pequeñas de abrasivos son capaces de cortar materiales duros como el acero y el hormigón. El número de marzo de 1984 de la revista Mechanical Engineering mostró más detalles y materiales cortados con AWJ, como titanio, aluminio, vidrio y piedra. Mohamed Hashish recibió una patente sobre el conformado de AWJ en 1987. [23] Hashish, que también acuñó el nuevo término chorro de agua abrasivo , y su equipo continuaron desarrollando y mejorando la tecnología AWJ y su hardware para muchas aplicaciones. Un desarrollo crítico fue la creación de un tubo mezclador duradero que pudiera soportar la potencia del AWJ de alta presión, y fue el desarrollo de Boride Products (ahora Kennametal) de su línea ROCTEC de tubos compuestos de carburo de tungsteno cerámico lo que aumentó significativamente la vida útil de la boquilla AWJ. [24] El trabajo actual sobre boquillas AWJ se centra en chorros de agua microabrasivos, de modo que se pueda comercializar el corte con chorros de un diámetro inferior a 0,015 pulgadas (0,38 mm).

En colaboración con Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Michael Dixon implementó el primer medio práctico de producción para cortar láminas de titanio: un sistema de chorro de agua abrasivo muy similar a los que se utilizan ampliamente en la actualidad. [23] En enero de 1989, ese sistema funcionaba las 24 horas del día y producía piezas de titanio para el B-1B, principalmente en las instalaciones de North American Aviation de Rockwell en Newark, Ohio.

Hoy en día existen dos tipos diferentes de chorros de agua abrasivos:

Corte por chorro de suspensión de agua abrasiva (AWSJ)

El chorro de agua abrasiva en suspensión (AWSJ), a menudo llamado “chorro de lodo” o “chorro de agua abrasiva en suspensión (WAS)”, es un tipo específico de chorro de agua abrasiva que se utiliza para el corte por chorro de agua. A diferencia del chorro de agua abrasiva por inyección (AWIJ), el chorro de agua abrasiva en suspensión (AWSJ) [25] se caracteriza por el hecho de que la mezcla de abrasivo y agua tiene lugar antes de la boquilla. Esto tiene el efecto de que, a diferencia del AWIJ, el chorro consta solo de dos componentes: el agua y el abrasivo.

Como en el AWSJ solo hay dos componentes (agua y abrasivo), la aceleración de los granos abrasivos por el agua se produce con una eficiencia significativamente mayor en comparación con el AWIJ. [26] Los granos abrasivos se vuelven más rápidos con el WASS que con el WAIS para la misma potencia hidráulica del sistema. Por lo tanto, se pueden realizar cortes comparativamente más profundos o más rápidos con el AWSJ.

El corte AWSJ, a diferencia del proceso de corte AWIJ descrito a continuación, también se puede utilizar para aplicaciones de corte móviles y corte bajo el agua, además de mecanizar materiales exigentes. [27] [28] [25] Los ejemplos incluyen la eliminación de bombas, [29] así como el desmantelamiento de instalaciones en alta mar [30] o el desmantelamiento de instalaciones de recipientes a presión de reactores en plantas de energía nuclear. [31]

Corte por chorro de agua abrasiva (AWIJ)

El AWIJ [32] se genera mediante un chorro de agua que pasa a través de una cámara de mezcla (una cavidad) después de salir de la boquilla de agua y entra en un tubo de enfoque a la salida de la cámara de mezcla. La interacción del chorro de agua en la cámara de mezcla con el aire en el interior crea una presión negativa, el chorro de agua arrastra partículas de aire. Esta presión negativa se utiliza para el transporte neumático del abrasivo hacia la cámara (el abrasivo se conduce a una abertura lateral (orificio) de la cámara de mezcla por medio de una manguera).

Tras el contacto del material abrasivo con el chorro de agua en la cámara de mezcla, los granos abrasivos individuales se aceleran y se arrastran en dirección al tubo de enfoque. El aire utilizado como medio portador para transportar el abrasivo a la cámara de mezcla también pasa a formar parte del AWIJ, que ahora consta de tres componentes (agua - abrasivo - aire). En el tubo de enfoque, que está (debería estar) optimizado en su longitud para este fin, el abrasivo se acelera aún más (transferencia de energía del agua al grano abrasivo) y el AWIJ abandona el tubo de enfoque idealmente con la máxima velocidad posible del grano abrasivo.

Control de chorro de agua

A medida que el corte por chorro de agua se fue incorporando a los talleres de fabricación tradicionales, era esencial controlar la herramienta de corte de forma fiable y precisa. Los primeros sistemas de corte por chorro de agua adaptaron sistemas tradicionales, como los pantógrafos mecánicos y los sistemas CNC basados ​​en la fresadora NC de John Parsons de 1952 y que ejecutaban códigos G. [33] Los desafíos inherentes a la tecnología de corte por chorro de agua revelaron las deficiencias del código G tradicional. La precisión depende de la variación de la velocidad de la boquilla a medida que se acerca a las esquinas y los detalles. [ 34] La creación de sistemas de control de movimiento para incorporar esas variables se convirtió en una innovación importante para los principales fabricantes de corte por chorro de agua a principios de la década de 1990, con John Olsen de OMAX Corporation desarrollando sistemas para posicionar con precisión la boquilla de corte por chorro de agua [35] al mismo tiempo que especificaba con precisión la velocidad en cada punto a lo largo de la trayectoria, [36] y también utilizaba PC comunes como controlador. El mayor fabricante de corte por chorro de agua, Flow International (una escisión de Flow Industries), reconoció los beneficios de ese sistema y obtuvo la licencia del software OMAX, con el resultado de que la gran mayoría de las máquinas de corte por chorro de agua en todo el mundo son fáciles de usar, rápidas y precisas. [37]

Máquina de corte abrasivo por chorro de agua de gran tamaño
Máquina de corte abrasivo por chorro de agua de gran tamaño

Operación

Todos los chorros de agua siguen el mismo principio de utilizar agua a alta presión enfocada en un haz mediante una boquilla. La mayoría de las máquinas logran esto haciendo pasar primero el agua por una bomba de alta presión . Hay dos tipos de bombas que se utilizan para crear esta alta presión: una bomba intensificadora y una bomba de accionamiento directo o de cigüeñal. Una bomba de accionamiento directo funciona de forma muy similar a un motor de automóvil, forzando el agua a través de un tubo de alta presión mediante émbolos unidos a un cigüeñal . Una bomba intensificadora crea presión utilizando aceite hidráulico para mover un pistón que fuerza el agua a través de un pequeño orificio. [38] [39] Luego, el agua viaja a lo largo del tubo de alta presión hasta la boquilla del chorro de agua. En la boquilla, el agua se enfoca en un haz delgado mediante un orificio de joya. Este haz de agua se expulsa desde la boquilla, cortando el material al rociarlo con el chorro a una velocidad del orden de Mach 3, alrededor de 2500 pies/s (760 m/s). [40] El proceso es el mismo para los chorros de agua abrasivos hasta que el agua llega a la boquilla. En este caso, los abrasivos, como el granate y el óxido de aluminio , se introducen en la boquilla a través de una entrada de abrasivo. A continuación, el abrasivo se mezcla con el agua en un tubo mezclador y sale por el extremo a alta presión. [41] [42]

Beneficios

Una ventaja importante del chorro de agua es la capacidad de cortar material sin interferir con su estructura inherente, ya que no hay zona afectada por el calor (ZAT). Minimizar los efectos del calor permite cortar metales sin deformarlos, afectar el temple o cambiar las propiedades intrínsecas. [43] Es posible lograr esquinas afiladas, biseles, perforaciones y formas con radios internos mínimos. [44]

Las cortadoras por chorro de agua también son capaces de producir cortes intrincados en el material. Con un software especializado y cabezales de mecanizado 3D, se pueden producir formas complejas. [45]

La ranura o ancho del corte se puede ajustar intercambiando piezas en la boquilla, así como cambiando el tipo y tamaño del abrasivo. Los cortes abrasivos típicos tienen una ranura en el rango de 0,04 a 0,05 pulgadas (1,0–1,3 mm), pero pueden ser tan estrechos como 0,02 pulgadas (0,51 mm). Los cortes no abrasivos normalmente tienen de 0,007 a 0,013 pulgadas (0,18–0,33 mm), pero pueden ser tan pequeños como 0,003 pulgadas (0,076 mm), que es aproximadamente el grosor de un cabello humano. Estos pequeños chorros pueden permitir pequeños detalles en una amplia gama de aplicaciones.

Los chorros de agua pueden alcanzar una precisión de hasta 0,005 pulgadas (0,13 mm) y una repetibilidad de hasta 0,001 pulgadas (0,025 mm). [45]

Debido a su ranura relativamente estrecha, el corte con chorro de agua puede reducir la cantidad de material de desecho producido, al permitir que las piezas sin cortar se aniden más juntas que los métodos de corte tradicionales. Los chorros de agua utilizan aproximadamente de 0,5 a 1 galón estadounidense (1,9 a 3,8 L) por minuto (según el tamaño del orificio del cabezal de corte), y el agua se puede reciclar utilizando un sistema de circuito cerrado. El agua residual suele estar lo suficientemente limpia como para filtrarla y desecharla por un desagüe. El abrasivo de granate es un material no tóxico que se puede reciclar en su mayor parte para un uso repetido; de lo contrario, normalmente se puede desechar en un vertedero. Los chorros de agua también producen menos partículas de polvo en el aire, humo, vapores y contaminantes, [45] lo que reduce la exposición del operador a materiales peligrosos. [46]

El corte de carne mediante tecnología de chorro de agua elimina el riesgo de contaminación cruzada ya que se descarta el medio de contacto. [ cita requerida ]

Versatilidad

Un chorro de agua cortando una herramienta de metal

Debido a que la naturaleza del chorro de corte se puede modificar fácilmente, el chorro de agua se puede utilizar en casi todas las industrias; existen muchos materiales diferentes que el chorro de agua puede cortar. Algunos de ellos tienen características únicas que requieren una atención especial al cortar.

Los materiales que se cortan comúnmente con un chorro de agua incluyen textiles, caucho, espuma, plásticos, cuero, compuestos, piedra, baldosas, vidrio, metales, alimentos, papel y mucho más. [47] "La mayoría de las cerámicas también se pueden cortar con un chorro de agua abrasivo siempre que el material sea más suave que el abrasivo que se utiliza (entre 7,5 y 8,5 en la escala de Mohs)". [48] Ejemplos de materiales que no se pueden cortar con un chorro de agua son el vidrio templado y los diamantes. [46] Los chorros de agua son capaces de cortar hasta 6 pulgadas (150 mm) de metales y 18 pulgadas (460 mm) de la mayoría de los materiales, [49] aunque en aplicaciones especializadas de minería de carbón, [50] los chorros de agua son capaces de cortar hasta 100 pies (30 m) utilizando una boquilla de 1 pulgada (25 mm). [51]

Los cortadores de chorro de agua especialmente diseñados se utilizan comúnmente para eliminar el exceso de betún de las superficies de las carreteras que han sido objeto de lavado con aglutinante. El lavado es un fenómeno natural que se produce durante el clima cálido, cuando el agregado se nivela con la capa de aglutinante bituminoso, lo que crea una superficie de carretera peligrosamente lisa durante el clima húmedo. [ cita requerida ]

Disponibilidad

Los sistemas de corte por chorro de agua comerciales están disponibles en todo el mundo, en una variedad de tamaños y con bombas de agua capaces de soportar una variedad de presiones. Las máquinas de corte por chorro de agua típicas tienen un área de trabajo de tan solo unos pocos pies cuadrados o de hasta cientos de pies cuadrados. Las bombas de agua de presión ultraalta están disponibles desde tan solo 40 000 psi (280 MPa) hasta 100 000 psi (690 MPa). [45]

También ha habido un crecimiento en las máquinas pequeñas, del tamaño de un escritorio, que funcionan a presiones inferiores a 10 kpsi. Un nuevo fabricante, "The Hydroblade", ofrece control de pantalla táctil con una precisión inferior a 0,003" en una máquina de tamaño reducido.

Proceso

Hay seis características principales del proceso de corte por chorro de agua:

  1. Utiliza una corriente de agua a alta velocidad y a presión ultra alta de 30 000 a 90 000 psi (210 a 620 MPa) que se produce mediante una bomba de alta presión con posibles partículas abrasivas suspendidas en la corriente.
  2. Se utiliza para mecanizar una amplia gama de materiales, incluidos materiales sensibles al calor, delicados o muy duros.
  3. No produce daños por calor en la superficie ni en los bordes de la pieza de trabajo.
  4. Las boquillas suelen estar hechas de carburo de tungsteno . [52]
  5. Produce una conicidad de menos de 1° en la mayoría de los cortes, que se puede reducir o eliminar por completo ralentizando el proceso de corte o inclinando el chorro. [53]
  6. La distancia entre la boquilla y la pieza de trabajo afecta el tamaño de la ranura y la velocidad de eliminación de material. La distancia típica es de 0,125 pulgadas (3,2 mm).

La temperatura no es un factor importante porque el agua utilizada también actúa como refrigerante .

Calidad del borde

Diferentes calidades de borde para piezas cortadas con chorro de agua

La calidad del borde de las piezas cortadas con chorro de agua se define con los números de calidad Q1 a Q5. Los números más bajos indican un acabado de borde más rugoso; los números más altos, más suave. Para materiales delgados, la diferencia en la velocidad de corte para Q1 podría ser hasta 3 veces más rápida que la velocidad para Q5. Para materiales más gruesos, Q1 podría ser 6 veces más rápido que Q5. Por ejemplo, en aluminio de 4 pulgadas (100 mm) de espesor, Q5 sería 0,72 in/min (18 mm/min) y Q1 sería 4,2 in/min (110 mm/min), 5,8 veces más rápido. [54]

Corte multieje

Un cabezal de corte por chorro de agua de 5 ejes
Una pieza de chorro de agua de 5 ejes

En 1987, Ingersoll-Rand Waterjet Systems presentó un sistema de corte por chorro de agua pura de 5 ejes llamado Robotic Waterjet System. El sistema tenía un diseño de pórtico elevado, similar en tamaño al HS-1000.

Con los recientes avances [ ¿cuándo? ] en la tecnología de control y movimiento, el corte por chorro de agua de 5 ejes (abrasivo y puro) se ha convertido en una realidad. Mientras que los ejes normales en un chorro de agua se denominan Y (atrás/atrás), X (izquierda/derecha) y Z (arriba/abajo), un sistema de 5 ejes normalmente agregará un eje A (ángulo desde la perpendicular) y un eje C (rotación alrededor del eje Z). Dependiendo del cabezal de corte, el ángulo de corte máximo para el eje A puede ser de 55, 60 o, en algunos casos, incluso 90 grados desde la vertical. Como tal, el corte de 5 ejes abre una amplia gama de aplicaciones que se pueden mecanizar en una máquina de corte por chorro de agua.

Un cabezal de corte de 5 ejes se puede utilizar para cortar piezas de 4 ejes, donde las geometrías de la superficie inferior se desplazan una cierta cantidad para producir el ángulo adecuado y el eje Z permanece a una altura. Esto puede ser útil para aplicaciones como la preparación de la soldadura, donde se necesita cortar un ángulo de bisel en todos los lados de una pieza que luego se soldará, o para fines de compensación de conicidad donde el ángulo de corte se transfiere al material de desecho, eliminando así la conicidad que se encuentra comúnmente en las piezas cortadas con chorro de agua. Un cabezal de 5 ejes puede cortar piezas donde el eje Z también se mueve junto con todos los demás ejes. Este corte completo de 5 ejes podría usarse para cortar contornos en varias superficies de piezas formadas.

Debido a los ángulos que se pueden cortar, los programas de piezas pueden necesitar cortes adicionales para separar la pieza de la chapa. Intentar deslizar una pieza compleja en un ángulo pronunciado desde una placa puede resultar difícil sin los cortes de alivio adecuados.

Véase también

Referencias

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