جت آب (water jet) و مواد ساینده

[bigbang]

جت آب و مواد ساینده

معرفی ماشین‌کاری با جت آب و مواد ساینده
Abrasive and Water Jet Machining: Introduction

اگرچه سال‌هاست که از استفاده از تکنولوژی جت مواد ساینده و جت آب می‌گذرد و لیکن اخیراً این دو فرآیند در زمینه بازار ماشنی ابزار جایگاه مناسبی پیدا کرده است. این موضوع مهم و قابل توجه است و تعدادی از نوآورن قدیمی با استفاده از جایگزینی و تکمیل فرآیندهای معمولی ماشین‌کاری خود با استفاده از این دو فرآیند (ماشین‌کاری با جت‌آب و جت مواد ساینده) سود فراوانی برده‌اند.
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 ۱/۹ درصد در فاصله سال‌های ۲۰۰۲-۱۹۹۷ برای بازار واترجت و جت مواد آینده پیش‌بینی می‌شود.
هم واترجت و هم لیزر قادرند فلزات و دیگر مواد را برش دهند. ولیکن دستگاه‌های واترجت ارزان‌تر از دستگاه‌های لیزر می‌باشند و عملاً دستگاه‌های واترجت برتر از ماشین‌های برش معمولی می‌باشند.
چرا تعداد زیادی از مردم به خرید دستگاه‌های واترجت روی آورده‌اند، زیرا: چون می‌توانند سریع برنامه‌ریزی کرده و در مدت کوتاهی پول‌دار شده و سود زیادی عایدشان شود. همچنین می‌توانند سریعاً دستگاه را تنظیم کرده و کل مجموعه تنظیمات دستگاه را تنظیم کرده و کل مجموعه تنظیمات دستگاه را چک کنند آنها از ابزار دستگاه خیلی تعریف می‌کنند. چونکه ابزار، هم در ماشینکاری اولیه و هم در ماشینکاری ثانویه (نهایی) یکی است و نیازی به تغییر ابزار نمی‌شود. سرعت ساخت قطعات بسیار بالا و خارج از تصور می‌باشد. این روش باعث ایجاد اثرات حرارتی روی قطعه نمی‌شود. آنها می‌توانند هزینه خرید دستگاه را در مدت کوتاهی تامین نمایند. شما قبلاً عبارات واترجت و جت مواد ساینده را شنیده‌اید، این مهم است که بدانید جهت مواد ساینده همان واترجت نمی‌باشد، اگرچه خیلی به هم شبیه هستند. تکنولوژی جت‌آب به حدود ۲۰ سال پیش برمی‌گردد و جت مواد ساینده حدوداً ۱۰ سال بعد به وجود آمد. اساس هر دو روش مبتنی بر افزایش فشار آب تا حد خیلی زیاد و خروج آب از یک روزنه کوچک به خارج می‌باشد. سیستم واترجت از یک باریکه آب استفاده می‌کند که از دهانه (orifice) خارج می‌شود و می‌تواند مواد نرمی از قبیل پارچه و مقوا را برش دهد و لیکن نمی‌تواند مواد سخت‌تری را برش‌کاری کند. آب در دهانه ورودی از ۲۰ تا ۵۵ هزار پوند بر اینچ مربع تحت فشار قرار می‌گیرد، سپس از دهانه (jewel) که قطر آن به طور نمونه ۰۱۵/۰-۰۱۰/۰ اینچ می‌باشد. با فشار خارج می‌شود و در سیستم جت مواد ساینده، مواد ساینده به جت‌آب افزوده شده تا بتواند مواد سخت‌تر را نیز برش دهد. سرعت خیلی زیاد جت آب باعث ایجاد خلاء شده و مواد ساینده را به داخل نازل مکش می‌کند. اغلب مردم زمانی که منظورشان جت ساینده است، به غلط اصطلاح واترجت را به کار می‌برند. یک مجموعه کامل نازل واترجت حدود ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ دلار می‌باشد در صورتی که نازل جت سازنده حدود ۸۰۰ تا ۲۰۰۰ دلار هزینه در بر دارد. هزینه عملیاتی جت مواد ساینده به خاطر سایش تیوپ مخلوط‌کننده مواد ساینده با آب و همچنین به خاطر مصرف مواد ساینده نسبت به واترجت خیلی زیاد است.
تنها محدودیت جت‌آب نازل‌های آن می‌باشد و jewel دارای سوراخ بسیار ریزی بوده که آب با فشار از آن به بیرون پاشیده می‌شود. Jewel ممکن است ترک برداشته و یا در اثر رسوب در آن مسدود شدن دهانه یاقوتی نازل در اثر ورود مواد زائد و گرد و کثافت در دهانه ورودی آب (inlet water) می‌باشد و می‌توان براحتی و با استفاده از یک *****اسیون مناسب از بروز چنین مواردی جلوگیری نمود. رسوبات در اثر مواد معدنی موجود در آب نیز ممکن است پدید آید. Jewelها را می‌توان در مدت کوتاهی حدود ۲ تا ۱۰ دقیقه تعویض نمود. همچنین قیمت بالایی نداشته و حدود ۵ تا ۵۰ دلار می‌باشد، البته نازل‌های الماسه نیز وجود دارند ولیکن قیمت آنها حدود ۲۰۰ دلار می‌باشد و همچنین ساخت آنها نیز مشکل‌تر از نازل‌های یاقوتی می‌باشد. ابعاد و شکل هندسی دهانه نازل در نحوه عملکرد آن تاثیر بسیار مهمی داشته و در مورد نازل‌های الماسی تامین این دقت و تلرانس کمی مشکل و هزینه‌بر می‌باشد.
محدودیت‌های موجود در مورد نازل‌های مربوط به جت مواد ساینده
نازل‌های جت مواد ساینده علاوه بر طرح ساده‌ای که دارند گاه‌گاهی ایجاد مشکلاتی نیز می‌کنند. طرح‌های گوناگونی ساخته شده‌اند ولی همگی در بروز یکسری مشکلات مشترک هستند.
تیوپ مخلوط‌کننده یک قطعه و مجموعه گران‌قیمت بوده و به علت سایش در اثر مواد ساینده دارای عمر کوتاهی نیز می‌باشد. همانطوری که گفته شد، جت مواد ساینده قادر است هر چیزی را برش دهد و این توانایی بالایی فرسایش و در نتیچه آن برش مسیر عبور و تیوپ مخلوط‌کننده را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد و همین مسئله در افزایش قیمت نهایی قطعه تولیدی تاثیر می‌گذارد.
از دیگر مشکلات موجود در مورد دستگاه‌های جت مواد ساینده این است که تیوپ مخلوط‌کننده به همیشه بلکه گاه‌گاهی مسدود می‌شود. معمولاً علت این امر در اثر مواد زاید و کثیف (dirt) و همچنین دانه‌های مواد ساینده که از اندازه استاندارد بزرگ‌تر باشند نیز حاصل می‌شود.
مزایای ماشین‌کاری با جت مواد ساینده
برنامه‌‌ریزی و تنظیم فوق‌العاده سریع
در این فرآیند نیازی به تغییر ابزار جهت کارهای مختلف نمی‌باشد، برعکس دیگر دستگاه‌های ماشین‌کاری که حتی برای تعویض ابزار نیر باید برای دستگاه برنامه‌ریزی کرد. تنها برنامه‌ریزی لازم برای انجام عملیات ارائه نقشه قطعه به دستگاه می‌باشد و اگر مشتری نقشه قطعه کار را روی یک دیسکت به شما تحویل دهد، نصف کار انجام شده است و این به این معنی است که شما در تولیدات کم و حتی تک‌سازی هم می‌توانید سود قابل توجهی ببرید.
برای اغلب کارها نیاز به فیکسچر خیلی کمی نیاز است:
برای مواد تخت می‌توان پس از قرار دادن آنها روی میزکار با قراردادن دو وزنه ۱۰ پوندی روی آن قطعه کار را فیکس نمود و برای قطعات کوچک می‌تواند با استفاده از رویندهای کوچک، کار را محکم نمود.
امکان ماشین‌کاری تقریباً هر قطعه (شکل) دو بعدی و برخی از قطعات (اشکال) سه بعدی
امکان ماشین‌کاری شعاع‌ها و گوشه‌های داخلی با شعاع کم، امکان ساخت فلانج کاربراتور با سوراخ‌ها و همه چیزهای لازم آن. برخی از دستگاه‌های فوق‌العاده پیشرفته قادر به ماشین‌کاری سه بعدی می‌باشند. ماشین‌کاری سه بعدی نیازمند و مستلزم دقت زیادی می‌باشد. به همین دلیل ماشین‌کاری سه بعدی صرفاً جهت کاربردهای خاص به کار می‌رود.
به هر حال ماشین‌کاری جت مواد ساینده دارای توانمندی فوق‌العاده در تولید اشکال دو بعدی است و لیکن در مورد اشکال سه بعدی دارای محدودیت‌هایی می‌باشد.
اعمال نیروی جانبی بسیار کم به قطعه حین ماشین‌کاری
بدین معنی که شما می‌توانید با اطمینان قطعاتی که ضخامت دیواره آنها به کوچکی ۰۰۲۵/۰ اینچ باشد را به راحتی و بدون ترکیدگی و یا حتی لب‌پریدگی، ماشین‌کاری کنید. همچنین پایین بودن زیاد میزان نیروی جانبی برش این امکان را فراهم می‌کند تا بتوان اشکال لانه زنبوری و تو در تو تولید نموده و با این کار را از متریال حداکثر استفاده را کرد.
اغلب هیچ گونه گرمایی روی قطعه کار ایجاد نمی‌شود:
شما می‌توانید قطعه کار را ماشین‌کاری کنید. بدون ایجاد افزایش دما و سخت شدن قطعه کار و بدون تولید دودهای سمی، بدون ایجاد پیچیدگی در قطعه کار، و بدون تولید دودهای سمی، و بدون ایجاد پیچیدگی در قطعه کار.
شما می‌توانید قطعاتی را که قبلاً سخت‌کاری شده‌اند و عملیات حرارتی بر روی آنها انجام شده است را به راحتی ماشین‌کاری کنید. در ایجاد سوراخ بر روی فولاد به ضخامت ۲ اینچ حداکثر دمای قطعه کار به ۱۲۰ درجه فارنهایت می‌رسد و لیکن ماشین‌کاری بر روی دیگر قطعات در دمای اتاق انجام می‌شود.
نیازی به ایجاد سوراخ اولیه نمی‌شود:
بر خلاف ماشین‌کاری با وایرکات که نیاز به ایجاد سوراخ اولیه می‌باشد در این روش نیازی به ایجاد سوراخ اولیه نمی‌باشد.
موضوع ضخامت قطعه‌کار
محدودیت مشخصی برای ضخامت معلوم نمی‌باشد و لیکن سرعت برش تابعی از ضخامت قطعه کار می‌باشد.
عدم آسیب‌رسانی به محیط
شما می‌توانید از مواد ساییده شده قرمز رنگ که از garnet بجای مانده است جهت تزئین باغچه استفاده کنید حتی اگر شما می‌خواهید قطعات زیادی از جنس مواد خطرناک از قبیل سرب و … را ماشین‌کاری کنید، این مهم است که مقدار خیلی کمی از ماده برداشته می‌شود. این خود در حفاظت محیط‌زیست موثر است.
باقی مانده مواد خام نیز قابل استفاده است
هنگام ماشین‌کاری قطعات گران‌قیمت از قبیل تییانیوم، باقی مانده ماده خام نیز ارزشمند است زیر عرض برش این فرآیند کوچک بوده و پس از تولید قطعه اصلی، می‌توان از مواد باقی مانده مجدداً قطعات دیگری تولید نمود.
تنها و تنها فقط به یک ابزار نیاز است
در این روش نیازی به تغییر ابزار نمی‌باشد و حتی نیازی به برنامه‌ریزی جهت تغییر ابزار نمی‌باشد. برنامه‌ریزی و تنظیم دستگاه و تمیز کردن نیز زمان زیادی نمی‌برد، از این رو در این روش سرعت تولید و بهره‌وری خیلی زیاد است.
افسانه‌ها و موهومات معمول در مورد جت مواد ساینده
اوه! شما می‌توانید فولاد به ضخامت ۶ اینچ را با آب ببرید!؟
خیر! اگر شما مشاهده می‌کنید که یک قطعه فولادی به ضخامت ۶ اینچ در حال برش‌کاری است، بدانید که این واترجت نیست بلکه جت مواد ساینده است که این کار را انجام می‌دهد. وظیفه آب در اینجا فقط اعمال شتاب فوق‌العاده زیاد بر مواد ساینده است. و این مواد ساینده است که فولاد را می‌برد، نه آب!
عمر نازل برش‌کاری
به اشتباه خیال می‌شود که عمر نازل خیلی مهم و حساس است و این در حالی است که عمر قسمت نازل دستگاه اهمیت آن چنانی ندارد و آنچه که مهم است عمر تیوپ مخلوط‌کننده مواد ساینده با آب است.
Orifice یا jewelها ارزان هستند و اصلاً قابل قیاس با تیوپ اختلاط نمی‌باشد. Jewelها (قسمت نازل یا دهانه خروجی آب است که از جنس لعل یا یاقوت می‌باشد) تقریباً ارزان و حدود ۱۵ تا ۵۰ دلار می‌باشند و این در حالی است که قیمت تیوپ مخلوط‌کننده ۱۰۰ تا ۲۰۰ دلار می‌باشد. Jewelها نوعاً در اثر رسوبات معدنی موجود در آب آسیب می‌بینند که البته این رسوبات قابل برداشت می‌باشند. Jewel از جنس یاقوت قرمز و آبی تقریباً یکسان هستند و تفاوتشان فقط در رنگشان است. علت رنگ قرمز rubyها به علت درصد بالای کرم موجود در آنها بوده و در مقابل sapphireها علت رنگ آبی، درصد بالای آهن موجود در آنها است ولیکن هر دو سنگ یاقوت معدنی می‌باشند. اما اگر هنوز عمر مفید نازل برای شما خیلی مهم است می‌توانید بجای نازل از جنس یاقوت قرمز یا آبی، از نازل الماسه استفاده کنید ولی بهتر است فعلاً از یک سامانه مناسب *****اسیون آب استفاده کنید.
مدت کارکرد مفید تیوب مخلوط‌کننده چقدر است؟
برای روشن شدن موضوع بدانید استفاده از یک تیوب مخلوط‌کننده کهنه و آسیب دیده در اثر کارکرد مانند بکارگیری یک تیغچه الماسه کند شده می‌باشد. این مشکل است که بگوییم چه وقت یک تیوب کاملاً آسیب دیده و قابل کاربرد نمی‌باشد. اما این مهم است که ساییدگی در تیوب باعث کاهش کارآیی ماشین‌کاری می‌گردد. برای کارهای دقیق بهتر است از یک تیوب جدید استفاده نمود.
عمر مفید تیوب به پارامترهای زیادی بستگی دارد، به عنوان مثال نوعاً از ۲۰ تا ۱۰۰ ساعت می‌تواند عمر مفید متوسط فرض شود. البته با توجه به شرایط ممکن است از این زمان سریع‌تر یا کندتر نیز سایش اتفاق بیفتد که البته باز به شرایط کاری بستگی دارد.
پس هزینه اصلی عملیاتی چه چیزی است؟
وقتی هزینه‌هایی از قبیل تیوب اختلاط و دهنه‌های نازل که قطعات گران‌قیمت و فرسایشی هستند را مورد توجه قرار می‌دهید بایستی هزینه کل عمیات را نیز در نظر گرفته و آن را با سودمندی و قدرت تولید دستگاه مقایسه کنید وقتی شما چنین مقایسه‌ای را انجام دهید خواهید دید که دستگاه جت مواد ساینده شاید سودآورترین دستگاه در کارگاه شما باشد.
توجه داشته باشید که قیمت ساعت کار دستگاه بین ۲۰ تا ۳۵ دلار متغیر است. البته کارگاه‌هایی نیز مشاهده شده‌اند که به علت انجام کارهای فوق‌العاده دقیق، ساعت کار دستگاهشان بین ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ دلار می‌باشد. البته کمی غیر عادی نیز می‌باشد و همچنین گاهگاهی کارگاه‌هایی نیز دیده می‌شوند که کارهایی انجام می‌دهند که انجام آنها با سایر روش‌ها یا تقریباً غیر ممکن و یا با استفاده از روش‌هایی که بتواند جایگزین جت مواد ساینده شود، خیلی گران می‌شود.
تلرانس‌ها و دقت‌های قابل دستیابی
جهت تولید قطعات دقیق نیاز به دستگاه دقیق نیز می‌باشد. البته پارامترهای دیگری نیز وجود دارند که مهم و قابل توجه می‌باشند. یک میزکار دقیق در دقت کار تاثیر دارد. فاکتور اصلی در دقت و تلرانس، نرم‌افزار دستگاه است نه سخت‌افزار آن! تلرانس قابل دستیابی به مقدار زیادی به مهارت استفاده کننده بستگی دارد. اخیراً پیشرفت‌های مهمی در خصوص کنترل فرآیند جهت دستیابی به تلرانس‌های بالاتر صورت گرفته است. دستگاه ۱۰ سال پیش دارای تلرانس کاری بین ۰۶۰/۰ تا ۱۰/۰ اینچ بوده است و لیکن امروزه دستگاه‌هایی تولید شده‌اند که قادرند قطعاتی با تلرانس ۰۰۲/۰ اینچ تولید کنند.
جنس قطعه کار
مواد سخت‌تر نوعاً پس از برشکاری کمتر taper شده‌اند و این مسئله در تعیین میزان تلرانس قابل دستیابی، قابل توجه است.
ضخامت قطعه کار
هنگامی که ضخامت قطعه کار افزایش می‌یابد، کنترل رفتار خروجی جت‌ ساینده در محلی که از قطعه کار خارج می‌شود، مشکل می‌گردد و هر چه ضخامت قطعه کار افزایش یابد، میزان شیب‌دار شدن و احتمال لب‌پریدگی افزایش می‌یابد.
دقت میزکار
واضح است است دقت بالاتر وقتی حاصل می‌شود که حرکت میز دقیق‌تر و قابل کنترل‌تر باشد.
استحکام و پایداری میزکار
ارتعاشات بین سیستم حرکتی و قطعه کار و ضعف در کنترل سرعت و تغییر ناگهانی در وضعیت دستگاه می‌تواند باعث بروز عیب در قطعه کار گردیده که اغلب witness marks نامیده می‌شود (شکل ۴)
کنترل جت مواد ساینده
چون اساساً ابزار برشی یک جریانی از آب پر فشار همراه با مواد ساینده است (طبق شکل ۵) هنگام خروج از قطعه کار حالت اریبی شکل بوجود می‌آید، لذا جهت حصول تلرانس و دقت لازم بایستی این عقب‌افتادگی با کنترل مناسب جبران گردد.
این مسلئه عقب‌افتادگی (lag) می‌تواند در موارد ذیل بروز اشکال نماید
الف- در اطراف منحنی‌ها
هنگامی که جت می‌خواهد از یک مسیر منحنی شکل عبور نماید، lag باعث شیب‌دار شدن می‌گردد، بنابراین برای جلوگیری از این امر بایستی سرعت حرکت خطی مسیر برش را پایین آورد و اجازه داد که قسمت انتهایی جت و قسمت ابتدایی آن که این دو مابین محل ورود جت و محل خروج آن از قطعه کار قرار دارد در یک راستا قرار گرفته و از شیب‌دار شدن آن جلوگیری گردد.
ب- گوشه‌های داخلی
هنگامی که جت وارد یک گوشه داخلی از مسیر برش می‌گردد بایستی سرعت پیشروی را پایین آورد تا عقب‌افتادگی قسمت انتهایی جت جبران شده و مسیر برش صاف و بدون شیب‌دار شدن تولید شود در غیر این صورت احتمال افزایش شعاع گوشه وجود خواهد داشت. همچنین پس از اتمام ماشینکاری گوشه‌ها و رسیدن به خط مستقیم نبایستی سرعت پیشروی یکمرتبه افزایش یابد زیرا این عمل باعث پس زدن ناگهانی جت و آسیب‌دیدگی قطعه کار می‌گردد.
ج- میزان پیشروی
هنگامی که سرعت پیشروی کاهش داده می‌شود، عرض مسیر برش قه مقدار اندکی افزایش می‌یابد.
د- شتاب
هر گونه حرکت ناگهانی از قبیل تغییر در میزان پیشروی به طور ناگهانی باعث آسیب‌دیدگی قطعه کار می‌گردد. لذا بایستی برای کارهای فوق‌العاده دقیق، شتاب به خوبی کنترل گردد.
هـ- فاصله نازل تا قطعه کار
برخی از نازل‌ها نسبت به برخی دیگر باعث شیب‌دار شدن بیشتری در مسیر برش می‌گدرد. نازل‌های بلندتر معمولاً شیب کمتری ایجاد می‌نمایند، کاهش فاصله نازل تا سطح قطعه کار باعث کمتر شدن شیب می‌گردد.
و- عرض برش
عرض برش که همان قطر یا عرض پرتو جت می‌باشد، مشخص می‌کند که تا چه حد شما می‌توانید گوشه‌هایی تیز و با حداقل شعاع گوشه تولید نمایید. تقریباً کوچکترین قطر پرتو جت تولید عرض برشی به پهنای ۰۳۰/۰ اینچ می‌نماید. دستگاه‌هایی با قدرت عملیاتی بالاتر نیازمند نازل‌های بزرگتری می‌باشد زیرا حجم آب و مواد ساینده نیز بیشتر خواهد بود.
ز- ثبات فشار پمپ
تغییرات در فشار پمپ واترجت می‌تواند باعث ایجاد اثراتی بر روی قطعه نهایی گردد. بنابراین لازم است که در حین انجام عملیات طوری برنامه‌ریزی گردد که تغییرات فشار پمپ به حداقل رسیده تا از ایجاد اثرات نامطلوب بر قطعه کار جلوگیری شود و این موضوع بخصوص در مواردی که تلرانس مورد نظر در حدود ۰۰۵/۰ اینچ باشد، رعایت این مسئله الزامی است پمپ‌های قدیمی‌تر اغلب بیشتر باعث بروز چنین مشکلاتی می‌شدند ولیکن پمپ‌هایی که با استفاده از سیستم میل‌لنگ کار می‌کنند باعث توزیع فشار یکنواخت‌تر و منظم‌تر می‌گردند.
ح- تجربه اپراتور
با توجه به فاکتورهای ذکر شده سیستم جت مواد ساینده قادر است قطعات را با تلرانسی از ۰۲۰/۰ اینچ تا ۰۰۱/۰ اینچ تولید نماید. امتیاز و برتری یک دستگاه جت مواد ساینده نسب به نوع مشابه خود، در سهولت دستیابی به تلرانس‌های مذکور می‌باشد در صورتی که نازل بتواند در هر موقعیت لازم نسبت به محورهای x و y با تلرانس ۰۱/۰ اینچ قرار گیرد، بنابراین شما می‌توانید قطعه‌ای با ضخامت ۵/۰ اینچ را با تلرانس ۰۰۲/۰ اینچ تولید نمایید. علاوه بر مطالب فوق، تجربه اپراتور نیز حائز اهمییت می‌باشد.