Die Grundlagen des Wasserstrahlschneiddrucks

Der richtige Wasserstrahlschneiddruck ergibt sich aus einer Kombination aus Pumpenleistung und Düsen- und Öffnungsdurchmesser. Natürlich ist die Einstellung des optimalen Drucks nur ein Ausgangspunkt.

Seit der Einführung der Wasserstrahltechnologie vor fast 50 Jahren gibt es einen anhaltenden Streit darüber, welche Kombination aus Druck und Leistung zu einer optimalen Schneidleistung führt. Führen größere Zahlen zu einem besseren oder schnelleren Schneiden? Welche Kombination aus Druck, Leistung und Düsenanordnung ist für eine bestimmte Anwendung am besten? Was bedeutet das alles wirklich?

Um der Diskussion einen Rahmen zu geben, lassen Sie uns das Argument Druckübersetzer versus Direktantriebspumpen entfernen. Wenn Sie jemals über den Kauf eines Wasserstrahlsystems nachgedacht haben, werden Sie wahrscheinlich mit einer Flut von Marketing- und Vertriebsdaten konfrontiert, die die Vorteile jedes einzelnen Systems aufzeigen. Hydraulische Verstärkerpumpen können auf Kosten eines energieintensiven Hydrauliksystems außergewöhnlich hohe Drücke liefern. Andere haben Direktantriebssysteme befürwortet, die eine mechanische Kurbelwellenpumpe verwenden (sieheAbbildung 1).

In den vergangenen Jahrzehnten gab es einen Kompromiss zwischen diesen Technologien. Druckübersetzerpumpen galten als einfacher und kostengünstiger in der Wartung, insbesondere bei hohen Drücken, während Direktantriebssysteme eine höhere Energieeffizienz boten. Die Technologie hat sich weiterentwickelt und die Kompromisse haben sich im Laufe der Jahre geändert.

Unabhängig davon haben sich die Grundprinzipien des Wasserstrahlschneidens nicht geändert. Die Kombination aus Düse und Öffnung trägt dazu bei, das Wasser unter Druck zu setzen, während es aus der Hochdruckleitung durch eine Öffnung von Hundertstel Zoll gepresst wird. Das Wasser strömt durch eine Öffnung mit kleinem Durchmesser und bildet einen kohärenten Wasserstrahl, der dann durch eine Venturi-Düse strömt, wo eine dosierte Menge körniges Schleifmittel in den Wasserstrom gesaugt wird. Die Mischung aus Wasser und Schleifpartikeln strömt durch ein spezielles Keramikmischrohr, und die resultierende Schleifmittel-/Wasseraufschlämmung verlässt die Düse als zusammenhängender Schneidstrahl aus Schleifpartikeln, der sich mit sehr hoher Geschwindigkeit fortbewegt.

Schleifmittel schneiden nur, wenn sie das Material erfolgreich erreichen. Die Maschen des Schleifmittels müssen die richtige Größe für die Öffnung haben, um ein Verstopfen zu vermeiden. 80-Mesh-Granat ist bei allen Düsengrößen am universellsten, während 50-Mesh-Granat viel gröber ist und normalerweise mit Öffnungen mit größerem Durchmesser wie 0,022 oder 0,020 Zoll verwendet wird. Die Verwendung einer schmaleren Düse mit 50-Mesh-Granat erhöht die Wahrscheinlichkeit von Verstopfungen . Für kleinere Düsen, die für hochpräzise Anwendungen verwendet werden, z. B. 0,014 oder 0,010 Zoll. Für Düsen ist eine Maschenweite von 120 oder höher optimal.

Die Düsengröße ist nicht der einzige Faktor, der die ideale Maschenweite für eine bestimmte Anwendung bestimmt. Ähnlich wie bei Schleifpapier erfordern feinere Oberflächenbeschaffenheiten höhere, feinkörnigere Maschenweiten. Ein 220-Mesh-Granat sorgt für glattere und präzisere Oberflächen über 80-Mesh, insbesondere beim Schneiden von dünnem Material.

Der Druck wird durch das Wasservolumen bestimmt, das von einer Pumpe durch eine Düsenöffnung gedrückt wird (sieheFigur 2 ). Je kleiner die Öffnung, desto höher der Druck. Hypothetisch könnten Sie mit einer 100-PS-Pumpe und einer breiten Öffnung Ihren Wasserstrahl auf 30.000 PSI maximieren – aber kein OEM verkauft so etwas, weil es nicht effektiv ist. Auf der anderen Seite ist es möglich, mit einer 5-PS-Pumpe 60.000 PSI zu erreichen, aber die Einsatzmöglichkeiten sind stark eingeschränkt und die Öffnung wäre absurd eng.

Die Leistung ist proportional zum Druck mal zum Volumenstrom (P = kp × V). Bei einer gegebenen Pumpenleistung muss jeder Druckanstieg mit einer proportionalen Verringerung des Volumenstroms einhergehen. Das bedeutet, dass eine Pumpe mit höherem Druck eine Düse mit kleinerer Öffnung verwenden muss. Zum Beispiel eine 50-PS-Druckverstärkerpumpe mit einem 0,014-Zoll-Durchmesser. Die Düsenöffnung bei 60 KSI ist auf 0,010 Zoll beschränkt. Öffnung bei 90 KSI.

Bei reinen Wasserstrahlanwendungen ohne Schleifmittel kann ein höherer Druck zu einem schnelleren Schneiden führen. Tatsächlich kann der kleinere Durchmesser des Strahls, der von einem Hochdrucksystem kommt, bei reinen Wasserschneidanwendungen, wie zum Beispiel bei Lebensmitteln oder Schaumgummi, effektiver sein. Bei abrasiven Wasserstrahlschneidsystemen erfolgt der Schnitt jedoch durch das Schleifmittel und nicht durch das Wasser. Stattdessen beschleunigt das Wasser kleine Schleifpartikel in einem zusammenhängenden Strom, der das zu schneidende Material erodieren kann.

Von 10.000 bis 60.000 PSI steigt die Geschwindigkeit des abrasiven Wasserstrahlschneidens stetig an. Auch Finish und Genauigkeit verbessern sich, da der höhere PSI die Partikel auf einen einzigen Punkt fokussiert. Bei höheren Drücken beginnt jedoch der direkte Zusammenhang zwischen PSI und Schnittgeschwindigkeit aufzubrechen.

Abbildung 1Bei einer Wasserstrahlpumpe mit Direktantrieb kommt die Leistung aus dem Kurbelgehäuse, wie hier abgebildet.

Dies geht aus einem Artikel von Dr. Axel Henning, Pete Miles und Ernst Schubert aus dem Jahr 2018 mit dem Titel „Effects of Particle Fragmentation on Performance of the Abrasive Waterjet“ hervor, der auf der International Conference on Water Jetting vorgestellt wurde und in dem die Autoren untersuchten, wie die Schneidleistung zusammenhängt zur Schleifpartikelgröße (sieheFigur 3 ). Sie fanden heraus, dass bei höheren Drücken die Schleifkörner auseinanderbrechen und vor dem Austritt aus der Düse zu feinerem Staub werden, was zu einer verringerten Schneidleistung führt.

Die Pferdestärke bestimmt die Wassermenge, die aus einer Wasserstrahldüse austritt. Zum Beispiel mit einem 0,022-Zoll. Eine 50-PS-Druckverstärkerpumpe mit 60.000 PSI fördert im Allgemeinen 1 Gallone pro Minute (GPM). Eine 100-PS-Pumpe mit 60.000 PSI leistet normalerweise 2 GPM.

Die Leistung an der Pumpe ist nicht dieselbe wie die Leistung an der Düse, und Direktantriebs- und Verstärkersysteme weisen unterschiedliche Pumpeneffizienzeigenschaften auf. Wenn jedoch die Strahlmitteldurchflussrate, der Düsen-/Öffnungsdurchmesser und die Leistung an der Düse gleich sind, schneiden eine Verstärkerpumpe und eine Direktantriebspumpe mit der gleichen Geschwindigkeit durch die meisten gängigen Materialien und Dicken.

Die Auswirkungen zusätzlicher PS hängen auch vom zu schneidenden Material ab. Eine höhere Leistung wird die Bearbeitung von 3 Zoll dickem Aluminium definitiv beschleunigen, aber die Auswirkungen werden vernachlässigbar sein, wenn Unterlegscheiben mit einer 0,010 Zoll dicken Platte bearbeitet werden. Öffnung. Beim Schneiden sehr dünner Materialien kann es besser sein, mit einer niedrigeren Leistung zu arbeiten, bei der die Frequenzschwankungen stabiler sind. Eine weitere Möglichkeit wäre der Einsatz einer Pumpe mit frequenzgeregeltem Antrieb.

Insgesamt lässt sich die allgemeine Aussage treffen, dass der effektivste Weg, die Effizienz des Wasserstrahlschneidens zu steigern, darin besteht, die Leistung der Pumpe in PS zu erhöhen, da dadurch mehr Wasser und Strahlmittel durch die Düse und durch das Material gedrückt werden.

Die beste Kombination aus PS und Druck für eine bestimmte Maschine zu finden, ist so, als würde man einem sagen, wie man sein Auto am besten fährt. Ein Scion xA fährt ganz anders als ein Shelby Cobra. Darüber hinaus können Leistung und Leistung beider Fahrzeuge stark schwanken, abhängig vom Zustand des Motors in diesen beiden Fahrzeugen, der Sorgfalt, mit der sie behandelt werden, ihrem Alter und der Art und Weise, wie sie zusammengebaut wurden. Wenn die Cobra missbraucht und nicht gewartet wurde und der xA in Topform ist … dann verstehen Sie, worum es geht. Beide Fahrzeuge bringen Sie von Punkt A nach Punkt B; Die Frage kommt wirklich darauf an, wie schön die Fahrt ist.

Allerdings funktionieren einige Kombinationen aus Leistung und Druck tendenziell unter idealen Bedingungen und mit bestimmten Düsen-/Düsengrößen. Um die Auto-Analogie fortzusetzen, denken Sie an die Zahlen inFigur 4 wie Sie es auch bei der Kraftstoffeffizienz von Neuwagen tun würden. Die in der Tabelle gezeigten PS-/Druckkombinationen mögen auf dem Papier als optimal angesehen werden, aber sie erklären in keiner Weise, was in Ihrer Maschine passiert. Betrachten Sie diese als einen guten Ausgangspunkt für die Optimierung Ihres Wasserstrahlschneidens für bestimmte Materialien. Für die meisten Standardmetalle, einschließlich Aluminium, Stahl, Messing und Titan, unterscheiden sich die richtigen Schnittbedingungen je nachdem, ob das Material dick oder dünn ist.

Acryl und andere Kunststoffe sind aufgrund der fehlenden Wärmeübertragung ausgezeichnete Kandidaten für das Wasserstrahlschneiden, neigen jedoch beim Lochen zu Absplitterungen oder Rissen. Glas verhält sich diesbezüglich ähnlich. Bei Materialien, die spröde sind oder zur Delaminierung neigen, beginnen Sie mit einem Niederdruck-Stechen und steigern Sie dann den Schneidvorgang.

Schäume erfordern einen völlig anderen Ansatz, da beim Wasserstrahlverfahren keine Schleifmittel zum Einsatz kommen. Anstatt sich auf die Größe der Öffnungen/Düsen zu konzentrieren, können Hersteller die Schaumanwendungen optimieren, indem sie die Steingröße anpassen. (Das Juwel ist die Stelle, an der Hochdruckwasser in Hochgeschwindigkeitswasser übergeht.) Ein guter Ausgangspunkt sind 20–50 PS und 60 KSI Druck sowie eine Juwelengröße von 0,011 Zoll.

Das Wasserstrahlschneiden lässt sich im Vakuum nicht optimieren. Selbst mit der perfekten Balance zwischen Granatmaschengröße, Druck, Leistung und Öffnungs-/Düsendurchmesser können ebenso perfekte Zykluszeiten und Rentabilität unerreichbar bleiben. In jeder hinreichend komplexen Produktionsumgebung können Produktivitätsprobleme durch viele Faktoren verursacht werden, darunter auch die Pumpentechnologie.

Figur 2Die Kombination aus Düse und Öffnung trägt dazu bei, das Wasser unter Druck zu setzen, wenn es aus der Hochdruckleitung durch eine Öffnung gepresst wird.

Unabhängig davon hat sich der abrasive Wasserstrahl von einem Spezialgerät für Hersteller zu einem neuen Allzweckwerkzeug in Maschinenwerkstätten und Produktionsstätten auf der ganzen Welt entwickelt. Auch wenn sich die Technologie ändert, bleiben Wasser und Granat weitgehend gleich. Solange diese Materialien die Grundlage für das gesamte abrasive Wasserstrahlschneiden bilden, werden Leistung und Druck eine große Rolle spielen.

Die einfachste Antwort auf die Debatte „Pferdestärke versus Druck“ ist, dass es überhaupt keine Debatte gibt. Beide spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung von Wasserstrahlprozessen, aber die relative Bedeutung von Leistung und Druck hängt vollständig von Ihrer Wasserstrahlanwendung und dem Zustand der Wasserstrahlmaschine selbst ab.

Für die meisten Betriebe, die die Schnittgeschwindigkeit an einer vorhandenen Maschine erhöhen möchten, bietet der Einbau einer Pumpe mit höherer Leistung den größten Vorteil. Der beste Weg, das beste Gleichgewicht zwischen Leistung und Druck zu finden, besteht jedoch darin, viel zu experimentieren und eng mit den Anwendungsexperten des Wasserstrahl-OEMs zusammenzuarbeiten.