O corte por jato de água pode ser um método de processamento mais simples, mas é equipado com um punção potente e exige que o operador esteja atento ao desgaste e à precisão de várias peças.
O corte por jato de água mais simples é o processo de corte com jatos de água de alta pressão em materiais. Essa tecnologia geralmente é complementar a outras tecnologias de processamento, como fresagem, laser, eletroerosão e plasma. No processo de jato de água, não são formadas substâncias nocivas ou vapor, nem zonas afetadas pelo calor ou tensões mecânicas. Os jatos de água podem cortar detalhes ultrafinos em pedra, vidro e metal; perfurar rapidamente titânio; cortar alimentos; e até mesmo eliminar patógenos em bebidas e molhos.
Todas as máquinas de jato de água possuem uma bomba que pressuriza a água para o cabeçote de corte, onde é convertida em um fluxo supersônico. Existem dois tipos principais de bombas: bombas de acionamento direto e bombas de reforço.
A função da bomba de acionamento direto é semelhante à de uma lavadora de alta pressão, e a bomba de três cilindros aciona três êmbolos diretamente do motor elétrico. A pressão máxima de trabalho contínua é de 10% a 25% menor do que a de bombas de reforço semelhantes, mas ainda assim as mantém entre 20.000 e 50.000 psi.
As bombas intensificadoras constituem a maioria das bombas de ultra-alta pressão (ou seja, bombas acima de 30.000 psi). Essas bombas contêm dois circuitos de fluido, um para água e outro para o sistema hidráulico. O filtro de entrada de água passa primeiro por um filtro de cartucho de 1 mícron e, em seguida, por um filtro de 0,45 mícron para sugar água da torneira comum. Essa água entra na bomba de reforço. Antes de entrar na bomba de reforço, a pressão da bomba de reforço é mantida em cerca de 90 psi. Aqui, a pressão é aumentada para 60.000 psi. Antes que a água finalmente saia do conjunto da bomba e alcance o cabeçote de corte através da tubulação, ela passa pelo amortecedor. O dispositivo pode suprimir flutuações de pressão para melhorar a consistência e eliminar pulsos que deixam marcas na peça de trabalho.
No circuito hidráulico, o motor elétrico entre os motores elétricos extrai óleo do tanque de óleo e o pressuriza. O óleo pressurizado flui para o coletor, e a válvula do coletor injeta óleo hidráulico alternadamente em ambos os lados do conjunto do pistão e do êmbolo para gerar a ação de curso do booster. Como a superfície do êmbolo é menor que a do pistão, a pressão do óleo "aumenta" a pressão da água.
O booster é uma bomba reciprocante, o que significa que o conjunto biscoito e êmbolo fornece água em alta pressão de um lado do booster, enquanto a água em baixa pressão preenche o outro lado. A recirculação também permite que o óleo hidráulico resfrie ao retornar ao tanque. A válvula de retenção garante que a água em baixa e alta pressão flua apenas em uma direção. Os cilindros de alta pressão e as tampas que encapsulam os componentes do êmbolo e do biscoito devem atender a requisitos especiais para suportar as forças do processo e os ciclos de pressão constantes. Todo o sistema é projetado para falhar gradualmente, e o vazamento fluirá para "orifícios de drenagem" especiais, que podem ser monitorados pelo operador para melhor programar a manutenção regular.
Um tubo especial de alta pressão transporta a água para a cabeça de corte. O tubo também pode proporcionar liberdade de movimento para a cabeça de corte, dependendo do tamanho do tubo. O aço inoxidável é o material de escolha para esses tubos, e existem três tamanhos comuns. Tubos de aço com diâmetro de 1/4 de polegada são flexíveis o suficiente para conectar equipamentos esportivos, mas não são recomendados para o transporte de água de alta pressão por longas distâncias. Como esse tubo é fácil de dobrar, mesmo em um rolo, um comprimento de 10 a 20 pés pode alcançar o movimento X, Y e Z. Tubos maiores de 3/8 de polegada geralmente transportam água da bomba para a parte inferior do equipamento em movimento. Embora possam ser dobrados, geralmente não são adequados para equipamentos de movimentação de dutos. O tubo maior, medindo 9/16 de polegada, é melhor para transportar água de alta pressão por longas distâncias. Um diâmetro maior ajuda a reduzir a perda de pressão. Tubos desse tamanho são muito compatíveis com bombas grandes, pois uma grande quantidade de água de alta pressão também apresenta um risco maior de perda de pressão. No entanto, tubos desse tamanho não podem ser dobrados, e é preciso instalar conexões nos cantos.
A máquina de corte por jato de água pura é a mais antiga, e sua história remonta ao início da década de 1970. Em comparação com o contato ou a inalação de materiais, produz menos água nos materiais, sendo adequada para a produção de produtos como interiores automotivos e fraldas descartáveis. O fluido é muito fino – de 0,004 a 0,010 polegadas de diâmetro – e proporciona geometrias extremamente detalhadas com pouquíssima perda de material. A força de corte é extremamente baixa e a fixação geralmente é simples. Essas máquinas são mais adequadas para operação 24 horas.
Ao considerar um cabeçote de corte para uma máquina de jato de água pura, é importante lembrar que a velocidade do fluxo são os fragmentos ou partículas microscópicas do material de corte, não a pressão. Para atingir essa alta velocidade, a água pressurizada flui através de um pequeno orifício em uma pedra preciosa (geralmente uma safira, rubi ou diamante) fixada na extremidade do bico. O corte típico utiliza um diâmetro de orifício de 0,004 polegadas a 0,010 polegadas, enquanto aplicações especiais (como concreto projetado) podem utilizar tamanhos de até 0,10 polegadas. A 40.000 psi, o fluxo do orifício viaja a uma velocidade de aproximadamente Mach 2, e a 60.000 psi, o fluxo excede Mach 3.
Joias diferentes possuem diferentes especialidades em corte por jato de água. A safira é o material de uso geral mais comum. Elas duram aproximadamente 50 a 100 horas de corte, embora a aplicação de jato de água abrasivo reduza esse tempo pela metade. Rubis não são adequados para corte por jato de água puro, mas o fluxo de água que produzem é muito adequado para corte abrasivo. No processo de corte abrasivo, o tempo de corte para rubis é de cerca de 50 a 100 horas. Diamantes são muito mais caros do que safiras e rubis, mas o tempo de corte fica entre 800 e 2.000 horas. Isso torna o diamante particularmente adequado para operação de 24 horas. Em alguns casos, o orifício do diamante também pode ser limpo por ultrassom e reutilizado.
Na máquina de corte a jato de água abrasivo, o mecanismo de remoção de material não é o fluxo de água em si. Em vez disso, o fluxo acelera as partículas abrasivas, corroendo o material. Essas máquinas são milhares de vezes mais potentes do que as máquinas de corte a jato de água puro e podem cortar materiais duros, como metal, pedra, materiais compósitos e cerâmica.
O jato abrasivo é maior que o jato de água pura, com um diâmetro entre 0,020 polegadas e 0,050 polegadas. Eles podem cortar pilhas e materiais de até 10 polegadas de espessura sem criar zonas afetadas pelo calor ou estresse mecânico. Embora sua resistência tenha aumentado, a força de corte do jato abrasivo ainda é inferior a meio quilo. Quase todas as operações de jato abrasivo utilizam um dispositivo de jato, e podem facilmente alternar entre o uso de uma cabeça única e o uso de múltiplas cabeças, e até mesmo o jato de água abrasivo pode ser convertido em um jato de água pura.
O abrasivo é duro, especialmente selecionado e com tamanho de areia – geralmente granada. Diferentes tamanhos de grade são adequados para diferentes trabalhos. Uma superfície lisa pode ser obtida com abrasivos de 120 mesh, enquanto abrasivos de 80 mesh provaram ser mais adequados para aplicações de uso geral. A velocidade de corte do abrasivo de 50 mesh é mais rápida, mas a superfície é ligeiramente mais áspera.
Embora os jatos d'água sejam mais fáceis de operar do que muitas outras máquinas, o tubo de mistura requer atenção do operador. O potencial de aceleração deste tubo é semelhante ao de um cano de rifle, com diferentes tamanhos e diferentes tempos de substituição. O tubo de mistura de longa duração é uma inovação revolucionária no corte por jato d'água abrasivo, mas ainda é muito frágil – se a cabeça de corte entrar em contato com um acessório, um objeto pesado ou o material alvo, o tubo pode quebrar. Tubos danificados não podem ser reparados, portanto, manter os custos baixos requer minimizar a substituição. As máquinas modernas geralmente possuem uma função de detecção automática de colisão para evitar colisões com o tubo de mistura.
A distância de separação entre o tubo de mistura e o material alvo é geralmente de 0,010 a 0,200 polegadas, mas o operador deve ter em mente que uma separação maior que 0,080 polegadas causará congelamento na parte superior da borda cortada da peça. O corte subaquático e outras técnicas podem reduzir ou eliminar esse congelamento.
Inicialmente, o tubo de mistura era feito de carboneto de tungstênio e tinha uma vida útil de apenas quatro a seis horas de corte. Os tubos compostos de baixo custo atuais podem atingir uma vida útil de 35 a 60 horas e são recomendados para cortes grosseiros ou treinamento de novos operadores. O tubo composto de carboneto cimentado estende sua vida útil para 80 a 90 horas de corte. O tubo composto de carboneto cimentado de alta qualidade tem uma vida útil de 100 a 150 horas, é adequado para trabalhos de precisão e diários e apresenta o desgaste concêntrico mais previsível.
Além de fornecer movimento, as máquinas-ferramentas de jato de água também devem incluir um método de fixação da peça de trabalho e um sistema para coletar e acumular água e detritos das operações de usinagem.
Máquinas estacionárias e unidimensionais são os jatos de água mais simples. Jatos de água estacionários são comumente usados na indústria aeroespacial para aparar materiais compósitos. O operador alimenta o material no riacho como uma serra de fita, enquanto o coletor coleta o riacho e os detritos. A maioria dos jatos de água estacionários são jatos de água puros, mas não todos. A máquina de corte é uma variante da máquina estacionária, na qual produtos como papel são alimentados através da máquina, e o jato de água corta o produto em uma largura específica. Uma máquina de corte transversal é uma máquina que se move ao longo de um eixo. Eles geralmente trabalham com máquinas de corte para fazer padrões em forma de grade em produtos como máquinas de venda automática, como brownies. A máquina de corte corta o produto em uma largura específica, enquanto a máquina de corte transversal corta transversalmente o produto alimentado abaixo dela.
Os operadores não devem utilizar manualmente este tipo de jato de água abrasivo. É difícil mover o objeto cortado a uma velocidade específica e consistente, além de ser extremamente perigoso. Muitos fabricantes nem sequer oferecem orçamentos para máquinas com essas configurações.
A mesa XY, também chamada de máquina de corte plana, é a máquina de corte por jato de água bidimensional mais comum. Jatos de água pura cortam juntas, plásticos, borracha e espuma, enquanto modelos abrasivos cortam metais, compósitos, vidro, pedra e cerâmica. A bancada pode ter dimensões de 2 × 4 pés ou 30 × 100 pés. Normalmente, o controle dessas máquinas-ferramenta é feito por CNC ou PC. Servomotores, geralmente com feedback em malha fechada, garantem a integridade da posição e da velocidade. A unidade básica inclui guias lineares, mancais e fusos de esferas, enquanto a unidade ponte também inclui essas tecnologias, e o tanque de coleta inclui suporte de material.
As bancadas XY geralmente vêm em dois estilos: a bancada de trabalho tipo pórtico com trilho central inclui dois trilhos-guia de base e uma ponte, enquanto a bancada cantilever utiliza uma base e uma ponte rígida. Ambos os tipos de máquina incluem algum tipo de ajuste de altura do cabeçote. Esse ajuste no eixo Z pode ser feito por meio de uma manivela manual, um parafuso elétrico ou um parafuso servo totalmente programável.
O reservatório na bancada XY é geralmente um reservatório de água, equipado com grades ou ripas para apoiar a peça de trabalho. O processo de corte consome esses suportes lentamente. A limpeza do reservatório pode ser automática, com os resíduos armazenados no recipiente, ou manual, com o operador removendo a lata regularmente.
À medida que a proporção de itens com superfícies praticamente planas aumenta, os recursos de cinco eixos (ou mais) são essenciais para o corte moderno com jato de água. Felizmente, a cabeça de corte leve e a baixa força de recuo durante o processo de corte proporcionam aos engenheiros de projeto uma liberdade que o fresamento de alta carga não oferece. O corte com jato de água de cinco eixos inicialmente utilizava um sistema de gabarito, mas os usuários logo recorreram ao sistema programável de cinco eixos para eliminar o custo do gabarito.
No entanto, mesmo com software dedicado, o corte 3D é mais complexo do que o corte 2D. A parte da cauda composta do Boeing 777 é um exemplo extremo. Primeiro, o operador carrega o programa e programa a haste flexível "pogostick". A ponte rolante transporta o material das peças, a barra de mola é desparafusada a uma altura apropriada e as peças são fixadas. O eixo Z especial sem corte usa uma sonda de contato para posicionar a peça com precisão no espaço e pontos de amostra para obter a elevação e a direção corretas da peça. Depois disso, o programa é redirecionado para a posição real da peça; a sonda se retrai para abrir espaço para o eixo Z da cabeça de corte; o programa é executado para controlar todos os cinco eixos para manter a cabeça de corte perpendicular à superfície a ser cortada e operar conforme necessário. Viaje na velocidade precisa.
Abrasivos são necessários para cortar materiais compósitos ou qualquer metal com mais de 0,05 polegadas, o que significa que o ejetor precisa ser impedido de cortar a barra de mola e a base da ferramenta após o corte. A captura de ponto especial é a melhor maneira de obter cortes com jato de água de cinco eixos. Testes mostraram que essa tecnologia pode parar um jato de 50 cavalos de potência com menos de 6 polegadas. A estrutura em forma de C conecta o coletor ao pulso do eixo Z para capturar corretamente a bola quando a cabeça apara toda a circunferência da peça. O coletor de ponto também interrompe a abrasão e consome esferas de aço a uma taxa de cerca de 0,5 a 1 libra por hora. Nesse sistema, o jato é parado pela dispersão de energia cinética: após o jato entrar na armadilha, ele encontra a esfera de aço contida, e a esfera de aço gira para consumir a energia do jato. Mesmo quando horizontalmente e (em alguns casos) de cabeça para baixo, o coletor de ponto pode funcionar.
Nem todas as peças de cinco eixos são igualmente complexas. À medida que o tamanho da peça aumenta, o ajuste do programa e a verificação da posição da peça e da precisão do corte tornam-se mais complexos. Muitas oficinas utilizam máquinas 3D para cortes 2D simples e cortes 3D complexos diariamente.
Os operadores devem estar cientes de que existe uma grande diferença entre a precisão da peça e a precisão do movimento da máquina. Mesmo uma máquina com precisão quase perfeita, movimento dinâmico, controle de velocidade e excelente repetibilidade pode não ser capaz de produzir peças "perfeitas". A precisão da peça acabada é uma combinação de erro de processo, erro da máquina (desempenho XY) e estabilidade da peça (fixação, planicidade e estabilidade térmica).
Ao cortar materiais com espessura inferior a 1 polegada, a precisão do jato de água geralmente fica entre ±0,003 e 0,015 polegadas (0,07 a 0,4 mm). A precisão para materiais com mais de 1 polegada de espessura fica entre ±0,005 e 0,100 polegadas (0,12 a 2,5 mm). A mesa XY de alto desempenho foi projetada para precisão de posicionamento linear de 0,005 polegadas ou superior.
Erros potenciais que afetam a precisão incluem erros de compensação de ferramentas, erros de programação e movimento da máquina. A compensação de ferramentas é o valor inserido no sistema de controle para levar em consideração a largura de corte do jato, ou seja, a extensão do caminho de corte que deve ser expandida para que a peça final atinja o tamanho correto. Para evitar possíveis erros em trabalhos de alta precisão, os operadores devem realizar cortes de teste e entender que a compensação de ferramentas deve ser ajustada para corresponder à frequência de desgaste do tubo de mistura.
Erros de programação ocorrem com mais frequência porque alguns controles XY não exibem as dimensões no programa da peça, dificultando a detecção da falta de correspondência dimensional entre o programa da peça e o desenho CAD. Aspectos importantes do movimento da máquina que podem introduzir erros são a folga e a repetibilidade na unidade mecânica. O ajuste do servo também é importante, pois o ajuste incorreto do servo pode causar erros em folgas, repetibilidade, verticalidade e trepidação. Peças pequenas com comprimento e largura inferiores a 30 cm não requerem tantas tabelas XY quanto peças grandes, portanto, a possibilidade de erros de movimento da máquina é menor.
Os abrasivos representam dois terços dos custos operacionais dos sistemas de jato de água. Outros custos incluem energia, água, ar, vedações, válvulas de retenção, orifícios, tubos de mistura, filtros de entrada de água e peças de reposição para bombas hidráulicas e cilindros de alta pressão.
A operação em potência máxima parecia mais cara no início, mas o aumento na produtividade superou o custo. À medida que a vazão abrasiva aumenta, a velocidade de corte aumenta e o custo por polegada diminui até atingir o ponto ideal. Para máxima produtividade, o operador deve operar o cabeçote de corte na velocidade de corte mais rápida e na potência máxima para otimizar o uso. Se um sistema de 100 cavalos de potência só consegue operar um cabeçote de 50 cavalos de potência, então operar dois cabeçotes no sistema pode atingir essa eficiência.
A otimização do corte por jato de água abrasivo requer atenção à situação específica em questão, mas pode proporcionar excelentes aumentos de produtividade.
Não é aconselhável cortar uma abertura de ar maior que 0,020 polegadas, pois o jato se abre na abertura e corta grosseiramente os níveis mais baixos. Empilhar as folhas de material muito próximas umas das outras pode evitar isso.
Meça a produtividade em termos de custo por polegada (ou seja, o número de peças fabricadas pelo sistema), não de custo por hora. De fato, a produção rápida é necessária para amortizar custos indiretos.
Jatos de água que frequentemente perfuram materiais compósitos, vidro e pedras devem ser equipados com um controlador que possa reduzir e aumentar a pressão da água. A assistência a vácuo e outras tecnologias aumentam a probabilidade de perfurar com sucesso materiais frágeis ou laminados sem danificar o material alvo.
A automação do manuseio de materiais só faz sentido quando o manuseio de materiais representa uma grande parte do custo de produção das peças. Máquinas de jato de água abrasivo geralmente utilizam descarga manual, enquanto o corte de chapas utiliza principalmente automação.
A maioria dos sistemas de jato de água utiliza água da torneira comum, e 90% dos operadores de jato de água não fazem nenhum preparo além de amaciar a água antes de enviá-la ao filtro de entrada. Usar osmose reversa e deionizadores para purificar a água pode ser tentador, mas a remoção de íons facilita a absorção de íons de metais em bombas e tubulações de alta pressão. Isso pode prolongar a vida útil do orifício, mas o custo de substituição do cilindro de alta pressão, da válvula de retenção e da tampa da extremidade é muito maior.
O corte subaquático reduz o congelamento superficial (também conhecido como "embaçamento") na borda superior do corte com jato de água abrasivo, além de reduzir significativamente o ruído do jato e o caos no local de trabalho. No entanto, isso reduz a visibilidade do jato, por isso é recomendável usar o monitoramento eletrônico de desempenho para detectar desvios das condições de pico e parar o sistema antes que qualquer dano aos componentes seja causado.
Para sistemas que utilizam diferentes tamanhos de peneira abrasiva para diferentes trabalhos, utilize armazenamento e dosagem adicionais para tamanhos comuns. Válvulas de transporte de granéis pequenos (45 kg) ou grandes (227 a 900 kg) e válvulas de dosagem relacionadas permitem a troca rápida entre os tamanhos de malha da peneira, reduzindo o tempo de inatividade e a complicação, além de aumentar a produtividade.
O separador pode cortar com eficácia materiais com espessura inferior a 0,3 polegadas. Embora essas alças geralmente garantam uma segunda trituração da rosca, elas permitem um manuseio mais rápido do material. Materiais mais duros terão etiquetas menores.
Máquina com jato de água abrasivo e controle da profundidade de corte. Para as peças certas, este processo incipiente pode ser uma alternativa atraente.
A Sunlight-Tech Inc. utilizou os centros de microusinagem e microfresagem a laser Microlution da GF Machining Solutions para produzir peças com tolerâncias menores que 1 mícron.
O corte por jato de água ocupa um lugar de destaque na indústria de materiais. Este artigo analisa como o corte por jato de água funciona na sua loja e analisa o processo.
Horário da publicação: 04/09/2021