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Jul 25, 2023

Los conceptos básicos detrás del corte por presión con chorro de agua

La presión adecuada de corte con chorro de agua proviene de una combinación de potencia de la bomba y diámetro de la boquilla y el orificio. Por supuesto, establecer la presión óptima es sólo un punto de partida. Desde el inicio de

La presión adecuada de corte con chorro de agua proviene de una combinación de potencia de la bomba y diámetro de la boquilla y el orificio. Por supuesto, establecer la presión óptima es sólo un punto de partida.

Desde el inicio de la tecnología de chorro de agua hace casi 50 años, ha habido un debate continuo sobre qué combinación de presión y potencia da como resultado un rendimiento de corte óptimo. ¿Un número mayor se traduce en un corte mejor o más rápido? ¿Qué combinación de presión, caballos de fuerza y ​​conjunto de boquilla es mejor para una aplicación determinada? ¿Qué significa realmente todo esto?

Para enmarcar la discusión, eliminemos el argumento del intensificador versus las bombas de accionamiento directo. Si alguna vez ha investigado la compra de un sistema de chorro de agua, probablemente se haya encontrado con una avalancha de datos de marketing y ventas que muestran los beneficios de cada uno. Las bombas intensificadoras hidráulicas pueden ofrecer presiones excepcionalmente altas a costa de un sistema hidráulico que consume mucha energía. Otros han abogado por sistemas de transmisión directa que utilizan una bomba de cigüeñal mecánica (verFigura 1).

En décadas anteriores existía una compensación entre estas tecnologías. Las bombas intensificadoras se consideraban más fáciles y económicas de mantener, especialmente a altas presiones, mientras que los sistemas de accionamiento directo ofrecían una mayor eficiencia energética. La tecnología ha evolucionado y las compensaciones han cambiado a lo largo de los años.

De todos modos, los principios básicos detrás del corte por chorro de agua no han cambiado. La combinación de boquilla/orificio ayuda a presurizar el agua a medida que se exprime desde la tubería de alta presión a través de una abertura medida en centésimas de pulgada. Al pasar a través de un orificio de pequeño diámetro, el agua forma un chorro coherente de agua que luego pasa a través de una boquilla venturi, donde una cantidad medida de abrasivo granular se introduce en la corriente de agua. La mezcla de agua y partículas abrasivas pasa a través de un tubo mezclador cerámico especial, y la mezcla abrasiva/agua resultante sale de la boquilla como una corriente de corte coherente de partículas abrasivas que viajan a muy alta velocidad.

Los abrasivos cortan sólo cuando llegan con éxito al material. La malla del abrasivo debe ser del tamaño correcto para el orificio para evitar obstrucciones. El granate de malla 80 es más universal entre los tamaños de boquilla, mientras que el granate de malla 50 es mucho más grueso y normalmente se usa con orificios de mayor diámetro, como 0,022 o 0,020 pulgadas. El uso de una boquilla más estrecha con granate de malla 50 aumentará la probabilidad de obstrucciones. . Para boquillas más pequeñas utilizadas para aplicaciones de alta precisión, como 0,014 o 0,010 pulgadas. boquillas, una malla de 120 o superior es óptima.

El tamaño de la boquilla no es el único factor que determina el tamaño de malla ideal para una aplicación determinada. Al igual que el papel de lija, los acabados superficiales más finos requieren tamaños de malla más altos y de grano más fino. Un granate de malla 220 proporcionará acabados más suaves y precisos con una malla de 80, especialmente al cortar material fino.

La presión está determinada por el volumen de agua que una bomba empuja a través del orificio de una boquilla (consulteFigura 2 ). Cuanto más pequeño sea el orificio, mayor será la presión. Hipotéticamente, con una bomba de 100 HP y un orificio amplio, podría maximizar su chorro de agua a 30 000 PSI, pero ningún OEM vende algo así porque no es efectivo. Por otro lado del argumento, es posible alcanzar 60.000 PSI con una bomba de 5 HP, pero las aplicaciones son muy limitadas y el orificio sería absurdamente estrecho.

La potencia es proporcional a la presión multiplicada por el caudal volumétrico (P = kp × V). Para una potencia de bomba determinada, cualquier aumento de presión debe ir acompañado de una disminución proporcional del caudal volumétrico. Esto significa que una bomba de mayor presión debe utilizar una boquilla con un orificio más pequeño. Por ejemplo, una bomba intensificadora de 50 HP con un diámetro de 0,014 pulg. El orificio de la boquilla a 60 KSI está limitado a 0,010 pulgadas. orificio a 90 KSI.

Para aplicaciones de chorro de agua puro realizadas sin abrasivos, una mayor presión puede provocar un corte más rápido. De hecho, el diámetro más pequeño del chorro que proviene de un sistema de alta presión puede ser más efectivo en aplicaciones de corte que utilizan solo agua, como productos alimenticios o gomaespuma. Sin embargo, en los sistemas de corte por chorro de agua abrasivos, el abrasivo realiza el corte, no el agua. En cambio, el agua acelera pequeñas partículas abrasivas en una corriente coherente que puede erosionar el material que se está cortando.

De 10 000 a 60 000 PSI, la velocidad de corte con chorro de agua abrasivo aumenta constantemente. El acabado y la precisión también mejoran porque el PSI más alto enfoca las partículas en un solo punto. Sin embargo, a presiones más altas, la relación directa entre PSI y la velocidad de corte comienza a desmoronarse.

Figura 1En una bomba de chorro de agua de accionamiento directo, los caballos de fuerza provienen del cárter, como se muestra aquí.

Esto es según un artículo de 2018 del Dr. Axel Henning, Pete Miles y Ernst Schubert titulado "Efectos de la fragmentación de partículas en el rendimiento del chorro de agua abrasivo", presentado en la Conferencia Internacional sobre Chorro de Agua, en el que los autores estudiaron cómo se relacionaba el rendimiento de corte. al tamaño de las partículas abrasivas (verfigura 3 ). Descubrieron que a presiones más altas, los granos abrasivos se rompen y se convierten en un polvo más fino antes de salir de la boquilla, lo que reduce el poder de corte.

Los caballos de fuerza determinan el volumen de agua que sale de una boquilla de chorro de agua. Por ejemplo, con un 0,022 pulgadas. orificio, una bomba intensificadora de 50 HP que funciona a 60,000 PSI generalmente producirá 1 galón por minuto (GPM). Una bomba de 100 HP que funciona a 60 000 PSI normalmente producirá 2 GPM.

Los caballos de fuerza en la bomba no son los mismos que los caballos de fuerza en la boquilla, y los sistemas intensificadores y de transmisión directa tienen diferentes características de eficiencia de la bomba. Pero si el caudal de abrasivo, el diámetro de la boquilla/orificio y los caballos de fuerza en la boquilla son todos iguales, una bomba intensificadora y una bomba de accionamiento directo cortarán a la misma velocidad los materiales y espesores más comunes.

Los efectos de los caballos de fuerza adicionales también dependen del material que se corta. Una mayor potencia definitivamente acelerará el mecanizado de aluminio de 3 pulgadas de espesor, pero los efectos serán insignificantes al mecanizar cuñas con una cuña de 0,010 pulgadas. orificio. Al cortar materiales muy finos, puede ser mejor trabajar con una potencia menor, a la que la variación de frecuencia es más estable. Otra opción sería utilizar una bomba con variador de frecuencia.

En general, se puede hacer una afirmación general de que la forma más eficaz de aumentar la eficiencia del corte por chorro de agua es aumentar la potencia de la bomba en términos de caballos de fuerza, ya que esto da como resultado empujar más agua y abrasivo a través de la boquilla y a través del material.

Encontrar la mejor combinación de caballos de fuerza y ​​presión para una máquina determinada es como decirle cuál es la mejor manera de conducir su automóvil. Un Scion xA se conduce de manera muy diferente a un Shelby Cobra. Además, dependiendo del estado del motor de ambos vehículos, el cuidado que se les dé, su antigüedad y cómo fueron ensamblados, la potencia y el rendimiento de ambos vehículos pueden variar enormemente. Si el Cobra ha sido abusado y sin mantenimiento y el xA está en óptimas condiciones... entiendes el punto. Ambos vehículos te llevarán del punto A al punto B; La pregunta realmente se reduce a qué tan agradable es el viaje.

Dicho esto, algunas combinaciones de caballos de fuerza y ​​presión tienden a funcionar en condiciones ideales y con tamaños de orificio/boquilla específicos. Para continuar con la analogía del automóvil, piense en los números enFigura 4 como lo haría con la eficiencia de combustible publicada en los autos nuevos. Las combinaciones de caballos de fuerza/presión que se muestran en la tabla pueden considerarse óptimas en el papel, pero de ninguna manera tienen en cuenta lo que puede estar sucediendo en su máquina. Piense en estos como un buen punto de partida para optimizar su corte por chorro de agua en un material específico. Para la mayoría de los metales estándar, incluidos el aluminio, el acero, el latón y el titanio, las condiciones de corte correctas variarán dependiendo de si el material es grueso o fino.

El acrílico y otros plásticos son excelentes candidatos para el corte con chorro de agua gracias a la ausencia de transferencia de calor, pero tienden a tener algunos problemas de astillas o grietas al perforar. El vidrio se comporta de manera similar a este respecto. Para materiales que son quebradizos o tienden a deslaminarse, comience con una perforación a baja presión y luego aumente para cortar.

Las espumas requieren un enfoque completamente diferente, porque el proceso de chorro de agua no utiliza abrasivos. En lugar de centrarse en los tamaños de orificios/boquillas, los fabricantes pueden optimizar las aplicaciones de espuma ajustando el tamaño de la joya. (La joya es donde el agua a alta presión pasa a agua a alta velocidad). Un buen punto de partida es 20-50 HP y 60 KSI de presión y un tamaño de joya de 0,011 pulgadas.

No se puede optimizar el corte con chorro de agua en el vacío. Incluso con el equilibrio perfecto entre el tamaño de malla del granate, la presión, los caballos de fuerza y ​​el diámetro del orificio/boquilla, tiempos de ciclo igualmente perfectos y rentabilidad pueden permanecer fuera de su alcance. En cualquier entorno de producción suficientemente complejo, los problemas de productividad pueden deberse a muchos factores, siendo la tecnología de bombas uno de ellos.

Figura 2La combinación de boquilla/orificio ayuda a presurizar el agua a medida que se exprime desde la tubería de alta presión a través de una abertura.

Independientemente, el chorro de agua abrasivo ha pasado de ser un equipo especializado para fabricantes a convertirse en una nueva herramienta de uso general en talleres mecánicos e instalaciones de fabricación de todo el mundo. Incluso cuando la tecnología cambia, el agua y el granate siguen siendo en gran medida los mismos. Mientras estos materiales formen la base de todo corte con chorro de agua abrasivo, la potencia y la presión desempeñarán un papel importante.

La respuesta más simple al debate sobre los caballos de fuerza versus la presión es que en realidad no existe ningún debate. Ambos desempeñan un papel importante en la optimización de los procesos de chorro de agua, pero la importancia relativa de los caballos de fuerza y ​​la presión depende completamente de su aplicación de chorro de agua y del estado de la propia máquina de chorro de agua.

Para la mayoría de los talleres que buscan aumentar la velocidad de corte en una máquina existente, agregar una bomba de mayor potencia proporcionará la mayor ventaja. Sin embargo, la única manera de encontrar el mejor equilibrio entre caballos de fuerza y ​​presión es realizar mucha experimentación y tener una estrecha relación de trabajo con los expertos en aplicaciones de los OEM de chorro de agua.