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Feb 03, 2024

Wie Wasserstrahlen im Vergleich zu herkömmlichen Metallbearbeitungsfunktionen abschneiden

Ein Wasserstrahl kann Teile mit Genauigkeiten liefern, die mit einem Bearbeitungsprozess mithalten können. In einigen Fällen können diese Schnitttoleranzen +/- 0,0005 Zoll betragen. Ein Wasserstrahl ist ein vielseitiges Werkzeug mit einem vielseitigen Namen.

Ein Wasserstrahl kann Teile mit Genauigkeiten liefern, die mit einem Bearbeitungsprozess mithalten können. In einigen Fällen können diese Schnitttoleranzen +/- 0,0005 Zoll betragen.

Ein Wasserstrahl ist ein vielseitiges Werkzeug mit einem vielseitigen Namen.

Die meisten Leser von The FABRICATOR sind es gewohnt, über Wasserstrahlen zu lesen und sie sogar auf der FABTECH zu sehen. Die Maschinen können komplizierte Formen in eine Vielzahl von Metallen – und Nichtmetallen – schneiden. Bei manchen Anwendungen sticht die Technologie wirklich als einzige Schneidoption hervor, da der Hochdruckstrahl aus Wasser und abrasivem Granat, der zum Schneiden des Metalls verwendet wird, die Eigenschaften des Grundmetalls während des Schneidvorgangs nicht verändert. (Thermische Schneidprozesse können eine Wärmeeinflusszone um den Schnittbereich herum erzeugen, die die Mikrostruktur des Metalls verändert und so zu Prozessschwankungen führt, die bei streng kontrollierten Tätigkeiten wie der Luft- und Raumfahrtfertigung unerwünscht sind. Wasserstrahlen sind ein Kaltschneideprozess.)

Aber der Wasserstrahl kann noch viel mehr als nur 2D-Bleche sowie Platten- und Rohrstrukturen schneiden. Es kann Metallbearbeitungsfunktionen bieten, die nur von Geräten wie Elektroerosionsmaschinen (EDMs) und Fräsen dupliziert werden.

Wenn Wasserstrahlschneiden manchmal als „Wasserstrahlbearbeitung“ bezeichnet wird, haben die Leute, die diesen Ausdruck verwenden, mehr Recht, als ihre Kollegen in der Fertigungswelt anerkennen. Wasserstrahlen tragen Material in einem kontrollierten, aber beschleunigten Erosionsprozess ab. Es werden zwar keine Späne hergestellt, es handelt sich aber trotzdem um einen subtraktiven Prozess. Und in manchen Fällen ist es ein wesentlich effizienterer subtraktiver Prozess als andere traditionelle Metallbearbeitungstechnologien.

Eine Wasserstrahlmaschine kann Geometrie schnell schneiden, um ein Vielfaches schneller als eine CNC-Fräse. Betrachten wir als Beispiel einen Auftrag mit Aluminium, genauer gesagt eine 1,25 Zoll dicke Motormontageplatte aus 6061 T6-Aluminium (siehe Abbildung 1).

Das Schneiden der gesamten Platte mit einem Wasserstrahl dauert 18 Minuten. (Für dieses Gespräch werden diese Teile unter Berücksichtigung einer durchschnittlichen Toleranz hergestellt.) Die Einrichtung für den Auftrag dauert 15 Minuten.

Das Schneiden desselben Teils auf einer herkömmlichen CNC-Fräse dauert etwa 30 Minuten. Die große Herausforderung bei dieser Anwendung besteht darin, dass das Teil gewendet werden muss, um den Auftrag abzuschließen. Da das Teil in Schraubstöcken gehalten werden muss, muss es entfernt, umgedreht und gesichert werden, bevor das Schneidwerkzeug die überschüssige Materialstärke entfernen kann, die die Schraubstöcke beim ersten Materialabtrag erfasst haben.

Darüber hinaus ist die Rüstzeit für diese Art von Auftrag viel länger als für einen Wasserstrahlschneideauftrag. Es dauert ungefähr 2,5 Stunden.

Noch interessanter wird es, wenn das gleiche Teil aus Titan hergestellt wurde, das schwierig zu bearbeiten sein kann. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials führt zu einem schnellen Temperaturanstieg im Arbeitsbereich, was sich negativ auf die Schneidwerkzeuge auswirkt. Insbesondere wird Titan mit steigenden Temperaturen formbarer, was manche auch als „gummiartig“ bezeichnen, und kann am Werkzeug haften bleiben.

Vor diesem Hintergrund wird eine 1,5 Zoll dicke Motorhalterungsplatte aus Titan in 36 Minuten auf dem Wasserstrahl bearbeitet. Das gleiche Teil benötigt auf einer CNC-Fräse 390 Minuten.

ABBILDUNG 1. Ein Wasserstrahl benötigt nur 18 Minuten, um diese Form aus 1,25 Zoll dickem 6061 T6-Aluminium zu schneiden. Um das gleiche Teil auf einer herkömmlichen CNC-Fräse zu schneiden, dauert der Vorgang etwa 30 Minuten und das Teil muss umgedreht werden, um die Arbeit abzuschließen.

Wie jeder Lohnfertiger weiß, sind Maschinenstillstandszeiten in den meisten Fällen verpönt, denn wenn die Maschine keine Teile herstellt, ist sie nicht an gewinnbringenden Aktivitäten beteiligt. Hier glänzt der Wasserstrahl im Vergleich zur Mühle wirklich.

Im Durchschnitt kann eine Werkstatt in 15 Minuten einen Wasserstrahl für einen Auftrag einrichten. Es müssen keine schweren, unhandlichen Geräte auf den Tisch geladen werden. Das Werkstück muss lediglich auf die Leisten des Tisches gelegt werden. Außerdem wird nur eine Schneidvorrichtung benötigt.

Mittlerweile benötigt eine Maschinenwerkstatt pro Auftrag etwa 2,5 Stunden für die Einrichtung. Jede Mühle verwendet Werkstückhaltevorrichtungen, deren Installation vor dem Schneidvorgang schwer und zeitaufwändig ist. Bei solchen Zerspanungsarbeiten kommen auch mehrere Schneidwerkzeuge zum Einsatz, die alle in die Maschine geladen und auf das Werkstück abgestimmt werden müssen.

Da ein Wasserstrahl außerdem mit einer großen Platte arbeiten kann, können mehrere Teile – einige ähnlich und andere in der Geometrie völlig unterschiedlich – auf demselben Werkstück verschachtelt werden. CNC-Fräsmaschinen benötigen immer noch eine Säge, um das Material in Rohlinge zu schneiden, und in den meisten Fällen wird die Mühle jeweils nur an einem Stück arbeiten.

Für hochpräzises Schneiden sind Funkenerosionsmaschinen schwer zu schlagen. Es gibt einen Grund, warum sie im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt werden. Die Technologie, bei der mithilfe einer Reihe schnell wiederkehrender Entladungen zwischen zwei Elektroden Material von einem Werkstück entfernt wird, wird verwendet, um dem Metall komplexe Formen hinzuzufügen, die sonst mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen nur schwer herzustellen sind.

Das Problem bei EDMs ist, dass sie sehr langsam sind. Das ist der Kompromiss bei einer Maschine, die ein so hohes Maß an Genauigkeit liefert.

Oder ist es? Kleinere Wasserstrahlmaschinen können präzise Schnitte mit Toleranzen von +/- 13 µm oder +/- 0,0005 Zoll liefern. Das entspricht zwar nicht der Genauigkeit, die Funkenerosionsmaschinen erreichen können, manche schlagen jedoch eine Genauigkeit von +/- 0,0002 Zoll vor (abhängig von den Eigenschaften des Werkstücks). , natürlich), es ist immer noch ein Genauigkeitsbereich, den viele als hochpräzise Arbeit bezeichnen würden.

Mit kleinen Düsen und der Fähigkeit, einen sehr feinen Wasser- und Schleifstrahl zu liefern, können diese hochpräzisen Maschinen kundenspezifische Schnitte liefern, allerdings mit einer sehr kleinen Schnittfuge. Aus diesem Grund sind diese Maschinen häufig in Produktionsumgebungen zu finden, die mit hochpräziser Fertigung zu tun haben, beispielsweise in Elektronikunternehmen, Herstellern medizinischer Geräte und Rüstungsunternehmen.

Stellen Sie sich ein medizinisches Multitool mit winzigen Zähnen vor, das bei Vibration zum Durchschneiden von Knochen dient. Die Zähne sind so klein, dass sie nicht in einer herkömmlichen Fräsmaschine bearbeitet werden konnten, und eine Erodiermaschine kam nicht in Frage, da das Werkzeug damit nicht schnell genug hergestellt werden konnte. Hier konnte der Wasserstrahl die für das Teil erforderliche Genauigkeit liefern, und das in Zeiten, die für den Hersteller attraktiv waren.

Einen Wasserstrahl als „Schweizer Taschenmesser“ zu bezeichnen, ist zu weit hergeholt, denn er kann tatsächlich viele Dinge tun, die normalerweise mit verschiedenen Arten von Metallbearbeitungsmaschinen in Verbindung gebracht werden (siehe Abbildung 2). Denken Sie beispielsweise an die Möglichkeit, Formen zu schneiden, für die normalerweise eine Räumnadel erforderlich wäre.

ABBILDUNG 2. Ein 5-Achsen-Schneidkopf ermöglicht es einem Wasserstrahl, einen Lüfterflügel aus einer Platte zu schneiden.

Das Räumen entstand vor fast 200 Jahren als Verfahren zur Herstellung von Riemenscheiben und Zahnrädern. Heutzutage wird es häufig zur Herstellung hochpräziser Zahnräder für die Automobilindustrie und für Flugzeugkomponenten verwendet.

Eine Werkstatt kann nur räumen, wenn sie über ein Räumwerkzeug verfügt. Die Räumnadel entfernt Metall, indem entweder das Metall gegen die stationäre Räumnadel oder die Räumnadel gegen das stationäre Objekt bewegt wird. Die Räumnadel, deren Zähne sich entlang der Länge des Werkzeugs in Größe und Form ändern, typischerweise mit kleineren Steigungen pro Zahn am Anfang, führt Schrupp-, Halbschlicht- und Schlichtdurchgänge durch, während das Werkzeug Metall vom Werkstück entfernt.

Wasserstrahlen können die Schneidfähigkeiten der Räumnadel duplizieren. Es kann den ersten Lochstich erzeugen, die kreisförmige Form in einem einzelnen Pfad schneiden und anschließend den letzten Schliff vornehmen, indem es die Vorschubgeschwindigkeit der Maschine nach Bedarf anpasst, um die für die Fertigstellung des Auftrags erforderliche Präzisionsoberfläche zu erzeugen.

Ein weiteres Beispiel sind die inneren scharfen Ecken, die ein Fräser an Teilen erzeugen kann (siehe Abbildung 3). Wenn Sie ein 1 x 1 Zoll großes Format verwenden. Da ein Titanquadrat als Ausgangspunkt dient, kann eine CNC-Fräse nur einen Innenradius liefern, der so klein ist wie der kleinste Bohrer. Zu diesem Zeitpunkt wird der Materialentfernungsprozess sehr langsam sein.

Ein Wasserstrahl kann einen Schnitt mit einer Schnitttiefe von 0,010 Zoll liefern. Schnittfuge, was zu einer Innenecke des Titanquadrats führt, die aussieht, als hätte sie ein internes Merkmal, das von einer CNC-Fräse hergestellt wurde.

Wasserstrahlen können auch Nichtmetalle wie Kohlefasern viel effizienter schneiden als CNC-Fräsen.

Wenn eine CNC-Fräse für solche Materialien verwendet wird, sind herkömmliche Werkzeuge nicht zu empfehlen. Die Bearbeitung von Kohlefasern erfordert spezielle Werkzeuge, höhere Spindelgeschwindigkeiten als bei Metallen und niedrigere Vorschubgeschwindigkeiten als bei Metallen. Die reduzierten Vorschubgeschwindigkeiten tragen dazu bei, die Hitze niedrig zu halten und eine Beschädigung der Kohlefaser zu vermeiden.

Wasserstrahlen können Kohlefasern durchbohren, ohne dass ein Loch vorgebohrt werden muss. In einigen Fällen, in denen Materialien mit geringem Adhäsionsgrad oder sehr einfache Kohlenstofffaserstrukturen verwendet werden, ist ein Durchmesser von 0,0625 Zoll erforderlich. Möglicherweise ist ein Bohrer erforderlich, um mit dem Loch zu beginnen. (Wenn ein Strahl aus Wasser und Schleifmittel zum Durchstechen dieses günstigeren Kohlefasermaterials verwendet würde, dringt das Wasser zwischen die vielen Schichten des Materials ein und es kann zu Delaminationen kommen. Normalerweise sitzt der Bohrer neben der Wasserstrahldüse. ) Sobald dieses Loch hergestellt ist, kann der Wasserstrahl mit dem Schneiden der Kohlefaser beginnen.

Selten bietet eine Metallverarbeitungswerkstatt schließlich Metallbearbeitungsdienstleistungen an, um dieser Art von Arbeit nachzugehen. Typischerweise fragt ein Kunde, ob die Werkstatt dies in Betracht ziehen würde, und am Ende stehen Fräsen und Drehmaschinen auf dem Boden.

Für Betriebe, die sich nicht ausschließlich mit Bearbeitungsvorgängen befassen möchten, ist ein Wasserstrahl ein vielseitiges Schneidwerkzeug, das viele der Schneidfunktionen einer Mühle bieten kann. Es geht lediglich darum, zu verstehen, was der Wasserstrahl leisten kann, und diese Fähigkeiten voll auszuschöpfen.

ABBILDUNG 3. Wasserstrahlen können auch sehr komplexe interne Merkmale an Teilen erzeugen.