การใช้น้ำแรงดันสูงสำหรับการตัดด้วยระบบวอเตอร์เจ็ทด้านฟิสิกส์

พลังงานที่ใช้สำหรับการตัดวัสดุ คือน้ำที่ผ่านช่องที่มีขนาดเล็ก ทำให้มีความรุนแรงจากความดันของน้ำแรงดันสูง ก่อให้เกิดความสามารถในการตัดชิ้นงานที่รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพ มีขั้นตอน 2 อย่างที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการตัดด้วยระบบวอเตอร์เจ็ท คือ

  1. ปั๊มน้ำเซอร์โวไฟฟ้าโดยทั่วไปจะดันน้ำ ที่ระดับความดันสูงกว่า 50,000 psi เพื่อผลิตพลังงานที่จำเป็นต่อการตัดชิ้นงาน
  2. น้ำที่ส่งผ่านไปยังหัวตัด เพื่อสร้างแรงดันที่สามารถใช้ตัดวัสดุ โดยมีความเร็วมากว่า 3 เท่าของความเร็วเสียงขึ้นอยู่กับแรงดันน้ำที่ใช้

กระบวนการตัดนี้ใช้ได้เฉพาะกับการตัดระบบวอเตอรืเจ็ททั้งระบบน้ำแบบปกติ หรือ การขัดชิ้นงาน สำหรับชิ้นงานที่ต้องใช้สารขัดผิวจะถูกป้อนไปผสมกับตัวน้ำเพื่อให้เกิดความสามารถในการตัดที่ดียิ้งขึ้น

เพื่อให้เกิดความสามารถในการตัดชิ้นงาน จะถูกสร้างแรงดันเข้าสู่เครื่องโดยใช้ปั๊มน้ำ และไส้กรองแบบบูสเตอร์ การกรองที่มีประสิทธิภาพจะทำให้เกิดแรงดัน และการตัดชิ้นงานที่มีความสม่ำเสมอ

การจัดการน้ำบางครั้งจำเป็นต้องใช้เพื่อลดความอันตรายของแร่ธาตุที่ออกมาจากน้ำ น้ำที่ผ่านการกรองแล้วจะถูกส่งไปยังกระบอกสูบแรงดันสูง ซึ่งสามารถตั้งค่าแรงดันให้อยู่ในระดับที่ต้องการ

จากนั้นน้ำจะถูกส่งไปยังหัวตัดแบบ Abrasive หรือ Straight Water ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน หัวตัดสามารถติดตั้งเข้ากับอุปกรณ์ที่สามารถเคลื่อนไหว ซึ่งช่วยในการตัดชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อน หัวตัดที่เคลื่อนที่สามารถใช้ในการตัดธรรมดา จนถึงระบบ 2D และ 3D รวมถึงการใช้ร่วมกับหุ่นยนต์ ซอฟต์แวร์ CAD / CAM ที่ใช้ร่วมกับคอนโทรลเลอร์ CNC จะแปลภาพ หรือคำสั่งเส้นทางในโปรแกรมดิจิทัล ในการตัดวัสดุที่มีความแข็งจะต้องใช้สารขัดผิวที่มีความหยาบมากขึ้น วัสดุที่ใช้ในการตัดชิ้นงานได้แก่ Olivine, Garnet และ Corundum ที่มีขนาด 50 – 120 mesh เมื่อมีความจำเป็นในการตัดชิ้นงาน Techni Waterjet ได้จัดเตรียมชุดกัดกร่อนแบบป้อน Abrasive Feeder

ในการตัดชิ้นงานสารขัดจะถูกเก็บในถังอัดความดัน และเดินไปยังเครื่องควบคุมจำนวนอนุภาคที่ส่งไปยังหัวฉีด แล้วผสมเข้าด้วยกันภายในหัวตัด ทำให้สามารถตัดชิ้นงานที่มีความยากได้ สารขัดที่ถูกใช้ไปแล้วจะถูกเก็บในถังดักวัสดุขัดถู


การตัดชิ้นงานด้วยน้ำแรงดันสูงในตลาด

Waterjet Cutting | Water jet cutter |Waterjet cut- How it Worksมีการอ้างสิทธิ์ เพื่อเรียกร้องค่าชดเชยสำหรับ เครื่องตัดแรงดันสูงวอเตอร์เจ็ทที่เร็วที่สุดในโลก การตัดระบบวอเตอร์เจ็ทส่วนใหญ่มีการกล่าวอ้างถึงความดันที่สูงขึ้นจากการใช้หัวตัดเดี่ยวกับการใช้หัวตัดหลายตัว

บมความนี้กล่าวถึงแนวคิด Marketing Hype ตามพื้นฐานที่ใช้ควบคุมความเร็วด้วยระบบวอเตอร์เจ็ท ว่าส่วนที่สำคัณที่สุดในการใช้งานคือ ต้นทุนต่อหนึ่งส่วน หรือจะเป็นต้นทุนต่อนิ้ว เพื่อกำหนดการใช้งานที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ด้วยเทคโนโลยีที่น่าตกใจ


ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันที่เพิ่มขึ้นกับความรวดเร็วในการตัดชิ้นงาน

เมื่อแรงดันของน้ำเพิ่มขึ้น ความต้องการใช้พลังงานก็จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนในทางเดียวกัน สูตรที่ใช้โดยทั่วไปคือ P (Power) = p (ความดัน) x q (อัตราการไหลของน้ำ)

เช่นแรงดันที่เพิ่มขึ้น 50% จะต้องใช้พลังเพิ่มขึ้น 50% เว้นแต่จะมีการลดอัตราการไหล ที่ใช้ช่องระบายน้ำที่มีขนาดเล็กลง แรงดันที่สูงขึ้นการตัดชิ้นงานก็จะมีความรวดเร็วเพิ่มขึ้น เมื่อแรงดันสูงขึ้นขนาดของช่องมีขนาดเล็กลง ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น เพื่อขับเคลื่อนพลังงานจลน์ (พลังงานที่ใช้ในกรตัด)

ประสิทธิภาพนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความเร็วที่เพิ่มขึ้น เพราะพลังงานจลน์ในรูปของอนุภาคของการขัดผิวที่สัมผัสชิ้นงาน นี่คือภาพประกอบที่ใช้โดยทั่วไปคือ E = M V ² ซึ่งความเร็วที่ได้มีผลต่อการทำงานของพลังงานจลน์เมื่อเทียบกับการเพิ่มมวลที่มีผลต่อแรงดันน้ำ ในทฤษฎีถ้าเราเพิ่มความดันขึ้น 50% แต่ลดขนาดลง 33% โดยใช้พลังงานเท่าเดิม จะเพิ่มความเร็ว 50% ซึ่งเป็นผลเพิ่ม จากการที่ใช้พลังงานจลน์ลดลงเหลือ 48.5% ตามที่แสดงในสูตร E = 0.666 (ลดลง 33% ของปริมาณน้ำ) x 1.5 ² (เมื่อความเร็วสูงขึ้น 50%) ดังนั้น E = 1.485 (เพิ่มขึ้น 48.5% ของพลังงานจลน์) ในส่วนของภาพประกอบนี้เกี่ยวข้องเฉพาะการตัดด้วยน้ำเพียงอย่างเดียวไม่รวมการตัดคู่กับสารขัดชิ้นงาน

การตัดเฉือนช่วยให้การตัดชิ้นงานระบบวอเตอร์เจ็ทมีประสิทธิภาพ โดยทำการเร่งอนุภาคขัดชิ้นงานซึ่งมีอนุภาคในชิ้นงานขนาดเล็กที่ออกมาระหว่างการตัดชิ้นงาน ถ้าอนุภาคการขัดของสารที่ใช้ตัดชิ้นงานมีสภาพเดียวกัน แต่ที่ความเร็วสูงกว่าสมการเช่นเดียวกับข้างต้นจะเป็นจริง อย่างไรก็ตามปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งที่เกิดขึ้นจริงคืออนุภาคได้รับการจัดเตรียมให้เป็นผลละเอียด และมีขนาดเท่ากัน ระหว่างการเริ่มต้นขัดชิ้นงานสารขันจะตัดวัสดุ โดยขึ้นอยู่กับแรงดันของน้ำ ผลก็คือที่ 60,000 psi จะใช้สารขัดชิ้นงานเพียง 45% และจำลดลงเหลือ 22% หรือน้อยกว่านั้นขึ้นอยู่กับคุณภาพของวัสดุ ที่ระดับแรงดัน 90,000 psi ผลที่ออกมาก็คือแรงดันน้ำที่ต่างกันทำให้ความเร็วในการตัดชิ้นงานเพิ่มขึ้น และจำนวนเงินที่ใช้ก็เพิ่มขึ้นในทางเดียวกัน ดังนั้นการใช้ความดันของน้ำที่ 60,000 psi เช่น E = 0.45 (โกเมนที่มีประสิทธิภาพ 45%) x 1 ² ดังนั้น E = 0.45 และ 90,000 psi เป็น E = 0.22 (22% ของผงโกเมน) x 1 ² (การเพิ่มความเร็ว 50%) ดังนั้น E = 0.49 หรือการเพิ่มความเร็วในการตัด 9% เพื่อเพิ่มความดัน 50%

ต้นทุนของความดันที่สูงขึ้น

เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญก่อนตัดสินใจเพิ่มแรงดัน เพราะส่งผลต่อค่าบำรุงรักษา เมื่อเครื่องจักรต้องหยุดการทำงานเนื่องจากแรงดันที่เกิดขึ้น และไม่สัมพันธ์กันในเชิงเส้นกับความเมื่อยล้าของส่วนประกอบเครื่องจักร ที่มีความสัมพันธ์ในแบบ cubed (x³) ตัวอย่างเช่นสูตร ISO สำหรับคำนวณการสึกหรอของแบริ่งคือ

L = ( C / P) 3
L = อายุการใช้งาน
C = การโหลดที่กำหนด
P = การโหลดจริง

นั่นคือแรงดันที่เพิ่มขึ้น 50% จะลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเครื่องจักรลง 70% หรือลดลงโดยการลดแรงดัน 33% จาก 90,000 psi เป็น 60,000 psi อายุการใช้งานของชิ้นส่วนจะเพิ่มขึ้นถึง 330%

เป็นผลให้ในการที่จะใช้เครื่องสูบน้ำ และหัวตัดมีอายุการใช้งานที่เหมาะสมต้องใช้ให้เหมาะสมกันกับแรงดันที่ใช้ เช่น 90,000 psi ต้องใช้หัวตัดที่รับแรงดันได้ซึ่งมีราคาสูง และอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อชิ้นงาน ส่วนการใช้แรงดันที่ไม่เกิน 66,000 psi จะมีค่าบำรุงรักษาที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกัน (เช่นปั๊มแบบไดนามิกที่มีการใช้กระบอกสูบแรงดันสูงและแรงดันต่ำ) มักสูงกว่าส่วนประกอบของเครื่องตัดวอเตอร์เจ็ทโดยทั่วไปประมาณ 50-300%

ปัจจัยอื่นๆ ที่ใช้กำหนดราคาของส่วนประกอบดังกล่าว คือ การแข่งขันของผู้ผลิตที่มีจำนวนน้อยรายที่สามารถผลิตหัวตัดที่ทนต่อการสึกหรอ หรือพังไปเมื่อมีแรงดันสูง ทำให้การแข่งขันเพื่อลดราคาอุปกรณ์ไม่มีอยู่ในตลาด

ดังนั้นการใช้หลอดโฟกัสที่มีแรงดัน 60,ooo psi มีราคาเพียง $ 100 ส่วนราคาของหลอดโฟกัสที่มีแรงดัน 90,000 psi มีราคาสูงถึง $ 300 รวมถึงส่วนประกอบอื่นๆ มีราคาแพงมาก คุณภาพที่ได้ก็ยังน้อยกว่าแบบเดิมที่แรงดัน 60,000 psi ดังนั้นการใช้แรงดันที่สูงเกินไปส่งผลต่อค่าแรงในการบำรุงรักษา และราคาชิ้นส่วนสูงขึ้น และมีการเปลี่ยนอะไหล่บ่อยขึ้น

การเลือกหัวตัดที่ดีที่สุด

เพื่อให้ได้เงื่อนไขของการตัดที่เหมาะสม ความเร็วสูงขึ้น และมีประสิทธิภาพ เราจึงต้องตั้งค่าให้เหมาะสม โดยมีหลายปัจจัยที่ควรพิจารณา เช่นการเลือกหัวตัด

  • ค่าใช้จ่ายในการตัดชิ้นงาน ค่าน้ำ ค่าบำรุงรักษา ค่าอุปกรณ์
  • จำนวนงานที่มี และการตรวจสอบดูแลเครื่องมือให้พร้อมกับการทำงานเสมอ

อันดับแรกต้องพิจารณาตัวเลือกทั่วไป สำหรับการเปรียบเทียบนี้เราจะใช้เครื่อง 50 แรงม้าเป็นเครื่องสูบน้ำ และโกเมนขนาด 80 mesh เป็นวัสดุขัด ในบทความนี้เราจะศึกษาผลกระทบของปั๊มที่ใช้เทคโนโลยีต่างกัน มีผลต่อต้นทุน ตัวแปรที่ใช้คือ

  • ขนาดของโอริฟิก

    ขนาดของปากจะขึ้นอยู่กับแรงดัน และแรงม้า HP เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น ขนาดรูระบายจะต้องมีขนาดเล็กลง และเมื่อแรงดันลงลงขนาดรูก็จะเพิ่มขึ้น โดยปกติเครื่องที่มีแรงดัน 50 แรงม้าจะมีขนาดรูระบายสูงสุดที่ 60,000 psi คือ 0.013 และที่ 90,000 psi คือ 0.010

  • ขนาดของท่อโฟกัส

    ตามปกติจะมีขนาดเล็กกว่าสามเท่าของของขนาดปาก ได้แสดงถึงอัตราส่วนที่มีคุณภาพมากที่สุด โดยให้ความสำคัญกับอายุการใช้งานของท่อที่ใช้กำจัดวัสดุ และเป็นที่ยอมรับในมาตรฐานอุตสาหกรรมในยุต 80 ซึ่งมีราคาแพงมากถึง 4-5 เท่าของปัจจุบัน

    เราได้สอบถามไปยังผู้ใช้ Waterjet หลายราย ซึ่งได้แสดงความเห็นให้ใช้อัตราส่วนที่ 2.5 จึงจะเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุด โดยมีเหตุผลคือ แรงดันที่ส่งไปยังพื้นที่ที่มีขนาดเล็ก ความเร็วที่ใช้ในการตัดย่อมเพิ่มขึ้น และลดการใช้โกเมนบริสุทธิ์ คือยิ่งแรงดันที่ออกจากปากมีขนาดเล็กความกว้างของรอยตัดจะมีขนาดเล็กลง Kerf และได้ความยาวที่เพิ่มขึ้น

    ข้อเสียคืออายุของการใช้งานท่อจะลดลง และอาจเกิดการอุดตันเกิดขึ้นได้ หากใช้งานในคุณภาพที่ต่ำ และใช้โกเมนที่ไม่สอดคล้องกัน แต่ด้วยราคาท่อโฟกัส และโกเมนลดลง 50% ทำให้ท่อโฟกัสใช้โกเมนลดลง 33% และเพิ่มความเร็วในการตัดวัสดุ 10% เท่ากับการลดต้นทุนได้มากขึ้น ‘’ค่าใช้จ่ายต่อนิ้ว (มม)’’

  • แรงดัน

    ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้าแรงดันมีผลเพียงเล็กน้อยในเรื่องของความเร็วในการตัดชิ้นงาน เราควรใช้แรงดันที่สูงพอที่จะใช้ HP ได้อย่างเต็มที่ ในอัตราส่วน 2.5:1 หรือ (3:1) เพื่อให้ท่อโฟกัสทำงานได้ความเร็วที่สูงพอในการตัดชิ้นงาน

    เช่นถ้าคุณมีช่องขนาด ‘’0.025’’ ขนาดท่อโฟกัสที่ ‘’0.030’’ คุณต้องใช้แรงดัน 55,000 psi เพื่อใช้ปั๊มส่วนใหญ่ขนาดที่ 50 แรงม้า และใช้ความเร็วในการใช้โกเมนสูงสุด 0.75 ลิตรต่อนาที เพื่อการใช้งานปั๊มอย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะปั๊มเซอร์โวไฟฟ้า ESP แบบ Direct Driven ที่มีการควบคุมพลังงานที่ใช้ไปเพื่อสร้างความรวดเร็วในการตัดชิ้นงานโดยไม่สิ้นเปลือง

  • อัตราการใช้โกเมน

    โกเมนถือเป็นค่าใช้จ่ายสูงสุดในเครื่องตัดแรงดันสูงด้วยน้ำ ดังนั้นการใช้โกเมนที่ลดลงในช่องว่างในหัวสูบจะต้องได้ปริมาณที่เหมาะสม ตรงตามขนาดของท่อ และยังต้องคำนึงถึงปัจจัยอื่นๆ คือในเรื่องการกำจัดกากขยะที่เกิดจากผงโกเมนที่ใช้ไปที่ส่วนใหญ่ถูกมองข้าม

  • จำนวนของหัวตัด

    ผู้ผลิตบางรายได้สนับสนุนการใช้หัวตัดหลายหัวเพื่อให้เกิดการใช้พลังงานที่เกิดประสิทธิภาพ แต่เรื่องจริงคือ มันทำให้เกิดประโยชน์ถ้ามีการเพิ่มหัวตัด คือถ้าหัวตัดที่มีขนาด 0.010นิ้ว และ 0.030 นิ้ว จะใช้หลอดโกเมนที่ 1 lb / min ที่ 60,000 psi จะตัดได้เร็วกว่า 40% (โดยคำนึงถึงการตัดที่สองส่วน) ซึ่งมีประโยชน์มากกว่าหัวตัดหัวเดียวที่ใช้ 0.013 นิ้วของขนาดปาก และท่อโฟกัสที่ 0.030 และการใช้โกเมนที่ 1 lb / min

    แต่คุณต้องมีค่าใช้จ่ายถึงสองเท่า เมื่อเกิดเหตุการณ์อุดตัน ทำให้ต้องมีอัตราการบำรุงรักษาเพิ่มมากกว่าเดิม เครื่องจักรตัวนั้นจะไม่ทำงานเมื่อมีการซ่อมแซม และการใช้หัวตัดจำนวนสองหัวจะทำให้มีพื้นที่ตัดลดลง จึงควรใช้ตัดชิ้นงานที่เหมือนๆ กัน

การลดต้นทุนด้านแรงงาน

เป็นปัจจัยที่สำคัญยิ่งต่อการประหยัดค่าแรงงาน เครื่องตัดวอเตอร์เจ็ท มักใช้งานกับวัสดุที่มีความหนา และมีความแข็ง โดยใช้เวลาตัดนาน ทำให้แรงงานหมดแรง หรือหมดความอดทน แต่ในการทำงานระบบของเครื่องเมื่อเกิดการตัดชิ้นงานอาจมีอันตรายเกิดขึ้นถ้าเกิดปัญหา เช่น ท่อโฟกัสอุดตัน หรือการส่งโกเมนชำรุด

แต่ในปัจจุบันอันตรายนี้ลดน้อยลงเนื่องจากการใช้งานท่อลำเลียงโกเมนด้วยระบบรับอะนาล็อกที่ช่วยให้ตรวจสอบเหตุการณ์ได้ก่อนที่จะเกิดอัตรายขึ้น และทำให้เครื่องจักรหยุดทำงานชั่วคราว และมีการแจ้งไปยังหน้าจอการทำงานให้บำรุงรักษา ทำให้อันตรายที่เกิดขึ้นลดน้อยลง

เทคโนโลยี Direct Drive

Efficiency comparisonเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ผลิตแรงดันน้ำของวอเตอร์เจ็ท (ปั๊มแรงดันแบบดั้งเดิม หรือแบบเพลาเหวี่ยง) เป็นสิ่งที่ต้องคำนึง และนำไปรวมในต้นทุนของคุณ

ปั๊มแบบเพลาเหวี่ยงของ Direct Drive ได้ออกสู่ตลาดจำนวนมาก แต่ประสิทธิภาพจะเกิดขึ้นเมื่อหัวตัดทำงานอย่างเต็มที่ และจะหยุดการทำงานเมื่อหัวตัดถูกปิดขณะโหลดวัสดุ และจะถูกส่งแรงดันผ่านวาล์วที่ผสมกันระหว่างน้ำกับโกเมน

ในขณะที่เครื่องอัดแรงสามารถใช้งานได้พร้อมกันหลายหัวตัด ที่สามารถส่งแรงดันที่สูง แต่มีประสิทธิภาพน้อยเพราะการใช้ระบบไฮดรอลิกเพียงอย่างเดียว ทำให้เกิดต้นทุนของน้ำมันไฮดรอลิกเพื่อใช้ในการระบายความร้อนของวาล์ว

เทคโนโลยีล่าสุดที่เกิดในตลาดวอเตอร์เจ็ท คือ เครื่องปั๊มน้ำเซอร์โวไฟฟ้า (Electric Servo Pumps หรือ ESP) เครื่องปั๊มน้ำนี้จะให้แรงดันที่จำเป็นต่อการตัดวัสดุเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าจะเปิดหรือปิดแรงดันน้ำ จะไม่มีการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติม

กราฟนี้ได้แสดงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีเครื่องปั๊มน้ำแบบใหม่ที่ได้ถูกพัฒนาโดย Techni Waterjet เนื่องจากรอบการทำงานที่ลดลง ที่รวมกับระยะเวลาที่ใช้ในการโหลดชิ้นงาน
เช่นเดียวกับการตัดชิ้นงาน จำนวนการใช้เวลาเพื่อวางตำแหน่งหัวตัด และเวลาที่ใช้โหลดวัสดุจากรอบการทำงานทั่วไปตั้งแต่ 90% สำหรับการตัดวัสดุที่มีความหนา ลดลงเหลือ 20% สำหรับการตัดพลาสติกโฟม และชิ้นส่วนรถยนต์ ส่วนการตัดหินและกระจกจะใช้รอบการทำงานที่ 60%

Click here to view the Article

Want to find out More? Contact us now