Vízsugaras vágás

A vízsugaras vágás (vagy röviden vízvágás) egy olyan sokélű forgácsolási technológia, amelynél a forgácsolást nagy sebességgel (500–1500 m/s) áramló vízzel, vagy vízzel kevert abrazív homokkal végzik. 2D-s lemezprofilú alkatrészek megmunkálását teszi lehetővé, ill. egyszerűsített kivitelben 1D-s vonalmenti darabolást. A gép felépítése megegyezik a lézervágásnál, a lángvágásnál és a plazmavágásnál található gépekkel.

Vízsugaras vágógéppel lemezből kivágott villáskulcs.
(A kép bal felső sarkában látható a munkadarabot tartó rács, az alsó részen a vágás során felhalmozódott abrazív homok. A jobb felső részen látható a nagynyomású vizet szállító acélcső. A fejen lévő szivacs a vágás során kifröccsenő víz ellen véd.)

Vízsugaras (injektoros) vágógép működési vázlata.
(1: nagynyomású víz; 2: fókuszáló; 3: keverőkamra; 4: védősapka; 5: fröccsenő víz; 6: munkadarab; 7: a munkadarabot tartó rács; 8: a kádban lévő víz; 9: a munkadarab már vágott része; 10: fúvóka; 11: abrazív homok)

A vágás technológiája (az előbbiekben említett három eljárással ellentétben) nem az anyag megömlesztésére épül, hanem a víznek mint sokélű forgácsolószerszámnak (hasonlóan a köszörűhöz) anyagleválasztó, koptató hatására. Az anyagleválasztás és a víz együttes használatának köszönhetően a kialakuló hőmérsékletemelkedés a vágott felület mentén minimális, ezért ott és annak környékén az anyag szerkezete nem változik meg, ezért vágható például üveg, kerámia, vagy bármely olyan egyéb anyag, amelynél a hőbevitel a későbbi felhasználás szempontjából káros elváltozásokat eredményez (ez lehet elszíneződés, vetemedés vagy molekuláris változás) a vágási felület mentén.

A vágás során az előtolás sebessége 1 mm/perctől 20 m/percig is terjedhet. A vágható anyag vastagsága az anyag minőségétől függően tág határok között mozog (akár 30–60 cm is lehet, például habok esetén), vas esetén is meghaladja a 10 centiméteres vágási vastagságot. Az eljárás által kínált vágórés 0,03 millimétertől a kicsit több, mint 1,5 milliméterig terjed, amely minimális anyagveszteséget jelent.

A vágáshoz szükséges nagy nyomású vizet (400–6000 bar, összehasonlításképpen a háztartásokban lévő víz nyomása 3–5 bar) hidraulikus nyomásfokozó munkahengerekkel érik el. A nagynyomású vizet a szivattyútól a vágófejig 5–8 milliméter átmérőjű és 1–2 milliméter belső átmérőjű „hajlékony” acélcsöveken továbbítják. A vágófejben nagyon kis keresztmetszetre leszűkítve érik el az igen nagy áramlási sebességet.

Története

Az 1950-es években Norman Franz erdőmérnök kísérletezett egy korai változattal, favágás céljából. A technológia azonban nem fejlődött az 1970-es évekig, amikor Mohamed Hashish először kevert koptató hatású anyagot a vízhez.

Manapság a vízsugaras vágás egyedülálló például a vágható anyagok számának és a vágás finomságának tekintetében.

A vízsugaras vágás változatai

Alapvetően kétféle változata létezik:

• vízsugaras vágás: ekkor önmagában a víz eróziós hatását használják fel
• abrazív vízsugaras vágás (abrazív: „koptató hatás”): a vizet homokkal keverve, annak sokkal nagyobb koptatási erejét használja. Ennek kétféle változata létezik:
  • injektoros (AWJ) és
  • szuszpenziós (ASJ).

A kétféle változat a homok vízzel való keverésének módjában különbözik. Az injektoros esetében a már fókuszált vízsugárba keverik vákuumos és egyben gravitációs úton (szó szerint beleejtik) az abrazív szemcséket. A szuszpenziós vágásnál magához a magas nyomású vízhez keverik, és egyfajta iszapot képeznek. Ez utóbbi eljárásnak komoly technikai akadályai vannak:

• a sugár elindítása és lezárása,
• a zárást végző szerkezet is mindenképpen erős koptató hatást szenved el és
• az abrazív tároló folyamatos töltése.

Maga az iszap nem tartalmaz levegőt, így a hatásfoka sokkal jobb. Ipari alkalmazásban az injektoros megoldás terjedt el. A nyitást és zárást végző szerkezet élettartama nagyon nagy (többnyire tűszelepes), mivel a keverés a fókuszálás után megy végbe, így csak magát a fúvókát érinti a koptató hatás. E keverési eljárás hátránya, hogy a víz és az abrazív adalék mellé nagy térfogatszázalékban (ami akár 90% is lehet) levegő keveredik, amely a vágás hatásfokát nagy mértékben lerontja.

A vágható anyagok listája

Üvegből kivágott formák

Korrózióálló acél vágása

• Vas és egyéb vas alapú fémek (például acél, orvosi acél, korrózióálló acél, gyorsacél stb.) tetszőleges edzési és egyéb kezelési fázisban
• Nemesfémek (ezüst, arany, platina stb.)
• További fémek (alumínium, titán, ólom stb.)
• Márvány, gránit
• Kerámia és egyéb kerámia alapú anyagok (például csempe)
• Beton, tégla, gipsz és egyéb építőipari anyagok
• Fa
• Aptakorit
• Műanyag származékok (például gumi, teflon, bakelit, habok stb.)
• Üveg
• élelmiszer (fagyasztott húsok, nagyiparban használt termékek szétválasztásakor) stb.

Ezzel a módszerrel sem vágható az edzett üveg, ami tulajdonságaiból következően apró darabokra robbanna.

A vágási felület jellemzői

20 mm vastag gránit vágása két különböző előtolással.
A bal oldali 330 mm/perces, míg a jobb oldali 380 mm/perces előtolással lett kivágva. A jobb oldali felülete szemmel láthatóan érdesebb. A képen jól megfigyelhető a vízsugár elhajlása az anyag felületén a vágás során. A recésedés az anyag különböző szilárdságú részei és a víz nyomásának ingadozása miatt alakul ki.

A vágott felület minőségét befolyásoló tényezők:

• az anyag minősége,
• a vágási magasság,
• az előtolási sebesség,
• az abrazív anyag mennyisége és minősége, valamint
• a víz nyomása.

A felület jellemzően éles, sorjás és többnyire recés a nagynyomású pumpa alternáló mozgása miatt. A felületi érdesség a vágási sebesség csökkentésével és megnövelt abrazív homok adagolással finomítható, akár a lézervágásra jellemző sima felület is elérhető.

A vízsugaras vágógép fő részegységei

Különálló abrazív adagoló egység

• Munkaasztal (kád): Vízzel teli kád, amelynek a tetején vasrácsok tartják a munkadarabot. A kádba kerül a fúvókából kiáramló víz, az abrazív homok és a munkadarabról leváló részecskék, darabok. A vágás folyamata során a sugár nem áll meg a vágott anyag alsó felületénél, hanem belevág az alatt lévő rácsba is, ezért a rácsokat időről időre cserélni kell.
• Nagynyomású vízszivattyú: Ez az egység állítja elő a nagynyomású folyadékot (igény szerint további hűtőberendezéssel).
• Vágófej: Ez végzi a vágást. Fókuszálja a vizet, keveri az abrazív homokkal, és a kevert elegyet egy fúvókán keresztül a munkadarab felé továbbítja. A fej része továbbá egy érzékelő, amely azt figyeli, hogy beleakadt-e vagy ütközött-e valamivel a gép feje. Az ütközés általában a vészleállás gomb megnyomásával egyenértékű.
• Abrazív adagoló és puffertartály: A feladata a megadott mennyiségű folyamatos adagolás és tárolás. Lehet a fej fölött egy egyszerű gravitációs adagoló formájában, vagy külső egységgel (ez utóbbi esetben a fejnél található egy kis méretű áthidaló tartály) és a fejre szerelt pontos adagoló egységgel. A külső egységes megoldás esetén a gép megállítása nélkül is lehetőség van feltölteni, utánatölteni a tartályt. Általában 100–200 kilogramm abrazív homok tárolására alkalmas, ellentétben a gravitációs adagolóval, amely csak 5–10 kg tárolására képes.
• Mechanikus mozgást végző szerkezet: Hosszanti, kereszt és függőleges szán, a nagy vágási sebesség elérése érdekében ún. nullás illesztésű fogaskerék-fogasléces.
• Vezérlő: Ez végzi a motorok összhangban való mozgatását, része továbbá egy vagy több kézi kezelőfelület és általában egy számítógép is, amelyen a kívánt vágási program elkészíthető és a gép paraméterei beállíthatók.

Az eljárás előnyei és hátrányai

A vízsugaras vágás technológiájának legnagyobb előnye, hogy maga a folyamat hidegvágási eljárás, és gyakorlatilag bármely anyag vágható. Legnagyobb hátránya, hogy viszonylag költséges technológia.

Előnyei:

• a vágás során nem keletkeznek, illetve nem használnak környezetre káros anyagokat (mert nincs hűtő- és kenőfolyadék, nincsenek felszabaduló gázok stb.),
• a vágási felületen nem keletkezik salakanyag,
• a vágható anyagok skálája igen széles,
• a vágható anyagok vastagsága akár 30 centiméter is lehet, még vas esetén is meghaladja a 10 centimétert,
• a kicsi vágórésnek (0,03–1,6 milliméter) köszönhetően minimális az anyagveszteség,
• a vágás gyors,
• bonyolult alakzatok hozhatók létre,
• a vágási felületen nincs hőmérséklet-emelkedés, ezáltal a vágott anyag belső tulajdonságai nem változnak meg.

Hátrányai:

• pontossági problémák (az anyagfüggő koptatási hatás miatt kialakuló vágórés az adott anyagi összetételre jellemző, nem sima felületű),
• a fókuszálók viszonylag alacsony élettartama,
• vízpára keletkezése,
• a vágás közben fröccsenő víz és egyéb anyagok,
• a magas zajszint,
• a nagynyomású szivattyú gyakori kötelező szervizelése (tömítések cseréje),
• a vágóasztalt képező kádban időről időre felgyülemlő abrazív homok és egyéb beleeső, a vágáskor keletkező anyagdarabok, amelyet a gép szüneteltetése mellett ki kell takarítani.

Lásd még

• Forgácsolás
• Alternatív fémvágási technológiák:
  • Lángvágás
  • Lézervágás
  • Plazmavágás
  • Huzalos szikraforgácsolás

Források

• Deszpoth István–Maros Zsolt: Vízsugaras vágás alkalmazása

További információk

• Vízvágó működés közben (videó, angol) Archiválva 2008. október 24-i dátummal a Wayback Machine-ben
• Bővebben a technológiáról