Una cortadora por chorro de agua , también conocida como chorro de agua o chorro de agua , es una herramienta industrial capaz de cortar una amplia variedad de materiales utilizando un chorro de agua a extremadamente alta presión , o una mezcla de agua y una sustancia abrasiva . El término chorro abrasivo se refiere específicamente al uso de una mezcla de agua y un abrasivo para cortar materiales duros como metal, piedra o vidrio, mientras que los términos corte por chorro de agua puro y solo con agua se refieren al corte por chorro de agua sin el uso de abrasivos añadidos. A menudo se utiliza para materiales más blandos como madera o caucho. [1]
El corte por chorro de agua se utiliza a menudo durante la fabricación de piezas de máquinas. Es el método preferido cuando los materiales a cortar son sensibles a las altas temperaturas generadas por otros métodos; ejemplos de tales materiales incluyen plástico y aluminio . El corte por chorro de agua se utiliza en diversas industrias, incluidas la minera y la aeroespacial , para cortar, dar forma y escariar . [2]
Si bien el uso de agua a alta presión para la erosión se remonta a mediados del siglo XIX con la minería hidráulica , no fue hasta la década de 1930 que comenzaron a aparecer chorros estrechos de agua como dispositivo de corte industrial. En 1933, la Paper Patents Company de Wisconsin desarrolló una máquina dosificadora, cortadora y bobinadora de papel que utilizaba una boquilla de chorro de agua que se movía diagonalmente para cortar una hoja de papel continuo que se movía horizontalmente. [3] Estas primeras aplicaciones se realizaron a baja presión y restringidas a materiales blandos como el papel.
La tecnología del chorro de agua evolucionó en la era de la posguerra cuando investigadores de todo el mundo buscaban nuevos métodos de sistemas de corte eficientes. En 1956, Carl Johnson de Durox International en Luxemburgo desarrolló un método para cortar formas de plástico utilizando un chorro fino de agua a alta presión, pero esos materiales, como el papel, eran materiales blandos. [4] En 1958, Billie Schwacha de North American Aviation desarrolló un sistema que utilizaba líquido a ultra alta presión para cortar materiales duros. [5] Este sistema utilizaba una bomba de 100.000 psi (690 MPa) para entregar un chorro de líquido hipersónico que podía cortar aleaciones de alta resistencia como el acero inoxidable PH15-7-MO. Utilizado para cortar el laminado alveolar para el Mach 3 North American XB-70 Valkyrie , este método de corte daba como resultado una delaminacion a alta velocidad, lo que requería cambios en el proceso de fabricación. [6]
Si bien no fue efectivo para el proyecto XB-70, el concepto era válido y continuaron las investigaciones para desarrollar el corte por chorro de agua. En 1962, Philip Rice de Union Carbide exploró el uso de un chorro de agua pulsante de hasta 50.000 psi (340 MPa) para cortar metales, piedra y otros materiales. [7] La investigación realizada por SJ Leach y GL Walker a mediados de la década de 1960 amplió el corte tradicional con chorro de agua de carbón para determinar la forma ideal de la boquilla para el corte de piedra con chorro de agua a alta presión, [8] y Norman Franz a finales de la década de 1960 se centró en el corte con chorro de agua. de materiales blandos disolviendo polímeros de cadena larga en el agua para mejorar la cohesividad de la corriente en chorro. [9] A principios de la década de 1970, el deseo de mejorar la durabilidad de la boquilla de chorro de agua llevó a Ray Chadwick, Michael Kurko y Joseph Corriveau de Bendix Corporation a tener la idea de utilizar cristal de corindón para formar un orificio de chorro de agua, [10 ] mientras que Norman Franz amplió esto y creó una boquilla de chorro de agua con un orificio tan pequeño como 0,002 pulgadas (0,051 mm) que operaba a presiones de hasta 70.000 psi (480 MPa). [11] John Olsen, junto con George Hurlburt y Louis Kapcsandy en Flow Research (más tarde Flow Industries), mejoraron aún más el potencial comercial del chorro de agua al demostrar que tratar el agua de antemano podría aumentar la vida operativa de la boquilla. [12]
Los recipientes y bombas de alta presión se volvieron asequibles y confiables con la llegada de la energía de vapor. A mediados del siglo XIX, las locomotoras de vapor eran comunes y ya estaba en funcionamiento el primer camión de bomberos eficiente impulsado por vapor. [13] A principios de siglo, la confiabilidad de la alta presión mejoró, y la investigación sobre locomotoras condujo a un aumento de seis veces la presión de la caldera, algunas alcanzando 1,600 psi (11 MPa). Sin embargo, la mayoría de las bombas de alta presión en ese momento operaban entre 500 y 800 psi (3,4 a 5,5 MPa).
Los sistemas de alta presión fueron moldeados aún más por las industrias de la aviación, la automoción y el petróleo. Los fabricantes de aviones como Boeing desarrollaron sellos para sistemas de control impulsados hidráulicamente en la década de 1940, [14] mientras que los diseñadores de automóviles siguieron investigaciones similares para sistemas de suspensión hidráulica. [15] Las presiones más altas en los sistemas hidráulicos de la industria petrolera también llevaron al desarrollo de sellos y empaquetaduras avanzados para evitar fugas. [dieciséis]
Estos avances en la tecnología de sellos, más el auge de los plásticos en los años de la posguerra, llevaron al desarrollo de la primera bomba de alta presión confiable. La invención de Marlex por Robert Banks y John Paul Hogan de Phillips Petroleum Company requirió la inyección de un catalizador en el polietileno. [17] McCartney Manufacturing Company en Baxter Springs, Kansas, comenzó a fabricar estas bombas de alta presión en 1960 para la industria del polietileno. [18] Flow Industries en Kent, Washington sentó las bases para la viabilidad comercial de los chorros de agua con el desarrollo de John Olsen del intensificador de fluido de alta presión en 1973, [19] un diseño que se perfeccionó aún más en 1976. [20] Flow Industries luego se combinó la investigación de bombas de alta presión con su investigación sobre boquillas de chorro de agua y llevó el corte por chorro de agua al mundo de la fabricación. [ cita necesaria ]
Aunque es posible cortar con agua materiales blandos, añadir un abrasivo convirtió el chorro de agua en una moderna herramienta de mecanizado para todos los materiales. Esto comenzó en 1935, cuando Elmo Smith desarrolló la idea de agregar un abrasivo a la corriente de agua para la limpieza con abrasivo líquido. [21] El diseño de Smith fue perfeccionado aún más por Leslie Tirrell de Hydroblast Corporation en 1937, lo que dio como resultado un diseño de boquilla que creaba una mezcla de agua a alta presión y abrasivo con el fin de realizar limpieza con chorro húmedo. [22]
Las primeras publicaciones sobre el corte moderno con chorro de agua abrasivo (AWJ) fueron publicadas por Mohamed Hashish en las actas de BHR de 1982, mostrando, por primera vez, que los chorros de agua con cantidades relativamente pequeñas de abrasivos son capaces de cortar materiales duros como el acero y el hormigón. El número de marzo de 1984 de la revista Mechanical Engineering mostró más detalles y materiales cortados con AWJ, como titanio, aluminio, vidrio y piedra. Mohamed Hashish recibió una patente por la formación de AWJ en 1987. [23] Hashish, quien también acuñó el nuevo término chorro de agua abrasivo , y su equipo continuaron desarrollando y mejorando la tecnología AWJ y su hardware para muchas aplicaciones. Un desarrollo crítico fue la creación de un tubo de mezcla duradero que pudiera soportar la potencia del AWJ de alta presión, y fue el desarrollo de Boride Products (ahora Kennametal) de su línea ROCTEC de tubos compuestos cerámicos de carburo de tungsteno lo que aumentó significativamente la vida operativa del AWJ. boquilla. [24] El trabajo actual en boquillas AWJ se centra en chorros de agua microabrasivos para que se pueda comercializar el corte con chorros de menos de 0,015 pulgadas (0,38 mm) de diámetro.
Trabajando con Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Michael Dixon implementó el primer medio práctico de producción para cortar láminas de titanio: un sistema de chorro de agua abrasivo muy similar a los que se utilizan ampliamente en la actualidad. [23] En enero de 1989, ese sistema funcionaba las 24 horas del día produciendo piezas de titanio para el B-1B principalmente en las instalaciones de Rockwell's North American Aviation en Newark, Ohio.
Hoy en día existen dos tipos diferentes de chorros de agua abrasivos:
El chorro de suspensión abrasiva de agua (AWSJ), a menudo llamado “chorro de suspensión abrasiva de agua” o “chorro de suspensión abrasiva de agua (WAS)”, es un tipo específico de chorro de agua abrasivo que se utiliza para el corte con chorro de agua. A diferencia del chorro de agua abrasivo (AWIJ), el chorro de agua abrasivo suspendido (AWSJ) [25] se caracteriza porque la mezcla de abrasivo y agua se realiza antes de la boquilla. Esto tiene como resultado que, a diferencia de AWIJ, el chorro se compone sólo de dos componentes: agua y abrasivo.
Dado que en el AWSJ solo hay 2 componentes (agua y abrasivo), la aceleración de los granos abrasivos por el agua se produce con una eficiencia significativamente mayor en comparación con el AWIJ. [26] Los granos abrasivos se vuelven más rápidos con el WASS que con el WAIS para la misma potencia hidráulica del sistema. Por lo tanto, con el AWSJ se pueden realizar cortes comparativamente más profundos o más rápidos.
El corte AWSJ, a diferencia del proceso de corte AWIJ que se describe a continuación, también se puede utilizar para aplicaciones de corte móviles y corte bajo el agua, además de mecanizar materiales exigentes. [27] [28] [25] Los ejemplos incluyen la desactivación de bombas, [29] así como el desmantelamiento de instalaciones marinas [30] o el desmantelamiento de instalaciones de vasijas de presión de reactores en centrales nucleares. [31]
El AWIJ [32] se genera mediante un chorro de agua que pasa a través de una cámara de mezcla (una cavidad) después de salir de la boquilla de agua y entra en un tubo de enfoque a la salida de la cámara de mezcla. La interacción del chorro de agua en la cámara de mezcla con el aire del interior crea una presión negativa, el chorro de agua arrastra partículas de aire. Esta depresión se utiliza para el transporte neumático del abrasivo a la cámara (el abrasivo se conduce mediante una manguera hasta una abertura lateral (agujero) de la cámara de mezcla).
Después del contacto del material abrasivo en la cámara de mezcla con el chorro de agua, los distintos granos abrasivos se aceleran y son arrastrados en dirección al tubo de enfoque. El aire utilizado como medio portador para transportar el abrasivo a la cámara de mezcla también pasa a formar parte del AWIJ, que ahora consta de tres componentes (agua, abrasivo y aire). En el tubo de enfoque, cuya longitud está (o debería) optimizarse para este fin, el abrasivo se acelera aún más (transferencia de energía del agua al grano de abrasivo) y el AWIJ idealmente sale del tubo de enfoque con la máxima velocidad posible del grano de abrasivo. .
A medida que el corte por chorro de agua se incorporó a los talleres de fabricación tradicionales, era esencial controlar la cortadora de forma fiable y precisa. Los primeros sistemas de corte por chorro de agua adaptaron sistemas tradicionales, como pantógrafos mecánicos y sistemas CNC , basados en la fresadora NC de 1952 de John Parsons y con código G. [33] Los desafíos inherentes a la tecnología de chorro de agua revelaron las deficiencias del Código G tradicional. La precisión depende de variar la velocidad de la boquilla a medida que se acerca a esquinas y detalles. [34] La creación de sistemas de control de movimiento para incorporar esas variables se convirtió en una innovación importante para los principales fabricantes de chorro de agua a principios de la década de 1990, con John Olsen de OMAX Corporation desarrollando sistemas para posicionar con precisión la boquilla de chorro de agua [35] y al mismo tiempo especificar con precisión la velocidad en cada punto a lo largo. la ruta, [36] y también utilizando PC comunes como controlador. El mayor fabricante de chorro de agua, Flow International (una escisión de Flow Industries), reconoció los beneficios de ese sistema y obtuvo la licencia del software OMAX, con el resultado de que la gran mayoría de las máquinas de corte por chorro de agua en todo el mundo son fáciles de usar, rápidas y precisas. [37]
Todos los chorros de agua siguen el mismo principio de utilizar agua a alta presión enfocada en un haz mediante una boquilla. La mayoría de las máquinas logran esto haciendo pasar primero el agua a través de una bomba de alta presión . Hay dos tipos de bombas que se utilizan para crear esta alta presión; una bomba intensificadora y una bomba de accionamiento directo o de cigüeñal. Una bomba de transmisión directa funciona de manera muy similar al motor de un automóvil, forzando el agua a través de tuberías de alta presión mediante émbolos conectados a un cigüeñal . Una bomba intensificadora crea presión utilizando aceite hidráulico para mover un pistón que fuerza el agua a través de un pequeño orificio. [38] [39] Luego, el agua viaja a lo largo del tubo de alta presión hasta la boquilla del chorro de agua. En la boquilla, el agua se concentra en un haz fino mediante un orificio tipo joya. Este haz de agua se expulsa desde la boquilla, cortando el material rociándolo con el chorro a una velocidad del orden de Mach 3, alrededor de 2500 pies/s (760 m/s). [40] El proceso es el mismo para los chorros de agua abrasivos hasta que el agua llega a la boquilla. Aquí, abrasivos como granate y óxido de aluminio se introducen en la boquilla a través de una entrada de abrasivo. Luego, el abrasivo se mezcla con el agua en un tubo mezclador y se expulsa por el extremo a alta presión. [41] [42]
Un beneficio importante del chorro de agua es la capacidad de cortar material sin interferir con su estructura inherente, ya que no existe una zona afectada por el calor (HAZ). Minimizar los efectos del calor permite cortar metales sin deformarlos, afectar el estado de ánimo o cambiar las propiedades intrínsecas. [43] Son posibles esquinas afiladas, biseles, agujeros perforados y formas con radios internos mínimos. [44]
Las cortadoras por chorro de agua también son capaces de producir cortes complejos en el material. Con software especializado y cabezales de mecanizado 3D, se pueden producir formas complejas. [45]
La ranura o ancho del corte se puede ajustar intercambiando piezas en la boquilla, así como cambiando el tipo y tamaño del abrasivo. Los cortes abrasivos típicos tienen un corte en el rango de 0,04 a 0,05 pulgadas (1,0 a 1,3 mm), pero pueden ser tan estrechos como 0,02 pulgadas (0,51 mm). Los cortes no abrasivos suelen ser de 0,18 a 0,33 mm (0,007 a 0,013 pulgadas), pero pueden ser tan pequeños como 0,076 mm (0,003 pulgadas), que es aproximadamente el de un cabello humano. Estos pequeños chorros pueden permitir pequeños detalles en una amplia gama de aplicaciones.
Los chorros de agua son capaces de alcanzar una precisión de hasta 0,005 pulgadas (0,13 mm) y una repetibilidad de hasta 0,001 pulgadas (0,025 mm). [45]
Debido a su corte relativamente estrecho, el corte por chorro de agua puede reducir la cantidad de material de desecho producido, al permitir que las piezas sin cortar se aniden más juntas que los métodos de corte tradicionales. Los chorros de agua utilizan aproximadamente entre 1,9 y 3,8 L (0,5 a 1 galón estadounidense) por minuto (según el tamaño del orificio del cabezal de corte) y el agua se puede reciclar mediante un sistema de circuito cerrado. El agua residual suele estar lo suficientemente limpia como para filtrarla y desecharla por un desagüe. El abrasivo granate es un material no tóxico que en su mayor parte puede reciclarse para uso repetido; de lo contrario, normalmente se puede eliminar en un vertedero. Los chorros de agua también producen menos partículas de polvo, humo, vapores y contaminantes en el aire, [45] reduciendo la exposición del operador a materiales peligrosos. [46]
El corte de carne mediante tecnología de chorro de agua elimina el riesgo de contaminación cruzada ya que se desecha el medio de contacto. [ cita necesaria ]
Debido a que la naturaleza del flujo de corte se puede modificar fácilmente, el chorro de agua se puede utilizar en casi todas las industrias; Hay muchos materiales diferentes que el chorro de agua puede cortar. Algunos de ellos tienen características únicas que requieren especial atención a la hora de cortar.
Los materiales comúnmente cortados con chorro de agua incluyen textiles, caucho, espuma, plásticos, cuero, compuestos, piedra, azulejos, vidrio, metales, alimentos, papel y mucho más. [47] "La mayoría de las cerámicas también se pueden cortar con un chorro de agua abrasivo siempre que el material sea más blando que el abrasivo utilizado (entre 7,5 y 8,5 en la escala de Mohs)". [48] Ejemplos de materiales que no se pueden cortar con un chorro de agua son el vidrio templado y los diamantes. [46] Los chorros de agua son capaces de cortar hasta 6 pulgadas (150 mm) de metales y 18 pulgadas (460 mm) de la mayoría de los materiales, [49] aunque en aplicaciones especializadas de minería de carbón, [50] los chorros de agua son capaces de cortar a 100 pies (30 m) usando una boquilla de 1 pulgada (25 mm). [51]
Los cortadores de chorro de agua especialmente diseñados se utilizan comúnmente para eliminar el exceso de betún de las superficies de las carreteras que se han convertido en objeto de lavado con aglutinante. El lavado es un fenómeno natural causado durante el clima cálido, donde el agregado se nivela con la capa aglutinante bituminosa, creando una superficie de la carretera peligrosamente lisa durante el clima húmedo. [ cita necesaria ]
Los sistemas comerciales de corte por chorro de agua están disponibles de fabricantes de todo el mundo, en una variedad de tamaños y con bombas de agua capaces de soportar una variedad de presiones. Las máquinas de corte por chorro de agua típicas tienen un área de trabajo tan pequeña como unos pocos pies cuadrados o hasta cientos de pies cuadrados. Las bombas de agua de ultra alta presión están disponibles desde 40.000 psi (280 MPa) hasta 100.000 psi (690 MPa). [45]
Hay seis características principales del proceso de corte por chorro de agua:
La temperatura no es un factor importante porque el agua utilizada también actúa como refrigerante .
La calidad del borde de las piezas cortadas con chorro de agua se define con los números de calidad Q1 a Q5. Los números más bajos indican un acabado de borde más áspero; los números más altos son más suaves. Para materiales delgados, la diferencia en la velocidad de corte para Q1 podría ser hasta 3 veces más rápida que la velocidad de Q5. Para materiales más gruesos, Q1 podría ser 6 veces más rápido que Q5. Por ejemplo, un aluminio Q5 de 4 pulgadas (100 mm) de espesor sería 0,72 pulgadas/min (18 mm/min) y Q1 sería 4,2 pulgadas/min (110 mm/min), 5,8 veces más rápido. [54]
En 1987, Ingersoll-Rand Waterjet Systems ofreció un sistema de corte por chorro de agua pura de 5 ejes llamado Sistema Robótico de Chorro de Agua. El sistema tenía un diseño de pórtico elevado, similar en tamaño general al HS-1000.
Con avances recientes [ ¿cuándo? ] en tecnología de control y movimiento, el corte por chorro de agua de 5 ejes (abrasivo y puro) se ha convertido en una realidad. Mientras que los ejes normales de un chorro de agua se denominan Y (hacia atrás/adelante), X (izquierda/derecha) y Z (arriba/abajo), un sistema de 5 ejes normalmente agregará un eje A (ángulo desde la perpendicular) y un eje C. (rotación alrededor del eje Z). Dependiendo del cabezal de corte, el ángulo de corte máximo para el eje A puede ser de 55, 60 o, en algunos casos, incluso 90 grados desde la vertical. Como tal, el corte de 5 ejes abre una amplia gama de aplicaciones que se pueden mecanizar en una máquina de corte por chorro de agua.
Se puede usar un cabezal de corte de 5 ejes para cortar piezas de 4 ejes, donde las geometrías de la superficie inferior se desplazan una cierta cantidad para producir el ángulo apropiado y el eje Z permanece a una altura. Esto puede ser útil para aplicaciones como preparación de soldadura donde es necesario cortar un ángulo de bisel en todos los lados de una pieza que luego se soldará, o para propósitos de compensación de conicidad donde el ángulo de corte se transfiere al material de desecho, eliminando así la conicidad comúnmente encontrado en piezas cortadas con chorro de agua. Un cabezal de 5 ejes puede cortar piezas en las que el eje Z también se mueve junto con todos los demás ejes. Este corte completo de 5 ejes podría usarse para cortar contornos en varias superficies de piezas formadas.
Debido a los ángulos que se pueden cortar, es posible que los programas de piezas necesiten cortes adicionales para liberar la pieza de la hoja. Intentar deslizar una pieza compleja en un ángulo severo desde una placa puede resultar difícil sin los cortes de relieve adecuados.
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