Los conceptos básicos detrás de la presión de corte por chorro de agua

La presión de corte por chorro de agua adecuada proviene de una combinación de la potencia de la bomba y el diámetro de la boquilla y el orificio. Por supuesto, establecer la presión óptima es solo 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. ¿Los números más grandes se traducen en un corte mejor o más rápido? ¿Qué combinación de presión, potencia y conjunto de boquilla es mejor para una aplicación dada? ¿Qué significa todo esto realmente?

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 haya recibido una avalancha de datos de marketing y ventas que muestran los beneficios de cada uno. Las bombas intensificadoras hidráulicas pueden generar presiones excepcionalmente altas a costa de un sistema hidráulico que consume mucha energía. Otros han defendido los sistemas de transmisión directa que usan una bomba de cigüeñal mecánica (verFigura 1).

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

Independientemente, 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 sale de la tubería de alta presión a través de una abertura medida en centésimas de pulgada. Al pasar a través de un orificio de diámetro pequeño, el agua forma un chorro de agua coherente 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 de mezcla de cerámica especial, y la suspensión de agua y abrasivo resultante sale de la boquilla como una corriente de corte coherente de partículas abrasivas que se desplazan a muy alta velocidad.

Los abrasivos cortan solo cuando alcanzan con éxito el material. La malla del abrasivo debe ser del tamaño correcto para el orificio para evitar obstrucciones. El granate de malla 80 es el más universal entre los tamaños de boquilla, mientras que el granate de malla 50 es mucho más grueso y generalmente 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 pulg. 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 sobre una malla 80, especialmente al cortar material delgado.

La presión está determinada por el volumen de agua que una bomba empuja a través del orificio de una boquilla (verFigura 2 ). Cuanto más pequeño es el orificio, mayor es la presión. Hipotéticamente, con una bomba de 100 HP y un orificio ancho, 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 lograr 60 000 PSI con una bomba de 5 HP, pero las aplicaciones están severamente 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 usar una boquilla con un orificio más pequeño. Por ejemplo, una bomba intensificadora de 50 HP con una bomba de 0,014 pulg. el orificio de la boquilla a 60 KSI está restringido a 0,010 pulg. orificio a 90 KSI.

Para aplicaciones de chorro de agua pura realizadas sin abrasivos, una mayor presión puede conducir a 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 solo con agua, como productos alimenticios o gomaespuma. Sin embargo, en los sistemas de corte por chorro de agua con abrasivo, el abrasivo hace el corte, no el agua. En cambio, el agua acelera pequeñas partículas abrasivas en un flujo coherente que puede erosionar el material que se está cortando.

De 10 000 a 60 000 PSI, la velocidad de corte por 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 romperse.

Figura 1En una bomba de chorro de agua de transmisión directa, la potencia proviene del cárter, que se muestra aquí.

Eso es según un artículo de 2018 del Dr. Axel Henning, Pete Miles y Ernst Schubert titulado "Effects of Particle Fragmentation on Performance of the Abrasive Waterjet", presentado en la Conferencia Internacional sobre Water Jetting, en el que los autores estudiaron cómo se relaciona el rendimiento de corte al tamaño de partícula abrasiva (verfigura 3 ). Descubrieron que a presiones más altas, los granos abrasivos se rompen y se convierten en polvo más fino antes de salir de la boquilla, lo que reduce la potencia 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-in. 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 funcione a 60 000 PSI normalmente producirá 2 GPM.

La potencia en la bomba no es la misma que la potencia 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 la potencia en la boquilla son todos iguales, una bomba intensificadora y una bomba de transmisión directa cortarán a la misma velocidad a través de la mayoría de los materiales y espesores comunes.

Los efectos de la potencia adicional también dependen del material que se corte. Los caballos de fuerza más altos definitivamente acelerarán el mecanizado de aluminio de 3 pulgadas de espesor, pero los efectos serán insignificantes cuando se mecanicen cuñas con un espesor de 0.010 pulgadas. orificio. Cuando se cortan materiales muy delgados, puede ser mejor operar a una potencia más baja en la que la variación de frecuencia sea más estable. Otra opción sería usar una bomba con un variador de frecuencia.

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

Encontrar la mejor combinación de potencia y presión para una máquina dada es como decirle la mejor manera de conducir su automóvil. Un Scion xA se conduce de manera muy diferente a un Shelby Cobra. Además, dependiendo de la condición del motor en ambos vehículos, el cuidado que se tenga con ellos, su edad y cómo fueron ensamblados, la potencia y el rendimiento de ambos vehículos pueden oscilar enormemente. Si se ha abusado de la Cobra y no se le ha dado mantenimiento y la xA está en plena forma... entiende 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 potencia y presión tienden a funcionar en condiciones ideales y con tamaños específicos de orificio/boquilla. Para continuar con la analogía del automóvil, piense en los números enFigura 4 como lo haría con la eficiencia de combustible publicada en autos nuevos. Las combinaciones de potencia/presión que se muestran en la tabla pueden considerarse óptimas sobre el papel, pero de ninguna manera explican 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 delgado.

El acrílico y otros plásticos son excelentes candidatos para el corte por chorro de agua gracias a la ausencia de transferencia de calor, pero tienden a presentar algunos problemas de astillado o agrietamiento al perforar. El vidrio se comporta de manera similar en este sentido. Para materiales que son quebradizos o tienden a deslaminarse, comience con una perforación de baja presión y luego aumente gradualmente 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 orificio/boquilla, 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 pulg.

No se puede optimizar el corte por chorro de agua en el vacío. Incluso con el equilibrio perfecto entre el tamaño de malla granate, la presión, la potencia y el diámetro del orificio/boquilla, los tiempos de ciclo y la rentabilidad igualmente perfectos pueden permanecer fuera de su alcance. En cualquier entorno de producción lo suficientemente complejo, los problemas de productividad pueden ser causados ​​por 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 extrae de la tubería de alta presión a través de una abertura.

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

La respuesta más simple al debate de potencia versus presión es que en realidad no existe un debate en absoluto. Ambos juegan un papel importante en la optimización de los procesos de chorro de agua, pero la importancia relativa de la potencia y la presión depende completamente de su aplicación de chorro de agua y de la condición de la máquina de chorro de agua en sí.

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