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Corte con chorro de agua

Corte con agua.
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El proceso de corte con agua es una tecnología bastante joven que permite el corte me materiales ferrosos y no ferrosos.

El corte con agua: Consiste en un delgado pero potente chorro de agua que en algunos casos puede estar combinado con un material abrasivo, el cual impacta el elemento a cortar a altísima velocidad, provocando un fenómeno de micro-erosión, logrando de esta forma el corte.

Orígenes

En la primera etapa del desarrollo de esta tecnología, la función del agua fue meramente limpiadora. En torno a 1920, la principal aplicación del agua a presión fue en la limpieza de fundiciones así como una alternativa nueva y más productiva en el lavado de almacenes de carbón y acero inoxidable. En aquel entonces se trabajaba a una presión de unos 100 bar.

En 1968 el Dr. Norman Franz, Profesor en la Universidad de Columbia, patentó lo que sería el primer intensificador para corte por chorro de agua. La presión de agua que alcanzaba este primer intensificador era de 700 bar. La subsidiaria de KMT perteneciente a la Mc. Cartney Manufacturing Company desarrolló sobre esta patente el primer intensificador que alcanzaba ya los 4.000 bar.

En 1971 se instaló este intensificador en la empresa Alton Box Board Co. En la divisón de papel. Sin embargo y debido a la falta de poder de corte, los metales no podían aún ser incluidos entre los materiales susceptibles de ser cortados con agua.

En los inicios de los años 80 se resolvió este problema con el aditivo de partículas de abrasivo al chorro de agua.

Las bombas intensificadoras de ultra alta presión elevan la presión del agua hasta valores superiores a los 4.100 bares (o 60,000 psi) y la conducen a través de un orificio de 0,08 mm (0,003") a 0,45 mm (0,018") de diámetro, generando así, un chorro de agua a una velocidad de casi 1.000 metros por segundo.

Descripción del proceso

En general, este método trabaja forzando un cierto caudal de agua altamente presurizado a través de un orificio de un diámetro muy pequeño (tobera), formando de esta forma un delgado chorro de altísima velocidad. Este chorro impacta el material con una gran fuerza en un área muy reducida, lo que provoca pequeñas grietas que con la persistencia del impacto del chorro “erosiona” el material, por lo que se habla de “micro-erosión”.

Existen dos sistemas que emplean el principio antes descrito, el que emplea sólo agua y que es empleado para cortar todo tipo de materiales blandos, como por ejemplo: madera, alimentos, plásticos, etc. Y el otro sistema de similares características pero que sólo difiere en el ingreso de un abrasivo al chorro, para permitir el corte de materiales duros como: aceros, titanio, aleaciones, etc.

Para obtener un chorro fino de agua se utiliza una pequeña abertura de boquilla con diámetro de 0.1 a 0.4 mm. Para proporcionar al chorro una energía suficiente para poder cortar, se usan presiones hasta de 400 MPa y el chorro alcanza velocidades hasta de 900 m/s. Una bomba hidráulica presuriza el fluído al nivel deseado. La unidad de boquilla consiste en un soporte hecho de acero inoxidable y una boquilla de zafiro, rubí o diamante. El diamante dura más, pero es el más costoso.

La distancia de separación es la distancia entre la boquilla y la superficie de trabajo. En general, se prefiere que esta distancia sea mínima para reducir la dispersión de la corriente del fluido antes de que golpee la superficie. Una distancia de separación normal es de 1/8 de In. (3.2 mm). El tamaño del orificio de la boquilla afecta la precisión del corte; las aberturas más pequeñas se usan para cortes más finos sobre materiales más delgados. Para cortar materia prima más gruesa se requieren corrientes de chorro más densas y mayores presiones.

La velocidad de avance del corte se refiere a la velocidad a la que se mueve la boquilla a lo largo de la trayectoria de corte. La velocidad de avance típica varía desde 12 in/min (5mm/seg) hasta 1200 in/min (500mm/seg), dependiendo del material de trabajo y su grosor. Por lo general, el WJC se hace en forma automática usando un control numérico computarizado o robots industriales para manipulación de la unidad de boquilla a lo largo de la trayectoria deseada.

Cuando se para el corte de metales deben agregarse partículas abrasivas a la corriente a chorro para facilitar el corte. Por tanto este proceso se denomina corte con chorro de agua abrasiva. Entre los materiales abrasivos comunes están el óxido de aluminio, el dióxido de silicio y el granate (un mineral de silicato); los tamaños del esmeril varían entre 60 y 120. Las partículas abrasivas se agregan a la corriente de agua a aproximadamente 0.5 lb/min (.23 Kg/min) después de que salen de la boquilla.

Aplicaciones

Como se ha podido comprobar en el apartado anterior, la cantidad de aplicaciones es infinita, pero si se analizan las mas destacadas se podrían enumerar:

  • Industria aerospacial: Mecanizado de chapas de aleaciones de aluminio de alta resistencia y aleaciones de titanio. Suele ser más económico que el fresado por necesitar sistemas de sujeción más sencillos.
  • Se utiliza para la preparación de superficies, como por ejemplo la limpieza de cascos de barcos y pintura automotriz.
  • Industria automovilística: Corte de los paneles interiores de las puertas conformados por fibra de madera, realizados por robots. También se aplica al corte de zapatas de freno con lo que se elimina el problema de las partículas del material de fricción flotando por el aire.
  • Industria téxtil: Se utiliza para cortar moquetas, obteniéndose mejores resultados que en el corte por calor, y que en el corte por cizalla, sobre todo en series cortas.
  • Industria cerámica: Para el corte de materiales cerámicos donde el uso de herramientas de metal sufre un gran desgaste y el empleo de discos de diamante no permiten la obtención de contorneados complicados.
  • Industria de mecanizado: Se utilizar para el mecanizado de piezas de todo tipo, desde arandelas, a laminas.
  • Industria del calzado: Se comienza a emplear para recortar tejidos, cueros y pieles, y materiales sintéticos como los cauchos empleados en las suelas y en otras partes.

Ventajas y desventajas

Ventajas

Algunas de las principales ventajas de este método por sobre los métodos convencionales son:

  • Corte frío (no existe calor que pueda afectar al material).
  • Es multi-direccional (puede cortar en cualquier dirección).
  • Perfora la mayoría de los materiales en el corte (sin necesidad de hacerlo previamente).
  • No existe agrietamiento, ambientalmente amistosos.
  • No existen: gases peligrosos, humos, radiaciones UV.
  • Ahorro de material por ancho de corte reducido.

Desventajas

Las principales desventajas de este método, radican en que en algunos casos de materiales de grandes espesores y de gran dureza, el tiempo requerido para ser cortado puede ser muy largo y elevar en gran medida sus costos. Además en grandes espesores la forma vertical “ideal” del corte tiende a distorsionarse, incrementado en ocasiones por una incorrecta velocidad de corte.

Equipamiento

Máquinas de corte

Máquinas de corte

Existe actualmente una gran variedad de equipos en el mercado, que permiten realizar gran cantidad de trabajos. Equipos de tamaños pequeños para realizar trabajos muy precisos y delicados, equipos de tamaños medios para pequeñas industrias y grandes equipos para satisfacer grandes demandas de trabajo.

En lo que respecta a los costos, el valor comercial aproximado varía normalmente entre US$90.000 a US$200.000 (según el tamaño y capacidades) y unas cuantas veces más si se trata de equipos robotizados.

El futuro de este método se espera bastante auspicioso, ya que existen a nivel mundial una gran y creciente cantidad de centros de investigación y desarrollo de esta tecnología, los que han alcanzado logros importantes sólo en las últimas décadas, provocando que cada vez más compañías la integren dentro de sus procesos.

Generadores de presión

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Generadores de presión

Existen dos sistemas principales para generar la presión necesaria, las bombas de émbolos y el llamado intensificador de presión. Las primeras poseen generalmente tres émbolos conectados a un cigüeñal e impulsado por un motor eléctrico. Pueden llegar a generar presiones bajas y medias (hasta 344 Mpa en últimos diseños) sin problemas. La principal ventaja de estas bombas es que es muy eficiente en las presiones mencionadas y su principal desventaja es que sobre estas presiones se torna insegura y produce importante variabilidad en el caudal de entrega.

El “intensificador de presión” consiste principalmente en un cilindro con diferencia de diámetros y un pistón con igual diferencia. La sección del pistón con mayor diámetro es impulsado por un fluido hidráulico, produciendo una presión mucho mayor sobre el agua debido a la diferencia de diámetros (en una relación sección pistón-aumento de presión de 1:10 a 1:25). Las presiones normales que pueden generar son por sobre los 400Mpa y se a llegado a los 690Mpa en algunos equipos modernos.

Su principal ventaja radica en la alta presión que puede generar y que puede alimentar a varios inyectores simultáneamente, y en contra, su baja eficiencia debido al sistema hidráulico que posee, ya que pierde potencia por el calor que necesita disipar mediante un sistema intercambiador, además de necesitar un acumulador de presión debido a su gran variabilidad de entrega.

Abrasivos

En general los abrasivos que se emplean o que dan buenos resultados en el corte deben poseer las siguientes características:

  • Buena estructura.
  • Dureza adecuada.
  • Buen comportamiento mecánico.
  • Grano de forma y distribución adecuadas.

Para cortar materiales, como acero por ejemplo, son adecuados abrasivos con granos duros y de formas afiladas y para materiales como aluminio son preferibles los de granos más blandos y no de gran calidad, lo que lo hace más económico.

Tipos de abrasivos

  • Granate.
  • Oxido de Aluminio.
  • Olivino.
  • Arena Silica.

El Granate tipo “Almandino” el que presenta características más estables y que permite ser empleado sobre gran cantidad de materiales, por lo que es el más popular a nivel mundial.

Introducción del Abrasivo

Inyección del abrasivo

Una vez que el chorro de agua pasa por la tobera, su velocidad se incrementa de gran manera, entrando luego a una zona de un diámetro bastante mayor o zona de mezcla. Debido a la altísima velocidad con que ingresa a esta zona, se produce un fenómeno llamado “depresión” o “efecto Venturi”, el que es aprovechado para succionar las partículas de abrasivo y agregarlas al chorro.

Normalmente la alimentación del abrasivo hacia el inyector se realiza por medio de un pequeño recipiente cercano a este y que a su vez es surtido neumáticamente desde un recipiente de mayor tamaño. También existen otros sistemas, como por ejemplo: el que parte del agua de alta presión es desviada hacia un estanque donde se mezcla con el abrasivo y es conducida al inyector, o bien otro sistema el cual el agua y el abrasivo, previamente mezclados, son impulsados al inyector por una membrana accionada por parte del fluido hidráulico que impulsa al intensificador de presión y conducido al inyector para la descarga.

Enlaces externos

Fuentes

  • Asso-Mec S.L Mecanizados.
  • Tecnología mecánica: procesos de conformado por arranque de viruta y soldadura de metales. Julio Serrano, Fernando Romero, Gracia Bruscas, Carlos Vila. Publicacion Universitat Jaume I. 2005
  • rcam/research/waterjet