واترجت ،پیش کسوت قدرتمند و کم ضرر

در این مقاله ارایه شده از بهکات، جزییات بسیاری از تکنولوژی مربوط به واتر جت ها خدمت خوانندگان گرامی ارایه شده که توصیه بر این است که کامل و با دقت از خواندن آن لذت ببریم؛

دستگاه برش با آب كه به نام  واترجت (water jet)  شناخته مي شود ، يك ابزار صنعتي است كه قادر است انواع مختلفي از مواد را با استفاده از فشار شدید آب مخلوط با يك ماده ساينده برش دهد. اصطلاح abrasive jet به طور خاص به استفاده از مخلوطی از آب و ساینده برای برش مواد سخت مانند فلز یا گرانیت اشاره دارد ، در حالی که اصطلاح واترجت ، به تنهایی شامل برش فقط با استفاده از آب پرفشار  بدون استفاده از ساینده اضافه شده اشاره دارد ، که اغلب برای  برش مواد نرمتر مانند چوب یا لاستیک استفاده می شود.
برش واترجت اغلب در هنگام ساخت قطعات ماشین آلات و زماای که مواد برش داده شده نسبت به درجه حرارت بالا که توسط روشهای دیگر ایجاد می شود حساس است  مورد استفاده قرار می گیرد. برش واترجت در صنایع مختلف از جمله معدن و هوافضا برای برش ، شکل دهی و تغییر کاربری مجدد مورد استفاده قرار می گیرد.

تاریخچه واترجت

در حالی که استفاده از آب با فشار بالا برای برش، به اواسط دهه 1800 و برای استخراج  از معادن( hydraulic mining) برمی گردد ، تا دهه 1930 بود که جت هایی با فشار باریک آب به عنوان یک دستگاه برش صنعتی شروع به کار کردند.
فن آوری واترجت در دوره پس از جنگ جهانی تحول پیدا کرد زیرا محققان در سراسر جهان به جستجوی روش های جدید سیستم های برش کارآمد پرداختند. در سال 1956 ، کارل جانسون، روشی را برای برش اشکال پلاستیکی با استفاده از آب با فشار بالا ایجاد کرد ، اما این روش تنها قادر به برش مواد نرم مانند کاغذ بود.
در سال 1958 ، بیلی شوواچا از سازمان هوانوردی آمریکای شمالی، سیستمی را با استفاده از مایع با فشار زیاد برای برش مواد سخت توسعه داد.این سیستم از یک پمپ 100000 psi، برای ایجاد یک مایع هیپرسونیک استفاده می کند که می تواند آلیاژهای با مقاومت بالا مانند فولاد ضد زنگ PH15-7-MO را برش دهد. این روش برش برای برش ورق های لانه زنبوری برای هواپیمای XB-70 Valkyrie Mach 3 استفاده شد ،البته این روش برش منجر به فرسایش سطح ورق با سرعت بالا شد و نیاز به تغییراتی در فرآیند تولید داشت.
در حالی که برای پروژه XB-70 مناسب نبود ، تحقیقات بیشتری جهت تکامل برش واترجت ادامه پیدا کرد. در سال 1962 ، فیلیپ رایس از Union Carbide با استفاده از واترجت پالسی با فشار بیش از 50،000 psi  برای برش فلزات ، سنگ و سایر مواد اقدام کرد. در اوایل دهه 1970 میلادی ، میل به بهبود دوام نازل واترجت باعث شد كه ری چادویك ، مایكل كوركو و جوزف كوریو از شركت بندیكس به این ایده دست یابند كه از بلورهای كورنوم برای ایجاد یك واترجت استفاده كنند و یک نازل واترجت با ابعادی به اندازه 0.002 اینچ (0.051 میلی متر) ایجاد کردند که در فشارهای حداکثر 70،000 psi عمل می کرد.جان اولسن به همراه جورج هورلبورت و لوئیس کاپساندی در جریان تحقیقات نیز پتانسیل تجاری واترجت را بهبود بخشیدند و نشان دادند که تصفیه آب از قبل می تواند باعث افزایش عمر عملیاتی نازل شود.

فشار بالا
لوله ها و پمپ های فشار قوی با ظهور نیروی بخار مقرون به صرفه و قابل اعتماد شدند. در اواسط دهه 1800 و در اواخر قرن ، اطمینان به فشار بالا بهبود یافت و با تحقیقات بر روی لوکوموتیوها منجر به افزایش شش برابری فشار دیگ ها تا 1600 psi شد. با این حال ، بیشتر پمپ های فشار قوی در این زمان ، در حدود 500-800 PSI  عمل می کردند.
سیستم های فشار قوی بیشتر توسط صنایع هواپیمایی و اتومبیل سازی و نفت شکل گرفت. در دهه 1940 تولیدكنندگان هواپیما مانند بوئینگ سیستم های كنترل هیدرولیكی خود را ارتقاع ایجاد می دادند ، در حالی كه طراحان خودرو تحقیقات مشابهی را برای سیستم های تعلیق هیدرولیك دنبال می كردند.فشارهای بیشتر در سیستم های هیدرولیک در صنعت نفت همچنین منجر به ایجاد تغییرات پیشرفته و ارتقاع  آب بندی برای جلوگیری از نشت شد.
این پیشرفت ها در تکنولوژی آب بندی، به علاوه افزایش استقاده از پلاستیک در سال های پس از جنگ جهانی، منجر به توسعه اولین پمپ قابل اطمینان با فشار بالا شد. اختراع ماركلك توسط رابرت بانكس و جان پاول هوگان از شركت فيليپس پتروليوم نياز به كاتاليزوري را براي تزريق در پلي اتيلن داشت.شرکت تولیدی مک کارنی در باکستر اسپرینگز ، کانزاس ، تولید این پمپ های فشار قوی را در سال 1960 برای صنعت پلی اتیلن آغاز کرد.صنایع فلوس سپس تحقیقات پمپ فشار قوی را با تحقیق در مورد نازل واترجت ترکیب کردند و برش واترجت را وارد دنیای تولید کردند.

واترجت ساینده (Abrasive waterjet)

در حالی که برش با آب برای مواد نرم امکان پذیر است ، افزودن مواد ساینده باعث افزایش توان نفوذ آب به جهت استفاده در ابزارآلات ماشینکاری مدرن برای کلیه مواد می شود. این کار در سال 1935 آغاز شد وقتی که ایده اضافه کردن مواد ساینده به جریان آب توسط المو اسمیت ایجاد شد. طراحی اسمیت توسط لسلی تیرل از شرکت هیدروبلاست در سال 1937 بیشتر مورد تجدید قرار گرفت ، در نتیجه منجر به طراحی نازلی شد که ترکیبی از آب فشار قوی و ساینده را به منظور افزایش توان نفوذ آب شد.
اولین مقاله در مورد برش مدرن واترجت ساینده (AWJ) توسط دکتر محمد هاشیش در سال 1982 منتشر شد که نشان می دهد ، برای اولین بار ، واترجت هایی با مقادیر نسبتاً ناچیز از ساینده ها قادر به برش مواد سخت مانند فولاد و بتن هستند. . در ماه مارس 1984 مجله مهندسی مکانیک اعلام کرد مواد بیشتری با AWJ، مانند تیتانیوم ، آلومینیوم ، شیشه و سنگ برش داده شده است. دکتر محمد هاشیش در سال 1987 این اختراع رابه ثبت رسانید.دکتر هاشیش ، که اصطلاح جدید Abrasive Waterjet را نیز اختراع کرد ، تیم وی به پیشرفت فناوری AWJ و سخت افزار آن برای بسیاری از برنامه های کاربردی ادامه داد که هم اکنون در بیش از 50 صنعت در سراسر جهان وجود دارد اقدام نمود. مهمترین تحول ، ایجاد یک لوله مخلوط بادوام است که می تواند قدرت فشار قوی AWJ را تحمل کند. کار فعلی روی نازل های AWJ روی واترجت ساینده میکرو است بنابراین برش با جت های کوچکتر از قطر  0.015 اینچ (0.38 میلی متر) می تواند تجاری شود.
مایکل دیکسون با همکاری با سیستم های Ingersoll-Rand Waterjet ، اولین ماشین کاربردی برش ورق های تیتانیوم را تولید کرد. یک سیستم ساینده واترجت ساینده بسیار شبیه به سیستم های کاربردی امروزی است.در ژانویه سال 1989 ، این سیستم 24 ساعت شبانه روز تولید قطعات تیتانیوم برای B-1B را که عمدتاً در تأسیسات هواپیمایی آمریكای شمالی راكول در نیوكارك اوهایو تولید می شد ، اجرا می كرد.

کنترل واترجت

با جایگزینی برش واترجت در پروسه های تولید سنتی ، کنترل برش قابل اطمینان ضروری بود. سیستم های برش واترجت اولیه سیستم های سنتی مانند پنتوگرافی های مکانیکی و سیستم های CNC را بر اساس دستگاه فرز NC جان پارسونز و در حال اجرای G-Code اقتباس کردند. چالش های ذاتی در فن آوری واترجت ، ناکارآمد بودن G-Code را نشان داد ، زیرا صحت آن بستگی به تغییر سرعت نازل با نزدیک شدن به گوشه ها و جزئیات دارد.ایجاد سیستم های کنترل حرکت برای ترکیب این متغیرها در اوایل دهه 1990 نوآوری اساسی برای تولید کنندگان پیشرو واترجت بدست آورد که دکتر جان اولسن از شرکت OMAX سیستم هایی را توسعه داد تا دقیقاً نازل واترجت را در نقطه مورد نظر مستقر کند و ضمن مشخص کردن سرعت در هر نقطه در طول مسیر همچنین با استفاده از رایانه های شخصی قابل کنترل باشد. بزرگترین سازنده واترجت ، (Flow International (spinoff of Flow Industries مزایای آن سیستم را به رسمیت شناخت و مجوز نرم افزار OMAX را صادر کرد ، که منجر به کنترل ساده تر و سریعتر دستگاههای برش واترجت در سراسر جهان شد.

نحوه عملکرد
همه واترجتها از همان اصل  آب با فشار قوی متمرکز شده بر روی خروجی نازل پیروی می کنند. اکثر ماشین ها این کار را از طریق پمپ فشار قوی انجام می دهند. دو نوع پمپ برای ایجاد این فشار بالا وجود دارد. پمپ تقویت کننده و یک پمپ مستقیم یا میل لنگ. یک پمپ درایو مستقیم مانند موتور اتومبیل کار می کند و آب را از طریق لوله های فشار قوی با استفاده از اتصالات متصل به میل لنگ ، پمپ می کند. پمپ تشدید کننده با استفاده از روغن هیدرولیک برای جابجایی یک پیستون که آب را از طریق یک سوراخ ریز عبور میدهد، فشار ایجاد می کند. سپس آب در امتداد لوله فشار قوی به سمت نازل واترجت حرکت می کند. در نازل ، آب توسط یک دهانه ظریف به یک پرتو آبی نازک متمرکز تبدیل می شود. این پرتوی آب از نازل خارج می شود و با پاشش آن با سرعت سه ماخ ، حدود 2500 فوت در ثانیه (760 متر بر ثانیه) از طریق مواد برش روی متریال را ایجاد میکند.این روند در واتر جتهای ساینده یکسان است تا آب به نازل برسد. در اینجا ساینده هایی مانند گارنت و اکسید آلومینیوم از طریق ورودی ساینده به داخل نازل تغذیه می شوند. ساینده سپس با آب در لوله اختلاط مخلوط می شود و با فشار زیاد به خارج رانده میشود.

فواید و مزایای برش واترجت

از مزایای مهم واترجت، قابلیت برش مواد بدون دخالت در ساختار ذاتی آن است زیرا هیچ منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) وجود ندارد. به حداقل رساندن اثرات گرما اجازه می دهد فلزات بدون آسیب رساندن یا تغییر در خصوصیات ذاتی بریده شوند. گوشه های تیز ، تاقچه ها ، سوراخ ها و شکل هایی با حداقل شعاع درونی ممکن است.
برش واترجت همچنین قادر به ایجاد برش های پیچیده در مواد هستند. با نرم افزارهای تخصصی و سرهای ماشینکاری 3 بعدی می توان اشکال پیچیده ای تولید کرد.
برش یا عرض آن را می توان با تعویض قطعات در نازل و همچنین تغییر نوع و اندازه ساینده تنظیم کرد. برشهای ساینده معمولی دارای دامنه ای در محدوده 0.04 تا 0.05  (1.0-1.3 میلی متر) هستند ، اما می توانند به اندازه 0.02 اینچ (0.51 میلی متر) باریک باشند. برش های غیر ساینده معمولاً از 0.007 تا 0.013 در (0.18-0.33 میلی متر) است ، اما می تواند به اندازه 0.003 اینچ (0.076 میلی متر) باشد ، که تقریباً به اندازه موی انسان است. این جت های کوچک می توانند جزئیات کوچک را در طیف گسترده ای از برنامه ها اعمال کنند.
واترجت ها قادر به دستیابی به دقت به 0.005 اینچ (0.13 میلی متر) و دقت تکرارپذیری تا 0.001 اینچ (0.025 میلی متر) هستند.
برش واترجت به دلیل داشتن برش نسبتاً باریک ، باعث می شود مقدار ضایعات تولید شده کاهش یابد ، با این کار اجازه می دهد قطعات برش خورده، نزدیک تر از روشهای سنتی برش در کنار هم قرار بگیرند. واترجت ها تقریباً از 0.5 تا 1 گالن (1.9-3.8 لیتر) در دقیقه آب استفاده می كنند (بسته به اندازه سر حفره سر برش) و آب با استفاده از سیستم حلقه بسته قابل بازیافت است. فاضلاب معمولاً به اندازه کافی تمیز است تا فیلتر و دفع زهکشی انجام شود. ساینده گارنت ماده ای غیر سمی است که بیشتر برای استفاده های مکرر قابل بازیافت است. در غیر این صورت ، معمولاً در محل دفن زباله دفع می شود.واترجت ها همچنین ذرات گرد و غبار موجود در هوا ، دود و آلودگی ها را کمتر تولید می کنند.
استفاده از فن آوری واترجت ، خطر آلودگی متقاطع را از بین می برد زیرا هیچ وسیله تماسی (یعنی تیغه) وجود ندارد.