El chorro de agua la hace en grande

Siendo alguna vez una novedad, el corte por chorro de agua abrasivo ha evolucionado para convertisrse en equipo estándar para el taller de fabricación

June 24, 2009

By:

Los avances en los componentes de control y del equipo, cada uno trabajando de manera conjunta, han impulsado la tecnología desde una relativa novedad hasta la corriente principal.

omax water jet

El corte con chorro de agua abrasivo podría estar en la cúspide de algo grande. Por años, los fabricantes de metal lo vieron como una máquina nicho, algo que comprar sólo cuando una parte no podía cortarse de ninguna otra forma. Pero en muchos casos actualmente está hombro con hombro con las tecnologías competidoras, incluyendo sistemas de corte con plasma y láser. Basados únicamente en la velocidad de corte, los chorros de agua abrasivos siguen siendo la tortuga, los láseres la liebre. Pero trate de cortar con chorro de agua chapas apiladas, o trate de usar cabezales múltiples de chorro de agua, y el cálculo del rendimiento cambia. En otros casos, el corte de precisión con chorro de agua puede eli­minar operaciones secundarias, creando otros ahorros de tiempo. Y, como siempre, el chorro de agua abrasivo sigue siendo la única tecnología que puede cortar casi cualquier material, grueso o delgado, junto con compuestos, plástico, vidrio, piedra—la lista sigue.

"Actualmente hay una mayor conciencia de la tecnología que hace cinco años", dice Chris Maier, gerente de producto de la empresa con base en Kent, Washington, Flow Intl. "Varios factores han cambiado la dinámica del mercado durante los últimos cinco años", desde presiones más altas hasta software innovador y control de movimiento.

En última instancia, se trata de obtener lo máximo de un chorro de agua y gránulo abrasivo que se mueve a una velocidad mayor al doble de la velocidad del sonido. Los avances en los componentes del control y del equipo, cada uno trabajando conjuntamente, han impulsado la tecnología desde una relativa novedad hasta la corriente principal.

Parte I: El Control: Innovación del Accionamiento

Como con otras máquinas herramientas, los controladores y el software que corre en éstos han sido la fuerza detrás de la nueva tecnología de chorro de agua. Los di­señadores pueden llevar los atributos físicos de la máquina de chorro de agua hasta cierto punto, pero las innovaciones en el lado del software apenas están empezando.

"No hace mucho tiempo, para implantar un chorro de agua se tenía que contratar a un muy buen programador si se iban a cortar formas complejas", dijo Jude Lague, presi­dente de Jet Edge con base en St. Michael, Minn. "Ahora toda la programación es automática".

Control del Movimiento. Los cabezales de corte han podido moverse en cinco ejes por años, dicen las fuentes. Pero la mayor parte del tiempo simplemente no era práctico debido a la compleja programación requerida—hasta hace poco. El software ha automatizado el proceso.

Dicha automatización ha ayudado a llevar el control del cono a más aplicaciones. Los chorros de agua divergen a velocidades lentas y convergen a velocidades altas, dándole al corte un borde ligeramente cónico. Para trabajo común, el cono normalmente no presenta ningún problema, pero para el corte de precisión pueden surgir problemas, especialmente en chapa delgada. Por lo que para acabar con el cono, los chorros de agua se inclinan para asegurar que un lado del chorro permanezca perfectamente vertical. Dicho movimiento no sería posible sin controles modernos que, mediante algoritmos complejos y modelos de corte sofisticados, predicen el ángulo del cono en un corte dado, dependiendo del tipo material, del espesor y de la velocidad de corte.

"Esta tecnología ha sido adoptada lentamente con el paso de los años", dijo John Olsen, Ph. D., vicepresidente de tecnología con base en Kent, Washington "Actualmente se ha movido a la corriente principal. Más de la mitad de las máquinas que vendemos ahora viene con la tecnología".

Este tipo de control, agregó, realmente ha hecho el chorro de agua adecuado para trabajo de precisión. "Los chorros de agua no son más rápidos que el plasma o el láser, por supuesto", explicó, "pero una enorme ventaja es que son muy precisos, por lo que no se tienen que hacer operaciones secundarias de maquinado".

El chorro de agua la hace en grande - TheFabricator.com

Un chorro de agua de Flow Intl. corta material apilado.

Algunos sistemas controlan los parámetros de corte variando el desplazamiento de la boquilla para acabar con las partes fuera de tolerancia durante producciones de muchas piezas. "Cuando se pone una boquilla nueva, se tiene un chorro de cierto tamaño que se hará más ancho en un periodo de tiempo de corte", dijo Keith Alexander, vicepresidente de HYDRAjet, Dalton, Ga. Por lo tanto, el cabezal cambia su desplazamiento ligeramente para compensar.

Los controles también compensan el llamado retroceso de trayectoria, o retraso de chorro, que puede causar problemas al cortar en esquinas, así como cono. Dijo Maier de Flow Intl., la compensación angular tanto para el cono como para el retroceso de trayectoria "realmente han cambiado la dinámica de la tecnología de corte con chorro de agua".

Según explicó Maier, "Fue hasta el momento en que tuvimos Dynamic Waterjet (Chorro de Agua Dinámico) [versión de Flow de la compensación angular], se tenía que reducir la velocidad del chorro de agua para eliminar los efectos de cono y retroceso de trayectoria. Pero conforme desacelera el chorro para reducir el retraso de trayectoria, el cono se vuelve más pronunciado. Conforme se acelera el chorro para reducir el cono, el retraso de trayectoria se vuelve más pronunciado. Ahora Dynamic Waterjet puede acabar con ambos, y cortamos mucho más rápido gracias a éste. Algunos de nuestros cálculos estiman un aumento de más del 50 por ciento en la velocidad de corte, así como una precisión más alta en la parte".

También buscando aumentar la velocidad, algunos sistemas realmente "empujan" el chorro poniéndolo a un ángulo ligeramente adelantado. "Le llamamos corte ‘inclinado hacia adelante’, donde la boqui­lla se inclina hacia adelante y corta adelante de sí misma", dijo Michael Burns, gerente nacional de ventas de Techni Waterjet con base en Olathe, Kan.

El software también ha ayudado a automatizar la programación de la perforación, cuando el chorro de agua penetra el metal inicialmente. "Digamos que una persona está cortando un agujero de 3 pulgadas de una placa de ¼ de pulgada", dijo Olsen. Para empezar, el taller programa un adelanto de forma V de ¼ de pulgada—pero "el software verá ese programa y sabrá que el adelanto es demasiado pequeño, por lo que automáticamente ajustará a una V de 3/8 de pulgada para el tiempo mínimo de adelanto. Esto es todo lo que pasa allá atrás", agregó Olsen. "Es automático, no requiere intervención del usuario".

Interfaz Amigable con el Usuario. Además de automatizar el control del movimiento, los CNC de chorro de agua ahora tienen interfaces de usuario que contribuyen a curvas de aprendizaje mucho más pequeñas. "Actualmente todo está en la interfaz gráfica", dijo Jeff Day, gerente de producto de tecnología de chorro de agua en Bystronic, Hauppauge, N.Y. "Hace algunos años había mucho código G. Actualmente las interfaces de usuario usan archivos CAD y lenguaje sencillo".

Parte II: El Sistema de Chorro de Agua: Facilitación de la Operació

Aceleración de la Velocidad. Bastante literalmente el corazón de un sistema de chorro de agua, la bomba impulsa el agua con suficiente presión para transportar abrasivo de granate—el material en la corriente de chorro que realmente hace el corte en la mayoría de los materiales—para que penetre en la pieza de trabajo. Un sistema de chorro de agua usa uno de dos tipos de bomba: bomba accionada directamente o por intensificador y bomba accionada por eje cigüeñal. Ambos tipos usan pistones re­ci­procantes para crear la acción de bombeo, pero cada una acciona el pistón de una manera diferente: ejes cigüeñales accionan la bomba de eje cigüeñal, mientras que los intensificadores usan cilindros hidráulicos.

"La mayor ventaja de los accionamientos directos es su alta eficiencia, por lo que hay menos consumo de electricidad", dijo Olsen de OMAX. "Además, debido a la alta eficiencia, no se necesita [agua extra para enfriar el intensificador]. Pero el intensificador tiene una gran ventaja sobre el accionamiento directo: los intensificadores hacen muy fácil operar boquillas múltiples. Los intensificadores se comportan como una fuerza de presión constante, como un sistema de agua en una casa. Pero un accionamiento directo se comporta como una fuente de flujo, por lo que si se activan varias boquillas, sólo se obtiene una cierta cantidad de flujo".

En años recientes, los ingenieros han afinado los diseños de bomba. Por ejemplo, algunos integran ahora tapas extremas de acero templado, reduciendo el número de sellos en un diseño de bomba dado. "Por ejemplo, una bomba de 200 caballos de potencia que usa tapas terminales de sello duras, junto con la ingeniería del diseño de los cilindros para producir velocidades de flujo máximas, reduce el número de sellos a dos", explicó Wiktor Stepien, vicepresidente, ventas y mercadeo, KMT Waterjet Systems, Baxter Springs, Kan.

El chorro de agua la hace en grande - TheFabricator.com

Un chorro de agua Jet Edge corta lingotes de titanio de 6.5 pulgadas.

El diseño de bombas se ha vuelto mucho más sofisticado, dijo Lague de Jet Edge. "[La industria ha tenido] algunos grandes avances en ingeniería. Con el tiempo hemos reunido una buena base estadística de qué se rompe, cuándo y por qué. Hemos aplicado reingeniería a productos para hacerlos más durables".

El "techo" tradicional de presión para bomba es alrededor de 60,000 PSI, más allá del cual los costos de mantenimiento empiezan a ser mayores que los beneficios de una velocidad más alta. Sin embargo, en años recientes, la tecnología de bomba con intensificador ha superado esto, ofreciendo 87,000 PSI.

"Estamos obteniendo una velocidad de corriente de chorro de agua mucho más rá­pida, la cual imparte más energía cinética por partícula abrasiva", dijo Maier de Flow, y agregó que las partículas que se mueven más rápido tienen "significativamente más energía, lo cual aumenta enormemente la eficiencia del corte mientras que reduce la cantidad de abrasivo usado hasta en un 50 por ciento". Agregó que la compañía redi­señó su bomba con intensificador para una vida de sellos" equivalente o mayor que la que encontramos con la tecnología de [60,000 PSI]".

Esto parece un tanto intuitivo: una presión más alta conduce a un corte más rápido. "Pero el factor que no es tan intuitivo es la densidad de la potencia", dijo Maier. Con una corriente de chorro moviéndose más rápido, la densidad de la potencia aumenta en un factor de 1.5". Un aumento del 40 por ciento en la presión trae un aumento del 70 por ciento en la densidad de potencia. Estamos obteniendo una velocidad de flujo más rápida saliendo de la boquilla, pero también estamos impartiendo esa energía cinética a las partículas abrasivas, haciendo un mejor uso de éstas. En esencia, se ocupa menos abrasivo para hacer el corte".

Avances en el Cabezal de Corte. Una tormenta bien controlada se desarrolla dentro de cada cabezal de corte con chorro de agua, el cual alberga al orificio, la entrada de abrasivo y el tubo mezclador. El agua de la bomba sale disparada por el orificio, o piedra preciosa, para formar un chorro abajo del centro del tubo mezclador. El vacío del chorro jala el material abrasivo, normalmente granate aluvial o triturado, hacia el tubo, el cual a su vez impulsa el chorro lleno de granate fuera de la apertura de la boqui­lla y a través del metal.

Algunos diseños han integrado un sistema asistido por vacío dentro del tubo mezclador para ayudar en la perforación, cuando el chorro penetra el metal inicialmente. "En corte tradicional con chorro de agua, el abrasivo de granate es jalado hacia la co­rrien­te de agua de alta velocidad mediante un vacío" que de manera natural se forma dentro del tubo mezclador, explicó Maier de Flow. "Pero cuando se perfora un agujero, con ayuda de vacío el abrasivo sale en frente de la corriente del chorro de agua, lo cual reduce significativamente el tiempo de perforado". Por lo tanto un "impulso" extra de vacío se activa durante la perforación jalando el abrasivo al frente de la corriente; la ayuda de vacío se desactiva una vez que se concluye la perforación.

El orificio consta de un zafiro, rubí o el diamante más caro, cortado especialmente. De acuerdo con las fuentes, los diamantes han ganado popularidad simplemente porque duran más. "El uso de orificios de diamante ha sido uno de los desarrollos más grandes en los años recientes", dijo Lague de Jet Edge. "Antes de esto, un taller podía estar cambiando un orificio cada 20 horas o algo así. Con el diamante, se puede obtener 10 veces más de vida o más", con algunos usuarios clamando entre 500 y 1,000 horas entre cambios de orificios.

El asentar estos orificios dentro de la boquilla es crítico, la alineación incorrecta entre la boquilla y el orificio puede reducir rápidamente la vida del consumible y la ca­lidad del corte—y eso se puede volver caro cuando se usan diamantes. Para superar el problema, algunos cabezales de corte tienen orificios de diamante ya asentados dentro, como un solo ensamble. "El diamante es montado directamente dentro del cuerpo y alineado", dijo Stepien de KMT. "Esto asegura que la piedra preciosa esté alineada y completamente centrada", dijo, agregando que esa desalineación hace que el "chorro golpee el lado del tubo de enfoque, desperdiciando energía, a diferencia de cuando sale directamente a través del centro de la boquilla".

Manejo del Abrasivo. El abrasivo viaja desde la entrada, a través del tubo mezclador, a través del metal, y finalmente, hacia el tanque abajo, donde tradicionalmente los trabajadores tenían que palear el granate usado y transportarlo para ser desechado. Sin embargo, los sistemas mo­dernos automatizan el proceso. Los sistemas de extracción de abrasivo filtran continuamente el abrasivo en el tanque y lo colectan para ser desechado. Para atrapar el abrasivo que se precipita en el fondo, los operadores hacen funcionar un ciclo de limpieza al final de cada turno para revolver el abrasivo y permitir que sea filtrado.

Algunos sistemas "tienen una depresión en el centro, y un ciclo de limpieza, que mueve el cabezal alrededor de los bordes del tanque, fuerza todo el abrasivo hacia esa depresión central", dijo Adam Wysuph, gerente de aplicaciones de MC Machinery Systems. Otros usan filtrado y otra tecnología de bomba-pozo. Sin importar el método, todos tienen la misma meta; reducir el tiempo que toma manejar el abrasivo.

El chorro de agua la hace en grande - TheFabricator.com

Un cabezal de corte KMT corta ángulos de precisión.

En los años recientes, los sistemas de reciclado de abrasivo han ganado algo de terreno. Y entre más caro se vuelva el granate, más valor tendrá el reciclado de abrasivo, dijeron las fuentes.

"Vemos el reciclado de abrasivos convirtiéndose en algo importante [en el futuro cercano]", dijo Richard Ward, presidente de WARDJet, Tallmadge, Ohio. "La mayor parte de sus abrasivos estará viniendo de Australia. El dólar está bajando, y como resultado, el costo de los abrasivos tiene que subir".

Más Cabezales de Corte, Más Producción. Los avances de diseño han impulsado una tendencia creciente: el uso de cabezales múltiples de corte. "Esta es una buena razón de por qué se están desarrollando bombas más y más grandes, en el rango de 200 HP, las cuales pueden soportar cabezales múltiples y mayores niveles de producción", dijo Bob Pedrazas, gerente de mercadeo de KMT Waterjet Systems.

Con bombas con intensificador más poderosas y con un mayor número de éstas, viene la capacidad de agregar cabezales múltiples en un sistema. Los diseños de pórtico ofrecen sistemas en los cuales dos cabezales, separados por una barra separadora, se mueven en tándem para cortar dos partes a la vez.

El chorro de agua la hace en grande - TheFabricator.com

Un sistema de pórtico con una barra transversal ancha de WARDJet porta cuatro carros de cabezal de corte.



FMA Communications Inc.

Tim Heston

Senior Editor
FMA Communications Inc.
833 Featherstone Road
Rockford, IL 61107
Phone: 815-381-1314

Related Companies

More in Waterjet Cutting from TheFabricator.com

comments powered by Disqus