انجـمن علمــــی دانشجویی مهندســـی مکانیـک دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز

اخيراً بر طبق گزارش Frost و Sullivan كه يك شركت بازاريابي كار مي كنند، اعلام نموده اند كه abrasive waterjet به نحو چشمگيري رشد و گسترش قابل ملاحظه اي پيدا كرده است. رشد 1/9 درصد در فاصله سال هاي 2002-1997 براي بازار واترجت و جت مواد آينده پيش بيني ميشود.
هم واترجت و هم ليزر قادرند فلزات و ديگر مواد را برش دهند. وليكن دستگاه هاي واترجت ارزان تر از دستگاه هاي ليزر مي باشند و عملاً دستگاه هاي واترجت برتر از ماشين هاي برش معمولي مي باشند.
چرا تعداد زيادي از مردم به خريد دستگاه هاي واترجت روي آورده اند، زيرا: چون مي توانند سريع برنامه ريزي كرده و در مدت كوتاهي پولدار شده و سود زيادي عايدشان شود. همچنين ميتوانند سريعاً دستگاه را تنظيم كرده و كل مجموعه تنظيمات دستگاه را تنظيم كرده و كل مجموعه تنظيمات دستگاه را چك كنند آنها از ابزار دستگاه خيلي تعريف ميكنند. چونكه ابزار، هم در ماشينكاري اوليه و هم در ماشينكاري ثانويه (نهايي) يكي است و نيازي به تغيير ابزار نمي باشد. سرعت ساخت قطعات بسيار بالا و خارج از تصور مي باشد. اين روش باعث ايجاد اثرات حرارتي روي قطعه نميشود. آنها مي توانند هزينه خريد دستگاه را در مدت كوتاهي تامين نمايند. شما قبلاً عبارات واترجت و جت مواد ساينده را شنيده ايد، اين مهم است كه بدانيد جهت مواد ساينده همان واترجت نمي باشد، اگرچه خيلي به هم شبيه هستند. تكنولوژي جت آب به حدود 20 سال پيش برميگردد و جت مواد ساينده حدوداً 10 سال بعد به وجود آمد. اساس هر دو روش مبتني بر افزايش فشار آب تا حد خيلي زياد و خروج آب از يك روزنه كوچك به خارج ميباشد. سيستم واترجت از يك باريكه آب استفاده ميكند كه از دهانه (orifice) خارج ميشود و ميتواند مواد نرمي از قبيل پارچه و مقوا را برش دهد و ليكن نميتواند مواد سختتري را برشكاري كند. آب در دهانه ورودي از 20 تا 55 هزار پوند بر اينچ مربع تحت فشار قرار ميگيرد، سپس از دهانه (jewel) كه قطر آن به طور نمونه 015/0-010/0 اينچ ميباشد. با فشار خارج ميشود و در سيستم جت مواد ساينده، مواد ساينده به جت آب افزوده شده تا بتواند مواد سخت*تر را نيز برش دهد. سرعت خيلي زياد جت آب باعث ايجاد خلاء شده و مواد ساينده را به داخل نازل مكش ميكند. اغلب مردم زماني كه منظورشان جت ساينده است، به غلط اصطلاح واترجت را به كار ميبرند. يك مجموعه كامل نازل واترجت حدود 500 تا 1000 دلار مي باشد در صورتي كه نازل جت سازنده حدود 800 تا 2000 دلار هزينه در بر دارد. هزينه عملياتي جت مواد ساينده به خاطر سايش تيوپ مخلوط كننده مواد ساينده با آب و همچنين به خاطر مصرف مواد ساينده نسبت به واترجت خيلي زياد است.

تنها محدوديت جت آب نازل هاي آن مي باشد و jewel داراي سوراخ بسيار ريزي بوده كه آب با فشار از آن به بيرون پاشيده مي شود. Jewel ممكن است ترك برداشته و يا در اثر رسوب در آن مسدود شدن دهانه ياقوتي نازل در اثر ورود مواد زائد و گرد و كثافت در دهانه ورودي آب (inlet water) مي باشد و مي توان براحتي و با استفاده از يك فيلتراسيون مناسب از بروز چنين مواردي جلوگيري نمود. رسوبات در اثر مواد معدني موجود در آب نيز ممكن است پديد آيد. Jewelها را مي توان در مدت كوتاهي حدود 2 تا 10 دقيقه تعويض نمود. همچنين قيمت بالايي نداشته و حدود 5 تا 50 دلار مي باشد، البته نازل هاي الماسه نيز وجود دارند وليكن قيمت آنها حدود 200 دلار مي باشد و همچنين ساخت آنها نيز مشكل تر از نازل هاي ياقوتي مي باشد. ابعاد و شكل هندسي دهانه نازل در نحوه عملكرد آن تاثير بسيار مهمي داشته و در مورد نازل هاي الماسي تامين اين دقت و تلرانس كمي مشكل و هزينه بر مي باشد.

محدوديت هاي موجود در مورد نازل هاي مربوط به جت مواد ساينده :

نازل هاي جت مواد ساينده علاوه بر طرح ساده اي كه دارند گاه گاهي ايجاد مشكلاتي نيز مي كنند. طرح هاي گوناگوني ساخته شده اند ولي همگي در بروز يكسري مشكلات مشترك هستند.
تيوپ مخلوط كننده يك قطعه و مجموعه گران قيمت بوده و به علت سايش در اثر مواد ساينده داراي عمر كوتاهي نيز مي باشد. همانطوري كه گفته شد، جت مواد ساينده قادر است هر چيزي را برش دهد و اين توانايي بالايي فرسايش و در نتيچه آن برش مسير عبور و تيوپ مخلوط كننده را نيز تحت تاثير قرار مي دهد و همين مسئله در افزايش قيمت نهايي قطعه توليدي تاثير مي گذارد.
از ديگر مشكلات موجود در مورد دستگاه هاي جت مواد ساينده اين است كه تيوپ مخلوط كننده به هميشه بلكه گاه گاهي مسدود مي شود. معمولاً علت اين امر در اثر مواد زايد و كثيف (dirt) و همچنين دانه هاي مواد ساينده كه از اندازه استاندارد بزرگ تر باشند نيز حاصل مي شود.

مزاياي ماشين كاري با جت مواد ساينده :

برنامه ريزي و تنظيم فوق العاده سريع
در اين فرآيند نيازي به تغيير ابزار جهت كارهاي مختلف نمي باشد، برعكس ديگر دستگاه هاي ماشين كاري كه حتي براي تعويض ابزار نير بايد براي دستگاه برنامه ريزي كرد. تنها برنامه ريزي لازم براي انجام عمليات ارائه نقشه قطعه به دستگاه مي باشد و اگر مشتري نقشه قطعه كار را روي يك ديسكت به شما تحويل دهد، نصف كار انجام شده است و اين به اين معني است كه شما در توليدات كم و حتي تك سازي هم مي توانيد سود قابل توجهي ببريد.
براي اغلب كارها نياز به فيكسچر خيلي كمي نياز است
براي مواد تخت مي توان پس از قرار دادن آنها روي ميزكار با قراردادن دو وزنه 10 پوندي روي آن قطعه كار را فيكس نمود و براي قطعات كوچك مي تواند با استفاده از رويندهاي كوچك، كار را محكم نمود.
امكان ماشين كاري تقريباً هر قطعه (شكل) دو بعدي و برخي از قطعات (اشكال) سه بعدي
امكان ماشين كاري شعاع ها و گوشه هاي داخلي با شعاع كم، امكان ساخت فلانج كاربراتور با سوراخ ها و همه چيزهاي لازم آن. برخي از دستگاه هاي فوق العاده پيشرفته قادر به ماشين كاري سه بعدي مي باشند. ماشين كاري سه بعدي نيازمند و مستلزم دقت زيادي مي باشد. به همين دليل ماشين كاري سه بعدي صرفاً جهت كاربردهاي خاص به كار مي رود.
به هر حال ماشين كاري جت مواد ساينده داراي توانمندي فوق العاده در توليد اشكال دو بعدي است و ليكن در مورد اشكال سه بعدي داراي محدوديت هايي مي باشد.
اعمال نيروي جانبي بسيار كم به قطعه حين ماشين كاري
بدين معني كه شما مي توانيد با اطمينان قطعاتي كه ضخامت ديواره آنها به كوچكي 0025/0 اينچ باشد را به راحتي و بدون تركيدگي و يا حتي لب پريدگي، ماشين كاري كنيد. همچنين پايين بودن زياد ميزان نيروي جانبي برش اين امكان را فراهم مي كند تا بتوان اشكال لانه زنبوري و تو در تو توليد نموده و با اين كار را از متريال حداكثر استفاده را كرد.
اغلب هيچ گونه گرمايي روي قطعه كار ايجاد نمي شود.شما مي توانيد قطعه كار را ماشين كاري كنيد. بدون ايجاد افزايش دما و سخت شدن قطعه كار و بدون توليد دودهاي سمي، بدون ايجاد پيچيدگي در قطعه كار، و بدون توليد دودهاي سمي، و بدون ايجاد پيچيدگي در قطعه كار.
شما مي توانيد قطعاتي را كه قبلاً سخت كاري شده اند و عمليات حرارتي بر روي آنها انجام شده است را به راحتي ماشين كاري كنيد. در ايجاد سوراخ بر روي فولاد به ضخامت 2 اينچ حداكثر دماي قطعه كار به 120 درجه فارنهايت مي رسد و ليكن ماشين كاري بر روي ديگر قطعات در دماي اتاق انجام مي شود.
نيازي به ايجاد سوراخ اوليه نمي شود:
بر خلاف ماشين كاري با وايركات كه نياز به ايجاد سوراخ اوليه مي باشد در اين روش نيازي به ايجاد سوراخ اوليه نمي باشد.

موضوع ضخامت قطعه كار :

محدوديت مشخصي براي ضخامت معلوم نمي باشد و ليكن سرعت برش تابعي از ضخامت قطعه كار مي باشد.

عدم آسيب رساني به محيط :

شما مي توانيد از مواد ساييده شده قرمز رنگ كه از garnet بجاي مانده است جهت تزئين باغچه استفاده كنيد حتي اگر شما مي خواهيد قطعات زيادي از جنس مواد خطرناك از قبيل سرب و … را ماشين كاري كنيد، اين مهم است كه مقدار خيلي كمي از ماده برداشته مي شود. اين خود در حفاظت محيط زيست موثر است.
باقي مانده مواد خام نيز قابل استفاده است
هنگام ماشين كاري قطعات گران قيمت از قبيل تييانيوم، باقي مانده ماده خام نيز ارزشمند است زير عرض برش اين فرآيند كوچك بوده و پس از توليد قطعه اصلي، مي توان از مواد باقي مانده مجدداً قطعات ديگري توليد نمود.
تنها و تنها فقط به يك ابزار نياز است
در اين روش نيازي به تغيير ابزار نمي باشد و حتي نيازي به برنامه ريزي جهت تغيير ابزار نمي باشد. برنامه ريزي و تنظيم دستگاه و تميز كردن نيز زمان زيادي نمي برد، از اين رو در اين روش سرعت توليد و بهره وري خيلي زياد است.

افسانه ها و موهومات معمول در مورد جت مواد ساينده :

اوه! شما مي توانيد فولاد به ضخامت 6 اينچ را با آب ببريد!؟
خير! اگر شما مشاهده مي كنيد كه يك قطعه فولادي به ضخامت 6 اينچ در حال برش كاري است، بدانيد كه اين واترجت نيست بلكه جت مواد ساينده است كه اين كار را انجام مي دهد. وظيفه آب در اينجا فقط اعمال شتاب فوق العاده زياد بر مواد ساينده است. و اين مواد ساينده است كه فولاد را مي برد، نه آب!

عمر نازل برش كاري :

به اشتباه خيال مي شود كه عمر نازل خيلي مهم و حساس است و اين در حالي است كه عمر قسمت نازل دستگاه اهميت آن چناني ندارد و آنچه كه مهم است عمر تيوپ مخلوط كننده مواد ساينده با آب است.
Orifice يا jewelها ارزان هستند و اصلاً قابل قياس با تيوپ اختلاط نمي باشد. Jewelها (قسمت نازل يا دهانه خروجي آب است كه از جنس لعل يا ياقوت مي باشد) تقريباً ارزان و حدود 15 تا 50 دلار مي باشند و اين در حالي است كه قيمت تيوپ مخلوط كننده 100 تا 200 دلار مي باشد. Jewelها نوعاً در اثر رسوبات معدني موجود در آب آسيب مي بينند كه البته اين رسوبات قابل برداشت مي باشند. Jewel از جنس ياقوت قرمز و آبي تقريباً يكسان هستند و تفاوتشان فقط در رنگشان است. علت رنگ قرمز rubyها به علت درصد بالاي كرم موجود در آنها بوده و در مقابل sapphireها علت رنگ آبي، درصد بالاي آهن موجود در آنها است وليكن هر دو سنگ ياقوت معدني مي باشند. اما اگر هنوز عمر مفيد نازل براي شما خيلي مهم است مي توانيد بجاي نازل از جنس ياقوت قرمز يا آبي، از نازل الماسه استفاده كنيد ولي بهتر است فعلاً از يك سامانه مناسب فيلتراسيون آب استفاده كنيد
.

مدت كاركرد مفيد تيوب مخلوط كننده چقدر است؟

براي روشن شدن موضوع بدانيد استفاده از يك تيوب مخلوط كننده كهنه و آسيب ديده در اثر كاركرد مانند بكارگيري يك تيغچه الماسه كند شده مي باشد. اين مشكل است كه بگوييم چه وقت يك تيوب كاملاً آسيب ديده و قابل كاربرد نمي باشد. اما اين مهم است كه ساييدگي در تيوب باعث كاهش كارآيي ماشين كاري مي گردد. براي كارهاي دقيق بهتر است از يك تيوب جديد استفاده نمود.
عمر مفيد تيوب به پارامترهاي زيادي بستگي دارد، به عنوان مثال نوعاً از 20 تا 100 ساعت مي تواند عمر مفيد متوسط فرض شود. البته با توجه به شرايط ممكن است از اين زمان سريع تر يا كندتر نيز سايش اتفاق بيفتد كه البته باز به شرايط كاري بستگي دارد.

پس هزينه اصلي عملياتي چه چيزي است؟

وقتي هزينه هايي از قبيل تيوب اختلاط و دهنه هاي نازل كه قطعات گران قيمت و فرسايشي هستند را مورد توجه قرار مي دهيد بايستي هزينه كل عميات را نيز در نظر گرفته و آن را با سودمندي و قدرت توليد دستگاه مقايسه كنيد وقتي شما چنين مقايسه اي را انجام دهيد خواهيد ديد كه دستگاه جت مواد ساينده شايد سودآورترين دستگاه در كارگاه شما باشد.
توجه داشته باشيد كه قيمت ساعت كار دستگاه بين 20 تا 35 دلار متغير است. البته كارگاه هايي نيز مشاهده شده اند كه به علت انجام كارهاي فوق العاده دقيق، ساعت كار دستگاهشان بين 500 تا 2000 دلار مي باشد. البته كمي غير عادي نيز مي باشد و همچنين گاهگاهي كارگاه هايي نيز ديده مي شوند كه كارهايي انجام مي دهند كه انجام آنها با ساير روش ها يا تقريباً غير ممكن و يا با استفاده از روش هايي كه بتواند جايگزين جت مواد ساينده شود، خيلي گران مي شود.

تلرانس ها و دقت هاي قابل دستيابي :

جهت توليد قطعات دقيق نياز به دستگاه دقيق نيز مي باشد. البته پارامترهاي ديگري نيز وجود دارند كه مهم و قابل توجه مي باشند. يك ميزكار دقيق در دقت كار تاثير دارد. فاكتور اصلي در دقت و تلرانس، نرم افزار دستگاه است نه سخت افزار آن! تلرانس قابل دستيابي به مقدار زيادي به مهارت استفاده كننده بستگي دارد. اخيراً پيشرفت هاي مهمي در خصوص كنترل فرآيند جهت دستيابي به تلرانس هاي بالاتر صورت گرفته است. دستگاه 10 سال پيش داراي تلرانس كاري بين 060/0 تا 10/0 اينچ بوده است و ليكن امروزه دستگاه هايي توليد شده اند كه قادرند قطعاتي با تلرانس 002/0 اينچ توليد كنند.

جنس قطعه كار :

مواد سخت تر نوعاً پس از برشكاري كمتر taper شده اند و اين مسئله در تعيين ميزان تلرانس قابل دستيابي، قابل توجه است.

ضخامت قطعه كار :

هنگامي كه ضخامت قطعه كار افزايش مي يابد، كنترل رفتار خروجي جت ساينده در محلي كه از قطعه كار خارج مي شود، مشكل مي گردد و هر چه ضخامت قطعه كار افزايش يابد، ميزان شيب دار شدن و احتمال لب پريدگي افزايش مي يابد.

دقت ميزكار :

واضح است است دقت بالاتر وقتي حاصل مي شود كه حركت ميز دقيق تر و قابل كنترل تر باشد.

استحكام و پايداري ميزكار:

ارتعاشات بين سيستم حركتي و قطعه كار و ضعف در كنترل سرعت و تغيير ناگهاني در وضعيت دستگاه مي تواند باعث بروز عيب در قطعه كار گرديده كه اغلب witness marks ناميده مي شود .
شکل زیر قطعات تولید شده توسط این روش را نشان میدهد.

كنترل جت مواد ساينده :

چون اساساً ابزار برشي يك جرياني از آب پر فشار همراه با مواد ساينده است . هنگام خروج از قطعه كار حالت اريبي شكل بوجود مي آيد، لذا جهت حصول تلرانس و دقت لازم بايستي اين عقب افتادگي با كنترل مناسب جبران گردد.

اين مسلئه عقب افتادگي (lag) مي تواند در موارد ذيل بروز اشكال نمايد :

الف- در اطراف منحني ها
هنگامي كه جت مي خواهد از يك مسير منحني شكل عبور نمايد، lag باعث شيب دار شدن مي گردد، بنابراين براي جلوگيري از اين امر بايستي سرعت حركت خطي مسير برش را پايين آورد و اجازه داد كه قسمت انتهايي جت و قسمت ابتدايي آن كه اين دو مابين محل ورود جت و محل خروج آن از قطعه كار قرار دارد در يك راستا قرار گرفته و از شيب دار شدن آن جلوگيري گردد.
ب- گوشه هاي داخلي
هنگامي كه جت وارد يك گوشه داخلي از مسير برش مي گردد بايستي سرعت پيشروي را پايين آورد تا عقب افتادگي قسمت انتهايي جت جبران شده و مسير برش صاف و بدون شيب دار شدن توليد شود در غير اين صورت احتمال افزايش شعاع گوشه وجود خواهد داشت. همچنين پس از اتمام ماشينكاري گوشه ها و رسيدن به خط مستقيم نبايستي سرعت پيشروي يكمرتبه افزايش يابد زيرا اين عمل باعث پس زدن ناگهاني جت و آسيب ديدگي قطعه كار مي گردد.
ج- ميزان پيشروي
هنگامي كه سرعت پيشروي كاهش داده مي شود، عرض مسير برش قه مقدار اندكي افزايش مي يابد.
د- شتاب
هر گونه حركت ناگهاني از قبيل تغيير در ميزان پيشروي به طور ناگهاني باعث آسيب ديدگي قطعه كار مي گردد. لذا بايستي براي كارهاي فوق العاده دقيق، شتاب به خوبي كنترل گردد.
هـ- فاصله نازل تا قطعه كار
برخي از نازل ها نسبت به برخي ديگر باعث شيب دار شدن بيشتري در مسير برش مي گدرد. نازل هاي بلندتر معمولاً شيب كمتري ايجاد مي نمايند، كاهش فاصله نازل تا سطح قطعه كار باعث كمتر شدن شيب مي گردد.
و- عرض برش
عرض برش كه همان قطر يا عرض پرتو جت مي باشد، مشخص مي كند كه تا چه حد شما مي توانيد گوشه هايي تيز و با حداقل شعاع گوشه توليد نماييد. تقريباً كوچكترين قطر پرتو جت توليد عرض برشي به پهناي 030/0 اينچ مي نمايد. دستگاه هايي با قدرت عملياتي بالاتر نيازمند نازل هاي بزرگتري مي باشد زيرا حجم آب و مواد ساينده نيز بيشتر خواهد بود.
ز- ثبات فشار پمپ
تغييرات در فشار پمپ واترجت مي تواند باعث ايجاد اثراتي بر روي قطعه نهايي گردد. بنابراين لازم است كه در حين انجام عمليات طوري برنامه ريزي گردد كه تغييرات فشار پمپ به حداقل رسيده تا از ايجاد اثرات نامطلوب بر قطعه كار جلوگيري شود و اين موضوع بخصوص در مواردي كه تلرانس مورد نظر در حدود 005/0 اينچ باشد، رعايت اين مسئله الزامي است پمپ هاي قديمي تر اغلب بيشتر باعث بروز چنين مشكلاتي مي شدند وليكن پمپ هايي كه با استفاده از سيستم ميل لنگ كار مي كنند باعث توزيع فشار يكنواخت تر و منظم تر مي گردند.
ح- تجربه اپراتور
با توجه به فاكتورهاي ذكر شده سيستم جت مواد ساينده قادر است قطعات را با تلرانسي از 020/0 اينچ تا 001/0 اينچ توليد نمايد. امتياز و برتري يك دستگاه جت مواد ساينده نسب به نوع مشابه خود، در سهولت دستيابي به تلرانس هاي مذكور مي باشد در صورتي كه نازل بتواند در هر موقعيت لازم نسبت به محورهاي x و y با تلرانس 01/0 اينچ قرار گيرد، بنابراين شما مي توانيد قطعه اي با ضخامت 5/0 اينچ را با تلرانس 002/0 اينچ توليد نماييد. علاوه بر مطالب فوق، تجربه اپراتور نيز حائز اهميت مي باشد.