برش‌کاری با جت آبی

تاریخچه

در سال ۱۹۵۰ میلادی مهندس جنگلبانی، نورمن فرانز(Norman Franz) برای برش الوار نوعی ابتدایی از دستگاه‌های برش جت آب را به کار بست. به هر حال دانش فنی آن تا سال ۱۹۷۰ زمانی که محمد حشیش(Mohamed Hashish)شگردی برای اضافه کردن مواد ساینده به جت‌های برنده آب خلق کرد، پیشرفت برجسته‌ای نداشت. امروزه جت‌های آب در خیلی از جنبه‌های برشکاری بی‌نظیر هستند و همچنین راه تولید بسیاری از محصولات را تغییر داده‌اند. انواع مختلفی از جت‌های آب امروزه موجودند که شامل، جت‌های آب ساده (بدون مواد افزوده)، جت‌های آب به همراه مواد ساینده، جت‌های آب ضربه‌ای، جت‌های کاویتاسیونی آب و جتهای هیبرید می‌باشند.
در الفاظ دیگر: جت ساینده و جت آب خالص هر دو نوعی از جت‌های آب هستند و جت آب نیز خود نوعی از ماشین ابزارها محسوب می‌شود.
بسیار رایج است که واژه جت آب را برای جت ساینده به کار می‌برند که در بعضی موارد باعث سردرگمی می‌شود. در این متن ما برای اشاره به مطالبی که شامل جت آب خالص و جت آب ساینده‌است از یک واژه «جت آب» استفاده می‌کنیم، اما برای اشاره به موارد اختصاصی، از هر یک به صورت جداگانه نام می‌بریم.

جت‌های آب یا دستگاه واترجت چگونه کار می‌کنند؟

آب خروجی از شیرهای معمولی را در نظر بگیرید که تحت فشار ۶۰۰۰ پوند بر اینچ (PSI) یا ۴۰۰۰ بار، قرار بگیرد و از طریق یک سوراخ بسیار کوچک بیرون رانده شود. آب را با سنگ ساینده مخلوط کرده، حال شما یک جریان باریک آب در حال گذر سرعت بالا را دارید که اغلب مواد را با سرعت زیاد می‌ساید.
برخی از جت‌های آب «جت آب خالص» اند که دارای ذرات سنباده در جریان آب نیستند. این‌ها برای برش مواد نرمی همانند غذا، لاستیک و فوم استفاده می‌شوند.

اصول بنیادین جت‌های آب

جت‌های آب سریع، انعطاف‌پذیر و دارای دقت معقول هستند و در سال‌های اخیر برای استفاده، ساده و آسان گشته‌اند. آن‌ها از دانش فنی آب فشار بالا که از یک سوراخ کوچک (معمولاً «روزنه» یا «جواهری» نام دارد) عبور داده شده‌است برای تمرکز مقدار زیادی انرژی در یک منطقه کوچک استفاده می‌کنند. محدودیت روزنه بسیار کوچک سبب به وجود آمدن یک فشار بالا و یک باریکه سرعت-بالا می‌شود، بیشتر شبیه زمانی است که شما انگشت خود را بر انتهای شلنگ آبیاری قرار دهید.
جت‌های آب خالص از باریکه آب که از روزنه خارج می‌گردد استفاده می‌کنند تا مواد نرمی را همانند پارچه‌ها، تخته‌های شکلات، و چوب‌های نازک و نرم، اما برای برش مواد سخت کارگر نیستند.
طراحی عمومی برای یک نازل جت آب-خالص
آب ورودی برای یک جت آب-خالص، تحت فشار ۲۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ پوند بر اینج مربع PSI یا (۱۳۰۰ تا ۶۲۰۰ بار) می‌باشد؛ که به سمت یک سوراخ کوچک در «جواهری» سر فشرده می‌شود، که عموماً دارای قطری بین ۰٫۰۰۷″ و ۰٫۰۲۰″ (۰٫۱۸ تا ۰٫۴ میلی‌متر) می‌باشد. این یک سرعت بسیار بالا را به وجود می‌آورد، که یک باریکه بسیار نازکی از آب (به همین علت برخی از افراد از «جت آب» به عنوان «لیزر آب» یاد می‌کنند) در حرکت، با سرعتی نزدیک صوت می‌باشد (حدود ۶۰۰ mph یا ۹۶۰ km/hr).
یک جت ساینده هم همانند یک جت آب-خالص شروع به کار می‌نماید. زمانی که جریان باریک آب «جواهری» (Jewel) را ترک می‌کند مواد ساینده به جریان اضافه شده و مخلوط می‌گردند. آب سرعت-بالا که از «جواهری» خارج می‌گردد یک خلأ به جود آورده که سبب کشیدن مواد ساینده از لوله ورودی این مواد گشته، که در نهایت با آب در مجرای مخلوط شدن(Mixing Tube)، مخلوط می‌گردد. باریکه آب ذرات مواد ساینده را شتاب می‌دهد تا سرعت کافی برای برش مواد سخت‌تر داشته باشند.
قدرت برش جت ساینده دو برابر است. نیروی آب و مواد ساینده، سبب ساییدن مواد شده، حتی اگر جت ساکن باشد (که همان چگونه برش خوردن مواد در آغاز عملیات است). قدرت برش هنگامی که جریان جت ساینده از عرض ماده عبور کند بسیار افزایش پیدا می‌کند و سرعت جابه جایی ایده‌آل به عوامل مختلفی وابسته‌است از جمله ماده، قواره قطعه، فشار آب و نوع مواد ساینده. کنترل کردن سرعت نازل جت ساینده برای یک ماشین کاری باصرفه و کارآمد بسیار تعیین‌کننده می‌باشد.

مزایای برش کاری با جت آب

“اگر شما به یک ماشین احتیاج داشته باشید و آن را نخرید، سرانجام می‌فهمید که بهای آن را پرداخت کرده‌اید اما آن را ندارید”-هنری فورد.
یک دلیل برای رشد محبوبیت جت‌های آب در نزد مردم از اواسط دهه ۹۰ میلادی، موجود است. در حقیقت چند دلیل می‌باشد که در ادامه بررسی شده‌اند، اما بیشتر از همه، به، همه‌کاره بودن یا تطبیق‌پذیری آن بر می‌گردد. یک جت آب یک ماشین ابزار تطبیق پذیر و منعطف است. شما قادر به برش گونه‌های مختلفی از مواد به‌طور کارآمد و مقرون به صرفه هستید و می‌توانید گونه‌های مختلفی از قطعات را خلق کنید.
یکی از برترین فواید و مزایای استفاده ازبرش باجت آب یا Waterjet cutting این است که ذاتاً دارای خاصیت برشکاری سرد می‌باشدوایجاد گرما نمی‌کند.
با همین ویژگی انواع مواد را به راحتی برش می‌دهد ولی در سایر روش‌های برشکاری احتمال سوختن ذوب شدن یا ترک برداشتن مواد وجود دارد.
درضمن بعضی از فرایندهای گرمازا سبب تاب برداشتن و سخت شدن روی قطعه کار گشته یا اینکه مایه افشاندن گازهای خطرناک از قطعه کار می‌شود.
برشکاری سرد می‌تواند بر جاهای که دچار سختی نشده‌اند نشانی گذاشته و می‌تواند در هر سمت و سویی کار سوراخکاری یا برشکاری را انجام دهد.
با این روش می‌توان بدون ایجاد سوراخ‌های نخستین کار سوراخکاری را در هر گونه ماده و قالب ویژه آغاز و نیاز به انجام کار دیگری نیست.
هم واترجت و هم لیزر قادرند فلزات و دیگر مواد را برش دهند؛ ولیکن دستگاه‌های واترجت ارزان‌تر از دستگاه‌های لیزر می‌باشندا، ین فرایند برای برشکاری و شیار زنی غیر فلزات متخلخل مانند: چوب، چرم، اسفنج و… مناسب است. از آن همچنین برای برشکاری کامپوزیت‌ها، برداشتن روکش سیم‌ها و پلیسه‌گیری استفاده می‌شود.
جت آب یک ابزار برشی است که هرگز کند نمی‌شود یا نمی‌شکند. این فرایند گرد و غبار تولید نمی‌کند، پس از این رو خطرات موجود در ماشین کاری کامپوزیت‌های الیافی و آزبست‌ها به حد اقل می‌رسند

برش واقعی هر ماده‌ای

به خاطر اینکه جت‌های آب با استفاده از آب و مواد ساینده برش می‌دهند، می‌توانند با گونه‌های مختلفی از مواد کار کنند. این مواد شامل:
مس، برنج، آلومینیوم
فولاد پیش سخت شده
فولاد نرم
مواد نا متعارف همانند titanium, Inconel و Hastalloy
فولاد زنگ نزن ۳۰۴
مواد ترد همانند شیشه، سرامیک، کوارتز و سنگ
مواد لمینیت
مواد قابل اشتعال
یکی ازاندک موادی که نمی‌توان توسط جت آب برش داده شوند شیشه آبدیده‌است. برای اینکه شیشه آبدیده تحت تنش است و به محض اینکه شروع به برش کنید به تکه‌های ریزی شکسته خواهد شد-همان‌طور که طراحی شده‌است.

نصب سریع و برنامه‌ریزی

در ماشین کاری جت آب، یک قسمت مسطح از ماده بر روی یک میز قرار می‌گیرد و نوک برنده روی آن حرکت می‌کند (اگرچه در برخی از سیستم‌های خاص ماده در مقابل نوک ثابت حرکت می‌کند). این سادگی به این معناست که می‌توان به سرعت و سادگی هر چه تمام تر قطعه کار را تعویض نمود و نیازی هم به تعویض ابزار برش نیست. تمامی مواد از یک نوک برنده مشترک استفاده می‌کنند در نتیجه نیازی به برنامه‌های تعویض ابزار برش یا کنترل کردن دستی چندین ابزار برش نیست.
تغییر مکان نوک برنده، توسط یک کامپیوتر کنترل می‌گردد، که بسیار عملیات کنترل جت آب را ساده نموده‌است. در اغلب موارد «برنامه‌ریزی» یک قطعه به معنی استفاده از برنامه CAD برای رسم یک قطعه می‌باشد. وقتی شما دستور “push print” را صادر کنید، قطعه توسط دستگاه جت آب ساخته می‌شود. این موفقیت همچنین این را می‌رساند که مشتریان می‌توانند رسم‌هایی را که خود به تصویر کشیده‌اند برای یک دستگاه جت آب، برای خلق ترسیماتشان بیاورند.

چفت و بست کمتر برای بیشتر قطعات

در دستگاه جت آب نیروهای جانبی کمتری وجود دارد—برش قطعات باعث فشارهای جانبی به آن قطعه نمی‌گردد. همچنین نیروهای اعمالی به سمت پایین هم کوچک می‌باشند، در محدوده چند پوند. عموماً، بزرگترین نیروها از سمت آب داخل مخزن می‌باشد که در سمت مخالف قطعه کار به عقب فشار داده می‌شود.
عموماً قید دار کردن ماهیتی از سنگین کردن قطعات توسط قرار دادن وزنه‌هایی بر روی آن است. ممکن است قطعات ریز نیازمند زائده‌هایی برای جلوگیری از افتادن در مخزن داشته باشند.
نیروهای جانبی کوچک بدین معنی هستند که شما قادر به ماشین کاری قطعه‌ای با ضخامت جداره ۰٫۰۱″ (۰٫۲۵mm) هستید. این یکی از فاکتورهایی است که قید دار کردن را بسیار آسان نموده‌است. همچنین نیروهای جانبی کوچک به شما اجازه نزدیک بودن قالب‌های قطعات بر روی مواد را می‌دهد، که باعث استفاده بیشینه از ماده می‌گردد.

اغلب هیچ گرمایی بر روی قطعه تولید نمی‌گردد

هر گرمای کوچکی که توسط جت آب تولید گردد به وسیله آب جذب گردیده و به مخزن جمع‌کننده هدایت می‌شود. تقریباً خود مواد هم هیچ تغییری در درجه حرارت در مدت زمان ماشین کاری متحمل نمی‌شوند. در هنگام سوراخ کاری فولاد ضخیم ۲″(۵cm)، درجه حرارت ممکن است به اندازه ۱۲۰ درجه فارنهایت(۵۰ درجه سانتیگراد) بالا رود، اما در طرف دیگر، ماشین کاری در دمای اتفاق انجام می‌گردد. نتیجتاً هیچ نقطه حرارت دیده‌ای(Heat Affected Zone-HAZ) در ماده موجود نیست. فقدان HAZ بدین معنی است که شما می‌توانید بدون سخت کاری قطعه، تولید بخارهای سمی، مذاب شدن مجدد ماده و تاب برداشتن، آن را ماشین کاری نمایید. شما همچنین قادر به ماشین کاری قطعاتی هستید که قبلاً عملیات حرارتی شده‌اند.

عاری بودن از تنش‌های مکانیکی

ماشین کاری جت آب هیچ تنش مکانیکی به قطعه کار اعمال نمی‌کند.

ماشین کاری مواد ضخیم

برای جت آب ماشین کاری قطعاتی با ضخامت بیشتر از۴″(10cm) امری معمولی است، درصورتی که اغلب سکه‌ها شاید در ضخامت‌هایی کمتر از ۱″(۲٫۵cm) ساخته می‌شوند. هر چه قطعه ضخیم‌تر باشد مدت زمان بیشتری برای برش می‌گیرد. یک قطعه از یک جنس اما با ضخامت دو برابر، مدت زمان بیشتر از دو برابر را نسبت به اولی برای برش خوردن نیاز دارد. برخی از کمپانی‌ها، قطعات تلورانس پایین غیر فلزی را که ضخامتی بین ۵″ تا ۱۰″(۱۲٫۵cm تا ۲۵cm)دارد، می‌سازند، اما متحمل زمان زیادی است و مشروط به یک عملیات با فرصت و موقعیت مناسب است. عموماً، اغلب جت‌های آب از فلزی ساخته شده‌اند که ضخامتی برابر یا کمتر از ۲″(۵cm) دارند.

بسیار ایمن هستند

بدیهی است که شما هیچ عضوی از بدن را در مقابل نوک برش دستگاه جت آب به هنگامی که روشن است، قرار نمی‌دهید. هر چیزی که بتواند فولاد ۲″ را برش دهد، کار کمتری برای برش گوشت و استخوان انجام می‌دهد!. گذشته از این، به هر حال، جت‌های آب بسیار ایمن هستند. یک نشت در سیستم فشار بالای آب سریعاً منجر به افتادگی فشار به سطوح ایمن، خواهد شد. آب به خودی خود بی‌خطر و غیرقابل اشتعال است وسنگ‌های ریز ساینده هم خنثی و غیر سمی هستند. یکی از خطرهای بزرگ بریدگی‌هایی است که توسط لبه‌های تیز قطعات که با جت آب برش خورده‌اند، منجر خواهند شد.

سیستم‌های امروزی یادگیری ساده‌ای دارند

کنترل کردن نوک جت آب پچیده‌است و نیازمند محسابات دقیق برای بدست آوردن سرعت حرکتی مناسب، که بهترین نتیجه را می‌دهد، هستند. این به این معنی است که سیستم نیازمند کنترل توسط کامپیوتر است، که سبب ارتباط ساده و جذاب با کاربر می‌گردد. سیستم‌های امروزی همانند سیستم‌های کامپیوتری شده CAD دیگر به نحوی طراحی شده‌اند که به سرعت آموخته می‌شوند.

دوستدار محیط

مواد زائد وذرات ساینده‌ای که از کار با دستگاه به دست آمده مناسب دفن کردن در زمین هستند به شرطی که مواد ماشین کاری شده زیان‌آور نباشند. سنگ‌های ریز سنباده خنثی و بی‌اثر بوده و می‌توان از زباله‌های دیگر تفکیک شود.
اگر شما مقدار زیادی سرب یا مواد زیان‌آور دیگر را ماشین کاری کنید، شما هنوز هم نیازمند تفکیک دور ریز خود به صورت مناسب و بازیافت آب هستید. به یاد داشته باشید که به هر حال اندک مقداری فلز در فرایند برش برداشته می‌شود. این نشانه زیست‌محیطی را نسبتاً کاهش می‌دهد، حال اگر این مواد ماشین کاری زیان بار هم باشند.
در اغلب مکان‌ها، آب اضافی به سمت فاضلاب رانده می‌شود. در برخی مکان‌ها، ممکن است پاکسازی آب قبل از فرستادن به فاضلاب ضروری باشد. در اندک مکان‌هایی هم بایستی آب در یک سیستم بسته بازیافت شود.
پمپ‌های عملگر مقدار قابل توجهی از الکتریسیته را استفاده می‌کنند، با توجه به این، مقداری هزینه و طبعات محیط زیستی اضافی هم وجود خواهد داشت.

هیچ سوراخ اولیه‌ای لازم نیست

سوراخ‌های اولیه تنها برای موادی لازم است که نفوذ به آن‌ها بسیار سخت یا غیرممکن است. اندک کامپوزیت‌های لایه‌ای تقویت شده می‌توانند جز این دسته قرار گیرند. در این موارد پیش-سوراخ کاری یا روش‌های خاص دیگر استفاده می‌گردد.

برش باریک تنها مقدار کمی از مواد را برمی‌دارد

مقدار ماده‌ای که توسط جریان جت آب برداشته می‌شودمعمولا پهنایی نزدیک ۰٫۰۲″ (۰٫۵mm) دارد، این بدین معناست که مقدار ماده بسیار کمی برداشته خواهد شد. هنگامی که شما با مواد گران‌قیمتی (همانند تیتانیوم) یا مواد خطرناکی (همانند سرب) کار می‌کنید، این مسئله مزیت مهمی به‌شمار می‌آید. همچنین این مزیت سبب بدست آوردن قطعات بیشتر از یک ورقه ماده خام، می‌گردد.
وقتی شما مواد گران‌قیمتی همانند تیتانیوم را برشکاری یا سخت کاری می‌نمایید قراضه‌های شما هنوز هم قابل استفاده هستند، به خاطر اینکه شما به جای داشتن تراشه‌های ریز قطعات بزرگی از ماده را در پیش رو دارید.

جت‌های آب در کجا استفاده می‌گردند

جت‌های آب ماشین‌های تخصصی نیستند که برای گوشه کارها استفاده گردند. آن‌ها دستگاه‌هایی برای اهداف مختلف اند که در تمامی کارگاه‌های ماشین کاری سودمند هستند. در ادامه به نمونهٔ کوچکی از کاربردهای تخصصی اشاره می‌کنیم.

معرق سنگ

در حال حاضر برای تولید معرق سنگ از دستگاه واترجت یا همان جت آبی استفاذه می‌شود. با وجود دستگاه سی ان سی واترجت قطعات به صورت دقیق و با کمترین درز بین قطعات مونتاژ می‌شوند که از مزیت‌های آن نسبت به روش‌های سنتی است.

تولید قطعات صنعتی

به علت اینکه واترجت برشکاری سرد می‌باشد و حرارت بر روی قطعات تأثیر نمی‌گزارد و سیستم مولکولی و سختی قطعه به علت نداشتن تنش حرارتی به صورت قبل از برش حفظ می‌شود برای تولید قطعات فولادی و همچنین اکثر فلزات مانند آلومنیوم، برنج، استیل و … کاربرد ذارد و بر لیزر ارجح است. همچنین به علت قدرت بالا دستگاه واترجت نسبت به لیزر در تولیذ ورق‌های آهنی بالای ده میل موفق عمل می‌کند.

کارگاه‌های ماشین کاری مختلف

جت‌های آب در بین تمامی ماشین ابزارها سودمندند، آنچنان که به سرعت و سادگی از ایده به قطعه نهایی می‌رسیم. جت‌های آب همچنین می‌توانند با کمترین قیود و راه اندازی با انواع مختلفی از مواد کار کنند.

هنرمندان

هنرمندان از جت‌های آب به خاطر توانایی خلق شکل‌های پیچیده در موادی که رسوما کار با آن‌ها مشکل است، استفاده می‌کنند، همانند شیشه منقوش، سنگ مرمر.

معماری

مشابه به بازار هنر، بسیاری از ماشین‌ها هستند که از سنگ، کفپوش‌های سفارشی و همچنین از فلزات طرح‌های معماری با جزئیات بالا می‌سازند.

هوا و فضا

شرکتهایی که برای صنایع هوایی قطعات تولید می‌کنند، بیشتر آلومینیوم را ماشین کاری می‌کنند، که توسط یک جت آب به سادگی ماشین کاری می‌گردد. فلزات نامتعارفی همانند Inconel , titanium، و Hastalloy هم می‌توانند توسط جت‌های آب ماشین کاری شوند.

تولیدی

جت‌های آب همچنین برای ساخت قطعاتی از محصولاتی که فروخته می‌شوند نیز به کار می‌روند، به علاوه قطعات مورد نیاز برای ساخت ماشین آلات در خطوط مونتاژ.

صنعت اتومبیل و حمل و نقل

نمونه‌سازی و تولید قطعات اتومبیل‌ها، و ابزار آلاتی که برای ساخت اتومبیل‌ها بهره گرفته می‌شود. همچنین بسیاری از قطعات اتومبیل‌های مسابقه توسط جت‌های آب تولید می‌گردند.

کارگاه‌های لیزر

لیزرها و جت‌های آب ابزاری بسیار مکمل هم هستند. هر کجا که یکی از این دو ابزار پاسخگوی نیاز نبود دیگری جوایگوی خواسته هاست.

کارگاه‌های EDM

برخی از دستگاه‌های، اندازه کوچک و دقت بالای، جت آب برای ماشین کاری مرکزی، مکمل بسیار خوبی برای EDM هستند، چرا که اجازه ماشین کاری قطعات یکسان را با سرعت بالاتر می‌دهند، و می‌توانند برخی از خدمات را برای EDM انجام دهند، همانند پیش سوراخ کاری نقاط شروع و کاهش تنش قطعه، قبل از برش نیمه تماسی در EDMها.

کارگاه‌های مدل زنی / الگو زنی سریع

جدارتراشی سریع تولیدات تک محصولی، تقریباً از هر ماده‌ای، جت‌های آب را برای این کاربرد مهم‌تر نموده‌است.

آموزشگاه‌ها

اغلب دانشگاه‌های بزرگ که کلاس‌های مهندسی را ارائه می‌کنند همچنین دارای جت‌های آب می‌باشند. آن‌ها ابزار خوبی برای فراگیری در کلاس می‌باشند چرا که یادگیری، برنامه‌نویسی و عملکرد ساده‌ای دارند، و به خاطر اینکه می‌توانند یک نوع قطعه را به سرعت تولید کنند. آن‌ها همچنین می‌توانند به دیگر دانشکده‌های وابسته به دانشگاه که نیازمنده خدمات کارگاهی است، خدمت‌رسانی کنند.