اصول اوليّه برش با آب

برش با آب به زبان ساده توسعه،انتقال واستفاده از قدرت آب مي باشد اين قدرت توسط پمپ در سيال ايجاد مي شود وسيال پرفشار از طريق يك لوله فلزي مقاوم به يك نازل جريان مي يابد ودر نازل بدليل تفاوت سطح مقطع ورودي وخروجي ،شتاب مي گيرد وبدين ترتيب سيال با انرژي جنبشي بالا به طرف سطح هدايت مي شود.

از فرآيندهاي برش با آب مي توان درمواردي كه ديگر فرآيندهاي ماشينكاري پيشرفته به سادگي نمي توان بكار برد،استفاده كرد مانند برش مواد غذايي،فلزات سخت،شيشه را مي توان نام برد.

نمودار استفاده از فرآيند برش با آب در صنعت
بطور كلي در يك دستگاه برش باجت آب عامل انجام دهنده كار،همواره آب نيست واز سيالهاي ديگر نيز مي توان استفاده كرد مثلاً از سيال روغن براي بريدن مواد غذايي استفاده مي شود.

۱-۱كاربردهاي كونا گون برش با آب

تاريخچه
استخراج معادن به روش هيدروليكي اولين بار در ايالات متحده انجام شدوطي اين روش زغال سنگ توسط آب به دامنه كوهها حمل مي شد.با پيشرفت وتوسعه روز افزون اين روش، مهندسان موفق شده اند با استفاده از جريان تحت فشار صخره هاي سخت را نيز از كوهها جدا كنند اولين تجربيات در اين زمينه در شوروي صورت گرفت وقتيكه از جرياني با فشار ۷۰۰۰ بار براي استخراج صخره هاي سخت زغال سنگ استفاده گرديد.

در دهه ۱۹۷۰ در ايالات متحده توانستند جريان با فشار ۴۰۰۰۰ بار ايجاد كنند و در اينجا بود كه مزاياي استفاده از دستگاههاي برش باآب شدند.همزمان با توسعه تكنولوژي استخراج معادن،جت هاي آب در تميزكاري سطوح نيز بكار گرفته شدند ولي هزينه نسبتاً بالا در توليد قدرت اوليّه براي عكس العمل اعمالي از طرف اين دستگاه بر روي اپراتور ناچيز بود لذا با استفاده از اين روش ،سرعت كار به ميزان قابل توجهي بالارفت.با افزايش توانايي در طراحي پمپها،بااستفاده از پمپهاي فشار بالا سيستمهاي جت آب قادر به تميزكاري يا بريدن مواد سخت شدند.
آقاي دكتر نورمن فرنز به عنوان پدر علم فرآيندهاي برش با آب شناخته شد

ه اند و اولين شخصي است كه بر روي فشارهاي فوق العده بالا (UHP) به عنوان ابزاري براي برش مطالعه كرد.

انواع فرآيندهاي برش با آب:
بطور كلي فرآيندهاي برش با آب به دو روش صورت مي گيرد:
الف- برش همرا با استفاده از ذرات ساينده((AWJM
ب- برش بدون استفاده از ذرات ساينده(WJM)
AWJM(Abrasive water jet machining)

كارشناسان طي تحقيقاتي دريافتند كه افزودن مواد خاصي به جريان آب،قابليت وكارايي سيستم را به نحوچشمگيري افزايش خواهد داد استفاده از ذرات ساينده در جريان آب سيستم برش با جت آب،نكات مثبت ومنفي به همراه داشته است.بريدن مواد خيلي سخت مثل فلزات و شيشه بوسيله آب،كاري مشكل وغير مشكل مي باشدزيرا آب نمي تواند به درون ساختار كريستالي اين مواد نفوذ كند لذااز ذرات ساينده استفاده مي كنند.

مهندسان براي دستيابي به يك سطح فلزي تميزكاري شده،ماسه به آب افزودند دانه هاي ماسه به عمل تميز كاري وبرداشت اضافات كمك قابل توجهي ميكنند اگرچه ذرات ساينده اي كه در سيستم بكار ميروند تحت آن فسار بالا مي توانند موجب خوردگي سريع نازلها گردنداما برش مواد فلزي وسراميكي با استفاده از دستگاه برش آب به همراه ذرات ساينده بدون هيچگونه اثر تخريبي بر مواد امكان پذير است.

اتحاديه تحقيقات هيدروديناميك بريتانيا در سال ۱۹۶۸توانست دستگاهي بسازد كه ذرات ساينده را بين پمپ و نازل به آب تزريق كنند اما ازآنجا كه ذرات ساينده بعد از برخورد به هدف دوباره به سيكل بر نمي گشتند هزينه اين سيستمها اندكي بالا بود همچنين بدليل سرعت زياد ذرات ساينده از عمر مفيد نازلها نيز كم ميگرديد.

۲-۱برش توسط مواد ساينده

WJM( pure water jet machining)
استفاده از فرآيند برش بدون ذرات ساينده را WJMگوينددر يك دستگاه برش آب، جت انجام دهنده كار،همواره آب نيست ومي توان از سيالات ديگري نيز استفاده كرد.

۳-۱برش باآب بدون ذرات ساينده

اجزاي سيستم هاي برش با‌آب:

۴-۱ نمايش شماتيك اجزاءبرش با آب

۱-پمپ
قلب سيستمهاي برش با‌آب ،پمپ است.پمپ فشار مشخصي بر سيال وارد ميكندفشاري كه پمپ ايجاد ميكند به دوطريق مصرف ميشود يكي در حركت آب از طريق خط جريان ازپمپ تانازل وديگري درفرستادن آب ازطريق روزنه كوچك.
.موقعي كه جت آب به هدف ميرسد انرژي جنبشي به فشار ضربه اي وارد تبديل مي شود.دو پارامتر مهم در رابطه با كنترل قدرت خروجي اهميت فراواني دارند كه عبارتند از مقدار وسرعت آب اين پارامترها نيز به نوبه خود توسط دو متغيركنترل مي شود كه عبارتند از حجم آب كه توسط پمپ تخليه ميگردد وقطر نازل كه بوسيله اين دو متغيرمي توان سرعت جريان آب وسطح مقطع جريان را تعيين نمود.

وقتي فشار پمپ بالاتراز ۴۰۰۰بار باشد نمي توان پمپي را پيدا كرد كه بتوان چنين فشاري ايجاد كند ودر عين حال دبي بالايي داشته باشد لذا براي حل اين مشكل از دستگاه هاي نوع توپي استفاده مي گردد علت نامگذاري شباهت آن به توپ نظامي ميباشد.دستگاه ابتدا توسط مقداري آب باركذاري مي شود ويك حجم مشخص از گاز پرفشار به پشت اين توده آب هدايت ميگردد و در نتيجه اين عمل آب از داخل با سرعت به بيرون تخليه مي شود و دقيقاً مثل آن است كه شليك شده باشد

۵-۱چگونگي افزايش فشار در سيستمهاي برش با آب

۶-۱ پمپ رانش مستقيم

۲-تشديد كننده
اساس كاركرد يك تشديد كننده قانون پاسكال مي باشد.طبق قانون پاسكال نيرويي كه از طرف روغن بر پيستون وارد ميشود برابر نيرويي است كه توسط پيستون بر آب وارد مي شود.

۷-۱ ارتباط نيرو وسطح در سيستمهاي هيدروليكي مطابق قانون پاسكال
در يك سيتم برش باآب پمپ به تنهايي نمي تواند فشاري درحدود ۴۰۰۰تا۷۰۰۰ بار ايحاد كنددر چنين سيستمي پمپ فشار سيال را تا حدود ۲۰۰ تا ۳۵۰ بار افزايش داده وتوسط تشديد كننده فشار سيال ۲۰ تا ۴۰ برابر مي شود.

اصول كار:
جريان روغن در فشار متوسط ۲۰۰تا۳۵۰ بار وارد سيلندر مي شوداين فشار موجب حركت
پيستون به سمت چپ مي كردد.در نتيجه آب داخل محفظه به خارج هدايت مي شود.اما همان مقار آب بايد در محفظه كوچكتري حبس شود در نتيجه فشار آن افزايش خواهد يافت.

۸-۱نماي برش خورده از يك تشديد كننده

.

۹-۱ نمايش عملكرد تشديد كننده

۳-نازل
به اشتباه خيال مي‌شود 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 مخلوط‌كننده مواد ساينده با آب است.
Orifice يا jewelها ارزان هستند و اصلاً قابل قياس با تيوپ اختلاط نمي‌باشد. Jewelها (قسمت نازل يا دهانه خروجي آب است كه از جنس لعل يا ياقوت مي‌باشد) تقريباً ارزان و حدود ۱۵ تا ۵۰ دلار مي‌باشند و اين در حالي است كه قيمت تيوپ مخلوط‌كننده ۱۰۰ تا ۲۰۰ دلار مي‌باشد.

Jewelها نوعاً در اثر رسوبات معدني موجود در آب آسيب مي‌بينند كه البته اين رسوبات قابل برداشت مي‌باشند. 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 مي‌باشند. اما اگر هنوز عمر مفيد نازل براي شما خيلي مهم است مي‌توانيد 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.

براي روشن شدن موضوع بدانيد استفاده از يك تيوب مخلوط‌كننده كهنه و آسيب ديده در اثر كاركرد مانند بكارگيري يك تيغچه الماسه كند شده مي‌باشد. اين مشكل است كه بگوييم چه وقت يك تيوب كاملاً آسيب ديده و قابل كاربرد نمي‌باشد. اما اين مهم است كه ساييدگي در تيوب باعث كاهش كارآيي ماشين‌كاري مي‌گردد. براي كارهاي دقيق بهتر است از يك تيوب جديد استفاده نمود.

عمر مفيد تيوب به پارامترهاي زيادي بستگي دارد، به عنوان مثال نوعاً از ۲۰ تا ۱۰۰ ساعت مي‌تواند عمر مفيد متوسط فرض شود. البته با توجه به شرايط ممكن است از اين زمان سريع‌تر يا كندتر نيز سايش اتفاق بيفتد كه البته باز به شرايط كاري بستگي دارد.

۱۰-۱ نازل

۴-تصفيه آب:
هنگامي كه اولين بار دستگاه هاي برش باآب در صنعت مورد استفاده قرار گرفتندتصور اوليُه بر اين اساس بود كه اين دستگاههاداراي عمر طولاني ونيازي به تعميرونگهداري ويژه اي ندارند اما هنگامي
كه در مناطق مختلف نصب شدندبدليل تفاوت در آب مناطق مختلف،مشكلي در كاركرد صحيح دستگاه بوجود آمد.بدين صورت كه در فشار ۳۵۰بار وسرعت حدود۷۰۰متر بر ثانيه ذرات ريز معلق در آب ميتوانند آسيب جدي برپمپ واردكنند.وجود ذرات جامد وريز معلق در آب در سرعتهاي بالا مي تواند فرسايش بدنه نازل ويا ديگر قسمتها را به ميزان قابل توجهي افزايش دهد.

روشهاي جلوگيري از ذرات جامد درآب:
۱-فيلتراسيون
۲-سختي گيري
۳-تراوش معكوس
۴-ديونيزاسيون
فليترها:
بطور كلي آلودگي مي تواند بصورت جامد،مايع،گاز باشد.عوامل موثر در ايجاد آلودگي عبارتند از:
۱-ايجاد آلودگي هنگام ساخت،نگهداريو مونتاژ اجزا در اثر ورود ذرات فلزي ،تراشه هاي رزوه لوله ها،ذرات در پوش
۲-ايجاد آلودگي هنگام عملكرد دستگاه در اثر ورودآب به داخل مخزن هيدروليك،توليد گازدر

مخزن،ايجاد جرم در لوله ها
۳-ورود آلودگي از خارج از سيستم
فيلترها بسيار ظريف تر از صافيها عمل كرده ودرنقاط مختلف مدار قابل نصب مي باشند.فيلتر هاي طراحي شده براي نصب در خط فشار، در سيستمهاي مورد استفاده قرار مي گيرندكه اجزا عمل كننده در فشار بالا مانند شيرها،نسبت ورودذرات در مقايسه با پمپ از حساسيت بيشتري برخوردارباشند.

فيلترهاي خط برگشت در سيستمهاي كه به منظور ته نشين نمودن آلودگيها داراي مخزنبزرگ نيستندمورد استفاده قرار ميگيرند.
سه روش اساسي در فيلتر نمودن سيال در سيستمهاي هيدروليكي عبارتند از :
۱-مكانيكي
۲-جذبي
۳-جذب سطحي
مكانيكي:
فيلترهاي مكانيكي براي جذب ذرات نسبتاًَ درشت مورد استفاده قرار مي گيرنددر اين روش از يك صفحه فلزي يا پارچه اي ويا تعداد ديسك فلزي مجزا استفاده مي شود.

جذبي:
اينگونه فيلترها ذرات بسيارريز را به خود جذب مي كنند در اين روش از صفحات كاغذي ،چوبي،پارچه اي ،سلولزي،وآزبست استفاده مي شود.
جذب سطحي :
در اين روش از تمايل ذرات براي چسبيدن به سطح استفاده مي شود.بنابرين ظرفيت چنين فيلترهايي به سطح قابل دسترس در آنها بستگي دارد.كاغذهايي كه بطريق شيم

يايي آماده مي شوندبراي جذب سطحي ذرات در اينگونه فيلترها مورد استفاده قرار مي گيرند.
سختي گيري:
براي گرفتن سختي آب ،آن رااز يك بستر حاوي رزين عبور مي دهند ودراثر اينكار ،كلسيم(يونهاي كلسيم .منيزم وآلومينيوم) محلول كه موجب سختي است باسديم جايكذين مي شود بعد از مدت زمان مشخصي رزين توسط محلول نمك احياي مي شود.

معادلات زير اين روش را توضيح مي دهند:

تراوش معكوس:
در اين فرآيند،آب از يك غشاي بسيار ريز عبور ميكند وغشا مانند فيلتر عمل كرده و ذرات در حد مولوكولي آب را از آن جدا مي كند.
ديونيزاسيون :
اين روش بسيار شبيه روش سختي گيري است با اين تفاوت كه بجاي رزين شيميايي از يونهاي منفي نظير كلريد وسولفات استفاده مي شود.

۱۱-۱فيلتراسيون به روش ديونيزاسيون
مطالعات نشان مي دهندكه عمر روزانه نازل در روش ديونيزاسيون بيش از ۲۰۰ساعت،در روش تراوش معكوس حدود ۱۹۰ ساعت،ودر روش سختي گيري عمر نازل به ۷۸ساعت مي رسدواين در حاي است كه عمر نازل در صورت تنها استفاده از فيلترها فقط ۳۴ساعت مي باشد.امروزه در عمل از هر ۳ روش (روش فيلتراسيون در تمامي آنها مشترك است)استفاده مي شود.