ウォータージェット切断圧力の基本

適切なウォータージェット切断圧力は、ポンプの馬力とノズルおよびオリフィスの直径の組み合わせによって決まります。 もちろん、最適な圧力の設定は出発点にすぎません。

約 50 年前にウォータージェット技術が誕生して以来、どのような圧力と出力の組み合わせが最適な切断性能をもたらすかについて議論が続いてきました。 数値が大きいほど、切断がより良く、またはより速くなりますか? 特定の用途に最適な圧力、馬力、ノズル アセンブリの組み合わせはどれですか? これは実際には何を意味するのでしょうか？

議論を組み立てるために、増圧器と直接駆動ポンプの議論を削除しましょう。 ウォータージェット システムの購入を検討したことがある方は、それぞれの利点を示す大量のマーケティング データや販売データに遭遇したことがあるでしょう。 油圧増圧ポンプは、エネルギー集約型の油圧システムを犠牲にして、非常に高い圧力を供給できます。 機械式クランクシャフト ポンプを使用するダイレクト ドライブ システムを提唱する人もいます (「図1）。

過去数十年間、これらのテクノロジー間にはトレードオフが存在していました。 増圧ポンプは、特に高圧において維持が容易で安価であると考えられていた一方、直接駆動システムはより高いエネルギー効率を提供しました。 テクノロジーは進化し、トレードオフは長年にわたって変化してきました。

いずれにせよ、ウォータージェット切断の基本原理は変わっていません。 ノズルとオリフィスの組み合わせは、100 分の 1 インチ単位の開口部を通って高圧配管から水が絞り出されるときに、水を加圧するのに役立ちます。 小径のオリフィスを通過する水は、コヒーレントな水流を形成し、ベンチュリ ノズルを通過し、そこで計量された量の粒状研磨材が水流に引き込まれます。 水と研磨粒子の混合物は特殊なセラミック混合管を通過し、結果として生じる研磨剤と水のスラリーは、非常に高速で移動する研磨粒子の一貫した切断流としてノズルから排出されます。

研磨剤は材料に到達して初めて切断されます。 目詰まりを避けるために、研磨材のメッシュはオリフィスに適したサイズでなければなりません。 80 メッシュ ガーネットはどのノズル サイズでも最も汎用的ですが、50 メッシュ ガーネットははるかに粗く、通常は 0.022 または 0.020 インチなどの大きな直径のオリフィスで使用されます。50 メッシュ ガーネットで狭いノズルを使用すると、詰まりの可能性が高くなります。 。 0.014 インチまたは 0.010 インチなど、高精度アプリケーションに使用される小型ノズル用。 ノズルの場合、120 以上のメッシュが最適です。

ノズル サイズは、特定の用途に最適なメッシュ サイズを決定する唯一の要素ではありません。 サンドペーパーと同様に、表面をより細かく仕上げるには、より細かく粒度の高いメッシュ サイズが必要です。 220 メッシュのガーネットは、特に薄い材料を切断する場合、80 メッシュを超えるより滑らかで正確な仕上げを提供します。

圧力は、ポンプによってノズルオリフィスから押し出される水の量によって決まります（「図2 ）。 オリフィスが小さいほど圧力は高くなります。 仮に、100 HP のポンプと広いオリフィスを使用すれば、ウォータージェットを 30,000 PSI で最大出力できますが、効果がないため、このようなものを OEM が販売することはありません。 反対に、5 馬力ポンプで 60,000 PSI を達成することは可能ですが、用途は大幅に制限され、オリフィスは異常に狭くなります。

電力は圧力と体積流量の積に比例します (P = kp × V)。 所定のポンプ出力の場合、圧力の増加は体積流量の比例的な減少と一致する必要があります。 これは、高圧ポンプではより小さなオリフィスを備えたノズルを使用する必要があることを意味します。 たとえば、0.014 インチの 50 HP 増圧ポンプなどです。 60 KSI でのノズルオリフィスは 0.010 インチに制限されます。 90 KSI のオリフィス。

研磨材を使用せずに純粋なウォータージェットを使用する場合、圧力を高めると切断が速くなる可能性があります。 実際、食品や発泡ゴムなどの水のみを使用する切断用途では、高圧システムからのジェットの直径が小さい方が効果的である可能性があります。 しかし、研磨ウォータージェット切断システムでは、水ではなく研磨剤が切断を行います。 その代わりに、水は、切断される材料を侵食する可能性がある一貫した流れの中の小さな研磨粒子を加速します。

10,000 から 60,000 PSI まで、アブレシブ ウォータージェットの切断速度は着実に増加します。 PSI が高くなると粒子が 1 点に集中するため、仕上がりと精度も向上します。 ただし、圧力が高くなると、PSI と切削速度の直接的な関係が崩れ始めます。

図1ダイレクトドライブ ウォータージェット ポンプでは、馬力はここに写真にあるクランク ケースから得られます。

これは、ウォータージェットに関する国際会議で発表されたアクセル・ヘニング博士、ピート・マイルズ、エルンスト・シューベルト博士による「アブレシブウォータージェットの性能に対する粒子の断片化の影響」と題した2018年の論文によるもので、著者らはその中で切削性能がどのように関係するかを研究した。研磨粒子サイズに合わせて（参照図3 ）。 彼らは、圧力が高くなると砥粒がノズルから出る前に砕けて細かい粉になり、結果として切削力が低下することを発見しました。

馬力は、ウォータージェット ノズルから出る水の量を決定します。 たとえば、0.022 インチの場合。 オリフィスを使用すると、60,000 PSI で動作する 50 馬力の増圧ポンプは、通常、毎分 1 ガロン (GPM) を出力します。 60,000 PSI で動作する 100 HP ポンプは、通常 2 GPM を出力します。

ポンプの馬力はノズルの馬力と同じではなく、直接駆動システムと増圧器システムは異なるポンプ効率特性を持っています。 しかし、研磨剤の流量、ノズル/オリフィスの直径、およびノズルでの馬力がすべて同じであれば、増圧ポンプとダイレクトドライブポンプは、最も一般的な材料と厚さを同じ速度で切断します。

追加の馬力の効果は、切断される材料によっても異なります。 馬力が高くなると、厚さ 3 インチのアルミニウムの加工速度が確実に向上しますが、0.010 インチのアルミニウムを使用してシムストックを加工する場合、その効果は無視できます。 オリフィス。 非常に薄い材料を切断する場合は、周波数変化がより安定する低い馬力で運転する方が良い場合があります。 別のオプションは、可変周波数ドライブを備えたポンプを使用することです。

全体として、ウォータージェット切断の効率を高める最も効果的な方法は、馬力の観点からポンプの出力を上げることであると一般的に言えます。これにより、より多くの水と研磨剤がノズルと材料を通して押し出されることになります。

特定のマシンの馬力と圧力の最適な組み合わせを見つけることは、車の最適な運転方法を教えてくれるようなものです。 サイオン xA の運転方法はシェルビー コブラとは大きく異なります。 さらに、これらの車両のエンジンの状態、注意事項、使用年数、組み立て方法によっては、両方の車両のパワーとパフォーマンスが大きく変動する可能性があります。 Cobra が酷使され、メンテナンスされておらず、xA が最高の状態にある場合は、その点がわかります。 どちらの車両も地点 A から地点 B まで移動します。 問題は実際に乗り心地がどれほど良いかということになります。

そうは言っても、馬力と圧力の一部の組み合わせは、理想的な条件下および特定のオリフィス/ノズル サイズで機能する傾向があります。 車の例えを続けるために、次の数字を考えてください。図4新車に掲載されている燃費と同様です。 グラフに示されている馬力と圧力の組み合わせは、机上では最適であると考えられるかもしれませんが、機械で何が起こっているかを考慮したものではありません。 これらは、特定の材料に対するウォータージェット切断を最適化するための良い出発点であると考えてください。 アルミニウム、スチール、真鍮、チタンなどのほとんどの標準的な金属では、材料が厚いか薄いかによって適切な切断条件が異なります。

アクリルやその他のプラスチックは、熱が伝わらないためウォータージェット切断に最適ですが、穴あけ時に欠けやひび割れの問題が発生する傾向があります。 この点では、Glass も同様に動作します。 脆い材料や剥離しやすい材料の場合は、低圧力でピアッシングを開始し、徐々に圧力を上げて切断します。

ウォータージェットプロセスでは研磨剤を使用しないため、フォームにはまったく異なるアプローチが必要です。 メーカーは、オリフィス/ノズルのサイズに焦点を当てるのではなく、ジュエルのサイズを調整することでフォームの用途を最適化できます。 (ジュエルは、高圧水が高速水に移行する場所です。) 適切な開始点は、20 ～ 50 HP、圧力 60 KSI、ジュエル サイズ 0.011 インチです。

真空中ではウォータージェット切断を最適化することはできません。 ガーネットのメッシュ サイズ、圧力、馬力、オリフィス/ノズルの直径のバランスが完璧であっても、同様に完璧なサイクル タイムと収益性は達成できない場合があります。 十分に複雑な生産環境では、多くの要因によって生産性の問題が発生する可能性があり、ポンプ技術もその 1 つです。

図2ノズルとオリフィスの組み合わせは、高圧配管から開口部を通って水が絞り出されるときに、水を加圧するのに役立ちます。

いずれにせよ、研磨ウォータージェットは製造業者向けの特殊機器から、世界中の機械工場や製造施設で新たな汎用ツールへと進化しました。 テクノロジーが変化しても、水とガーネットはほとんど変わりません。 これらの材料がすべての研磨ウォータージェット切断の基礎を形成している限り、馬力と圧力が重要な役割を果たします。

馬力と圧力の議論に対する最も単純な答えは、実際には議論がまったく存在しないということです。 どちらもウォータージェット プロセスの最適化において重要な役割を果たしますが、馬力と圧力の相対的な重要性は、ウォータージェットの用途とウォータージェット マシン自体の状態に完全に依存します。

既存の機械の切断速度を向上させたいと考えているほとんどの工場にとって、より高馬力のポンプを追加することは最大の利点となります。 ただし、馬力と圧力の最適なバランスを見つける唯一の方法は、十分な実験を行い、ウォータージェット OEM のアプリケーション専門家と緊密な協力関係を築くことです。