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• Walter Andres Melgar

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FISICAS Y NATURALES Procesos de Manufactura I – Corte por chorro de agua

Corte por chorro de agua (Water jet) INTRODUCCIÓN: Para realizar el corte de un material determinado se necesita de una cierta cantidad de energía. En el proceso de corte se produce lo que se denomina transformación de la energía. La cantidad de energía que se entrega se transforma en energía de deformación del material a cortar. Ahora todo tipo de fluido en movimiento lleva asociado una determinada cantidad de energía cinética. Por lo tanto este fluido deberá tener una energía mayor o igual a la necesaria para realizar el corte. Como medio portador de energía en general, se puede utilizar casi todos los elementos líquidos: agua, aceites, alcoholes y hasta metales líquidos como por ejemplo el mercurio. Ahora, el agua presenta una serie de ventajas con respecto a los demás: a) Existe en cantidades suficiente y en calidad requerida (agua potable) en casi todos los lugares. b) Bajo costo en su empleo con respecto a los otros fluidos. c) Se logra acceder a ella fácilmente. d) Buenas condiciones de fluidez (baja viscosidad) de lo contrario sería muy difícil lograr la salida del chorro por un pequeño orificio a alta velocidad. Por estas razones el corte por chorro de agua es una opción muy interesante a la hora de trabajar sobre el corte y mecanizado de materiales. Esta tecnología se utiliza para cortar piezas de todo tipo de materiales, tanto metales, como cerámicos o plásticos. Corta por abrasión, debido a la velocidad que alcanza el agua erosiona las superficies arrastrando micro-partículas de material.

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PROCESO DE CORTE POR WATER JET Este sistema se caracteriza por realizar los cortes industriales en frío, debido a lo cual no modifica las estructuras internas de los materiales. Es un corte por agua, limpio y ecológico, no contamina al medio ambiente con emisiones de gases ni productos químicos. El principio del corte es sumamente sencillo pero requiere de altísima tecnología: el agua sola o con abrasivo (garnet) es forzada a pasar, mediante una bomba de gran potencia por un minúsculo orificio. De este orificio sale un muy fino chorro de agua con una enorme presión y es así como se produce el corte. Este orificio se mueve guiado por un control numérico sobre el material a cortar. De esta forma se corta todo tipo de material y espesor, estando los límites dados por las medidas de la máquina en ancho, largo y espesor. En este proceso se utiliza una tobera por la que sale el agua a más de 1000 m/s. Para alcanzar esta velocidad el agua debe ser comprimida a más de 4000 kg/cm 2. Cuando se trata de materiales duros o difíciles como rocas, vidrios, metales, se añade un abrasivo. Materiales típicos de corte según su rubro: AUTOMOVIL: aceros, cueros, composites, cauchos. AERONÁUTICO: fibra de carbono, titanio, aleaciones, aislantes. METALURGIA: aceros, aceros inoxidables, aleaciones, latón. ALIMENTARIO: pescados, pasteles, chocolates, carnes. JUGUETES: polipropileno, fibras sintéticas, espumas, polímeros. PUBLICIDAD: metacrilato, pvc, vinilo, polietileno. CONSTRUCCIÓN: barra, cerámicas, mármol, vigas. MUEBLERÍA: espejos, tejidos, vidrio, madera. También existen muchas áreas de aplicación en el sector de las chapas metálicas en el cual el chorro de agua es de gran interés, por ejemplo, el corte de metales no ferrosos tales como cobre, aluminio y bronce, o materiales más gruesos que no requieren posterior acabado. Desde un punto de vista realista, el límite del espesor a cortar económicamente viable se detiene alrededor de 150 mm, dependiendo del material. Cuando se trate de materiales tales como vidrio plano, piedra natural y artificial, acero, fibra de vidrio, acero templado entre otros, será necesaria la adición de algún abrasivo (arena especial agregada al agua para aumentar el rendimiento de corte. Generadores de la presión: Para lograr la alta presión necesaria se utilizan multiplicadores que se basan en don cilindros en línea. En el primero se añade aceite a alta presión 400 kg/s y el segundo se llena con agua. Si la relación de diámetros es de 10:1 obtenemos en el cilindro de agua una presión de salida de 4000 kg/s.

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(Conjunto de impulsión de doble efecto de 20 Kw.) Es importante destacar que las toberas de salida deben estar realizadas de forma de resistir la presión aplicada Entre ellas se pueden encontrar algunas formas como las siguientes:

PRESIÓN DE TRABAJO La mayoría de los productos a cortar como revestimientos de techos, alfombras, bandejas se pueden cortar a unos 2,8 Kbar (40.000 psi). Las piezas duras como paneles de madera y de carrocería hechas en materiales compuestos moldeados precisan por lo menos 3,4 Kbar. Los paneles de instrumentos de automotores se cortan con dos presiones, una de 3,4 Kbar y la otra de 1,4 Kbar. Con la de 3,4 Kbar se corta el revestimiento y el relleno y con la otra solo el revestimiento. Es muy importante lograr mantener la presión al mínimo posible para lograr una producción con una buena calidad y para que el consumo de toberas sea el menos posible. TOBERAS

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Un estrecho chorro de agua coherente produce la máxima velocidad y la mayor calidad de corte. El chorro de agua logra esta característica de dos maneras: Primero: un agujero cortado limpiamente y preciso en la superficie superior produce la restricción del caudal de agua, que asegura la máxima presión de corte. Cuanto mas afilado es el corte en la entrada del agujero, más coherente y potente será el chorro de agua. Segundo: El corte cónico en la superficie inferior del orificio produce el máximo flujo de aire hacia el chorro, reduciendo la cantidad de vació creado, logrando el chorro mas estrecho posible Los puntos más críticos de un orificio son la superficie superior, especialmente alrededor del taladro y el diámetro inferior de este. El deterioro de estas superficies debido a la alimentación de agua inadecuada solo causara una mala calidad del chorro y menor duración del orificio ORIFICIOS DE TOBERAS Para cortar distintos materiales Vinilo Revestimientos de techo Paneles de puerta de instrumentos Fibra de Vidrio Moquetas Corte con abrasivos

= 0.125mm =0.152mm =0.178mm =0.229mm =0.254mm =0.254mm =0.406mm Los orificios de diamante son los de mayor duración y costo (350 U$S), le siguen en eficiencia los de zafiro (20 U$S) Los orificios en diamante son algo menores Diamante 0.007 Zafiro 0.008 CALIDAD ACEPTABLE DEL AGUA Para asegurar un funcionamiento correcto del intensificador y para obtener la máxima duración de los consumibles, se debe efectuar un análisis del agua de entrada antes de instalar un intensificador. La pobre calidad del agua acorta la duración de las toberas y por consiguiente aumenta el costo. Las siguientes sustancias y sus niveles de concentración aceptables deben cumplirse con el fin de asegurar la máxima duración y eficiencia del sistema Sustancia Dureza Hierro (fe) Sílice (SIO3) Nivel Ph Total de Sólidos Disueltos Contenido de Bacterias Nivel de Cloro

Concentración - 17 ppm - 0.1 ppm - 15 ppm Entre 6.5 y 9.5 - 100 ppm - 100 ppm - 5 ppm

De no reunir estas condiciones se debe tratar el agua con resinas de intercambio iónico

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Comparación con otros métodos de corte Existen varias razones para este rápido crecimiento del mercado. Por una parte, el corte por chorro de agua representa una alternativa interesante al punzonado tradicional; y, de hecho, tanto para materiales duros como blandos. Porque, de forma similar al láser, el chorro de agua produce flexibilidad y permite tamaños de lote más reducidos, puesto que se eliminan en gran medida los costes de utillajes. En comparación con el corte térmico, el corte por chorro de agua ofrece con frecuencia la ventaja de lo que se denomina “corte con acabado”. El corte puede ser preciso y con un acabado de la superficie de máxima calidad. El corte en frío no provoca un incremento de la dureza ni la fusión del material, lo cual no sólo ahorra los costes del procesamiento mecánico adicional, sino que proporciona también beneficios logísticos y tiempos cortos de reacción. En el rango de mayor espesor, el corte por chorro de agua compite con procesos tales como fresado o erosión. Dado que se trata de un proceso frío, se ha convertido en una necesidad en muchas ramas industriales, en especial en la construcción de aviones. Por lo tanto, los componentes estructurales de aeronáutica se cortan de forma prácticamente exclusiva con agua. Otro ejemplo ajeno a la industria aeronáutica, del que se ha tenido conocimiento hace poco: un componente fabricado en acero inoxidable de 15 mm de calidad máxima de maquinado cuesta 4,70 Euros con corte por chorro de agua, pero 15,80 Euros con fresado en un centro de mecanización, es decir, cerca de tres veces más. Esto se debe no sólo al hecho de que se requiere una cantidad considerablemente superior de material para el fresado; también la velocidad de mecanización es considerablemente menor con el fresado. Asimismo, se utilizan herramientas diferentes para el fresado para producir los radios. Con el corte por chorro de agua, sencillamente se corta cualquier contorno o radio.

El corte por chorro de agua comienza donde termina el corte por láser. Esto siempre ha sido así y seguirá siéndolo. En pocas palabras, esto significa que para el acero inoxidable de 15 mm y el acero dulce con bajo contenido en carbono y una lámina de aceite, de 20 mm, el corte por chorro de agua es mejor. Es diferente del caso del aluminio, que sólo se puede cortar muy bien con el chorro de agua, porque con el láser se producen potentes reflexiones. El chorro de agua es, sencillamente, más económico desde espesores a partir de 5 mm. Si se necesita un borde limpio, el componente se debe cortar sobredimensionado con el láser y, a continuación, eliminar el sobrante. Igualmente, puede ser necesario un tratamiento térmico adicional. Es posible generar superficies limpias con el chorro de agua desde el mismo comienzo. Por lo tanto, siempre depende de lo que se deba hacer con el componente más adelante. El corte por chorro de agua tiene una enorme velocidad y beneficios de coste con respecto a la electro-erosión. Un componente de acero inoxidable de 10 mm se puede cortar hasta 25 veces más con este último procedimiento de erosión.

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