워터젯 절단은 더 간단한 가공 방법이지만 강력한 펀치가 장착되어 있으며 작업자는 여러 부품의 마모와 정확성을 계속 인지해야 합니다.
가장 간단한 워터젯 절단은 고압 워터젯을 소재에 분사하는 공정입니다. 이 기술은 일반적으로 밀링, 레이저, 방전 가공(EDM), 플라즈마 등 다른 가공 기술을 보완하는 데 사용됩니다. 워터젯 공정에서는 유해 물질이나 증기가 생성되지 않으며, 열영향부나 기계적 응력도 발생하지 않습니다. 워터젯은 석재, 유리, 금속의 초박형 디테일을 절단하고, 티타늄에 빠르게 구멍을 뚫고, 식품을 절단할 수 있으며, 심지어 음료와 딥에 있는 병원균을 살균할 수도 있습니다.
모든 워터젯 기계에는 물을 가압하여 커팅 헤드로 전달하고, 커팅 헤드에서 초음속 흐름으로 변환하는 펌프가 있습니다. 펌프에는 직접 구동 방식 펌프와 부스터 방식 펌프, 두 가지 주요 유형이 있습니다.
직접 구동 펌프의 역할은 고압 세척기와 유사하며, 3기통 펌프는 전기 모터에서 세 개의 플런저를 직접 구동합니다. 최대 연속 작동 압력은 유사한 부스터 펌프보다 10%에서 25% 낮지만, 20,000psi에서 50,000psi 사이로 유지됩니다.
증압기 기반 펌프는 초고압 펌프(즉, 30,000psi 이상의 펌프)의 대부분을 차지합니다. 이 펌프에는 두 개의 유체 회로가 있는데, 하나는 물용이고 다른 하나는 유압용입니다. 물 유입 필터는 먼저 1미크론 카트리지 필터를 통과한 후 0.45미크론 필터를 통과하여 일반 수돗물을 흡입합니다. 이 물은 부스터 펌프로 들어갑니다. 부스터 펌프로 들어가기 전에 부스터 펌프의 압력은 약 90psi로 유지됩니다. 여기서 압력은 60,000psi로 증가합니다. 물이 펌프 세트를 떠나 파이프라인을 통해 커팅 헤드에 도달하기 전에 물은 충격 흡수 장치를 통과합니다. 이 장치는 압력 변동을 억제하여 압력의 일관성을 개선하고 공작물에 자국을 남기는 펄스를 제거합니다.
유압 회로에서 두 전기 모터 사이에 있는 전기 모터는 오일 탱크에서 오일을 흡입하여 가압합니다. 가압된 오일은 매니폴드로 흐르고, 매니폴드의 밸브는 비스킷과 플런저 어셈블리의 양쪽에 유압 오일을 교대로 분사하여 부스터의 스트로크 작용을 생성합니다. 플런저의 표면적이 비스킷의 표면적보다 작기 때문에 오일 압력이 수압을 "증가"시킵니다.
부스터는 왕복 펌프로, 비스킷과 플런저 어셈블리가 부스터의 한쪽에서 고압의 물을 공급하고, 다른 쪽에서는 저압의 물이 채워집니다. 또한 재순환을 통해 유압 오일이 탱크로 돌아올 때 냉각됩니다. 체크 밸브는 저압 및 고압의 물이 한 방향으로만 흐르도록 합니다. 플런저와 비스킷 부품을 감싸는 고압 실린더와 엔드캡은 공정의 힘과 정압 사이클을 견딜 수 있도록 특수 요건을 충족해야 합니다. 전체 시스템은 점진적으로 고장이 발생하도록 설계되었으며, 누출은 특수 "배수구"로 흘러가게 됩니다. 운전자는 이 배수구를 모니터링하여 정기적인 유지 보수 일정을 효율적으로 계획할 수 있습니다.
특수 고압 파이프는 물을 커팅 헤드로 이송합니다. 파이프 크기에 따라 커팅 헤드의 자유로운 이동을 제공할 수도 있습니다. 이러한 파이프에는 스테인리스 스틸이 사용되며, 일반적으로 세 가지 크기가 있습니다. 직경 1/4인치(1/4인치)의 스틸 파이프는 스포츠 장비에 연결할 수 있을 만큼 유연하지만, 고압 물을 장거리로 이송하는 데는 권장되지 않습니다. 이 튜브는 롤 형태로도 쉽게 구부릴 수 있으므로, 3~6미터(10~20피트) 길이로 X, Y, Z 방향으로 움직일 수 있습니다. 더 큰 3/8인치(3/8인치) 파이프는 일반적으로 펌프에서 이동 장비 바닥까지 물을 이송합니다. 구부릴 수는 있지만, 일반적으로 파이프라인 이동 장비에는 적합하지 않습니다. 직경이 9/16인치(9/16인치)인 가장 큰 파이프는 장거리 고압 물 이송에 가장 적합합니다. 직경이 클수록 압력 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이 크기의 파이프는 많은 양의 고압 물은 잠재적 압력 손실 위험이 더 크기 때문에 대형 펌프와 매우 호환됩니다. 하지만 이 크기의 파이프는 구부릴 수 없고, 모서리에 부속품을 설치해야 합니다.
순수 워터젯 절단기는 가장 초기의 워터젯 절단기로, 그 역사는 1970년대 초로 거슬러 올라갑니다. 재료에 직접 접촉하거나 흡입하는 방식과 비교했을 때, 재료에 생성되는 수분이 적기 때문에 자동차 내장재나 일회용 기저귀와 같은 제품 생산에 적합합니다. 유체는 직경이 0.004인치에서 0.010인치로 매우 얇아 재료 손실이 매우 적으면서도 매우 정밀한 형상을 제공합니다. 절삭력이 매우 낮고 고정도 일반적으로 간단합니다. 이러한 기계는 24시간 작동에 가장 적합합니다.
순수 워터젯 기계용 커팅 헤드를 고려할 때, 유속은 압력이 아니라 절단 재료의 미세한 파편이나 입자라는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이러한 빠른 속도를 달성하기 위해 노즐 끝에 고정된 보석(보통 사파이어, 루비 또는 다이아몬드)의 작은 구멍을 통해 가압수가 흐릅니다. 일반적인 절단에는 0.004인치에서 0.010인치의 오리피스 직경이 사용되지만, 특수 용도(예: 분무 콘크리트)에서는 최대 0.10인치까지 사용할 수 있습니다. 40,000psi에서는 오리피스에서 나오는 유량이 약 마하 2의 속도로 이동하고, 60,000psi에서는 마하 3을 초과합니다.
주얼리마다 워터젯 절단에 대한 전문 지식이 다릅니다. 사파이어는 가장 일반적인 범용 소재입니다. 사파이어의 절단 시간은 약 50시간에서 100시간 정도이지만, 연마 워터젯을 사용하면 절단 시간이 절반으로 단축됩니다. 루비는 순수 워터젯 절단에는 적합하지 않지만, 루비에서 생성되는 물의 흐름은 연마 절단에 매우 적합합니다. 연마 절단 공정에서 루비의 절단 시간은 약 50시간에서 100시간입니다. 다이아몬드는 사파이어나 루비보다 훨씬 비싸지만, 절단 시간은 800시간에서 2,000시간 사이입니다. 이러한 특성으로 인해 다이아몬드는 특히 24시간 작업에 적합합니다. 경우에 따라 다이아몬드 오리피스를 초음파 세척하여 재사용할 수도 있습니다.
연마 워터젯 기계에서 재료 제거 메커니즘은 물의 흐름 자체가 아닙니다. 반대로, 물의 흐름은 연마 입자를 가속하여 재료를 부식시킵니다. 이 기계는 순수 워터젯 절단기보다 수천 배 더 강력하며 금속, 석재, 복합 재료, 세라믹과 같은 단단한 재료를 절단할 수 있습니다.
연마재 흐름은 순수 물 분사보다 크며, 직경은 0.020인치에서 0.050인치 사이입니다. 열 영향부나 기계적 응력 없이 최대 10인치 두께의 재료와 스택을 절단할 수 있습니다. 강도는 향상되었지만, 연마재 흐름의 절삭력은 여전히 1파운드(약 450g) 미만입니다. 거의 모든 연마재 분사 작업은 분사 장치를 사용하며, 단일 헤드 사용에서 다중 헤드 사용으로 쉽게 전환할 수 있으며, 연마재 물 분사도 순수 물 분사로 전환할 수 있습니다.
연마재는 단단하고 특별히 선별된 크기의 모래로, 보통 가넷입니다. 다양한 그리드 크기가 작업에 따라 적합합니다. 120메시 연마재를 사용하면 매끄러운 표면을 얻을 수 있으며, 일반적인 용도에는 80메시 연마재가 더 적합한 것으로 입증되었습니다. 50메시 연마재는 절삭 속도가 빠르지만 표면이 약간 거칠어집니다.
워터젯은 다른 기계보다 작동이 간편하지만, 혼합 튜브는 작업자의 주의가 필요합니다. 이 튜브의 가속력은 소총의 총열과 같으며, 크기와 교체 수명이 다릅니다. 내구성이 뛰어난 혼합 튜브는 연마 워터젯 절단 분야에서 혁신적인 혁신이지만, 여전히 매우 취약합니다. 절단 헤드가 고정 장치, 무거운 물체 또는 대상 재료와 접촉하면 튜브가 파손될 수 있습니다. 손상된 파이프는 수리할 수 없으므로 비용 절감을 위해서는 교체 횟수를 최소화해야 합니다. 최신 기계에는 일반적으로 혼합 튜브와의 충돌을 방지하기 위한 자동 충돌 감지 기능이 있습니다.
혼합 튜브와 대상 재료 사이의 간격은 일반적으로 0.010인치에서 0.200인치이지만, 작업자는 간격이 0.080인치를 초과하면 부품 절단면 상단에 서리가 발생한다는 점을 유념해야 합니다. 수중 절단 및 기타 기술을 사용하면 이러한 서리를 줄이거나 없앨 수 있습니다.
초기 믹싱 튜브는 텅스텐 카바이드로 제작되었으며, 사용 수명이 4~6시간에 불과했습니다. 오늘날 저가형 복합 파이프는 사용 수명이 35~60시간에 달하며, 초벌 절삭이나 신규 작업자 교육용으로 권장됩니다. 복합 초경합금 튜브는 사용 수명을 80~90시간으로 연장합니다. 고품질 복합 초경합금 튜브는 사용 수명이 100~150시간이며, 정밀 작업 및 일상 작업에 적합하며, 동심원 마모가 가장 예측 가능합니다.
워터젯 공작 기계는 움직임을 제공하는 것 외에도 작업물을 고정하는 방법과 가공 작업에서 발생하는 물과 이물질을 모아 모으는 시스템을 포함해야 합니다.
고정식 및 1차원 워터젯은 가장 간단한 워터젯입니다. 고정식 워터젯은 항공우주 분야에서 복합 소재를 다듬는 데 널리 사용됩니다. 작업자는 띠톱처럼 재료를 개울에 공급하고, 캐처는 개울과 파편을 모읍니다. 대부분의 고정식 워터젯은 순수 워터젯이지만, 모든 고정식 워터젯이 그런 것은 아닙니다. 슬리팅 머신은 고정식 머신의 변형으로, 종이와 같은 제품이 기계를 통과하면 워터젯이 제품을 특정 폭으로 절단합니다. 크로스커팅 머신은 축을 따라 이동하는 기계입니다. 브라우니와 같은 자판기와 같은 제품에 격자 무늬를 만들기 위해 슬리팅 머신과 함께 사용되는 경우가 많습니다. 슬리팅 머신은 제품을 특정 폭으로 절단하고, 크로스커팅 머신은 그 아래로 공급된 제품을 크로스커팅합니다.
작업자는 이러한 유형의 연마 워터젯을 수동으로 사용해서는 안 됩니다. 절단된 물체를 일정하고 일정한 속도로 이동시키는 것은 어렵고 매우 위험합니다. 많은 제조업체에서 이러한 설정에 대한 기계 견적을 제공하지 않습니다.
XY 테이블은 플랫베드 절단기라고도 하며, 가장 일반적인 2차원 워터젯 절단기입니다. 순수 워터젯은 개스킷, 플라스틱, 고무, 폼을 절단하는 반면, 연마재 모델은 금속, 복합재, 유리, 석재, 세라믹을 절단합니다. 작업대는 최소 2 x 4피트(약 6.2 x 1.2m)에서 최대 30 x 100피트(약 9.6 x 30.8m)까지 다양합니다. 일반적으로 이러한 공작기계의 제어는 CNC 또는 PC로 이루어집니다. 일반적으로 폐루프 피드백을 제공하는 서보 모터는 위치와 속도의 무결성을 보장합니다. 기본 장치에는 리니어 가이드, 베어링 하우징, 볼 스크류 드라이브가 포함되며, 브리지 장치에도 이러한 기술이 적용되고, 수집 탱크에는 재료 지지대가 있습니다.
XY 워크벤치는 일반적으로 두 가지 스타일로 제공됩니다. 중간 레일 갠트리 워크벤치는 두 개의 베이스 가이드 레일과 브리지를 포함하고, 캔틸레버 워크벤치는 베이스와 고정 브리지를 사용합니다. 두 기계 유형 모두 헤드 높이 조절 기능을 제공합니다. Z축 조절은 수동 크랭크, 전동 스크류 또는 완전 프로그래밍 가능한 서보 스크류를 통해 이루어질 수 있습니다.
XY 작업대의 섬프는 일반적으로 물이 채워진 물탱크로, 작업물을 지지하기 위한 그릴이나 슬랫이 장착되어 있습니다. 절단 과정에서 이러한 지지대가 천천히 소모됩니다. 트랩은 자동으로 청소되고 폐기물은 용기에 저장되며, 수동으로 청소하여 작업자가 정기적으로 캔을 삽으로 퍼낼 수도 있습니다.
평평한 표면이 거의 없는 제품의 비중이 증가함에 따라, 5축(또는 그 이상) 기능은 현대 워터젯 절단에 필수적입니다. 다행히 가벼운 커터 헤드와 절단 공정 중 낮은 반동력은 설계 엔지니어에게 고부하 밀링에서는 얻을 수 없는 자유를 제공합니다. 5축 워터젯 절단은 처음에는 템플릿 시스템을 사용했지만, 사용자들은 곧 템플릿 비용을 줄이기 위해 프로그래밍 가능한 5축으로 전환했습니다.
그러나 전용 소프트웨어를 사용하더라도 3D 절단은 2D 절단보다 더 복잡합니다.보잉 777의 복합재 꼬리 부분이 극단적인 예입니다.먼저 작업자는 프로그램을 업로드하고 유연한 "포고스틱" 스태프를 프로그래밍합니다.오버헤드 크레인이 부품의 소재를 운반하고 스프링 바가 적절한 높이로 풀리고 부품이 고정됩니다.특수 비절단 Z축은 접촉 프로브를 사용하여 공간에서 부품을 정확하게 배치하고 샘플 포인트를 사용하여 올바른 부품 높이와 방향을 얻습니다.그 후 프로그램은 부품의 실제 위치로 리디렉션됩니다.프로브는 절단 헤드의 Z축을 위한 공간을 만들기 위해 후퇴합니다.프로그램은 절단 헤드가 절단될 표면에 수직을 유지하고 필요에 따라 작동하도록 5개 축을 모두 제어합니다.정확한 속도로 이동합니다.
복합 재료나 0.05인치보다 큰 금속을 절단하려면 연마재가 필요하므로 절단 후 이젝터가 스프링 바와 툴 베드를 절단하지 못하도록 해야 합니다. 특수 포인트 캡처는 5축 워터젯 절단을 달성하는 가장 좋은 방법입니다. 테스트 결과 이 기술은 50마력 제트 항공기를 6인치 미만으로 정지시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. C자형 프레임은 캐처를 Z축 손목에 연결하여 헤드가 부품의 전체 둘레를 다듬을 때 볼을 올바르게 잡습니다. 포인트 캐처는 또한 마모를 막고 시간당 약 0.5~1파운드의 속도로 강철 볼을 소모합니다. 이 시스템에서는 운동 에너지의 분산으로 제트가 정지됩니다. 제트가 트랩에 진입한 후, 포함된 강철 볼과 마주치고 강철 볼이 회전하여 제트의 에너지를 소모합니다. 수평이거나(경우에 따라) 거꾸로 되어 있어도 스팟 캐처는 작동할 수 있습니다.
모든 5축 부품이 똑같이 복잡한 것은 아닙니다. 부품 크기가 커짐에 따라 프로그램 조정, 부품 위치 및 절삭 정확도 검증이 더욱 복잡해집니다. 많은 작업장에서 간단한 2D 절삭부터 복잡한 3D 절삭까지 매일 3D 장비를 사용합니다.
작업자는 부품 정확도와 기계 동작 정확도 사이에 큰 차이가 있다는 점을 인지해야 합니다. 완벽에 가까운 정확도, 동적 동작, 속도 제어, 그리고 뛰어난 반복성을 갖춘 기계라 하더라도 "완벽한" 부품을 생산하지 못할 수 있습니다. 완성된 부품의 정확도는 공정 오류, 기계 오류(XY 성능), 그리고 공작물 안정성(고정구, 평탄도, 온도 안정성)의 조합으로 결정됩니다.
두께가 1인치 미만인 재료를 절단할 때 워터젯의 정확도는 일반적으로 ±0.003인치에서 0.015인치(0.07mm에서 0.4mm)입니다. 두께가 1인치를 초과하는 재료의 정확도는 ±0.005인치에서 0.100인치(0.12mm에서 2.5mm)입니다. 고성능 XY 테이블은 0.005인치 이상의 선형 위치 정확도를 제공하도록 설계되었습니다.
정확도에 영향을 미치는 잠재적 오류에는 공구 보정 오류, 프로그래밍 오류, 그리고 기계 이동 등이 있습니다. 공구 보정은 제트의 절삭 폭, 즉 최종 부품의 크기가 정확해지도록 확장해야 하는 절삭 경로의 양을 고려하여 제어 시스템에 입력되는 값입니다. 고정밀 작업에서 발생할 수 있는 오류를 방지하려면 작업자는 시험 절삭을 수행하고, 혼합 튜브 마모 빈도에 맞춰 공구 보정을 조정해야 한다는 점을 이해해야 합니다.
프로그래밍 오류는 일부 XY 제어 장치가 파트 프로그램에 치수를 표시하지 않아 파트 프로그램과 CAD 도면 간의 치수 불일치를 감지하기 어려워 발생하기 쉽습니다. 기계 동작에서 오류를 유발할 수 있는 중요한 측면은 기계 장치의 간격과 반복성입니다. 서보 조정 또한 중요한데, 잘못된 서보 조정은 간격, 반복성, 수직성, 그리고 떨림(chatter) 오류를 유발할 수 있기 때문입니다. 길이와 너비가 12인치(30.6cm) 미만인 소형 부품은 대형 부품만큼 많은 XY 테이블이 필요하지 않으므로 기계 동작 오류 발생 가능성이 적습니다.
연마재는 워터젯 시스템 운영 비용의 3분의 2를 차지합니다. 그 외에도 동력, 용수, 공기, 씰, 체크 밸브, 오리피스, 혼합 파이프, 급수 필터, 유압 펌프 및 고압 실린더 예비 부품 등이 포함됩니다.
최대 출력 작동은 처음에는 비용이 더 많이 드는 것처럼 보였지만, 생산성 증가는 비용을 초과했습니다. 연마재 유량이 증가함에 따라 절삭 속도는 증가하고 인치당 비용은 최적 지점에 도달할 때까지 감소합니다. 최대 생산성을 위해서는 작업자가 최적의 사용을 위해 절삭 헤드를 가장 빠른 절삭 속도와 최대 마력으로 작동해야 합니다. 100마력 시스템에서 50마력 헤드만 작동할 수 있다면, 시스템에 헤드를 두 개 작동시키면 이러한 효율을 달성할 수 있습니다.
연마 워터젯 절단을 최적화하려면 해당 상황에 대한 주의가 필요하지만, 생산성을 크게 높일 수 있습니다.
0.020인치보다 큰 공극을 절단하는 것은 현명하지 않습니다. 제트가 틈새를 열어 아래쪽을 거칠게 절단하기 때문입니다. 재료 시트를 서로 가깝게 쌓으면 이를 방지할 수 있습니다.
생산성은 시간당 비용이 아닌 인치당 비용(즉, 시스템에서 생산된 부품 수)으로 측정해야 합니다. 실제로 간접비를 상각하려면 빠른 생산이 필수적입니다.
복합재, 유리, 석재 등을 자주 관통하는 워터젯에는 수압을 낮추거나 높일 수 있는 컨트롤러가 장착되어 있어야 합니다. 진공 보조 장치 및 기타 기술은 대상 재료를 손상시키지 않고 깨지기 쉬운 재료나 적층 재료를 성공적으로 관통할 가능성을 높여줍니다.
자재 취급 자동화는 자재 취급이 부품 생산 비용에서 큰 비중을 차지하는 경우에만 의미가 있습니다. 연마재 워터젯 기계는 일반적으로 수동 언로딩을 사용하는 반면, 판재 절단은 주로 자동화를 사용합니다.
대부분의 워터젯 시스템은 일반 수돗물을 사용하며, 워터젯 작업자의 90%는 유입 필터로 물을 보내기 전에 연수화하는 것 외에는 아무런 준비도 하지 않습니다. 역삼투압과 탈이온수를 사용하여 물을 정화하는 것은 매력적이지만, 이온을 제거하면 펌프와 고압 배관의 금속에서 물이 이온을 더 쉽게 흡수하게 됩니다. 오리피스의 수명을 연장할 수 있지만, 고압 실린더, 체크 밸브, 엔드 커버를 교체하는 비용이 훨씬 더 높습니다.
수중 절단은 연마 워터젯 절단 시 상단 가장자리의 표면 서리("포깅"이라고도 함)를 줄이는 동시에 제트 소음과 작업장 혼란을 크게 줄입니다. 하지만 이로 인해 제트의 가시성이 저하되므로, 전자 성능 모니터링을 사용하여 최고 조건에서 벗어난 상태를 감지하고 부품 손상 전에 시스템을 정지하는 것이 좋습니다.
다양한 작업에 서로 다른 크기의 연마 스크린을 사용하는 시스템의 경우, 공통 크기에 대한 추가 저장 공간과 계량 장치를 사용하십시오. 소형(100파운드) 또는 대형(500~2,000파운드) 벌크 이송 및 관련 계량 밸브를 사용하면 스크린 메시 크기를 빠르게 전환하여 가동 중단 시간과 번거로움을 줄이고 생산성을 높일 수 있습니다.
분리기는 두께가 0.3인치(0.3인치) 미만인 재료를 효과적으로 절단할 수 있습니다. 이러한 러그는 일반적으로 탭을 두 번 분쇄하는 데 사용되지만, 재료 취급 속도를 높일 수 있습니다. 재료가 단단할수록 라벨의 크기가 작아집니다.
연마 워터젯을 사용하여 절삭 깊이를 제어하는 기계입니다. 적합한 부품에 대해서는 이 신생 공정이 매력적인 대안이 될 수 있습니다.
Sunlight-Tech Inc.에서는 GF Machining Solutions의 Microlution 레이저 마이크로 가공 및 마이크로 밀링 센터를 사용하여 허용 오차가 1마이크론 미만인 부품을 생산했습니다.
워터젯 절단은 소재 제조 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 이 글에서는 워터젯이 작업장에서 어떻게 활용되고 그 공정은 어떻게 되는지 살펴보겠습니다.
게시 시간: 2021년 9월 4일