ウォータージェット切断の総合ガイド

「CNC ウォーター ジェットに関して言えば、正確さと正確さを意味します。 2D および 3D の機能プロトタイプの作成に最適です。信頼性と再現性を提供し、少量から大量の部品まで短いサイクルで部品を生産します。」

流体力学工学において、ウォータージェット切断は、研磨性および高密度金属を切断するための経済的かつ迅速なアプローチにより、最大6.15%の大幅な成長を遂げています。従来、 ワイヤー放電加工、レーザー切断硬質材料の切断には、レーザー切断やプラズマ切断などの方法が用いられてきた。しかし、これらの方法は手間がかかり、時間も要し、加工可能な材料の種類も限られていた。 

そのため、ウォータージェット切断は、OEMメーカーが製品をより早く市場に投入し、顧客の要求を満たすことを可能にすることで、業界をリードしています。さらに、ウォータージェット切断は複雑な形状や3Dデザインにも対応でき、化学的性質に影響を与えることなく、多様な材料を切断できます。例えば、金属、エンジニアリンググレードの熱可塑性樹脂、ガラス、複合材料などが挙げられます。加えて、ウォータージェット切断は、一貫した品質と寸法安定性を備えた部品を提供することで、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、防衛産業の発展に貢献し、機能性と最適な性能の向上を実現します。 

この記事では、ウォーター ジェット切断プロセスの大きな可能性、その用途、長所と短所、切断能力などに焦点を当てます。

 

ウォータージェットとは何ですか?

ウォータージェット加工は、高強度材料を非接触で切断する侵食加工法です。熱を一切使用せず、高圧・超音速の液体ジェットに研磨剤を混合して噴射することで、所望の形状やデザインの製品を製造します。

ウォータージェット切断 

ウォーター ジェット マシンは、690 MPa (1000,000 Psi) の定格圧力で最適に動作します。この圧力は、音速の 900 倍である 0.1 m/秒の速度で特殊なチューブの穴またはノズルを通して噴射され、目的の仕様の部品に合わせて材料を切断します。ノズルの平均直径は通常 0.4 ～ XNUMX mm 程度です。小さな直径のノズルは、過剰な材料廃棄物を発生させることなく対象物を濃縮するのに役立ちます。このプロセスは、増圧器またはクランクシャフト ポンプ アセンブリを通じて実行されます。さらに、ウォータージェットは、金属合金、半軟質材料、プラスチック、セラミック、複合材料などのいくつかの材料に適用されます。 

ウォータージェット切断はどのように機能するのですか?

ウォータージェット切断加工

その ウォータージェット加工工程 通常は 2 次元ジオメトリに使用されます。ウォータージェット切断の仕組みを簡単に説明します。

• 技術的には、ウォーター ジェット切断プロセスは、ステンレス鋼製のオリフィスまたはノズルから噴射される超加圧ウォーター ジェット流を使用して機能します。通常、このプロセスではダイヤモンド、サファイア、またはルビーのオリフィスが使用され、速度が約 2500 マイル/h 近く増加します。 
• 高速の水流は、研磨チャンバー (通常、切断ヘッド アセンブリのオリフィスの下に配置されます) と組み合わされて、切断作業を加速します。一般的に研磨材としては、水流に沿って引いたガーネットサンドが使用されます。
• 最後に、この組み合わせにより、対象の素材に寸法的に安定した正確な輪郭を複製することができます。ウォータージェット切断の全プロセスは、変形や欠陥を排除するために特殊な CNC システム ソフトウェアによって制御されます。

 

ウォータージェット切断の種類

製造業界全体で、研磨材の切断には 2 つのタイプが使用されています。これらには以下が含まれます。 

• アブレシブウォータージェット切断
• 純水ジェット切断

アブレシブウォータージェット切断

アブレイシブウォータージェット切断は非熱プロセスです。これは、研磨材（通常はガーネット、グリット、または酸化アルミニウム）に水を加えて行われます。この組み合わせにより、より強力で目に見えない一貫した流れが推進力を生み出し、硬い積層材料を切断します。

通常、OEM 設計者は、低コストで入手しやすいガーネットを切断に使用します。 Garnet では 2 つの製品からお選びいただけます。砕石と沖積。この 2 つのうち、ガーネットは採石場から採掘されますが、漂砂ガーネットは川底で見つかる天然堆積物であり、ウォーター ジェット プロセスに役立つように選別されます。比較的安価で攻撃性が低く、粉砕ガーネットよりも機械加工が容易です。そのため、滑らかで細かいエッジが必要な場合に理想的な選択肢となります。

全体として、アブレシブウォータージェット切断 たとえば、高強度、厚く、張力のある材料に適用されます。セラミック、装飾石、岩石、金属、プラスチック。さらに、研磨切断プロセスを使用することにより、鋭い骨材のエッジを得ることができます。 

純水ジェット切断

純水ジェット切断は通常、高圧の純水流を利用します。この砥粒の自由ストリームは、ダイヤモンド オリフィスによって加圧されて約 0.1 mm の小さな直径を通過します。このオリフィスは、流れの速度を音速の約 3 倍近く増加させる傾向があります。この方法は特に柔らかい材料の切断に最適です。のような;ゴム、フォーム、ガスケット、食品、繊維。従来の方法、CNC プラズマ、レーザー切断とは異なり、純水切断は冷間切断技術とみなされ、プロセス中に熱が発生しません。

 

ウォータージェット切断プロセスの進歩?

今日のウォータージェット切断における CNC システムは、このプロセスに革命をもたらしました。この面では、2 つの優れた用途のテクノロジーが普及しつつあります。これらは;

• 5軸ウォータージェット切断
• テーパー補正

5軸ウォータージェット切断

ウォーター ジェットの進歩の 5 つは、多軸アプローチとしての 5 軸ウォーター ジェット切断です。以前は、XNUMX 軸機械は膨大なプログラミングと正確な仕様のため、非常に特殊な詳細部品や製品に使用されていました。したがって、ウォータージェット切断は高価なアプローチであると考えられていました。 

しかし、この時代では、CAM から 3D モデルを正確に取得し、それを正確な機能コンポーネントに迅速に切り出すことで評価されています。これらの機械は主にゴム、繊維、合金などの軟質材料に使用されます。さらに、5 軸加工機は部品の切断に付加価値のある機械加工を追加することでプロセスを自動化します。したがって、手作業の必要性が大幅に軽減されます。

テーパー補正

テーパー補正は、精密かつ正確な切断寸法を実現するために開発されたもう一つの技術です。材料表面にテーパーが発生するリスクを排除することで、厚い材料でも均一な切断形状を実現できるため、広く普及しています。テーパーが発生する原因は、高速な切断速度とウォータージェット流の自然な拡散です。テーパーの発生を解消するために、通常3つのアプローチが用いられます。まず、ジオメトリ補正では、初期のCAD設計を調整・修正します。次に、動的テーパー補正です。加工者は、対象材料の周囲を移動する切断ヘッドの位置を調整します。さらに、切断経路をオフセットすることで、設計者はテーパーの発生を最小限に抑えることができます。加えて、テーパー補正は、0.005インチまでの最適な公差を実現する上で非常に有効です。

 

レーザー切断 vs.ウォータージェット切断: 主な違い

レーザー切断とウォータージェット切断は両方とも、いくつかの産業用途に広く適用できます。これらは、広範囲の高強度材料を正確に貫通するために使用されます。以下の表に記載されている技術的な違いをいくつか示します。 

表： レーザーとレーザーの比較分析ウォータージェット切断

側面	レーザー切断	ウォータージェット切断
切削アプローチ	高出力レーザービームを利用して材料を削り出します	水と研磨剤を組み合わせて部品を切断し、形状を整えます。
速度	通常は毎分70インチの切断が可能	通常、毎分 20 インチのペースで切断します。
熱影響部	熱の影響を受けるゾーンが発生します	熱影響部を生じません
カット精度	一般的には0.15mm	通常、0.5 mm
素材の厚さ	30 mm – 40 mmはレーザー出力に依存します	通常250～300mm
音や騒音	75 dB	通常、音の周波数は 90 dB
材料の互換性	金属、プラスチック、複合材料、ガラス	金属、セラミックス、研磨材、強化ガラスを除くガラス、ダイヤモンド

関連： 純粋なウォータージェット切断と研磨材入りウォータージェット切断

ウォータージェット切断のメリット

その ウォータージェット切断の利点 これらの機械は、さまざまな製造業分野で広く普及しています。高い再現性と精度で知られています。従来の技術と異なる最も一般的な利点には、次のようなものがあります。

• ウォータージェット切断技術を用いれば、ほぼあらゆる素材を思い通りの形状に切断することができる。
• プロセス中に廃棄物を発生させずに、高品質のエッジを生成します。
• ウォータージェット切断は、加工中に熱影響部が発生しない低温切断技術です。
• 材料の厚さに制限がないため、従来の方法よりも優れている。例えば、100フィート（約30メートル）の板材でも、ウォータージェット切断によって精密に切断することができる。
• 多軸加工による材料の穿孔を可能にする。一般的な例としては、5軸加工機が挙げられる。さらに、工具や追加のカッターは不要である。
• 主な利点の1つは、追加加工を必要とせずに高品質の部品を生産できることである。
• 標準的なウォータージェット切断機は、0.005インチという高い精度を実現できます。さらに、ウォータージェット切断プロセスを用いることで、3D形状の加工も容易になります。
• さらに、切断工程全体を通して使用される水がリサイクル可能であるため、環境的に持続可能なプロセスである。

 

ウォータージェット切断の限界

それに加えて、切断プロジェクトを開始する場合にはいくつかの欠点があります。これらには以下が含まれます。

• 特定のリスク。たとえば、オリフィスの損傷、テーパー (V 字型、逆テーパー、バレル テーパー)、切り溝の幅が狭いことによるボイドの形成などです。したがって、経験則によれば、カーフ サイズはウォーター ジェットの 11.25 倍でなければなりません。 
• ウォーター ジェット流により、穴が開いた部品に圧痕や層間剥離の問題が発生する可能性があります。
• 切断に使用される研磨材により、プロセスに追加のコストがかかる可能性があります。ただし、主に、材料の種類、部品の仕様、使用用途によって異なります。
• 正確な仕様の部品を得るには、多くの場合、穴の内側の半径をウォータージェットの 2 倍に保つことが推奨されます。そうしないと、材料にブラインドや不均一な切断が発生します。
• 研磨剤を過剰に使用すると、装置の磨耗や破損につながる可能性があり、プロセスに追加のコストがかかる可能性があります。
• ウォータージェット切断のセットアップには、より高い初期投資がかかります。

 

ウォータージェット切断の産業用途

ウォーター ジェット加工の用途は、さまざまな業界に広がっています。この技術の主な消費者には、航空宇宙、自動車、繊維、家庭用電化製品、および工業製造部門が含まれます。 

航空宇宙産業

航空力学産業では、主に航空機エンジンの内部および外部部品の成形にウォーター ジェット切断が使用されています。通常、これらの部品は製品の機能と可動性のために、正確かつ正確な切断を必要とします。したがって、 航空宇宙におけるウォータージェット切断 製品の切断や成形に重要な役割を果たします。含む;ジェットエンジン、タービンブレード、客室内パネル、着陸装置の部品。

自動車産業

この魅力的な技術は、複数の自動車部品の作成に使用されています。設計メーカーは、自動ウォーター ジェット カッターを使用して、さまざまな自動車部品に必要な切り込みを入れます。いくつかの例としては次のようなものがあります。ヘッドライナー、バンパー、銅製ヘッドガスケット、カスタム排気システム用フランジ、自動車用装飾ブラケット。 

建築産業

石材研磨ウォータージェット切断

ウォータージェット切断技術は、美術および建築業界で非常に人気があります。ウォーター ジェット カッターを使用すると、さまざまな壁画、大理石、石を正確に穴を開けてアート作品にすることができます。さらに、設計エンジニアはこれを金属アートワークなどに使用できます。美術館の芸術作品、アウトドア、テーマパーク、そして素晴らしい稲妻。 

エレクトロニクス産業

ウォータージェット切断は、電子部品の生産コストを削減することでメーカーに利益をもたらします。これらの部品は熱作用に非常に敏感です。したがって、ウォーター ジェット カッターは、たとえば部品を作成するためのソリューションとして機能します。実装済みの回路基板、発電機コンポーネント、エレベーター制御パネル、エレベーターのプロファイル切断など。さらに、次のような高品質の保護電子デバイスの作成にも役立ちます。 防水エンクロージャ アウトドア用。 

医療および外科産業

超小型の医療ツールは、安定した機能を実現するために微細な形状を必要とします。このように、ウォータージェット切断は、角度があり、精度が要求される部品を作成するのに非常に役立ちます。このウォータージェット切断プロセスを通じて形成されるコンポーネントをいくつか紹介します。義肢の形状、彫刻カーボンブレース、整形外科用器具、外科用部品、肝臓切除術。 

ガラス産業

ガラス業界はウォータージェット切断技術の主なユーザーです。ステンドガラス、石英ガラス、最適ガラス、ホウケイ酸ガラス、溶融シリカガラス、平板ガラスからさまざまな複雑な部品を成形することで、追加の処理を必要とせずに短期間で生産性とエッジ品質を向上させます。 

関連： ウォータージェット切断技術を活用する業界トップ 5

 

あなたのプロジェクトにはウォータージェット切断の方が適していますか?

プロセスの互換性はさまざまな要因に依存します。例えば;部品の仕様、幾何学的複雑さ、厚さ、導電​​性、耐食性、耐久性などの材料特性を考慮して、指定されたプロジェクトの形状に合わせて切断します。 

ウォータージェット切断応用例 

一般に、標準的なウォーター ジェット加工では、表面特性に影響を与えることなく、複数の材料をスライスできます。さらに、この利用により、熱影響部が全くないか、または少なくなり、きめが細かく滑らかな仕上がりが得られます。レーザーやプラズマ切断とは異なり、有害なガスは発生しません。 

さらに、ウォータージェットカッターの各カットはCNCシステムによって制御されます。Gコードに従って輪郭を正確に作成します。ただし、反りやテーピングのリスクがあります。したがって、適切な選択をするためには、経験豊富な製造専門家に相談することをお勧めします。彼らの指導により、部品の要件、材料の種類、および ウォータージェット切断のコスト。 それでもまだ不安な場合は、こちらのガイドをご覧ください。 ウォータージェット切断加工はいつ使用すべきか？ より実践的な洞察については、こちらをご覧ください。

 

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まとめ

ウォータージェット加工 製造業における最速の技術となっています。高い再現性と寸法精度を短期間で実現します。農業、医療、ガラス、航空宇宙、自動車などの多くの製造業界は、経済的で環境に優しいという観点からこれを利用しています。 

ただし、ウォータージェット切断プロセスは非常に重要であり、切断部品に跡がついたり、プロセス中に反りの問題が発生したりする場合があるため、正確な仕様を取得するには特定の考慮事項が必要です。したがって、プロセスパラメータと高圧流の正確な制御を維持する必要があります。さらに、他にも多くのオプションがあります。たとえば、レーザーやプラズマ切断などです。これらの手法は、精度が要求されるプロジェクトでもよく知られています。したがって、適切な選択をするには、その機能と制限についての基本的な知識を取得する必要があります。この記事には、幅広い観点からウォーター ジェット切断に関する重要な詳細がすべて含まれています。これを読むことで、ユーザーはプロセス能力やその他の側面について貴重な洞察を得ることができます。  

 

よくある質問

Q1.ウォータージェット切断機の価格はいくらですか?

コスト要因は、マシンのブランドと機能によって異なります。標準的なウォータージェット切断機の価格は約 $ 60,000-450,000

Q2.ウォータージェット切断の代替プロセスはありますか?

ウォータージェット切断の代わりに使用できる他のプロセスもあります。これらには次のものが含まれます。

• ワイヤー放電加工機
• プラズマ切断
• 酸素燃料の切断
• レーザー切断

Q3.ウォータージェット切断で穴を開けることができる金属の合金はどれですか?

さまざまなグレードの合金をウォーター ジェット カッターで成形できます。アルミニウム合金: 5052、6061、7075。銅: 260、および C110。ステンレス鋼 304、316、およびアセトールは、ウォーター ジェット切断に適した材料と考えられています。 

Q4.ウォータージェット切断でよくある問題は何ですか?

メーカーは、反り、層間剥離、テーパーカット、ウォータージェットの品質、研磨剤、ノズルの摩耗など、さまざまな問題に遭遇する可能性があります。

Q5.ウォータージェットにはどの程度研磨剤が添加されていますか?

一般に、ホッパーに保管されている研磨材 (通常はガーネット) の容量は約 2 ml です。 XNUMXトン。研磨材の自動制御された量の充填は、ウォーター ジェット機の上部にある計量ホッパーを通じて行われます。その結果、ウォーター ジェット流が混合研磨チャンバーを通過し、ベンチュリ効果が生じます。この効果により、研磨材が水流に付着するように引っ張られます。次に、この混合物をフォーカスノズルに導き、ウォータージェット切断作業を実行します。

 

資料

1. プレドラッグ・ヤンコビッチ（2019） 土木工学におけるアブレイシブウォータージェット技術の応用;取得元: Science Direct.
2. アンドリュー・J・ジェファーソン ホム・ナス・ダカル、 (2018)、アブレシブウォータージェット切断: 取得元: Science Direct。