Vodní paprsek s CNC řízením

Aby bylo možné ovládat vodní paprsek přesně a efektivně, je rozhodující použitý řídi-cí systém, což nám potvrdili i experti od firmy Eckelmann. I když většina CNC řídicích systémů může být použita univerzálně pro mnoho různých obráběcích a řezacích strojů, jejich skutečná kvalita a schopnosti pro technologii, jako je řezání vodním pa-prskem, se ukážou až při konkrétním použití. V tomto ohledu jsou CNC řídicí systémy firmy Eckelmann specialitou.

U zařízení pro řezání vodním paprskem je voda nejprve ve vysokotlakém čerpadle stlačována na 4 000 až 6 000 bar a pak vedena do pracovní řezací hlavy, ze které vystupuje tryskou (průměr 0,25 až 0,4 mm) zhotovenou z diamantu, rubínu nebo safíru. Výstupní rychlost paprsku je 1 000 m.s-1. Při řezání vodním paprskem s abrazivem jsou do vodního paprsku přidána ve směšovací komoře zrna brusiva, která se odsávají ze zásobníku.

Výhody zařízení jsou mnohostranné: na rozdíl od tepelných metod řezání, jako je plazma, autogen nebo laser, nezatěžuje řezání vodním paprskem materiál v okolí řezu tepelně téměř vůbec a chlazení místa řezání plyne z jeho podstaty. Opálení, zakalení, deformace, kapky řezaného materiálu nebo zbytky taveniny se u této tech-nologie nevyskytují. Ostatně téma chlazení nemůžeme opomenout ani u řezání vod-ním paprskem, protože enormní kinetická energie vodního paprsku je zachycována v lapači a přeměněna na teplo, a tak musejí být učiněna příslušná opatření, aby toto teplo neovlivnilo při dlouhých řezech nepříznivě výsledek řezání a nezapříčinilo deformaci obrobku.

Voda je při řezání vodním paprskem zrychlena na dvojnásobek rychlosti zvuku. Proto může být při řezání vodním paprskem poměrně hlučno, vzniklá hladina hluku je maximálně 120 dB. Hladina hluku je závislá na řezaném materiálu, může však být případně snížena při řezání obrobku upnutého pod vodou. Zařízením pro řezání vodním paprskem se dosahuje opakovatelné přesnosti řezání ±0,05 mm. Podle provedení zařízení je možné řezat také malé tvary o velikosti až 0,4 mm. Dodatečné následné opracování obrobku ve většině případů odpadá. Vodním paprskem lze tedy velmi přesně řezat i složité geometrické tvary a filigránské obrysy (obr. 4 a 5). Na speciálních strojích pro mikrořezání vodním paprskem je možné vyrobit součásti, které měří pouze několik milimetrů. Další velmi důležitou a nezanedbatelnou výhodou je to, že během procesu řezání nevznikají žádné jedovaté páry, prach nebo plyny, pro jejichž odstranění je vždy nutné použít speciální bezpečnostní opatření.

Konečně řezání čistou vodou se hodí i pro řezání potravin, jako jsou koláče, buchty, ryby, pizza, ovoce, pomfrity nebo hluboce zmražené potraviny. Výhodou je také to, že nedochází k žádnému tepelnému ovlivnění řezané potraviny a řezání je hygienic-ké. Voda sama totiž představuje hygienický řezný nástroj, neboť použitým vysokým tlakem je sterilizována.

Jak ukazují zkušenosti z praxe, je řídicí systém CNC E°EXC 66 od firmy Eckelmann (obr. 2) velmi vhodný pro řezání vodním paprskem, zejména pro svoji bohatou knihovnu programů. Eckelmann vytvořil pro své zákazníky mnoho aplikací pro strojí-renství a nabízí obsáhlé know-how.

Příkladem může být podnik STM, jeden z předních obchodníků nabízejících systémy řezaní vodním paprskem. Dva roky vybavuje STM část svých zařízení řídicím systémem od firmy Eckelmann (obr. 1), protože tyto vyhovují svojí rozsáhlou knihovnou funkcí pro použití při řezání obecně a pro řezání vodním paprskem zejména. Ke specialitám lze počítat různé metody nastavení výšky řezací hlavy a její automatické ří-zení (osa Z), automatickou kompenzaci chyb vzniklých při řezání metodou optimali-zování zpomalení nebo zrychlení při řezání rohů a křivek, vyrovnání chyb řezu v rozích, aby nevznikla řezná spára ve tvaru V, vyrovnáním šikmého řezu (předpo-kladem je sklopná nebo otočná řezací hlava), dále současné řezání ve 2D více pracovními hlavami, automatické řízení dávkování dodávání abraziva a tlaku vody. Fir-ma ke stroji dodává také technologické tabulky pro nastavení optimálních pracovních parametrů podle druhu řezaného materiálu, usnadňující volbu různých metod vytvoření začátku řezu (zapíchnutí paprsku do materiálu, tj. navrtání vodním paprskem), značení vodním paprskem, jakož i chod „na sucho“ pro testování programu obrábění a okamžité odhalení kolize.

Pomocí SPS/CNC je možné vestavět další nástroje, jako například vrtací vřeteno, nebo nástroje pro řezání (autogen, plazma), a tak vytvořit nový multifunkční stroj. U konstrukcí STM jsou rozhodujícími faktory funkčnost a hospodárnost, jakož i vysoký komfort obsluhy. Každé zařízení může být použito s čistou vodou, abrazivem nebo lze obě technologie kombinovat. To znamená, že všechny stroje lze použít pro řezání nejrůznějších materiálů, aniž by bylo nutné je přestavovat. Přitom je možné řezat ve 2D současně až se šesti pracovními hlavami (vícehlavé řezání).

Při řezání vodním paprskem je zvláště kritickým momentem začátek řezu, tj. prora-žení materiálu vodním paprskem (zapichování). Při náhlém působení tlaku se mate-riály chovají různě a může dojít k jejich poškození. CNC řídicí systém od firmy Ec-kelmann proto obsahuje různé metody zapichování a podle speciálně definovaných parametrů tlaku vody a množství abraziva je možné tento proces ovlivňovat. V technologických tabulkách je pro stanovení parametrů zapichování uvedena sa-mostatná část. Centrální CNC řídicí systém ovládá také technologii navrtávání samo-statným vrtacím vřetenem, které je většinou umístěno v zásobníku nástrojů u stroje. Při řezání v rohu je obvykle postupně v diskrétních bodech profilu snižována pracovní rychlost pohybu paprsku, až v konečném bodě rohu je krátce rychlost nulová, dříve než řezání pokračuje v dalším směru profilu. Speciální CNC řízení obsahuje metodu automatického zpomalení řezání v rohu, které zajišťuje, že rychlost řezání je plynule redukována podle definovaného zpomalování najíždění do rohu. Tak může být účinně odstraněno zhoršení kvality řezané hrany v rozích, ke kterému často dochází při řezání, když pohyb vodního paprsku není zpomalován. Pro kvalitu řezání tvarů s ostrými rohy nebo přechody je také rozhodující skutečná pracovní rychlost v rohu, která musí mít skutečně optimální hodnotu. Známe-li skutečnou pracovní rychlost, ovládáme pracovní proces. U CNC systému řízení je možné také zadat, aby se pracovní rychlost podél obrysu procentuálně snožovala z původní hodnoty, asi o 10 %. Tak je možné tvar přesně obrobit.

CNC řídicí systém firmy Eckelmann umožňuje uživatelům také provést simulaci navrženého programu, tvar výrobku je objížděn kvazi paprskem v reálných pracov-ních podmínkách, aniž by byly v činnosti vodní ventily a dávkování abraziva. Tak může obsluha pozorovat aktivně proces řezání a program zkoušet a opravovat.

Součásti také lze podle potřeby značit přímo CNC řídicím systémem (obr. 3), vytvářet stupnice, čísla sérií, barkódy nebo obrazce. Přitom vodní paprsek neprochází materi-álem, nýbrž vytváří na povrchu materiálu rýhy. Řízení snižuje automaticky množství dodávaného abraziva a tlak vody v závislosti na materiálu obrobku. Uvnitř CNC programů se mohou plynule měnit bez přerušení módy najíždění (zapichování paprsku), řezání a značení. Touto možností uživatel šetří pracovní operace a zvyšuje hospodárnost výroby.

Roland Simon

MM Das Industriemagazin č. 8, 2014

Zpracoval: - VŘ –

eva.buzkova@mmspektrum.com