Diccionario del chorro de agua

El abrasivo se utiliza en el 99 % de todas las máquinas de chorro de agua por su capacidad de corte, consistencia y coste, además de por sus propiedades inertes. El tamaño del abrasivo utilizado típicamente en la actualidad para el corte con chorro de agua va del grano 50 al grano 220, siendo el más común el de grano 80. Cuanto mayor es el número de grano, más fino es el abrasivo. El tamaño de grano 320 tiene la consistencia del polvo.

Más del 20 % de los sistemas de chorro de agua instalados en todo el mundo utilizan bombas rotativas de accionamiento directo. A diferencia de las bombas intensificadoras, la bomba rotativa de accionamiento directo no presenta ninguna bomba hidráulica. En estas bombas, conocidas también como bombas triples, el motor eléctrico hace girar un cigüeñal conectado a tres pistones para generar la ultra-alta presión de agua.

La bomba lineal intensificadora es la tecnología original, y la más común, utilizada en el corte por chorro de agua. Las bombas intensificadoras utilizan el “principio de intensificación” para presurizar el agua.

El “principio de intensificación”, o ratio, utiliza la diferencia de área entre un disco y un émbolo para intensificar –es decir, aumentar– la presión. El aceite hidráulico esta presurizado y, en la parte de baja presión, presiona un disco con una superficie frontal 20 veces mayor que el frente del émbolo de alta presión que presiona contra el agua. Así, la presión se “intensifica” veinte veces. P. ej., 205 bar de presión del aceite generan 4100 bar de presión en el agua, debido a la ratio de 20:1 entre el área del disco y el área del émbolo.

El cabezal de corte del chorro de agua es donde la presión acelera el flujo de agua, al pasar esta a través de un pequeño orificio.  

En el corte con chorro de agua con abrasivo, el cabezal de corte también dispone de una cámara y un tubo de mezcla.  En ocasiones el cabezal también contiene la válvula de corte.  Esta válvula se encuentra inmediatamente sobre el orificio y permite el inicio y el corte del flujo de agua.

La precisión de la pieza terminada es una combinación de errores del proceso (el chorro de agua) + errores de la máquina (velocidad XY, suavidad y exactitud de trayectoria) + estabilidad de la pieza de trabajo (aparejamiento, planicidad, homogeneidad, estabilidad a la temperatura).

El haz del chorro de agua no es rígido, pero puede curvarse y moverse dentro del material.  Los parámetros del flujo de agua y la ausencia de rigidez pueden afectar a la exactitud de las piezas e influyen en el retraso del chorro, conicidad en forma de V, caudal de abrasivo, etc. Controlar estas características ha sido la preocupación principal de los proveedores de sistemas de chorro de agua durante muchos años.

Dynamic Waterjet® compensa automáticamente el retraso del chorro y la conicidad, permitiendo un corte de 2 a 4 veces más rápido y tolerancias de entre 1 y 3 centésimas de milímetro en las piezas terminadas.

El corte por chorro de agua pura es el método original de corte por agua. Las primeras aplicaciones comerciales se desarrollaron entre principios y mediados de la década de 1970, con el corte de cartón ondulado. Los mayores usos del corte por chorro de agua pura son los pañales desechables, el papel tisú y los interiores de automóviles. En los casos del papel tisú y de los pañales desechables, el proceso de chorro de agua genera menor humedad en el material que la causada al tocarlo o respirar sobre él.

El chorro de agua pura también puede usarse para eliminar recubrimientos, por ejemplo, la pintura de los barcos. Si le interesa conocer mejor estas aplicaciones, haga clic aquí.

Atributos del chorro de agua pura

• Chorro muy delgado (el intervalo habitual es de 0,07 a 0,25 mm)
• Geometría sumamente detallada
• Muy poca pérdida de material debida al corte
• Corte no térmico
• Corte de materiales muy gruesos
• Corte de materiales muy finos
• Por lo general corta muy rápidamente
• Puede cortar materiales blandos y ligeros
• (por ej., aislamiento de fibra de vidrio de hasta 60 cm de grosor)
• Fuerzas de corte sumamente bajas
• Aparejamiento sencillo
• Operación las 24 horas del día

Las conducciones de alta presión transportan de forma segura el agua desde la bomba, donde se genera la presión, hasta el cabezal de corte. Las conducciones constan de tubería de acero inoxidable relativamente flexible, tés, codos y rótulas. Las conducciones HyperPressure™ presentan un diseño y unos valores nominales distintos de las conducciones de ultra-alta presión convencionales.

Los sistemas de corte longitudinal con chorro de agua cortan productos de papel de forma rápida y eficiente. Las plantas que utilizan sistemas de corte longitudinal por chorro de agua aprovechan la rentabilidad y ahorro de costes que este método proporciona. Los chorros de agua no producen polvo en suspensión en el aire. El corte libre de polvo mejorará sus condiciones de trabajo y de seguridad y producirá un producto de mayor calidad. En muchas aplicaciones de papel tisú y toallitas de papel, el corte por chorro de agua elimina el rebobinado, de modo que usted puede ahorrar en inversión de capital realizando corte en línea.  El sistema de corte longitudinal por chorro de agua se puede instalar directamente en la máquina, cumpliendo el borde todos los requisitos para las operaciones de conversión. 

La tecnología de corte por chorro de agua se configura y maneja con gran facilidad y es un proceso de corte en frío que puede producir rápidamente lotes de piezas pequeños o grandes, incluso en proyectos difíciles. El corte por chorro de agua es un proceso de erosión supersónica.  El chorro de agua pura corta materiales que pueden cortarse con un cuchillo, mientras que el chorro de agua con abrasivo es capaz de cortar prácticamente cualquier material.

El flujo de agua con abrasivo (en ocasiones llamado el chorro abrasivo) acelera las partículas abrasivas, y son esas partículas las que erosionan el material, no el agua. El chorro de agua con abrasivo es mucho más potente que el chorro de agua pura y es capaz de cortar materiales duros, tales como metales, vidrio, piedra y materiales compuestos, que no pueden ser cortados con un chorro de agua pura. Los chorros de agua con abrasivo que utilizan parámetros estándar pueden cortar materiales hasta una dureza igual o ligeramente superior a la cerámica de óxido de aluminio (a menudo denominada alúmina, AD 99,9). 
 

Atributos del chorro de agua con abrasivo

• Proceso sumamente versátil
• Sin zonas de afectación térmica
• Sin esfuerzos mecánicos
• Fácil de programar
• Chorro delgado (de 0,5 a 1,3 mm de diámetro)
• Geometría sumamente detallada
• Corte de material fino
• Corte de grosores de más de 30 cm
• Corte apilado
• Poca pérdida de material debida al corte
• Fácil de aparejar
• Reducidas fuerzas de corte (menos de 4,5 N durante el corte)
• Una misma configuración de chorro para casi todos los trabajos de chorro abrasivo
• Sencillo paso de un solo cabezal a varios cabezales
• Cambio rápido de chorro de agua pura a chorro de agua con abrasivo
• Reducción de las operaciones secundarias
• Poca o ninguna rebaba

En el corte por chorro de agua, la densidad de potencia de corte se refiere a la cantidad de energía que es posible aplicar a un área determinada. Un chorro más pequeño a una presión mayor supone que el chorro se mueve a una velocidad mayor y que también presenta una densidad de potencia mayor que un chorro más grueso a una presión/velocidad menor.  

Dynamic Waterjet® es una tecnología patentada de Flow que mejora de 2 a 4 veces la velocidad de corte, mejorando considerablemente las tolerancias de acabado de las piezas.

En el corte por chorro de agua, el chorro crea dos errores a la hora de cortar una pieza alta velocidad:  el retraso del chorro y la conicidad. El retraso del chorro se produce en el punto en el que el chorro sale de la pieza, debajo del punto de entrada. La conicidad tiene forma de V. Tanto el retraso del chorro como la conicidad pueden minimizarse reduciendo la velocidad del corte (normalmente del 15 al 20% de la velocidad máxima), pero no es posible eliminarlos.

Para permitir un corte de alta velocidad, Dynamic Waterjet inclina el cabezal hacia un lado, de modo que toda la conicidad quede en el lado del material residual e inclina levemente el cabezal hacia delante para compensar el retraso del chorro. Esta compensación de la conicidad y el retraso del chorro se realizan automáticamente, sin necesidad de realizar ajustes por parte del operador. El operador o programador no necesita programar estos ángulos: el sistema de control lo hace por sí solo.  El ángulo incluso cambia automáticamente con la velocidad de corte, para permitir la creación de esquinas y arcos de alta precisión cuando el cabezal de corte maniobra por estos elementos.

El vacío creado por un fluido o medio a alta velocidad que pasa de un área tubular mayor a un área tubular más pequeña. En el caso del corte con chorro de agua con abrasivo, el efecto Venturi se crea cuando el chorro de agua pura atraviesa la cámara de mezcla, más ancha, y entra en el tubo de mezcla, más estrecho.

El abrasivo se ve arrastrado por un efecto Venturi hacia el interior de la cámara de mezcla y se acelera como una bala disparada por un rifle o como los perdigones de una escopeta al salir del tubo de mezcla, creándose así el chorro de agua con abrasivo.

HyperPressure™ describe una bomba de chorro de agua capaz de producir 5200 bar o más. La ultra-alta presión se entiende normalmente como una presión de 2750 a 5200 bar, e HyperPressure como 5200 bar y más. En general, los sistemas de corte por chorro de agua de presión estándar funcionan a presiones de entre 3800 y 4100 bar de ultra-alta presión; los sistemas más avanzados trabajan con bombas con capacidad nominal para 6500 bar.

Se denomina incisión a la anchura del corte, la ranura o la hendidura creadas por el corte. En el corte con chorro de agua con abrasivo, la anchura de la incisión depende directamente del diámetro del tubo de mezcla. La incisión es aproximadamente un 10 % mayor que el diámetro del tubo de mezcla.

Por tanto, con un tubo de mezcla de 0,76 mm, la incisión será de 0,84 mm. Naturalmente, la incisión es más grande cuanto más se ensanche el tubo de mezcla. El tubo se ensancha aproximadamente 0,025 mm por cada ocho horas de uso.

La anchura de corte reducida del chorro de agua es un importante atributo que permite realizar detalles intrincados. El chorro de agua pura va desde los 0,07 hasta los 0,38 mm y el chorro de agua con abrasivo va de los 0,38 a los 1,8 mm (típicamente 1 mm).

CFRP es la sigla en inglés del plástico reforzado con fibra de carbono. Los compuestos de fibra de carbono se utilizan en las raquetas de tenis, palos de golf, prótesis y aeronaves modernas. Para esta definición utilizaremos el ejemplo de una aeronave comercial. Alas, largueros, montantes, secciones de cola de materiales compuestos de Boeing y Airbus como material superior al aluminio. El corte de materiales compuestos mediante procesos tradicionales de eliminación de viruta o ranurado puede provocar deslaminado, microfisuras, formación de filamentos y arrastre de fibras. El corte con chorro de agua no se ve aquejado por estos problemas.

Los materiales compuestos ligeros de hoy pueden ser tan duros y rígidos como el acero, o tan flexibles como el caucho, y aun así soportar las tensiones de los vuelos supersónicos. Las mismas propiedades que hacen que estos materiales sean tan resistentes también los hacen sumamente difíciles de cortar. Los expertos en tecnología de materiales compuestos continúan presentando nuevas combinaciones de materiales que desafían las capacidades de los métodos de mecanizado tradicionales.

Hasta hace poco tiempo se utilizaban métodos de corte convencionales, fresadoras o ranuradoras con punta de diamante o carburo, sierras de banda, sierras de corte y ruedas abrasivas para cortar estos materiales no convencionales. Debido a la composición y orientación de las fibras de los materiales compuestos avanzados, los métodos de corte convencionales los dañaban, ya sea sobrecalentándolos o dejando contornos deshilachados o deslaminados.  Por otra parte, estos métodos eran lentos y tendían a provocar deslaminado y otros problemas que requerían de un costoso reprocesado posterior.

Los materiales compuestos adquieren muchas formas. Los motores que trabajan a altas temperaturas utilizan metales reforzados con fibras cerámicas (compuestos de matriz metálica). Es frecuente que los ingenieros busquen reducir el peso a la vez que aumentan la resistencia, la flexibilidad o la resistencia a la temperatura. Estos materiales dan más de un quebradero de cabeza a los talleres de producción, pero es posible cortarlos con velocidad, precisión e integridad gracias a la maquinaria de Flow.

En un sistema de movimiento, los motores de accionamiento reciben una corriente positiva/negativa de los amplificadores de accionamiento del CNC, para aplicar una rotación en el sentido de las agujas del reloj o el sentido contrario. Esta rotación es la que mueve la máquina.

Para crear un chorro de agua pura, la presión del agua debe convertirse en velocidad. Esta conversión tiene lugar cuando el agua atraviesa un minúsculo orificio de piedra preciosa. El orificio realizado en zafiro, rubí o diamante tiene un diámetro de entre 0,075 y 0,5 mm (siendo el más común el de 0,35 mm). Cuanto mayor es el orificio, más agua y más potencia se requieren para mantener la presión.

El tamaño del orificio no dicta la presión máxima del agua, que dependen únicamente de la potencia y el diseño de la bomba. 

La fractura o desgaste del orificio de un chorro de agua puede deberse a dos causas principales. En primer lugar, puede acumularse calcio en el orificio, rompiéndose a continuación y provocando una avería instantánea del orificio. En segundo lugar, el borde del edificio puede redondearse o romperse por el impacto de las partículas. El orificio suele estar en buen o mal estado; la degradación gradual es poco común. Un orificio de zafiro o rubí puede durar de 40 a 200 horas, en función de la aplicación y la presión y con agua de buena calidad. El diamante puede ser de 8 a 10 veces más caro, pero dura también de 8 a 10 veces más.

La parada de emergencia es una característica que permite al operador detener la máquina-herramienta y ponerla en cualquier momento en un modo seguro y sin riesgos. Los pulsadores de parada de emergencia son siempre de color rojo y claramente visibles. En el chorro de agua, la parada de emergencia detiene el proceso de corte y el movimiento y, si así se ha previsto, también apaga la bomba y despresuriza las líneas de alta presión.

En un sistema de movimiento, el sistema de control recibe el programa de la pieza, las velocidades y las órdenes de activación y desactivación del chorro y lo traduce en un código que el sistema eléctrico interpreta. Lo habitual es utilizar un sistema de control CNC (control numérico computarizado), un sistema de control basado en PC o un híbrido de ambos.  

En otras palabras: cuando un ingeniero o diseñador desea cortar un cuadrado con un chorro de agua, puede diseñarlo en un programa de CAD (diseño asistido por computadora), por ejemplo, AutoCAD®. A continuación, un programador (puede ser la misma persona) recibe ese dibujo del cuadrado en un archivo .dxf o .dwg y lo introduce en un paquete de software de CAM (fabricación asistida por computadora).  

Aquí el programador añade los puntos de arranque y parada del chorro de agua, la dirección del desplazamiento, la compensación de la herramienta de corte y las velocidades de desplazamiento que se requieran. A continuación, este archivo se envía al sistema de control, donde el operador (también puede tratarse de la misma persona) abre el archivo en un sistema de control de máquinas-herramienta, sitúa el cabezal de corte en la posición inicial sobre el material procesado y pulsa el inicio del ciclo para cortar la pieza.

Ahora el sistema de control convierte el archivo de corte en una corriente eléctrica que va desde los accionamientos del sistema de control hasta los motores de la máquina-herramienta para realizar los movimientos de la máquina.  El sistema de control también activa salidas digitales para abrir y cortar automáticamente el agua y el abrasivo.  

En un sistema de movimiento, este sistema proporciona retroalimentación posicional y de velocidad al sistema de control CNC. De este modo, el control sabe si la máquina ha realizado aquello que se le ha ordenado.

Cuanto mayor sea la resolución de los accionamientos, los motores y la retroalimentación, más preciso es el movimiento del cabezal de corte del chorro de agua. Como sistemas de retroalimentación pueden utilizarse codificadores conectados a los motores, escalas de cinta o de vidrio sujetas al bastidor de la máquina en la dirección del movimiento, u otros medios.

El software de programación también se conoce como software de CAM (fabricación asistida por computadora). El software de programación se ejecuta normalmente en un PC, aunque también podría hacerse directamente sobre la máquina. Un programador importa un plano de CAD creado anteriormente en forma de un archivo .dxf o .dwg (u otro formato) o crea el patrón desde cero en el paquete de software de CAM.

El programador utiliza el software de programación del chorro de agua para añadir puntos de arranque y parada del chorro de agua, la dirección del desplazamiento, la compensación de la herramienta de corte y las velocidades de desplazamiento que se requieran. A continuación, el archivo se envía al sistema de control, que lo ejecuta para cortar la pieza.

Los valores de grano no representan partículas de una dimensión exacta, sino una distribución de tamaños de las partículas. El abrasivo de grano 80 contendrá cierto número de partículas mayores y menores que el grano 80. Los tamaños de grano se suelen determinar pasando el material abrasivo a través de una serie de tamices –, cada uno de un tamaño de grano más pequeño y colocados uno sobre otro en orden descendente de tamaño de la malla. Los tamaños típicos de malla utilizados en el corte por chorro de agua con abrasivo son del 220 al 50, siendo los más comunes los de 80 y 120. Cuando mayor sea el número del grano, menor será el tamaño de la partícula.

El tubo de mezcla se utiliza en el corte por chorro de agua con abrasivo y es el componente final del cabezal de corte. La presión del agua se convierte en velocidad del agua, al pasar esta a través del orificio de piedra preciosa.

A continuación, el flujo de agua supersónico entra en la cámara de mezcla, donde el abrasivo se ve arrastrado hacia el interior del cabezal por un efecto Venturi. Desde ahí, el agua y el abrasivo pasan a través del tubo de mezcla y salen como una mezcla de agua, abrasivo y algo de aire.

El tubo de mezcla puede tener un diámetro interior de entre 0,38 y 1,8 mm y una longitud de entre 38 y 152 mm. Cuenta con un cono de entrada interior. El tubo de mezcla más común tiene un diámetro interior de 1 mm y una longitud de 10 cm. Este tubo utilizaría típicamente abrasivo de grano 80. Durante el corte, un tubo de mezcla de un material de alta calidad (carburo compuesto de grano nanométrico de alta resistencia a la erosión) se desgasta hasta ensancharse aproximadamente 0,025 mm por cada 6 u 8 horas de tiempo de funcionamiento.

El sector del chorro de agua aplica distintas definiciones para las diferencias en los niveles de presión. La ultra-alta presión se encuentra entre los 2750 bar (276 MPa) y los 5170 bar (517 MPa). En el corte por chorro de agua, la mayoría de las bombas operan a presiones de entre 3790 y 4120 bar (379-412 MPa).

Las válvulas de retención se encuentran en las bombas del chorro de agua. Son puertas de un solo sentido que permiten que algo, en este caso el agua, pase solo en un sentido.

Por ejemplo, el agua a baja presión entra a través de una tubuladura a baja presión y accede a la bomba a la espera de presurización. Una vez presurizada, el agua no puede salir por la válvula de retención de baja presión, ya que reventaría inmediatamente la tubuladura de baja presión. En cambio, se abre otra válvula de retención para permitir que el agua a alta presión salga de forma segura por las líneas de acero inoxidable de alta presión, de camino al cabezal de corte.

En el corte por chorro de agua, a medida que aumenta la presión, aumenta la velocidad del flujo de agua.

Cuando el chorro sale del orificio, todo es cuestión de velocidad. Una vez que el chorro sale por el orificio, no presenta presión.

En el corte con chorro de agua con abrasivo, cuanto más rápido se mueva el abrasivo, más rápido es el corte, menor es el diámetro del flujo y menos abrasivo se requiere. 

Al cortar con una máquina de chorro de agua cuyo cabezal de corte se mueve de forma suave y precisa, se consigue un borde liso. Tan pronto como la velocidad de corte sobrepasa aproximadamente el 50 % de la velocidad máxima, suele aparecer cierta ondulación en la parte inferior de la superficie cortada. Estas se conocen como estriaciones. La zona de transición es la profundidad a la que un corte liso tiende a estriarse. Con un 70 % de la velocidad máxima de corte, la zona de transición se sitúa a mayor altura de la superficie de corte que con un 60 %.