A. F. Vyhmeister et al. Síntesis Tecnológica. N° 1 (2004) 36-38
DOI:10.4206/sint.tecnol.2004.n1-06

CORTE MEDIANTE CHORRO DE AGUA - ABRASIVO

ALEX FABIÁN VHYMEISTER FRANCO
MISAEL FUENTES PAREDES

Universidad Austral de Chile, Ingeniero Mecánico, alexv@surnet.cl, Ancud #423- Valdivia.
Universidad Austral de Chile, Ingeniero Mecánico, mfuentes@uach.cl, Casilla 567- Valdivia.

Resumen

Los principales métodos de corte de planchas de acero, son los denominados “térmicos”, como por ejemplo, el Oxicorte y el Plasma. Sin embargo, estos métodos presentan una serie de inconvenientes como: gran formación de escoria, formación de gases peligrosos, radiaciones UV, entre otros, manifestándose con mayor intensidad en materiales con poco espesor.

Un método que no provoca muchos de los problemas, es el corte “Chorro de Agua-Abrasivo” o “Abrasive Waterjet Cutting”. Éste método de muy poca difusión en nuestro país, consiste en un delgado pero potente chorro de agua combinado con una parte de un resistente abrasivo, el cual impacta el material a altísima velocidad, provocando un fenómeno de micro-erosión y de esta forma se logra el corte.

Abstract

The main methods of steel plate cutting, they are denominated “thermal”, like for example, the Oxy-fuel and Plasma. Nevertheless, these methods present a series of disadvantages like: great formation of dreg, dangerous gas formation, radiations UV, among others, pronouncing itself with greater intensity in materials with little thickness.

A method that does not cause many of the problems is the “Abrasive Waterjet Cutting” or “Chorro de Agua-Abrasivo”. This method of very little diffusion in our country consists of a thin but powerful waterjet combined with a part of a resistant abrasive, which hits the material at highest speed, causing a phenomenon of micro-erosion and this form is obtained the cut.

Keywords: abrasive, WaterCutting, Crank Drive Pump, Intensifier, Nozzle, Waterjet Systems.

1. INTRODUCCIÓN

En general, este método trabaja forzando un cierto caudal de agua altamente presurizado a través de un orificio de un diámetro muy pequeño (tobera), formando de esta forma un delgado chorro de altísima velocidad. Este chorro impacta el material con una gran fuerza en un área muy reducida, lo que provoca pequeñas grietas que con la persistencia del impacto del chorro “erosiona” el material, por lo que se habla de “micro-erosión”.

Existen dos sistemas que emplean el principio antes descrito, el que emplea sólo agua y que es empleado para cortar todo tipo de materiales blandos, como por ejemplo: madera, alimentos, plásticos, etc. Y el otro sistema de similares características pero que sólo difiere en el ingreso de un abrasivo al chorro, para permitir el corte de materiales duros como: aceros, titanio, aleaciones, etc.

Fig. 1. Inyector agua - abrasivo [2].

Algunas de las principales ventajas de este método por sobre los métodos convencionales son: corte frío (no existe calor que pueda afectar al material), es multi-direccional (puede cortar en cualquier dirección), perfora la mayoría de los materiales en el corte (sin necesidad de hacerlo previamente), no existe agrietamiento, ambientalmente amistosos (no existen: gases peligrosos, humos, radiaciones UV), ahorro de material por ancho de corte reducido.

Las principales desventajas de este método, radican en que en algunos casos de materiales de grandes espesores y de gran dureza, el tiempo requerido para ser cortado puede ser muy largo y elevar en gran medida sus costos. Además en grandes espesores la forma vertical “ideal” del corte tiende a distorsionarse, incrementado en ocasiones por una incorrecta velocidad de corte. [2]

2. EL MÉTODO

Los investigadores de está materia, se han basado en las leyes fundamentales de la física y la mecánica de los fluidos para interpretar los fenómenos que aquí ocurren. Por ejemplo, el chorro impacta el material con una cierta energía cinética E_a y abandona el material con una energía E_ex., la cual debe ser menor que la inicial para que se produzca el corte. La diferencia de estas dos energías es la energía disipada E_dis., producto del impacto, la fricción, etc., en el corte.

E_dis = E_a - E_ex      (1)

La energía cinética depende directamente de los flujos másicos de agua y abrasivo, así como también de la velocidad del chorro agua-abrasivo que depende de la presión de agua generada por la bomba y de la eficiencia del inyector.

Para que se logre el corte, los investigadores han podido comprobar, que existe una presión límite entre el éxito del corte y el fracaso de éste, que se puede denominar “presión crítica”, la que varía para los diferentes materiales y espesores. Pero también influyen otros parámetros en el éxito del corte como: la cantidad de abrasivo, tipo de éste, cantidad de agua, diámetros de tobera/tubo colector.

La elección de una correcta presión de trabajo y de los parámetros de operación, influyen de manera importante en el corte, tanto en su capacidad y calidad como en los costos. Por lo cual existen software de simulación que permite tener una idea de cómo resultaría el corte, principalmente a través de la velocidad de corte posible de obtener. [1]

2.1. Sistemas Generadores de Presión.

Existen dos sistemas principales para generar la presión necesaria, las bombas de émbolos y el llamado “intensificador de presión”. Las primeras poseen generalmente tres émbolos conectados a un cigüeñal e impulsado por un motor eléctrico. Pueden llegar a generar presiones bajas y medias (hasta 344 Mpa en últimos diseños) sin problemas. La principal ventaja de estas bombas es que es muy eficiente en las presiones mencionadas y su principal desventaja es que sobre estas presiones se torna insegura y produce importante variabilidad en el caudal de entrega.

Fig. 2. Bomba de émbolos [3].

El “intensificador de presión” consiste principalmente en un cilindro con diferencia de diámetros y un pistón con igual diferencia. La sección del pistón con mayor diámetro es impulsado por un fluido hidráulico, produciendo una presión mucho mayor sobre el agua debido a la diferencia de diámetros (en una relación sección pistón-aumento de presión de 1:10 a 1:25). Las presiones normales que pueden generar son por sobre los 400Mpa y se a llegado a los 690Mpa en algunos equipos modernos.

Su principal ventaja radica en la alta presión que puede generar y que puede alimentar a varios inyectores simultáneamente, y en contra, su baja eficiencia debido al sistema hidráulico que posee, ya que pierde potencia por el calor que necesita disipar mediante un sistema intercambiador, además de necesitar un acumulador de presión debido a su gran variabilidad de entrega.[4]

Fig. 3. Intensificador de presión doble [4].

2.2. Abrasivos empleados

En general los abrasivos que se emplean o que dan buenos resultados en el corte deben poseer ciertas características adecuadas como: buena estructura, una dureza adecuada, un buen comportamiento mecánico y tener un grano de forma y distribución adecuadas. Para cortar materiales, como acero por ejemplo, son adecuados abrasivos con granos duros y de formas afiladas y para materiales como aluminio son preferibles los de granos más blandos y no de gran calidad, lo que lo hace más económico.

Los abrasivos más utilizados son: Granate, Oxido de Aluminio, Olivino, Arena Silica, entre otros. Siendo el Granate tipo “Almandino” el que presenta características más estables y que permite ser empleado sobre gran cantidad de materiales, por lo que es el más popular a nivel mundial.[1]

2.3. Introducción del Abrasivo

Una vez que el chorro de agua pasa por la tobera, su velocidad se incrementa de gran manera, entrando luego a una zona de un diámetro bastante mayor o zona de mezcla. Debido a la altísima velocidad con que ingresa a esta zona, se produce un fenómeno llamado “depresión” o “efecto Venturi”, el que es aprovechado para succionar las partículas de abrasivo y agregarlas al chorro.

Normalmente la alimentación del abrasivo hacia el inyector se realiza por medio de un pequeño recipiente cercano a este y que a su vez es surtido neumáticamente desde un recipiente de mayor tamaño. También existen otros sistemas, como por ejemplo: el que parte del agua de alta presión es desviada hacia un estanque donde se mezcla con el abrasivo y es conducida al inyector, o bien otro sistema el cual el agua y el abrasivo, previamente mezclados, son impulsados al inyector por una membrana accionada por parte del fluido hidráulico que impulsa al intensificador de presión y conducido al inyector para la descarga. [1]

2.4. Equipos

Existe actualmente una gran variedad de equipos en el mercado, que permiten realizar gran cantidad de trabajos. Equipos de tamaños pequeños para realizar trabajos muy precisos y delicados, equipos de tamaños medios para pequeñas industrias y grandes equipos para satisfacer grandes demandas de trabajo.

Fig. 4. Equipo pequeño [5].

Fig. 5. Equipo de gran capacidad [5].

Los equipos actuales de esta tecnología poseen poderosos sistemas de control computacionales en dos ejes de desplazamiento, en sistemas con inyectores convencionales, y hasta seis ejes en sistemas con inyectores robotizados que permiten gran capacidad de movimiento del inyector para realizar complicados trabajos.

En lo que respecta a los costos, el valor comercial aproximado varía normalmente entre US$90.000 a US$200.000 (según el tamaño y capacidades) y unas cuantas veces más si se trata de equipos robotizados. [5]

El futuro de este método se espera bastante auspicioso, ya que existen a nivel mundial una gran y creciente cantidad de centros de investigación y desarrollo de esta tecnología, los que han alcanzado logros importantes sólo en las últimas décadas, provocando que cada vez más compañías la integren dentro de sus procesos.

3. CONCLUSIONES

Este método de corte presenta una oportunidad importante para mejorar dentro de procesos de producción el impacto que algunos métodos producen al ambiente, ya que utiliza energía limpia y renovable.

Si se analiza desde el punto de vista de los costos, inicialmente éste es aún muy alto comparado con otros métodos, pero que con el desarrollo que se está alcanzado es muy probable que se logre revertir, lo que sumado a las ventajas que posee puede representar una inversión bastante atractiva si se piensa en el largo plazo.

REFERENCIAS

Libros:

[1] Momber A. and Kovacevic R. “Principles of Water jet Machining” Springer-Verlang, Berlin 1998.

Reportes Técnicos.

[2] Carl Olsen, Water jet Web reference, USA. www.waterjet.org

[3] Water as a tool for a clean environment, Alemania. www.woma.de

[4] Centro de investigación en manufactura avanzada, Southern Methodist University, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Richardson-Texas, USA. www.engr.smu.edu/rcam/research/waterjet.

[5] Flow International Corporation, USA. www.flow.com.