Proyecto Final de Ingeniería Mecánica
Título: Máquina de corte de chapas de acero inoxidable por chorro de agua y abrasivos (Abrasive Waterjet Cutting)
Ingeniero: Marcelo Francisco Bisciglia Director: Ing. Roberto E. Mas Asesores: Ing. Manuel Kupersmitt, Ing. Edgar Balbastro, Ing. Santiago Zanotti
Í n d i c e
Compendio: El proceso convencional de corte de chapas de acero inoxidable, es por medio de plasma. Este tipo de corte presenta los siguientes inconvenientes: a) Deja escoria. b) La zona de corte está sometida a calentamiento (zona afectada por el calor [ZAC]), lo cual origina cambios estructurales y c) En la ZAC aparece una aureola que perjudica su terminación estética. El objetivo del siguiente proyecto es eliminar las dificultades apuntadas en el proceso anterior realizando el corte (de chapas de acero inoxidable austenítico hasta 2 mm de espesor) por medio de un chorro de fluido a elevada velocidad. El proceso de corte solamente se puede llevar a cabo con el agregado, en el flujo de agua, de partículas de material abrasivo {M-K}. Se puede emplear como elemento elevador de la presión del agua, una bomba inyectora lineal (motor Diesel), para lo cual se debe realizar una serie de transformaciones para adaptarlo al uso específico. Con respecto al circuito: a) se debe realizar el correcto filtrado del agua para prolongar la vida útil de la tobera de agua {URI}. b) La válvula reguladora de presión protege al circuito de sobre presiones y c) El acumulador de gas mantiene la presión constante.
Introducción: Para realizar el corte de un material determinado necesitamos de una cierta cantidad de energía. En el proceso de corte se produce lo que denominamos: transformación de la energía, la energía que se entrega se transforma en energía de deformación del material a cortar. Ahora, todo fluido en movimiento lleva asociado una determinada cantidad de energía (cinética). Por lo tanto este fluido deberá tener una energía mayor o igual a la necesaria para realizar el corte. Como medio portador de energía en general, podemos utilizar casi todos los elementos líquidos: agua, aceites, alcoholes y hasta metales líquidos como por ejemplo el mercurio. Ahora, el agua presenta una serie de ventajas con respecto a los demás: a) Existe en cantidad suficiente y en calidad requerida (potable), en casi todos los lugares. b) Ínfimo costo, en su empleo, con respecto a los demás fluidos. c) Fácilmente accesible. d) No genera fuego o incendio. e) Buenas condiciones de fluidez (baja viscosidad), de lo contrario sería muy dificultoso lograr la salida del chorro por un pequeño orificio a alta velocidad. Por otro lado, el aire también está totalmente descartado como fluido portador de energía: a) Elevado costo para lograr altas velocidades en el fluido (túnel de viento). b) Muy baja energía cinética (Densidad del aire = Densidad del agua / 1000). c) Muy difícil de lograr un efecto puntual, por lo tanto alta dispersión al salir de la tobera. El proyecto está acotado al corte de chapas de acero inoxidable austenítico hasta 2 mm de espesor.
Desarrollo: Para el corte de chapas de acero inoxidable austenítico (AISI 310) de 2 mm de espesor se necesita de un valor muy elevado de presión de agua, esto se debe a la baja densidad del fluido. Al agregar un elemento elevador de la densidad (partículas de metal) al flujo de agua, la presión necesaria de la bomba se ve reducida a un tercio del valor anterior. Pero la misma aun sigue siendo elevada. La alternativa adecuada es agregar partículas de material abrasivo (alúmina, granate, etc.) al flujo de agua {M-K}, las cuales producen el microvirutamiento del material a cortar {E-M}. Ahora la presión necesaria de la bomba de agua se sitúa en 400 atmósferas. Con respecto al sistema de mezclado del agua y del abrasivo se puede decir: la succión del abrasivo, desde la tolva que lo contiene, se efectúa por vacío (efecto Venturi) a través de una placa orificio calibrada, siendo necesario una depresión de una décima de atmósfera para obtener el caudal adecuado (3,4 gr/s). {S} El material de construcción más adecuado para el tubo mezclador, con alúmina como abrasivo, es el carburo de boro con carbono 5 % (B4C-C 5 %). El perfil interior del tubo debe ser suavemente convergente desde la boca de entrada (diámetro 4 mm) hasta la boca de salida (diámetro 0,8 mm). Una mayor longitud del tubo (76 mm) trae aparejado una mejor aceleración de las partículas de abrasivo. Se puede emplear como elemento elevador de la presión del agua una bomba inyectora lineal (motor Diesel), a la misma se le debe realizar las siguientes transformaciones: a) Cambiar el material de construcción de los émbolos, cilindros, válvulas, asientos de válvula y racores por acero inoxidable martensítico (AISI 440). b) Se omite el sistema de variación del caudal. c) Se modifica el perfil de cada leva (árbol de levas) para que el caudal de agua sea continuo y no pulsante (propio de la inyección Diesel). d) Se talla en cada émbolo una ranura circunferencial con lo cual se logra un sello hidrodinámico para evitar la caída del rendimiento con la elevación de la presión. Es fundamental realizar el correcto filtrado del agua {URI} para prolongar la vida útil de la tobera de agua. Se coloca una válvula reguladora de presión en el circuito de alta presión para: a) Proteger al circuito de la sobre presión en el momento de cerrar (momentáneamente) la válvula solenoide de bloqueo. b) Que la bomba trabaje a baja presión durante ese período. Se coloca un acumulador de gas (tipo membrana) para: a) Absorber la pequeñas variaciones de presión, consecuencia del caudal discontinuo que entrega la bomba principal, haciéndola más constante. b) Absorber los picos de presión debido al cierre brusco de la válvula solenoide de bloqueo y c) Mantener el circuito (entre la válvula de anti-retorno y la válvula solenoide de bloqueo) a la presión de trabajo (400 atmósferas), mientras la bomba principal trabaja a baja presión (cierre momentáneo de la válvula solenoide de bloqueo). En el diagrama adjunto se puede observar los componentes principales del circuito.
Referencias:
1) Filtro de agua (diámetro de partícula = 0,45 a 0,5 micrones). 2) Bomba auxiliar de la bomba de alta presión. 3) Válvula solenoide de bloqueo (primaria). 4) Válvula de seguridad y descarga. 5) Manómetro. 6 y 7) Tubo de acero inoxidable sin costura. 8) Unidad colectora. 9) Bomba de alta presión de émbolos (400 kg/cm2). 10) Motor eléctrico de accionamiento de la bomba de alta presión. 11) Cabezal abrasivo compuesto por: a) Tobera de agua a presión. Diámetro = 0,254 mm, material = zafiro (o diamante). b) Cámara de mezcla del agua y el abrasivo (por succión = efecto Venturi). c) Tubo mezclador o de aceleración de partículas abrasivas. Diámetro (de salida) = 0,8 mm. 12) Tolva con abrasivo (para una capacidad de 24 kg). 13) Tubo flexible, vínculo entre la tolva y la cámara de mezcla (Diámetro Nominal = 6 mm). 14) Chapa a cortar (acero inoxidable austenítico, hasta un espesor de 2 mm). 15) Acumulador de gas. 16) Válvula solenoide (secundaria).
Resultados: Para realizar el corte de chapas de acero inoxidable austenítico (hasta 2 mm de espesor) por medio de chorro de agua, se debe agregar al fluido un caudal determinado de partículas de abrasivo produciendo lo que denominamos microvirutamiento del material, ya que dichas partículas inciden sobre el material a una elevada velocidad (460 km/h). Se puede emplear una bomba inyectora lineal (motor Diesel) como elemento elevador de la presión del agua, para ello se debe realizar ciertos cambios para garantizar su adecuado desempeño. Un correcto filtrado del agua prolonga la vida útil de la tobera de agua. Al incluir en el circuito hidráulico una válvula reguladora de presión: a) se protege al mismo de sobre presiones, b) se ahorra energía y c) disminuye el desgaste de la bomba.
