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Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica
ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO
INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR
Marco Bramanti Ostilla y Pedro J. Ramírez Baldo.
Tutor Académico: Ing. José M. Marino.
Caracas, Octubre de 2003
DERECHO DE AUTOR
Quienes suscriben, en condición de autores del trabajo titulado “ESTUDIO DE
PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORTE
CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR”,
declaramos que: Cedemos a titulo gratuito y en forma pura y simple, ilimitada e irrevocable
a la Universidad Metropolitana, los derechos de autor de contenido patrimonial que nos
corresponden sobre el presente trabajo. Conforme a lo anterior, esta sección patrimonial
solo comprenderá el derecho para la Universidad de comunicar públicamente la obra,
divulgarla, publicarla o reproducirla en la oportunidad que ella así lo estime conveniente,
así como, de salvaguardar nuestros intereses y derechos que nos corresponden como
autores de la obra antes señalada. La Universidad en todo momento deberá indicar que la
autoría o creación del trabajo corresponden a nuestra persona, salvo los créditos que se
deben hacer al tutor o a cualquier tercero que haya colaborado o fuere hecho posible la
realización de la presente obra.
Marco Bramanti Ostilla Pedro J. Ramírez Baldo C.I: 14201611 C.I. 14534660
Autores
En la cuidad de Caracas, al primer día del mes de Octubre del año 2003.
APROBACIÓN
Considero que el Trabajo Final titulado
ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE
CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES DE ½” DE ESPESOR
Elaborado por los ciudadanos
Marco Bramanti O. y Pedro J. Ramírez B.
Para optar al título de
INGENIERO MECÁNICO
reúnen los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad
Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser sometidos a la presentación y
evaluación exhaustiva por parte del jurado examinador que se designe.
En la cuidad de Caracas, a los 3 días del mes de Octubre del año 2003.
Tutor Académico: Ing. José M. Marino
ACTA DE VEREDICTO
Nosotros, los abajo firmantes constituidos como jurado examinador y reunidos en Caracas,
el día 01 de octubre del año 2003, con el propósito de evaluar el Trabajo Final titulado
ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA
MÁQUINA DE CORTE CON AGUA PARA LÁMINAS DE ACERO INOXIDABLES
DE ½” DE ESPESOR
Presentado por los ciudadanos
Marco Bramanti O. y Pedro J. Ramírez B.
Para optar al título de
INGENIERO MECÁNICO
Emitimos el siguiente veredicto
Reprobado Aprobado Notable Sobresaliente
Observaciones:
Angel Malaguera José M. Marino Javier de Anta
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darnos la vida e iluminar nuestro camino.
A nuestros padres, por su perseverancia, sabios consejos y apoyo incondicional durante
el transcurso de nuestras vidas, sin ustedes no hubiese sido posible que llegáramos a ser
lo que somos hoy en día, este trabajo es de ustedes.
A nuestros Hermanos y Hermana, por su cariño, amistad y apoyo.
A nuestras novias por soportarnos durante la carrera y apoyarnos en los momentos mas
difíciles y angustiosos, gracias.
A nuestros compañeros por hacer los años de la universidad mas agradables e
inolvidables, nunca los olvidaremos colegas.
Al Profesor Emil Friedman por guiarnos en nuestros primeros pasos.
Al Profesor Germán Crespo, por sus siempre sabios y oportunos consejos de vida.
A todos mil gracias.
INDICE Lista de tablas y figuras………………………………………………………………...IV
Resumen………………………………………………………………………………..VI
Introducción……………………………………………………………………………...1
1. Marco Teórico………………………………………………………………………...3
1.1Generalidades…………………………………………………………………….3
1.2 Dos métodos de corte - un solo principio………………………………………..6
1.2.1 Corte con agua pura………………………………………………………..6
1.2.2 Corte hidro-abrasivo……………………………………………………….6
1.3 Campo de aplicación del corte por chorro de agua ……………………………9
1.4 Aceros y sus Propiedades.……………………………………………………...10
1.4.1 Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión………………….11
1.4.2 Aceros aleados y elementados de aleación……………………………….13
1.4.3 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión…………………………….15
2. Marco Metodológico……………………………………………………………...…18
2.1 Fuerza y energía requerida para el corte.……………………………………....18
2.2 Energía del chorro de agua.…………………………………………………….20
2.2.1 Calculo de la presión de la bomba para flujo de agua pura………………20
2.2.2 Cálculo de la presión de la bomba para un flujo mezcla de agua y otro
elemento elevador de la densidad………………………………………………22
2.2.3 Estimación experimental de la energía del chorro de agua abrasivo……..24
2.3 Estudio del tipo y características que debe reunir el abrasivo………………….34
2.4 Sistema de mezclado del agua con el abrasivo…………………………………39
2.4.1 Estudios de las diferentes alternativas……………………………………40
2.5 Tubo Mezclador…………………………………….………………………….58
II
2.5.1 Carburo de tungsteno (WC) ……………………………………………...58
2.5.2 Otras Alternativas………………………………………………………...61
2.5.3 Diseño del perfil interior………………………………………………….62
2.5.4 Tipos de Materiales de Construcción……………………………………..69
2.5.5 Propiedades de los materiales empleados en los tubos mezcladores……..70
2.6 Bomba de alta presión………………………………………………………….72
2.6.1 Bombas Volumétricas…………………………………………………….72
2.6.2 Valores importantes a tener en cuenta en el diseño de una bomba……….74
2.6.3 Irregularidad del caudal…………………………………………………..74
2.6.4 Bomba de Pistones en Línea……………………………………………...78
3. Resultados y Análisis………………………………………………………………82
3.1 Estudio funcional del sistema…………………………………………………..82
3.1.1 Filtro……………………………………………………………………..84
3.1.2 Sistema de bombeo Aqua-Dyne EK 5……………………………………85
3.1.3 Componentes de enlace…………………………………………………..85
3.1.4 Válvula de seguridad y descarga. Válvula solenoide de Bloqueo………..86
3.1.5 Manómetro……………………………………………………………….91
3.1.6 Válvula solenoide (secundaria)…………………………………………..92
3.1.7 Acumulador de presión…………………………………………………...92
3.1.8 Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria) ……………………………….95
3.1.9 Componente de enlace……………………………………………………95
3.1.10 Tolva de abrasivo……………………………………………………….95
3.1.11 Componente de enlace………………………………………………….95
3.1.12 Cabezal abrasivo………………………………………………………..95
3.1.13 Lámina a cortar…………………………………………………………95
III
3.1.14 Unidad colectora…...……………...……………………………………96
3.2 Control de coordenadas……………………...…………………………………97
3.2.1 Sistemas de control…………………….…………………………………97
3.2.2 Mesas de corte X – Y……………………………………………………100
3.3 Parámetros que influyen en el proceso de Maquinado Hidro-abrasivo………110
3.4 Estudio aproximado de costo de fabricación de la máquina…..……………...112
Conclusiones………………………………………………………………………….113
Bibliografía……………………………………………………………………………115
Apéndice………………………………………………………………………………117
Lista de Tablas y Figuras.
1. Diagrama de la Máquina………………………………………………………………4
2. Cabezas de Corte……………………………………………………………………...7
2.1. Punzonado…………………………………………………………………………18
2.2. Tobera……………………………………………………………………………...21
2.3. Balance de energía durante el proceso de corte por chorro de agua y abrasivos…..24
2.4. Formación de estrías durante el corte…………………………………….………..25
2.5. Comparación entre el corte ideal y el corte real en el maquinado por chorro de agua
abrasivo…………………………………………………………………………………29
2.6. Modelo parabólico del proceso de corte por chorro de agua abrasivo…………….30
2.7. Relación entre la presión generada por la bomba y el espesor de corte de la chapa
de acero inoxidable……………………………………………………………………..31
2.8. Origen del microvirutamiento……………………………………………………..33
2.9. Mezclado por gravedad.…………………………………………………………...40
2.10. Mezclado por gravedad a igual presión.…………………………………………42
2.11. Mezclado por efecto Venturi…………………………………………………….43
2.12. Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura"……..45
2.13. Regulación manual del caudal..…………………….…………………………….50
2.14. Regulación por medio de un caudalímetro..……………………………………...52
2.15. Dosificación por medio de placa orificio..……………………………………….53
2.16. Carburos cementados..……………………………………………………………60
2.17. Plano de fabricación del tubo mezclador…………………………………………62
2.18. Plano de fabricación…………………...…………………………………………63
2.19. Modos de desgaste en el interior del tubo mezclador……………………………64
2.20. Desgaste debido a dos casos de centrado deficiente entre la tobera de agua y el
tubo mezclador..………………………………………………………………………..65
2.21. Representación esquemática del proceso de desgaste que sufre este tipo de
perfil….…………………………………………………………………………………66
2.22. Nuevo diseño del tubo mezclador (diseño B)……………….……………………66
2.23. Desgaste función del tiempo de trabajo. Material(B4C)….………………………67
2.24. Diseño (C) del tubo mezclador…..……………………………………………….67
2.25. Plano de fabricación del nuevo diseño…...………………………………………68
2.26. A) Diagrama del caudal instantáneo……………………………………………..76
B) Grado de irregularidad de las bombas de émbolos……..……………………76
2.27. Bomba de 3 pistones en línea, en disposición vertical...…………………………78
2.28. Restricción (tobera)..………………………………….………………………….79
2.29. Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5..………………………………………81
3.1. Diagrama Principal...………………………………………………………………82
3.2. Esquema interno de una válvula limitadora de presión de acción directa.…...……87
3.3. Esquema interno de una válvula de seguridad y descarga…………………………89
3.4. Variación de la presión de trabajo de la bomba principal…………………………90
3.5. Acumulador de gas, de membrana o vejiga….………….…………………………94
3.6. Software de Control Numérico de la empresa OMAX….…………………………98
3.7. Software aplicado al corte por chorro de agua y abrasivos…..……………………99
3.8. Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte………101
3.9. Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte….…………………………103
3.10. Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte……….105
3.11. Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte………..……………………107
VI
VI
RESUMEN
Titulo del Proyecto:
Estudio de prefactibilidad para la construcción de una máquina de corte con
agua para láminas de acero inoxidables de ½” de espesor.
Autores: Marco Bramanti Ostilla
Pedro J. Ramírez Baldo
Tutores: Ing. José M. Marino
Ing. Angel Malaguera
Fecha: Octubre 2003
El presente trabajo tiene como objetivo principal, como su nombre lo
indica, hacer un estudio de prefactibilidad para la construcción de una máquina
capaz de cortar láminas de acero inoxidables de ½” de espesor con presión de
agua. En principio el estudio se basó en la utilización de agua pura como medio
de corte, pero según los cálculos e investigaciones realizadas nos llevaron a
concluir que era físicamente imposible, por ello implementamos la utilización de
materiales abrasivos que junto con el agua servirían ahora como medio de corte.
En cuanto a la naturaleza del proyecto intentamos realizar dentro de
nuestras posibilidades un estudio lo mas sencillo posible en comparación con las
máquinas tradicionales existentes en el mercado, y que se adaptara a los
requerimientos del Instituto Tecnológico Experimental de la Victoria.
Universidad Metropolitana
INTRODUCCIÓN
La globalización y la elevada competencia de la industria a nivel mundial ha
acelerado el desarrollo de nuevas tecnologías a niveles en los que hace apenas pocos
años atrás solo podíamos soñar, con el objetivo de hacer los procesos mas rápidos,
eficientes y mas amistosos con el medio ambiente.
Tradicionalmente el corte de láminas de acero inoxidable, es realizado por
medio de plasma, este tipo de corte tiene varios inconvenientes, entre los cuales
tenemos:
• Deja escoria, lo que acarrea un tiempo de trabajo posterior para retirar la
misma.
• La zona de corte está sometida a calentamiento, lo cual produce cambios en
la estructura del material.
• En la zona afectada por el calor, aparece una aureola que perjudica su
terminación estética, por lo tanto en el caso de retirarla habría que someterla a
un lijado que equivaldría a un 70 % del tiempo de trabajo.
Los procedimientos mas innovadores como el de corte de láminas de acero
inoxidables con chorro de agua y en algunos casos abrasivos, otorgan una gran
cantidad de beneficios que han desplazado la utilización de los procesos tradicionales
mencionados anteriormente.
El objetivo de nuestro proyecto es diseñar una máquina de corte por chorro de
agua para láminas de acero de un espesor máximo de ½ pulgada, este diseño nos
Universidad Metropolitana
2
permitirá conocer los costos estimados de fabricación de la máquina con el fin de
compararlos con máquinas ya existentes en el mercado.
Para el estudio de los factores que intervienen en el diseño de este equipo
debemos investigar primeramente sobre los distintos tipos de máquinas de corte por
chorro de agua existentes en el mercado, a fin de tener una documentación lo mas
completa posible respecto al tema. Investigaremos además sobre las diferentes
propiedades de los aceros inoxidables que queremos cortar. Realizaremos los
cálculos necesarios del sistema, cálculos estructurales, hidráulicos y selección de
materiales. Realizaremos el esquema de funcionamiento de la máquina con el
objetivo de que en un futuro se puedan realizar los planos necesarios para la
fabricación de la máquina y finalmente se calcularán los costos aproximados de
fabricación de la misma.
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1. MARCO TEORICO:
1.1 GENERALIDADES:
A lo largo de este primer capítulo se desarrollan los aspectos teóricos que
permiten al lector familiarizarse con el presente trabajo de grado, se menciona la
necesidad de elaborar corte de láminas de acero inoxidable de ½ pulgada y se
introducen conceptos indispensables para el entendimiento de capítulos posteriores.
Las máquinas de corte por agua obtienen la energía requerida presurizando
agua a presiones muy altas y formando una corriente intensa de corte, enfocando esta
alta velocidad del agua mediante un pequeño orificio en una piedra preciosa.
Hay dos pasos principales que envuelven el proceso de corte por agua:
• La bomba de alta presión o intensificadora de presión, generalmente
presuriza agua corriente a niveles de presión por encima de los 40.000 psi
(2.760 bar); para producir la energía requerida para cortar.
• Posteriormente el agua se hace pasar a través de un pequeño orificio
para formar una corriente de corte intensa. La corriente se mueve a velocidades
2.5 veces mayor a la velocidad del sonido, dependiendo de cómo se ejerce la
presión al agua.
El proceso es aplicable tanto para chorros de agua y chorros con abrasivos
solamente. Para aplicaciones de corte con abrasivos, este es introducido en una
cámara de mezcla, la cual es parte del cuerpo de la cabeza de corte o boquilla, para
producir una coherente y extremadamente energética corriente de corte abrasivo.
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Para alcanzar estas presiones, el agua es introducida en la unidad a través de
una bomba reforzadora y un filtro. Este proceso de filtrado es muy importante ya que
el agua debe ser purificada y limpiada antes de llegar a presiones muy elevadas, de
manera de proteger las partes de alta presión y proveer una corriente de corte
consistente. A veces puede ser necesario la utilización de un sistema de tratamiento
de agua para eliminar minerales dañinos contenidos en el agua. Luego de ser filtrada,
el agua entra a un cilindro de alta presión donde es presurizado a la presión deseada.
Fig.1 Diagrama de la Máquina
Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html 13/07/03
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El agua es posteriormente llevada a una boquilla de corte bien sea de agua o
con abrasivos, dependiendo de la aplicación. La boquilla de corte puede ser
estacionaria o puede estar integrada a un equipo móvil, el cual permite que formas
intrincadas y diseños específicos puedan ser cortados. Los equipos móviles pueden ir
de un sistema de corte en cruz simple en máquinas con sistemas en 2D y 3D, así
como robots multi-axiales.
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1.2 DOS MÉTODOS DE CORTE - UN SOLO PRINCIPIO
1.2.1 Corte con agua pura
Este método válido para separar tejidos, elastómeros, fibras, plásticos,
alimentación, papel y otros, se basa en agua a una presión de 4.000 bar con una
velocidad equivalente a 800-1000 m/s., que se hace pasar por un orificio diamantado
(de un diámetro de décimas de milímetro) y localizándolo hacia el material a cortar.
Así, la energía potencial se convierte en cinética, resultando en una velocidad de
chorro capaz de cortar el material.
1.2.2 Corte hidro-abrasivo
Para aquellos materiales en los que el corte con agua pura queda limitado, se
aplica el corte con abrasivo. En este método, se añade al agua un material abrasivo de
finos cantos. La unión de agua, aire y abrasivo se materializa en la cámara de mezcla
para posteriormente acelerarlo y focalizarlo. El resultado de este método es un chorro
de potente energía, capaz de cortar, separar o perforar materiales de distintos
espesores y densidad, como por ejemplo metales, cerámica, piedra natural o vidrio
blindado, entre otros.
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Fig. 2 Cabezas de Corte Fuente: http://www.ingersoll-rand.de/IngersSpan/index.htm 15/07/03
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.
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Ahora, el agua presenta una serie de ventajas con respecto a los demás:
• Existe en cantidad suficiente y en calidad requerida (potable), en casi todos
los lugares.
• Infimo costo, en su empleo, con respecto a los demás fluidos.
• Fácilmente accesible.
• No genera fuego o incendio.
• 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:
• Elevado costo para lograr altas velocidades en el fluido (túnel de viento).
• Muy baja energía cinética ( ρaire = ρagua / 1000).
• Muy difícil de lograr un efecto puntual debido a la alta dispersión al salir de
la tobera.
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1.3 CAMPO DE APLICACIÓN DEL CORTE POR CHORRO DE AGUA
La flexibilidad de la Tecnología del corte por chorro de agua encuentra su
campo de aplicación en casi todo tipo de industria: aeronáutica y automoción,
construcción, máquina herramienta, industria del vidrio, industria maderera, industria
textil y de papel, subcontratación, así como la industria eléctrica y de alimentación.
En contraposición a otras tecnologías de corte más tradicionales, el chorro de agua en
frío convence por su economía y flexibilidad. Con el chorro de agua se pueden cortar
con rapidez y precisión materiales tan dispares como el metal, plástico o granito. El
corte por chorro de agua permite un acabado fino en perfiles tanto simples como
complejos.
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1.4 ACEROS Y SUS PROPIEDADES.
Los aceros son aleaciones de hierro carbono, aptas para ser deformadas en frío
y en caliente. Generalmente el porcentaje de carbono no excede e 1,76%. El acero se
obtiene sometiendo el arrabio a un proceso de descarburación y eliminación de
impurezas llamado afino (oxidación del elemento carbono).
Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en:
• Aceros hipoentectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto S
(entectoide), o sea al 0,89%.
• Aceros hiperentectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S.
Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en
dos grandes grupos:
1. Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono
2. Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos en
cantidades suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos críticos,
tamaño del grano, templabilidad, resistencia a la corrosión)
Con respecto a su composición, puede ser de baja o alta aleación y los
elementos que puede contener el acero pueden ser tanto deseables como indeseables,
en forma de impurezas.
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1.4.1 Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión
El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la estructura del cristal
metálico, atrae el oxígeno y hace que el acero no se oxide. El molibdeno y el
wolframio también favorecen la resistencia a la oxidación.
Tratamientos
Son los procesos a los que se someten los metales y aleaciones ya sea para
modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por
transformación de sus constituyentes.
El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o
adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le darán a las
piezas de esta manera se obtiene un aumento de la dureza y la resistencia mecánica,
así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.
Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación
de algún elemento a la superficie de la pieza.
• Tratamientos térmicos: recocido, temple, revenido, normalizado
• Tratamientos termoquímicos: cementación, nitruración, cianurización, etc.
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Tratamientos mecánicos
Se somete al metal a operaciones de deformación frío o caliente para mejorar
sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas. Al deformar
mecánicamente un metal mediante martillado, laminado, etc., sus granos son
deformados alargándose en el sentido de la deformación. Lo mismo pasa con las
impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.
Tratamientos en frío
Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de
recristalización, pueden ser profundos o superficiales, estos tratamientos traen como
consecuencia:
• Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción.
• Disminución de su plasticidad y tenacidad.
• Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se
dice entonces que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, más
dureza).
• Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de
homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del
metal).
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• Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su
fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la
deformación.
1.4.2 Aceros aleados y elementados de aleación
Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino
que también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico.
Cromo la adición del elemento cromo origina la formación de diversos
carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil
que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido
de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.
Níquel la adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no
forma carburos u óxidos, esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El
cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y
ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que
aporta el cromo.
Manganeso el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de
desoxidación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el
acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Reduce el intervalo crítico de
temperaturas.
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14
Silicio este elemento se agrega como desoxidante a todos los aceros. Cuando
se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con
baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El uso principal del silicio
es, junto con otros elementos de aleación, como manganeso, el cromo y el vanadio,
para estabilizar los carburos.
Molibdeno el molibdeno forma carburos y también se disuelve en ferrita
hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno
abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este abatimiento, el
molibdeno es uno de los elementos más eficaces para impartir propiedades deseables
de templabilidad en aceite o en aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el mayor
efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad.
Vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano,
también acrecienta la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de
suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas.
Tungsteno (wolframio) este elemento se emplea mucho en aceros para
herramientas, por que la herramienta mantendrá su dureza aún cuando estuviera
candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y
dureza.
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1.4.3 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión
Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos 12% de cromo se
denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales
es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son
los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos y los aceros
inoxidables martensíticos y templables por precipitación.
Los aceros al cromo ferríticos tienen su resistencia a la corrosión depende del
contenido de dicho elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena
templabilidad, tanto que en los de bajo carbono desaparece.
Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe
prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es
costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con
las condiciones corrosivas.
Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por
lo que son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede
mejorar notablemente por el trabajo en frío. Los aceros inoxidables austeníticos son
los más resistentes a la corrosión atmosférica. Son austeníticos a cualquier
temperatura y los que tienen mayor resistencia mecánica a elevada temperatura.
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Datos característicos de los aceros inoxidables austeníticos
1) AISI 304 º Rosanox 304 º Iram 30304.
• Composición química: C = 0,06 %, Cr = 18,5 %, Ni = 10 %.
• Características generales: muy buena resistencia a la corrosión en atmósfera
industrial y marina. Se suelda fácilmente.
• Aplicaciones: piezas para la industria química, alimenticia y del petróleo.
Herramientas de cirugía. Alambres y artículos de alambre. Utensilios para la cocina.
Artículos de decoración (automóviles).
• Tratamiento térmico: forja = 1100°C - 950°C, recocido (hipertemple) = 1100°C al
agua, recocido más trefilado.
• Características mecánicas: σR (Kt, resistencia a la rotura por tracción) = 82690 psi,
σfl (tensión de fluencia) = 35556 psi, A (alargamiento porcentual) = 67 %, ψ
(estricción) = 77 %, dureza = 142 HB (Brinell).
2) AISI 310 º Rosanox 310 º Iram 30310.
• Composición química: C = 0,10 %, Cr = 25 %, Ni = 21 %.
• Características generales: acero resistente hasta 1150°C en atmósfera oxidante
(refractario). Se suelda fácilmente.
• Aplicaciones: piezas expuestas a medios extremadamente agresivos. Piezas para
temperaturas elevadas (partes de hornos, canastas para temple y/o cementación).
• Tratamiento térmico: forja = 1100°C - 900°C, recocido (hipertemple) = 1100°C al
agua
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• Características mecánicas: σR (Kt, resistencia a la rotura por tracción) = 90670 psi,
σfl (tensión de fluencia) = 41345 psi, A (alargamiento porcentual) = 55 %, ψ
(estricción) = 70 %, dureza = 145 HB (Brinell).
3) AISI 316 º Rosanox 316 º Iram 30316.
• Composición química: C = 0,05 %, Cr = 16,5 %, Ni = 11,5 %, Mo = 2,2 %.
• Características generales: acero inoxidable austenítico al molibdeno. Excelente
resistencia a la corrosión frente a cualquier medio y hasta 300°C.
• Aplicaciones: piezas para cualquier industria. Inclusive la química, petroquímica y
alimenticia, construcciones marítimas.
• Tratamiento térmico: forja = 1100°C - 900°C, recocido (hipertemple) = 1100°C al
agua, recocido más trefilado.
• Características mecánicas: σR (Kt, resistencia a la rotura por tracción) = 82690 psi,
σfl (tensión de fluencia) = 36267 psi, A (alargamiento porcentual) = 64 %, ψ
(estricción) = 75 %, dureza = 140 HB (Brinell).
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2. MARCO METODOLÓGICO:
En este capítulo se dan a conocer todos los cálculos y criterios para el diseño y
selección de cada uno de los elementos que conforman la máquina. Estos elementos
fueron seleccionados bajo todos los parámetros asumidos en el SECCION 1 y
considerando todas las características que necesita el equipo para cumplir con los
objetivos del proyecto.
2.1 FUERZA Y ENERGÍA REQUERIDA PARA EL CORTE.
Para poder realizar el corte de un material (acero inoxidable austenítico)
necesitamos efectuar un cierto trabajo o energía sobre el mismo. Como el chorro de
agua tiene (a la salida de la tobera) una sección transversal circular, la sección de
corte (de la chapa) estará representada por un cilindro, efecto similar a un punzonado
(Figura n° 2.1).
Figura n° 2.1: Punzonado Fuente: Elaboración propia.
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Dicha sección de corte deberá ser la menor posible, para producir una mínima
remoción de material (baja pérdida de material). Adoptamos Øchorro de agua = 0.03149
in.
Por lo tanto:
Energía de deformación = F x e = Trabajo.
Donde:
· F = fuerza necesaria para realizar el punzonado.
· e = espesor de chapa a punzonar.
Ahora, τc (resistencia al corte) ≈ 0,8 x Kt .
Donde:
Kt = resistencia a la rotura por tracción (σR).
Colocándonos en las peores condiciones, adoptamos el valor de Kt del AISI 310°
Kt = 90670 psi => τc = 0,8 x 90670 psi = 72536 psi
cilindroc A
F≤τ (Figura n° 2.1)
Donde:
ACilindro = área del cilindro de corte = Π x Øchorro de agua x e = Π x 0,03149 in x 0,5 in =
ACilindro = 0,0495 in2.
Por lo tanto:
· cilindroc AF ⋅= τ = 72536 psi x 0,0495 in2 = 3590,5 lbf [2]
· eFE ndeformació ⋅= = 3590,5 lbf x 0,5 in = 1795,2 lbf x in.
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2.2 ENERGÍA DEL CHORRO DE AGUA.
2.2.1 Cálculo de la presión de la bomba para flujo de agua pura.
En el momento que el chorro de agua impacta sobre el material a cortar,
comienza el proceso de transformación de la energía: la energía cinética del chorro de
fluido se transforma en energía de deformación del material.
F = Fuerza ejercida por el chorro de agua (ecuación del impulso) = DVQ ⋅⋅ ρ
Donde:
• Q = caudal = VA ⋅
• A = sección transversal del chorro de agua
• V = velocidad del chorro de agua
• DV = diferencia entre la velocidad inicial y final (= 0) del chorro de agua
Ahora:
ρ = densidad del agua = gγ
Donde:
• γ = peso específico del agua
• g = aceleración de la gravedad
ρ = 0,0361 lb/in3
4
2.. aguadechorroA
φ⋅Π= =
4035,0 2⋅Π = 7,8. 10-4 in2
DVVAF ⋅⋅⋅= ρ = Fnecesaria ([2]) = 3590,5 lbf
Ahora, 0−= VDV = V
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ρ⋅⋅= 2VAF => Donde F = Fnecesaria
[1] V = (Fnecesaria / ( A x ρ ) )1/2 = (3590,5 lbf / (7,8. 10-4 in2 x 0,0361 lb/in3 ) )1/2
[2] V = 221.280 in/s = 20200 km/h ≈ 16 mach (1 mach = velocidad del sonido ≈
1232,8 km/h).
Según el teorema de Bernoulli (principio de conservación de la energía), para
un flujo de fluido homogéneo (ρ = cte) e incompresible tenemos:
P / g + V2 / (2g) + h = cte (en la dirección del flujo).
Donde:
P / g = energía de presión, V2 / (2g) = energía cinética, h = energía potencial
En la tobera (nozzle) se transforma toda la energía de presión, en energía de cinética.
Figura n° 2.2: Tobera Fuente: Elaboración Propia
P1 / γagua + V12 / (2g) + h1 = P2 / γagua + V2
2 / (2g) + h2
P1 = (V22
/ (2g) ) x γagua = V22 / 2 x ρagua
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P1 = presión que debe entregar la bomba (manométrica) = (221280 in/s)2 / (2 x
0,0361 lb/in3) = 67,82 .1010 lb/in.s2 = 1756,5 Mpsi.
Este valor tan elevado de presión nos indica que la energía disponible en el
chorro de agua es insuficiente. Una razón es por su baja densidad. Por lo tanto si le
agregamos a la vena de fluido (después de la bomba de alta presión y antes de la
tobera, punto 1 Figura n° 2.2) partículas de un material con mayor densidad que el
agua, lograremos aumentar considerablemente su energía. Con lo cual obtendremos
un valor más razonable de presión necesaria de la bomba.
2.2.2 Cálculo de la presión de la bomba para un flujo mezcla de agua y otro elemento elevador de la densidad
Utilizaremos a modo de ejemplo, como elemento elevador de la densidad al acero
(ρ = 0,284 lb/in3).
Supongamos que agrego a la vena líquida un 30 % de partículas de este material =>
ρmezcla = 0,3 x ρacero + 0,7 x ρagua = 0,11047 lb/in3 (considerando un fluido homogéneo)
V = ( Fnecesaria / ( A x ρmezcla ) )1/2 =( 3590,5 lbf / (7,8 10-4 in2 x 0,11047 lb/in3) )1/2
([1])
V = 126.495 in/s = 11567 km/h ≈ 9,4 mach
Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2 (Figura n° 2.2):
P1 / γagua + V12 / (2g) + h1 = P2 / γmezcla + V2
2 / (2g) + h2
P1 = (V22 / (2g) ) x γagua = V2
2 / 2ρagua
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P1 = presión que debe entregar la bomba (manométrica) = (126.495 in/s)2 / (2 x
0,11047 lb/in3) = 72,42.109 lb/in.s2 = 187,6 Mpsi
Como podemos observar, el resultado de la presión necesaria de la bomba
para realizar el corte de la lámina de acero inoxidable austenítico, aunque ha
disminuido de manera considerable, sigue siendo muy elevado.
Esto nos esta indicando que la función del elemento por agregar a la vena
líquida, no es simplemente para elevar su densidad. Este debe tener una importante
dureza para lograr un efecto erosivo (microvirutamiento) del material a cortar, por ese
motivo se le denomina material abrasivo.
Ahora surge otro inconveniente: ¿Cómo saber la energía que posee un chorro
de agua abrasivo? Esta debe surgir de la estimación experimental de los procesos de
corte con chorro de agua y abrasivos.
Como en el país no hay datos al respecto, nos vimos obligados a investigar en
el extranjero.
Así entonces, logramos contactar vía Internet al Ing. Ph.D. A.W. Momber, de
la empresa WOMA, Duisburg, Alemania, dedicada al diseño y fabricación de
maquinarias hidráulicas, quien muy amablemente nos envió información al respecto.
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2.2.3 Estimación experimental de la energía del chorro de agua abrasivo.
Durante el proceso de corte por chorro de agua abrasivo, en la pieza de
trabajo, tenemos el siguiente balance de energía (Figura n° 2.3):
[3] E absorbida por la pieza de trabajo = E ingresada – E saliente
Ahora, el proceso de corte se lleva a cabo en dos fases:
1ra fase) Las partículas abrasivas impactan en la superficie de corte
con ángulos de ataque pequeños => Superficie de corte relativamente lisa.
2da fase) Las partículas producen un desgaste erosivo de la superficie
debido al impacto de las mismas con ángulos grandes de ataque, superficie
con estrías (Figura n° 2.4). Lo cual está muy relacionado con la energía
disponible, por el chorro de agua abrasivo, a una cierta profundidad de corte.
Figura n° 2.3: Balance de energía durante el proceso de corte por chorro de agua y abrasivos.
Fuente: : Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003
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La energía absorbida por el material durante el corte está compuesta por las
siguientes partes:
1) Energía absorbida durante la generación de partículas de
desperdicio (microvirutaje).
2) Energía absorbida por la fricción sobre el frente de corte.
3) Energía absorbida por la amortiguación de la mezcla agua-abrasivo,
debido a la película de agua-sólido que se forma sobre el frente de
corte.
4) Energía absorbida por la generación de calor.
Figura n° 2.4: Formación de estrías durante el corte Fuente: http://www.waterjets.org/WaterjetControl.html julio 2003
Muchas investigaciones han demostrado que se requiere de una energía
mínima (E crítica) para dar inicio al proceso de corte, por medio de un chorro de agua
abrasivo.
[4] E saliente = E crítica para e (espesor de corte) = e máx (1ra condición de borde).
De lo contrario el chorro no saldría al exterior (no lo traspasaría).
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Por otro lado, tenemos:
E absorbida = 0 para e = 0 (2da condición de borde).
[5] E absorbida = E ingresante – E crítica ([3] y [4])
Ahora, introduciendo el parámetro ψ que depende de la profundidad de corte
(e) y por lo enunciado anteriormente, tenemos la siguiente expresión:
E necesaria para realizar el corte = E crítica + ψ E absorbida
[6] E necesaria para realizar el corte = E crítica + ψ (E ingresante – E crítica)
Para 0 < e < e máx ([5])
Cuando:
e = 0 => ψ = 0
e = e máx => ψ = 1
La energía del chorro de agua abrasivo (E chorro) = P x Q x t [7]
Donde:
· P = presión que genera la bomba de agua [psi]
· Q = caudal de agua – abrasivo [in3/s]
· t = tiempo de exposición, del diámetro de acción de la pieza (foco), al chorro
cortante [segundos]
[8] Q = V x A
A = Π x dw2 / 4
Donde:
· A = sección transversal del chorro [in2]
· dw = diámetro de la tobera [in]
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· V = velocidad del chorro de agua abrasivo [in/s]
Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2 (Figura n° 3.1), considerando un fluido
homogéneo:
[9] P1 /γmezcla + V12 / (2 g) + h1 = P2 / γ mezcla + (V2
real / α )2 / (2 g) + h2
Donde:
· P1 = presión que genera la bomba de agua (manométrica) [psi]
· V1 = velocidad del fluido antes de ingresar a la tobera (valor despreciable)
[in/s]
· P2 = presión existente a la salida de la tobera (presión atmosférica = 14,22
psi (absoluta))
· γ mezcla = peso específico de la mezcla agua – abrasivo [lbf/in3] = ρmezcla
(densidad) x g
· h1 ≈ h2 = alturas [in]
· V2 = velocidad del chorro a la salida de la tobera [in/s]
V2real = V2
teórica x α => V2teórica = V2
real / α
α = coeficiente de eficiencia de la tobera (0,6 - 0,7)
[10] V2real = ( P1 / γ mezcla x 2 x g )1/2 x α ([9])
Entonces:
[11] E chorro (t) = P1 ( P1 / γ mezcla 2 g )1/2 α Π dw2 / 4 t ([7]; [6] y [8])
Ahora:
Velocidad transversal de corte o velocidad de desplazamiento lineal (v) = dx / dt
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dt = dx / v => t = ∫0df 1 / v dx = v . ∫0df dx = v . df [12]
Donde:
· df = diámetro de acción del chorro de agua abrasivo (foco) sobre el material
a cortar.
[13] E chorro = P13/2 α x Π x dw2 x df (2)1/2 / 4 / v ( 1 / ρmezcla )1/2
([11] y [12])
Entonces para calcular la E ingresante, se debe reemplazar el valor de P1 ([13])
por el de la presión de agua que genera la bomba.
Por otro lado para saber el valor de E crítica, se debe reemplazar el valor de P1
([13]) por el de la presión crítica (P crítica).
La presión crítica se la puede obtener de la siguiente:
Pcrítica = P1 - ( dP / de ) x e = f (e)
Donde:
· dP / de = recíproco del progreso de la relación: espesor de corte - presión =
recíproco de la pendiente de la recta tangente (cotangente) a la función (f (e)),
al ser una función lineal => cotangente de la función.
· e = espesor de corte
Utilizando ([6] y [13]) :
Enecesaria para realizar el corte = ( 2 )1/2 x Π / 4 x α x dw2 x df / v ( 1 / ρmezcla )1/2
[ Pcrítica3/2 + ψ (e) x ( P1
3/2 - Pcrítica3/2 ) ]
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Estimación del parámetro ψ (e)
ψ (e) = 1 - λ (e)
Entonces calculamos el valor de λ(e) que depende de e y es la energía de absorción
relativa = A (e) / A0.
Figura n° 2.5: Comparación entre el corte ideal (sin pérdidas de energía) y el corte real en el maquinado por chorro de agua abrasivo
Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003
En el caso de corte ideal, se genera un área A1 rectangular (Figura n° 2.5/a)
por el movimiento del chorro de agua abrasivo en dirección transversal. En el corte
real tenemos una pérdida de energía, es la representada por el área A0 (Figura n°
2.5/b). La cual calcularemos de la siguiente manera:
A0 = ∫0x e (x) dx
Se ha demostrado que e (x) representa a una curva parabólica (Figura n° 2.6):
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30
Figura n° 2.6: Modelo parabólico del proceso de corte por chorro de agua abrasivo (AWJC) Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003
e (x) = - a . ( x - b )2 + c
Donde:
· a, b y c = son constantes obtenidas de ensayos experimentales
A0 = ( b - k ) x c - ∫kb e (x) dx
A0 = a x ( 0,33 x b3 - 0,33 x k3 + b x k2 - b2 x k )
El valor de k puede ser estimado para el caso de e (x) = 0 => k = - ( c / a )1/2 + b
Ahora, el valor del área para un cierto valor de e será:
A (e) = ( x - k ) . e (x) - ∫kx e (x) dx
A (e) = a . ( -0,67 . x3 + b . x2 + k . x2 - 2 . b . k . x - 0,33 . k3 + b . k2 )
Donde x puede calcularse aplicando:
x = (( e - c ) / ( - a ))1/2 + b
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Valores experimentales de las constantes (para acero inoxidable)
a = 0,2899; b = 9,26; c = 26,1; k = -0,243
Ahora, la gráfica experimental producto de las fórmulas anteriormente
desarrolladas (Figura n° 2.7), nos permite extraer el valor de presión necesaria de la
bomba, ingresando en ordenadas el valor del espesor de chapa de acero inoxidable a
cortar (e =1/2 in).
Figura n° 2.7: Relación entre la presión generada por la bomba y el espesor de corte de la chapa de acero inoxidable
Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003
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Por lo tanto, para un valor de ½ in de espesor => P = 100 MPa = 15.500psi.
Como podemos observar, ahora sí hemos obtenido con este método de corte,
un valor "Aceptable" de presión de agua.
Condiciones operacionales del experimento
Debemos tener presente que los valores obtenidos corresponden para las
siguientes condiciones de trabajo:
· Abrasivo utilizado = Granate (garnet) o Alúmina (Al2 O3)
· Tamaño del abrasivo = mesh (malla) 80 (0,18mm = 7,09 .10-3 in)
· Caudal de abrasivo = 7,5 . 10-3 lb/s
· Separación de corte (altura) tobera-pieza = 0,28 in
Estos valores serán adoptados para el desarrollo de las etapas siguientes.
Origen del microvirutamiento
Se considera que el proceso de corte por chorro de agua abrasivo, sólo
comienza cuando el chorro alcanza a tener un valor de energía mínima (Ecrítica).
Básicamente se producen dos tipos de grietas en la pieza a trabajar, al exponer
la misma al flujo abrasivo (Figura n° 2.8):
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Figura n° 2.8: Origen del microvirutamiento Fuente: Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg, Alemania, Junio 2003
1) Grietas normales a la superficie de la pieza: compuesto por las grietas radiales y
medias.
2) Grietas laterales: se desarrollan paralelas a la superficie de la pieza.
Ahora, se ha demostrado que la interacción producida entre las grietas
laterales y las radiales son las causantes del levantamiento del material, es decir de la
formación de partículas de desperdicio (microvirutamiento).
Aquí podemos ver la modificación obligada en el diseño que debe tener el
proyecto, ahora será una maquina de corte hidro-abrasivo.
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34
2.3 ESTUDIO DEL TIPO Y CARACTERÍSTICAS QUE DEBE REUNIR EL ABRASIVO
Los granos de abrasivo son cristales duros que se encuentran en estado natural
o bien se fabrican. Los abrasivos obtenidos por procesos de fabricación han sustituido
a los materiales naturales por tener unas propiedades superiores y controlables, así
como una uniformidad de total confianza.
Los abrasivos se clasifican en dos grandes grupos, según la composición de su
constituyente activo:
1) Óxido de aluminio (AL2 O3) o alúmina (abrasivo refractario): Aquí tenemos dos
abrasivos naturales: el esmeril (con un contenido del 50 - 60 % de alúmina) y el
corindón (cerámico que contiene entre 70 y 90 % de alúmina) pueden tener un color
rojo llamado rubí o azul llamado zafiro. También existen diversos productos
artificiales, superiores a los naturales por la pureza de su composición (95 - 96.9 % de
alúmina = color gris, 96.9 - 99.9 % de alúmina = color rosa) y constancia en sus
características, conocidos bajo los nombres comerciales de Alundum, Aloxite y otros.
2) Carburo de silicio (C Si) o carborundo: Está constituido por productos artificiales
denominados = Carborundum, Crystocon, Korundum y otros.
3) También tenemos otros abrasivos como el granate (garnet), olivine, sílice, nitruro
de silicio, etc.
Tanto la alúmina como el carburo de silicio, son muy duros y frágiles. Esta
fragilidad denominada friabilidad, puede controlarse para diferentes aplicaciones.
Ahora, los abrasivos friables se rompen con facilidad, formándose así bordes
afilados. Esto hace que disminuya la fuerza necesaria para penetrar en el material de
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35
la pieza, así como el calor generado durante el proceso de corte. Estos abrasivos (C Si
y Al2 O3) generan una muy buena terminación superficial.
El tamaño de los granos abrasivos viene indicado por un número, que
aproximadamente expresa el número de hilos por pulgada lineal, del tamiz que se
utiliza para tamizar. Por ejemplo: abrasivo de grano (mesh) 100 pasa a través del
tamiz n° 100 que tiene 1012 = 10201 agujeros por pulgada cuadrada, pero es retenido
por el n° 120 .
El diámetro de los agujeros, en dos tamices sucesivos varía con la razón
geométrica: (2)1/4 = 1,189. Los polvos con numeración superior a 280 se separan por
decantación. Además posee una tolerancia de tamaño de grano de ± 4 %.
En definitiva, podemos decir que las tres características fundamentales del
abrasivo son:
· Dureza
· Tamaño
· Borde s afilados
Aplicación
Para el mecanizado por chorro de agua abrasivo, la cantidad y carácter de las
partículas raspantes llegan a ser parte importante de la ecuación de productividad
donde el abrasivo realiza el 90 % del corte.
El granate (garnet) es el abrasivo más usualmente aplicado con los tamaños de
malla (mesh) que van del 36 al 150 (36, 46, 54, 60, 70, 80, 90, 100, 120 y 150),
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36
aunque más comúnmente en la gama 60 (Øpartícula ≈ 0,01in) a 100 (Øpartícula ≈ 0,005
in).
Otros tipos de abrasivos empleados son: sílice, óxido de aluminio (Alúmina),
carburo de silicio y nitruro de silicio.
Cuanto más duro sea el abrasivo, más rápido será el desgaste de la tobera.
Aumentando el caudal de agua y/o el caudal del abrasivo y el tamaño de grano del
mismo se producirá una mayor velocidad de corte. Pero, los granos raspantes menores
y las velocidades cortadoras más lentas mejorarán la calidad superficial del corte.
El tamaño más adecuado para cortar metal es de 60 a 80 (mesh).
Combinaciones distintas de tipo de abrasivo y metal de corte originan distintos modos
de remoción de material. Por ejemplo: el granate (garnet) y la alúmina (Al2 O3)
presentan igual poder cortante actuando sobre material dúctiles. Sin embargo, la
alúmina es mucho más efectiva que el granate en materiales quebradizos (fundición).
Características
Durezas:
· Granate (Almandina: Fe3 Al2 (Si 04)) = 1336 HV (7,5 [Mohs])
· Óxido de aluminio (alúmina: Al2 O3) = 1703 HV (9,0 [Mohs])
· Carburo de silicio (C Si) = 2988 HV
· Olivine ((Mg, Fe)2 Si O4) = (6,5 [Mohs])
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El abrasivo granate (garnet) es un mineral, silicato doble de un protóxido de
Al, titanio, hierro o cromo y de un sesquióxido de calcio, manganeso, hierro o
magnesio. Es de color rojo oscuro. Es muy frecuente en rocas metamórficas, producto
del metamorfismo de contacto de rocas calcáreas y dolomíticas.
En nuestra aplicación utilizaremos, de la familia de los granates (garnet), la
almandina.
Densidades:
· Granate (garnet) = 0,148 lb/in3
· Óxido de aluminio (alúmina: Al2 O3) = 0,137 lb/in3
· Olivine = 0,119 lb/in3
Selección
El abrasivo adoptado para este proyecto es el garnet, por las siguientes
razones:
Comparación con la Alúmina (Al2 O3), ésta es:
• De fácil adquisición en el mercado local.
• Posee mejores características cortantes.
• Se pueden generar mayores velocidades de corte (v).
• Produce un mayor desgaste de los componentes que estén a su paso
(menor vida útil de los mismos).
Con respecto al carburo de silicio, éste es:
• De elevado costo.
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El costo del abrasivo es el punto de mayor importancia en la selección del tipo
de abrasivo. Recordar: Caudal de abrasivo = 7,5. 10-3 lb/s = 0,45 lb/minuto = 27
lb/hora.
Parámetros fijados
Debemos recordar que durante el cálculo experimental del valor energético del
chorro de agua abrasivo, se fijaron los siguientes parámetros relacionados con el
abrasivo:
· Malla (mesh) = n° 80 => Øpartícula = 7,09 .10-3 in
· Q (caudal) = 7,5. 10-3 lb/s = 0,45 lb/minuto = 27 lb/hora.
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2.4 SISTEMA DE MEZCLADO DEL AGUA CON EL ABRASIVO
Como vimos en la etapa anterior, necesitamos de un caudal constante de
abrasivo (garnet) que se integre a la vena de fluido (chorro de agua) para poder
obtener los resultados deseados en el corte de la chapa de acero inoxidable
austenítico.
Ahora:
ρabrasivo = 0,148 lb/in3 = m / v
γabrasivo = 56,832 lbf/in3
Qabrasivo = 7,5. 10-3 lb/s
Øpartículas de abrasivo (malla (mesh) 80) = 7,09 .10-3 in
Volumen cada partícula =Π/ 6 x (7,09 .10-3 in)3 = 1,865 10-7 in3
Masa cada partícula = ρ abrasivo x Volumen cada partícula = 2,76 10-8 lb
[1] Caudal de partículas que circulan ≈
Qabrasivo / Masa cada partícula = 271695 partículas de garnet / segundo
A continuación se irán desarrollando alternativas sobre sistemas de mezclado
del agua y del abrasivo, hasta dar con la más adecuada.
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2.4.1 ESTUDIOS DE LAS DIFERENTES ALTERNATIVAS
Alternativa 1: Mezclado por gravedad
Figura n° 2.9: Mezclado por gravedad Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
Como se puede observar en la Figura n° 2.9, el sistema consta de las
siguientes partes:
1) Tolva con abrasivo
2) Conducto de transporte del abrasivo
3) Válvula reguladora del caudal
4) Conducto de mezcla (agua y abrasivo)
El ingreso del abrasivo al flujo de agua se produce por la caída del mismo,
desde la tolva que lo contiene, al conducto de mezcla. Esto se debe al peso del
volumen de abrasivo contenido en la tolva que hace las veces de fuerza de empuje.
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41
La válvula intermedia sería la encargada de regular el caudal deseado de
abrasivo. Este sistema es de construcción muy sencilla y económica, pero no es
posible obtener un caudal constante con precisión. Debido a la elevada presión
existente en el conducto (4) de mezcla (15.500 psi), al abrir la válvula (3), el depósito
de abrasivo estará sometido a dicha presión (fuerza ascendente).
P = F / A => F = P x A
A = π x Ø22 / 4 = 0,031 in2
Donde:
· P = presión que genera la bomba de agua [psi]
· F = fuerza ascendente [lb]
· A = sección transversal del conducto (2) [in2]
· Ø2 = diámetro del conducto (2), adopto = 0,2 in
F = 486 lb => El contenido de abrasivo en la tolva debe ser superior a los 486
lb para que éste comience a descender por gravedad. Además, el agua se mezclará
con el abrasivo dentro del conducto de transporte del abrasivo (2) y no en el conducto
de mezcla (4), debido a la presión que el fluido tiene. Lo cual traerá como
consecuencia una dosificación muy difícil de medir y de controlar. Por lo tanto, este
sistema queda descartado por resultar sumamente imprecisa la dosificación.
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42
Alternativa n° 2: Mezclado por gravedad a igual presión
Ésta es una alternativa mejorada de la anterior, la tolva se encuentra cerrada y
a la misma presión (presurizada) que el conducto de mezcla (Figura n° 2.10) por
medio de un conducto (5) que los intercomunica.
Figura n° 2.10: Mezclado por gravedad a igual presión Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
En este sistema no se necesitará contar con un volumen mínimo de abrasivo
en la tolva para que éste comience a caer (por gravedad). Además, la dosificación no
se verá afectada por el nivel de abrasivo existente en la tolva. En la alternativa n° 1 al
bajar el nivel en la tolva, el caudal de abrasivo disminuye a medida que desciende la
fuerza de empuje, por lo tanto de debe corregir con la apertura de la válvula (3). Pero
lamentablemente seguimos teniendo serios problemas para lograr un control preciso
del caudal de abrasivo que se dosifica en la vena de fluido. Por lo tanto esta
alternativa queda también descartada.
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Alternativa n° 3: Mezclado por efecto Venturi
El efecto Venturi consiste en producir un estrechamiento en el conducto con lo
cual se logra un aumento en la velocidad:
(Figura n° 2.11) A2 << A1 (Q = A x V) => V1 << V2
Lo que hace que la presión disminuya considerablemente: P1 >> P2 (teorema
de Bernoulli) hasta valores aun menores que la presión atmosférica (vacío).
Figura n° 2.11: Mezclado por efecto Venturi Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
Por lo tanto se producirá la succión del abrasivo en el punto B. Aquí el método
de mezcla es muy eficiente y de bajo costo constructivo, pero persisten dos problemas
que venimos acarreando de las alternativas antes vistas:
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44
1) El control de la dosificación de la válvula (3) sigue siendo impreciso (recordemos
que estamos hablando de un caudal de tan solo 7,5. 10-3 lb/s).
2) La mezcla agua - abrasivo resulta ser sumamente erosionante para las paredes del
conducto de mezcla, más aun en la zona de succión (B) como consecuencia del
aumento de velocidad. Esto traerá como consecuencia la reducción de la vida útil del
conducto de mezcla (con el dispositivo de Venturi en su interior) y su permanente
reposición. Nuevamente nos resulta imprecisa la dosificación y un elevado costo en
trabajo, descartamos esta alternativa.
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Alternativa n° 4: Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura"
Figura n° 2.12: Dosificación por tornillo y conducto de mezcla con tobera de agua "pura" Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
Consta de las siguientes partes:
1) Tolva con abrasivo
2) Tornillo dosificador
3) Motor eléctrico (accionamiento del tornillo)
4) Cámara de mezcla y aspiración (de vacío)
5) Conducto de aspiración
6) Tobera de agua "pura"
7) Tubo mezclador
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El abrasivo contenido en la tolva (1), cae por gravedad al compartimiento en
donde se encuentra el tornillo de dosificación (2). Este se encuentra accionado por un
motor de Corriente Alterna (AC), provisto de un variador de velocidad para poder
regular el caudal de abrasivo aportado.
En esta alternativa se procuró resolver los problemas surgidos en las
anteriores, por ejemplo:
a) La dosificación se podría controlar mejor por medio de un tornillo de transporte y
un motor con variador de velocidad incorporado. Se mantiene el sistema de llenado
de la cámara (2) por medio de gravedad.
b) El desgaste prematuro de la cámara de mezcla y aspiración y, posteriormente de la
tobera; se resolvió tratando de minimizar el contacto entre el chorro de agua abrasivo
y las paredes de la cámara y de la tobera (desde ahora se deberá llamar tubo
mezclador). Para ello se coloca una tobera de agua "pura" (se la denomina así para
diferenciarla de la tobera para chorro de agua abrasivo, ya que no circula por su
interior abrasivo alguno), antes del conducto de aspiración (Efecto Venturi,
mantenemos el método empleado en la alternativa anterior, es decir el abrasivo es
succionado por la depresión creada). Con lo cual tenemos un fino chorro de agua (a
alta velocidad, ya que la tobera transformó la energía de presión en energía de
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47
velocidad), atravesando la cámara de mezcla y aspiración sin contacto alguno con la
misma.
Para el material de construcción de la tobera de agua se suele utilizar el Zafiro
(corindón (cerámico) que contiene entre 70 y 90 % de alúmina, que presenta un color
azul) con una vida útil de aproximadamente de 200 hs (agua correctamente filtrada) o
de 34 hs (agua sin filtrar), pero la de diamante presenta una mayor vida útil (hasta 10
veces más).
El tubo mezclador va recibir un estudio profundo en la próxima etapa, aquí el
desgaste es más pronunciado que en la tobera de agua "pura" y que en la cámara de
vacío, debido a la dispersión que comienza a experimentar con la distancia recorrida
el chorro de agua abrasivo. El material de construcción puede ser carburo de
tungsteno (vida útil de aproximadamente 10 hs), pero los material compuestos
(carburos + fibras) extienden la vida útil (hasta las 90 hs aproximadamente), por su
elevada resistencia a la abrasión.
Por lo tanto, aquí hemos dado con un conjunto ideal para la problemática del
desgaste, a éste conjunto lo denominaremos: Cabezal abrasivo. El mismo está
compuesto por módulos desmontables, para permitir su posterior reemplazo debido a
su desgaste. Sus componentes son (siguiendo la dirección del flujo):
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a) Tobera de agua "pura" (6)
b) Cámara de vacío (efecto Venturi) (4)
c) Tubo mezclador (7)
El diámetro de la tobera de agua está por lo general dentro del siguiente rango
de medida: (0,01 - 0,022) in. Por otro lado este diámetro debe ser compatible con el
diámetro de salida del tubo mezclador.
Por ejemplo:
1) Una tobera de agua de diámetro grande con un tubo mezclador de diámetro (de
salida) pequeño, producirá acumulación de agua en la cámara de mezclado y mojado
de la vía de entrega del abrasivo provocara disminución del suministro de abrasivo.
2) Caso inverso. Una tobera de agua de diámetro pequeño con un tubo mezclador de
diámetro (de salida) grande, no permitirá lograr un correcto enfocado del chorro de
agua abrasivo sobre el material de trabajo.
Normalmente la relación entre las medidas del diámetro de la tobera de agua y
el diámetro (de salida) del tubo mezclador, está comprendida entre: 0,3 - 0,4. En
nuestro caso adoptamos:
· Diámetro tobera de agua = 0,01 in
· Diámetro (de salida) tubo mezclador = 0,0315 in (adoptado anteriormente: [1])
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Por lo tanto la relación: 0,01 / 0,0315 = 0,317 => está dentro del rango usual
(0,3 - 0,4).
A pesar de haberse resuelto un problema importante como es el desgaste
prematuro, sigue existiendo el problema de la falta de precisión en el caudal de
abrasivo aportado a la vena de agua. Además se presenta el inconveniente de que el
tornillo no puede trabajar completamente lleno, por lo que se produciría el
atoramiento del tornillo. Por lo tanto el nivel máximo, del material por desplazar en
su interior, no deberá superar su eje de giro.
Este tornillo es un simple elemento transportador de material, estando muy
lejos de lograr un caudal constante. Alternativa descartada.
En las sucesivas alternativas se enfocan en encontrar la mejora del
dispositivo dosificador para resolver el problema presentado.
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Alternativa n° 5: Regulación manual del caudal
Figura n° 2.13: Regulación manual del caudal Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003 Este sistema consta de las siguientes partes:
1) Tolva con abrasivo
2) Placa fondo de la tolva
3) Placa componente del sistema regulador de caudal
4) Placa deslizante componente del sistema regulador del caudal
5) Tornillo regulador del caudal
6) Precámara
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7) Conducto de aspiración (tubo flexible Ø = 0,3 in)
9) Cabezal abrasivo: Tobera de agua, cámara de vacío (efecto Venturi) y tubo
mezclador.
El abrasivo se encuentra en la tolva a presión atmosférica, al abrirse la válvula
reguladora de caudal, por medio del tornillo (5), se produce una diferencia de presión
entre la tolva y la cámara de vacío que hace circular el abrasivo hacia dicha cámara.
Al abrir más la válvula manual (5), mayor será el paso de abrasivo (aumenta el caudal
de abrasivo). Ahora, para obtener el caudal de abrasivo deseado se deberá realizar un
estudio experimental del sistema y fijar la apertura de la válvula en la posición
correcta. Para ello se coloca a la salida del tubo mezclador (conectado en forma
hermética) un recipiente que será el encargado de contener el abrasivo extraído. A
dicho recipiente se le conecta, también en forma hermética y con un tamiz intermedio
para que no permita el paso de las partículas de abrasivo (malla mayor de 80), un
generador de vacío (tubo Venturi) graduado a la depresión que generaría el chorro de
agua a la salida de la tobera.
Así, luego de transcurrido un cierto tiempo en operación, se realizará la medición del
peso de abrasivo extraído. Los ensayos se seguirán realizando hasta dar con la medida
de caudal deseado (7,5.10-3 lb/s).
Aquí se llega a obtener un caudal preciso de abrasivo, luego de efectuado el
ensayo. Pero este sistema no es preciso (se debe desarrollar un sistema con la mayor
certeza de su correcto desempeño, luego sí podrá sufrir ciertas correcciones propias
de la experiencia). Alternativa descartada.
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Alternativa n° 6: Regulación por medio de un caudalímetro
Como se puede ver en la Figura n° 2.14 se le ha agregado en el conducto de
aspiración un caudalímetro (medidor de caudal, referencia n° 8), con lo cual
tendremos una medición permanente del caudal de abrasivo que circula por su
interior.
Figura n° 2.14: Regulación por medio de un caudalímetro Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
Ahora, por lo investigado: no existe un caudalímetro capaz de medir con
exactitud un flujo de partículas del tamaño que nos acontece (Ø = 7,09.10-3 in).
Alternativa descartada.
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Alternativa n° 7: Dosificación por medio de placa orificio
La Figura n° 2.15 representa esta nueva alternativa. Sus componentes principales son:
Figura n° 2.15: Dosificación por medio de placa orificio Fuente: Libro Informático AWJC, Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Universidad Nacional de Rosario – Sta
Fé Argentina, junio del 2003
1) Tolva con abrasivo
2) Placa orificio (d = diámetro del orificio de pasaje del abrasivo)
3) Cámara de vacío, efecto Venturi (componente central del cabezal abrasivo)
4) Cámara intermedia
5) Conducto de aspiración
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Aquí debemos determinar, mediante cálculos, el diámetro (d) que debe tener
la placa orificio (2) para lograr mediante un valor de depresión DP (efecto Venturi en
la cámara de aspiración o vacío (3)), un caudal constante de abrasivo. Para lo cual
suponemos un fluido homogéneo.
DPtotal = DPA-B + DPB-2
a) DPA-B depresión necesaria para extraer un caudal constante de abrasivo de la tolva,
a través de una placa orificio de diámetro d. Lo calculamos como un depósito que se
está vaciando.
[2] VB = Cv x (( DPA-B / γabrasivo + h ) x 2 g )1/2
Suponemos un contenido de 52 lb de abrasivo en la tolva (1), correspondiente
a 2 horas de trabajo aproximadamente (7,5.10-3 x 60 s/min x 60 min/hora x 2 = 27
lb/h ).
Volumen de la tolva = Π x h / 12 x (D12 + D1 x D2 + D2
2)
Para D1 = 11 in y D2 = 2,4 in => h = 10 in
Cv = coeficiente de velocidad ≈ 0,6
Luego, Q = VB x A;
A = Π x d2 / 4
[3] VB = Q / (Π x d2 / 4)
Considerando una dispersión de partículas de abrasivo en aire (≈ 20 % de
abrasivo + 80 % de aire) tenemos:
Qtotal (para obtener 7,5.10-3 lb/s o 27 lb/h)
[4] Qreal = Qtotal x Cc
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Donde:
Cc = coeficiente de contracción (placa orificio) ≈ 0,4
Cv x Cc = Cd = coeficiente de descarga
DPA-B = { [ (Qreal x 4 / (Cv x Π x d2))2 / (2 g)] – h} x γabrasivo ([2], [3] y [4])
Para un d ≈ 0,16 in => DPA-B ≈ -568 psi.
De [2] VB = 1,2477 in/s
b) DPB-2 = necesario para el transporte neumático de las partículas.
Øconducto de aspiración ≈ 0,2 in
F = m x a = fuerza a la cual está sometida cada partícula de abrasivo
m = 2,76 10-8 lb / 271695 partículas = 1,02 . 10-13 lb/part
a = V / t = X / t2 => t = X / VB,
X = longitud necesaria del cilindro mezcla (aire + abrasivo) para una dispersión de 20
% de abrasivo + 80 % de aire ≈ 0,08 in. Por lo tanto:
t = 0,064 s
F = 1,98 . 10 –12 lbf
Ftotal = F x 271695 partículas = 5,38 . 10-7 lbf
Presión = Ftotal / ( Π x Ø2Conducto de aspiración / 4)
DPB-2 = 1,71 .10-5 psi
DPtotal (necesaria para obtener un caudal de 7,5. 10-3 lb/s de abrasivo) ≈ 568 psi
Y como el flujo no es homogéneo, se adopta un diámetro de placa orificio un
poco mayor => d = 0,2 in. Con lo cual ésta resulta ser la alternativa más conveniente
al garantizar precisión en el caudal de entrega a un bajo costo.
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56
Valores característicos de la mezcla agua - abrasivo
Ahora, analizando la Figura n° 2.15 (cabezal abrasivo), podemos realizar los
siguientes cálculos.
Aplico Bernoulli entre el punto 1 y el 2:
P1 / γagua + V12/ 2g = P2 / γagua + (V2real / α )2 / (2g)
Recordar que α = coeficiente de eficiencia de la tobera = 0,6 - 0,7. Adoptamos = 0,65.
V2real = {[ ( P1 - ( - P2 ) / γagua ]x 2g }1/2 x α =>
V2real = {[ ( 15500 psi + 568 psi ) / 13,94 lbf/in3 ] 2 x 384 in/s2 }1/2 x 0,65
V2real ≈ 12000 in/s = 304 m/s = 1097 km/h
Q = V2 x A = 12000 in/s x Π x ( Øtobera )2 / 4
Donde:
Qagua = caudal de agua que deberá entregar la bomba de alta presión.
A = sección del chorro de agua
Øtobera = 0,01 in
Qagua = 0,94 in3/s = 0,92 litros/minuto = 3,39 10-2 lb/s
Cabe señalar que por los experimentos realizados por los laboratorios de los
fabricantes de boquillas de corte y tubos mezcladores, se pudo establecer que la
velocidad adquirida por el abrasivo generalmente (en el tubo mezclador) es un 70 %
de la velocidad del chorro de agua "pura".
Vpartículas de abrasivo = 0,7 x V2 = 8400 in/s ≈ 770 km/h
También tenemos: V3 = φ x V2 / ( 1 + Qabrasivo / Qagua )
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57
Donde: · V3 = velocidad del chorro de agua abrasivo a la salida del tubo mezclador
· Qabrasivo = 7,5. 10-3 lb/s
· Qagua = ρagua x Q = 0,0361 lb/in3 x 0,94 in3/s = 0,034 lb/s
· φ = coeficiente de transferencia de energía = 0,6 - 0,7 (adoptó = 0,65)
V3 = 0,65 x 12000 in/s / ( 1 + (7,5. 10-3 lb/s / 3,4 10-2 lb/s)) = 6387 in/s = 584 km/h Además:
Qtotal = Qabrasivo + Qagua = 0,0415 lb/s
Donde el agua ocupa el 82 % y el abrasivo el 18 % restante.
A pesar de contar con esa diferencia de masa a favor del agua, el 90 % del
poder cortante se debe a la acción erosiva (microvirutaje) del abrasivo. Es
aproximadamente inversamente proporcional al contenido de masa.
El proyecto se comenzó con la idea de realizar el corte, de láminas de acero
inoxidable austenítico de hasta ½” de espesor, por medio de la energía cinética de un
chorro de agua. Pero la energía contenida era muy escasa debido a su baja densidad.
Entonces se aumentó su densidad agregando otras partículas al fluido, pero la energía
seguía siendo escasa. Luego se propuso introducir a la vena líquida partículas de
elevada dureza que erosionaran al material produciendo el llamado microvirutaje del
mismo. Con lo cual el agua, que en el principio iba a ser el elemento encargado de
efectuar el corte, pasó ahora a cumplir una tarea secundaria en este proceso de
maquinado.
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58
2.5 TUBO MEZCLADOR
Este elemento, cuyo proceso principal que se lleva a cabo en su interior es el
de acelerar las partículas de abrasivo (recordar lo visto en la etapa anterior: las
partículas de abrasivo alcanzan a desarrollar un 70 % de la velocidad del chorro de
agua "pura") y enfocar la mezcla abrasiva en su salida hacia la lámina a cortar.
Ya que en esta pieza, como su nombre lo indica, es donde se produce la
mezcla del agua con el abrasivo, este tubo está sometido a un importante proceso
erosivo por parte de las partículas de abrasivo que chocan contra las paredes
interiores del mismo. Por tal motivo el diseño del perfil interior y el material escogido
deben ser los ideales para prolongar lo máximo posible su vida útil. El material
mayormente utilizado por los fabricantes de tubos mezcladores debido a las
condiciones de trabajo, es el carburo de tungsteno.
2.5.1 Carburo de tungsteno (WC)
A este material se lo denomina carburo cementado, es un material formado
con partículas de carburo muy finamente divididas, cementadas de manera conjunta
por un metal o aleación del grupo hierro, formando así un cuerpo de muy alta dureza.
Los carburos cementados se manufacturan mediante las técnicas de la
Metalurgia de Polvos. El proceso consiste, esencialmente, en preparar los polvos de
tungsteno y aglutinarlo con polvo de cobalto, presionando el polvo mezclado y
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59
compactándolo hasta obtener la forma deseada; o sinterizando las formas presionadas
para lograr la consolidación.
Los polvos mezclados se forman de las maneras deseadas mediante presión en
frío, seguida de una sinterización; o por medio de presión en calor, durante la cual la
presión y la sinterización se hacen al mismo tiempo. Las presiones utilizadas durante
la presión en frío varían entre 5 y 30 ton/in2, dependiendo del tamaño y la forma del
material compacto. El sinterizado se efectúa a temperaturas entre 1371 °C y los 1482
°C durante 30 a 60 minutos. A estas temperaturas, el cobalto forma un eutéctico con
los carburos, el cual se convierte en el material aglutinante. Después del enfriamiento,
el material compacto sinterizado tiene sus propiedades finales, ya que no responde a
ningún tratamiento térmico conocido. Los carburos están presentes como granos
individuales y también como una red finamente dispersa resultante de la precipitación
durante el enfriamiento del carburo disuelto en el cobalto durante el sinterizado.
La micro estructura afecta la dureza y la resistencia. El tamaño de las
partículas de carburo (granos), su distribución y porosidad, y la calidad del enlace
entre los cristales de cobalto y carburos son factores importantes. Al aumentar el
tamaño de grano del carburo de tungsteno disminuye la dureza, porque los más
suaves "lagos" de cobalto, esparcidos entre los granos, también son más grandes, lo
cual se ve en la Figura n° 2.16 para una aleación con 94 % de WC y 6 % de cobalto.
La dureza disminuyó de Rockwell A 93 a 92 y a 91, conforme el tamaño de grano de
WC pasó de fino a intermedio y a grueso.
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Figura n° 2.16: Carburo cementado, 94 % WC, 6 % Co. El tamaño del grano de WC es fino en a), intermedio en b) y grueso en c). La dureza disminuyó desde Rockwell A 93 en a) hasta
92 en b) y 91 en c). Atacado químicamente en reactivo de Murakami, 1500x. Fuente: Introducción a la metalurgia física, Segunda Edición, Autor: S. Avner, Editorial Mc Graw Hill.
Se consumen más carburos cementados para cortar metales que para cualquier
otro tipo de aplicación. Debido a su capacidad para mantener un borde de corte
afilado, los tipos de carburo de tungsteno puro son virtualmente los únicos materiales
para herramientas utilizados con el fin de cortar diversos materiales abrasivos, como
fibra de vidrio y resinas de fenol. Los carburos que tienen la más alta dureza también
se emplean para maquinar hierro fundido blanco a Rockwell C 60. Los carburos
cementados se utilizan para taladros, escariadores, herramientas para maquinar
diámetros interiores y careado, y sierras para el maquinado de metales y de no
metales. Las velocidades de corte y tubos de alimentación empleados con las
herramientas de carburo suelen ser más altas que las utilizadas con acero de alta
velocidad o estelita.
La dureza y la resistencia al desgaste de los carburos cementados los hacen
bien adecuados para perforar la tierra y para aplicaciones en la minería. En varios
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tipos de barrenas especializadas para taladrar en formaciones rocosas
extremadamente duras y abrasivas se utilizan piezas insertadas de carburo, en vez de
los convencionales dientes de acero de superficie dura. También tienen aplicaciones
en el revestido de los martillos de forjado y de las trituradoras de mandíbula, en las
acerías, en boquillas de chorro de agua abrasivo o de arenado, en calibradores de
forma de anillos y de macho y en bloques de calibración. Los troqueles de carburo
cementado se utilizan para el estirado en caliente de tungsteno y molibdeno y para el
estirado en frío de alambres, barras y tubos hechos de acero, cobre, aluminio y otros
materiales.
2.5.2 Otras Alternativas
Si empleamos como material el carburo de tungsteno compuesto (carburo +
fibras), su vida útil se ve prolongada hasta las 90 h. aproximadamente. En la
actualidad existen establecimientos que producen este tipo de tubos en ambos tipos de
materiales, en Internet encontramos, entre otros:
• Butterworth Jetting Systems Inc. (http://www.butterworth.com).
• Ingersoll-Rand (http://www.irwj.com/products/accessories).
• AQUA-DYNE (http://www.aqua-dyne.com/Products/Nozzles/)
• Omax Corporation (www.omax.com/maxjet_5_nozzle.htlm)
Ahora, el desgaste o fin de la vida útil del tubo mezclador (o acelerador de
partículas de abrasivo) se determina por inspección ocular del orificio de salida del
mismo o por apreciar un deterioro en la calidad superficial del corte.
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62
A continuación se desarrollará un resumen sobre el diseño y aplicación a
escala industrial de los tubos mezcladores, en los procesos de corte por chorro de
agua y abrasivos llevado a cabo por la Empresa Omax Corporation, WA. USA.
2.5.3 Diseño del perfil interior
El plano presentado a continuación es un diseño de los primeros tubos
mezcladores utilizados (Figura n° 2.17). Posteriormente se presenta el mismo diseño
pero de mayor longitud (Figura n° 2.18).
Figura n° 2.17: Plano de fabricación del tubo mezclador (1er diseño)
Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
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Figura n° 2.18: Plano de fabricación Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
La parte de mayor desgaste, en el cabezal abrasivo, es sin duda el tubo de
mezclado. Recordar que el caudal de partículas de abrasivos que pasan por su interior
es de 7,5.10-3 lb/s o 27 lb/h.
El mismo está sometido a dos fases o modos de desgaste (Figura n° 2.19):
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64
Figura n° 2.19: Modos de desgaste en el interior del tubo mezclador Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
1) En el comienzo del tubo (1/3 de su longitud) se produce la erosión por el impacto
de las partículas de abrasivo que inciden con un ángulo de ataque de
aproximadamente 36°.
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2) Aquí se produce la erosión por la fricción de las partículas de abrasivo que se
desplazan paralelas a la pared del tubo, siendo el desgaste mucho menor que la fase
anterior debido al bajo ángulo de ataque (entre 0° - 6°).
Es muy importante, para la vida útil del tubo mezclador, que exista una
perfecta concentricidad entre la tobera de agua y el tubo mezclador, de lo contrario la
duración del tubo será de escasos minutos (Figura n° 2.20).
Figura n° 2.20: Desgaste debido a dos casos de centrado deficiente (2 y 3) entre la tobera de
agua y el tubo mezclador. Caso n° 1, centrado correcto Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
Ahora, debido al fuerte desgaste que presenta este perfil (interior) del tubo
(Figura n° 2.21), los fabricantes se vieron en la obligación de mejorar los diseños
anteriores.
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66
Figura n° 2.21: Representación esquemática del proceso de desgaste que sufre este tipo de perfil
Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
La Figura n° 2.22 presenta el nuevo diseño (B), el cual se subdividió en 3 partes:
Figura n° 2.22: Nuevo diseño del tubo mezclador (diseño B)
Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
Parte UNO: Cono de entrada normal
Parte DOS: Agujero divergente para reducir el efecto erosivo.
Parte TRES: Cilindro para enfocar la mezcla agua-abrasivo en la pieza de trabajo.
Según pruebas realizadas por los fabricantes, pudieron observar, que durante
los primeros 5 - 10 minutos de trabajo se producía un incremento del diámetro de
entrada del tubo. Luego de transcurrido ese tiempo, el desgaste (siempre hablando en
la entrada) se hacía prácticamente nulo (Figura n° 2.23). También observar en esta
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67
figura como el desgaste del orificio de salida es proporcional (relación lineal) al
tiempo de empleo, aproximadamente de 0,7 mm (de diámetro)/hora.
Figura n° 2.23: Desgaste función del tiempo de trabajo. Material = B4C
Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
Por lo anteriormente indicado, realizaron un nuevo diseño (Figuras n° 2.24 y
2.25) con lo cual lograron:
Figura n° 2.24: Diseño (C) del tubo mezclador. A la derecha se puede apreciar los ángulos de impacto
Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
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Figura n° 2.25: Plano de fabricación del nuevo diseño
Fuente: Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html (julio 2003)
• Economía en su construcción, por su duración.
• Reducción del desgaste erosivo al disminuir los ángulos de impacto en la
entrada del tubo.
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Como mencionamos anteriormente estos tubos están estandarizados y se
pueden adquirir directamente con los fabricantes, la gran mayoría son compatibles
unos con otros
2.5.4 Tipos de Materiales de Construcción
Los requisitos primarios que debe reunir el tubo mezclador o acelerador de
partículas abrasivas son:
1) Alta resistencia al desgaste
2) Costo relativamente bajo
Los tubos de cobalto (Co) unido con carburo de tungsteno (WC) se
caracterizan por ser razonablemente duros y tener una excelente resistencia al
desgaste, sobre todo ante abrasivos de dureza moderada. Por lo tanto, este fue el
primer material empleado en los sistemas tradicionales de corte por chorro de agua y
abrasivo.
Luego se desarrollo con éxito un nuevo material para este tipo de aplicación:
carburo de molibdeno (Mo2C) unido con carburo de tungsteno (WC). Su desventaja
principal estaba en su elevado costo, aunque los tubos hechos del material anterior
duraban mucho menos que este.
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70
2.5.5 Propiedades de los materiales empleados en los tubos
mezcladores
1) Tubo cerámico normal basado en carburo de tungsteno con agregado de cobalto:
• Componentes químicos (%): W (87,7); C (5,8) y Co (6,1)
• Densidad de la mezcla: 0,535 lb/in3
• Dureza = 1650 ± 80 HV
2) Tubo cerámico basado en carburo de tungsteno con agregado de carburo de
molibdeno:
• Componentes químicos (%): W (87,7); Mo (5,8); C (6,2) y Co (0,08)
• Densidad de la mezcla: 0,524 lb/in3
• Dureza = 2880 ± 80 HV
Otro material utilizado para la construcción de los tubos mezcladores es el
carburo de boro (B4C), el cual presenta una mayor resistencia al desgaste para
ángulos de ataque menores de 35° (Figura n° 2.23). Pero este material no satisface
totalmente las demandas requeridas de resistencia al desgaste, por tal motivo se
desarrollaron materiales compuestos como carburo de boro (B4C) con diboruro de
titanio (TiB2), utilizando resina fenólica como elemento aglutinante.
Este último material compuesto demostró ser, en los ensayos experimentales,
el de mejor comportamiento ante el desgaste abrasivo. Aunque si el abrasivo utilizado
resulta ser alúmina (Al2 03), el material del tubo acelerador de partículas abrasivas
que mejores resultados manifestó (mayor vida útil) fue el B4C - C (5 %).
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Como podemos ver, si comparamos el primer diseño (Figura n° 2.17) con los
diseños: Figura n° 2.18, diseño B (Figuras n° 2.22) y C (Figuras n° 2.24 y 2.25), hay
un aumento de la longitud del tubo. Esto produce las siguientes ventajas:
1) Aumento de la vida útil.
2) Mejor aceleración de las partículas de abrasivo.
3) Mejor cohesión del chorro traduciéndose en una menor dispersión a la salida del
tubo, menor diámetro de acción del chorro sobre el material de trabajo (foco).
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2.6 BOMBA DE ALTA PRESION.
Por lo calculado en la sección 2.2, necesitamos una bomba capaz de entregar
agua a 15.500 psi de presión como mínimo. Además, el caudal de la misma (Sección
2.4) deberá ser de 0,94 in3/s.
Las bombas que cumplen con estas características son las de tipo volumétrica.
Pueden ser de émbolo (pistones) o rotativas. Las de émbolo desarrollan mayores
presiones de trabajo que las rotativas.
2.6.1 Bombas Volumétricas
Se clasifican en:
1) Bombas rotativas:
a) De movimiento rotante (bombas centrifugas):
• De paletas fijas: presión = 120 a 175 atmósferas; velocidad de giro = 500 a
1500 rpm; rendimiento máximo = 0,8.
• De paletas rotantes con doble excentricidad: presión = 120 a 175 atmósferas;
velocidad de giro = 500 a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,8.
• De paletas con simple excentricidad: presión = 100 a 175 atmósferas;
velocidad de giro = 500 a 1500 rpm; rendimiento máximo = 0,8.
b) De doble rotor:
• De tornillo: presión = 60 a 100 atmósferas; velocidad de giro = 1000 a 1500
rpm; rendimiento máximo = 0,75.
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73
• De engranajes internos: presión = 120 a 150 atmósferas; velocidad de giro =
1500 a 3500 rpm; rendimiento máximo = 0,7.
• De engranajes externos: presión = 120 a 175 atmósferas; velocidad de giro =
1500 a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,75.
2) Bombas de émbolos (pistones):
a) Excéntrica:
• De pistones en línea: presión = 250 a 1100 atmósferas; velocidad de giro =
1000 a 2000 rpm; rendimiento máximo = 0,8.
• De pistones radiales: presión = 200 a 300 atmósferas; velocidad de giro =
1000 a 2000 rpm; rendimiento máximo = 0,88.
b) De pistones axiales:
• De cuerpo inclinado: presión = 200 a 300 atmósferas; velocidad de giro = 500
a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,88.
• De placa inclinada (bombas rotantes): presión = 200 a 300 atmósferas;
velocidad de giro = 1000 a 3000 rpm; rendimiento máximo = 0,88.
Por todo lo descrito podemos determinar que el tipo de bomba que se adapta a
nuestro requerimiento es la de pistones en línea.
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74
2.6.2 Valores importantes a tener en cuenta en el diseño de una bomba
P = presión máxima de trabajo [psi]
V = cilindrada [in3/revolución] = (Π x Ø2pistón / 4 ) carrera del Pistón x n° de Pistones
n = velocidad de giro del elemento impulsor directo (árbol de levas o cigüeñal) [rpm].
ηb = rendimiento de la bomba.
ηm = rendimiento del motor.
ηt = rendimiento total = ηb x ηm.
Q = caudal [in3/min] = V x n x ηb [1]
N = potencia necesaria del motor eléctrico = Q x P / (ηt x 456,24).
2.6.3 Irregularidad del caudal
Las bombas de pistones presentan a causa de sus características constructivas
y funcionales, una oscilación más o menos marcada en el valor instantáneo del caudal
entregado. Para estos tipos de bombas, el caudal nominal dado por los catálogos o
calculados con la fórmula ([1]) es en efecto un caudal medio medido sobre una vuelta
entera. Analizando el funcionamiento instantáneo del caudal se puede notar que sufre
una oscilación tanto mayor y de frecuencia tanto más baja, cuanto menor es el
número de émbolos de bombeo que contribuyen a su distribución durante una vuelta
completa.
El caso límite está representado por una bomba de pistones provista de un
único elemento de bombeo de simple efecto, llamando ciclo de tiempo durante el cual
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75
el émbolo sube y baja (realiza dos veces su carrera) o el árbol de accionamiento de la
bomba (de un solo émbolo) cumple una vuelta completa. Se tendrá durante la mitad
del ciclo una fase útil de bombeo durante la cual el caudal instantáneo pasa de cero a
un máximo (período de empuje desde la cámara) para retornar a cero, mientras que
durante la otra mitad del ciclo el caudal permanece nulo a la salida de la bomba
(período de succión hacia la cámara).
Esta situación se representa en la Figura n° 2.26/b, diagrama n° 1. Ahora,
utilizando una bomba de dos pistones que intervienen con un desfasaje de medio ciclo
durante ambos semiciclos tendremos una fase útil, con una anulación de caudal solo
en el instante inicial y central del ciclo: situación representada por el segundo
diagrama de la misma figura.
Aumentando todavía el número de émbolos y disponiéndolos de modo que
durante un ciclo ellos intervengan a intervalos iguales de tiempo, se obtiene en la
conexión de envío de la bomba un caudal que es, instante a instante, la suma de las
contribuciones de varios elementos activos. Gráficamente esta situación está
representada por los restantes diagramas de la Figura n° 2.26/b, los que se nota que a
partir de tres émbolos el caudal resultante asume una característica más regular, es
decir, con una pulsación menos acentuada y de frecuencia más elevada, acercándose
cada vez más a una característica rectilínea.
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76
Figura n° 2.26: A) Diagrama del caudal instantáneo. B) Grado de irregularidad de las bombas
de émbolos Fuente: Documento enviado por la Empresa Aqua-Dyne, Houston, Agosto 2003
El comportamiento de una bomba, ya sea por las solicitaciones impuestas al
motor primario, como por la alimentación del actuador, es tanto mejor cuanto más
próxima a una recta esté la curva del caudal resultante.
El parámetro que da una indicación inmediata sobre el fenómeno ahora
descrito es el grado de irregularidad del caudal (G), que es la relación porcentual
entre la oscilación de caudal (expresado por la diferencia (Qmáx - Qmín)) y el caudal
medio sobre un ciclo completo:
G [%] = (Qmáx - Qmín) / Q0 x 100
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77
Admitiendo que los caudales instantáneos entregados por cada uno de los
elementos tengan características sinusoidales, los grados de irregularidad para las
bombas de distinto número de émbolos están indicados en la Figura n° 2.26/b al lado
de los respectivos gráficos de los caudales instantáneos. Se observa que es suficiente
pasar de la bomba de un solo pistón a aquella de tres pistones para que el grado de
irregularidad se reduzca en más de 20 veces.
Del examen de la misma figura se obtiene después otra consideración
interesante: para reducir G no es suficiente con aumentar el número de émbolos sino
que se necesita que tal número sea impar. Pasando de 3 a 4 pistones, el grado de
irregularidad en lugar de disminuir aumenta a más del doble; la bomba de 6 pistones
tiene el mismo grado de irregularidad que la de 3 pistones, con la única ventaja de
entregar un caudal doble. De este fenómeno se ocupa el gráfico indicado en la Figura
n° 2.26/a, donde G está representado por dos curvas distintas (2) y (3) para bombas de
pistones impares y pares. En el mismo gráfico la curva (1) indica el grado de
irregularidad de las bombas de engranajes, en función del número de dientes. Una
bomba de engranajes con 7 dientes tiene aproximadamente el mismo G que una
bomba de 4 pistones.
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78
2.6.4 Bomba de Pistones en Línea
Se trata de un tipo de bomba que no encuentra aplicación específica en
oleodinámica, pero sí en la hidráulica del agua a alta presión o en el sector de motores
térmicos (bombas a inyección para motores Diesel).
Los émbolos están dispuestos en un único plano con los ejes paralelos entre sí
y perpendiculares al eje del árbol de levas, el cual transmite su movimiento a los
émbolos (Figura n° 2.27).
Figura n° 2.27: Bomba de 3 pistones en línea, en disposición vertical.
Fuente: http://www.omax.com/about_tech_101.html, Agosto 2003
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79
Análisis de la Presión
La presión máxima que puede entregar una bomba de este tipo está
directamente relacionado con su parte constructiva, a mayor presión se deberán
emplear materiales de mayor resistencia. Ahora, el caudal de la bomba es función de
su cilindrada y de la velocidad de giro del elemento impulsor directo (árbol de levas o
cigüeñal).
Analicemos nuestro caso particular:
P1 = 15.500 psi P2 = -568 psi
A1 = Π x Ø12 / 4 A2 = Π x Ø2
2 / 4
Ø2 = 0,01 in
V2 = velocidad del agua [in/s] Q = A2 x V2
Si entre 1 y 2 (Figura n° 2.28) no hubiera restricción => P1 = 0 psi (manométrica).
Por lo tanto, la presión será función de la restricción al flujo de agua.
Figura n° 2.28: Restricción (tobera) Fuente: Elaboración Propia
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80
Aplicamos Bernoulli entre 1 y 2: P1 / g + V1
2 / (2 g) = P2 / g + V22 / (2 g) =>
P1 = [P2 / g + Q2 / (2 g) x ( 1 / A22 - 1 / A1
2 ) ] x g.
Por lo tanto:
Si A2 disminuye => P1 aumenta (pero A2 = cte).
Si Q aumenta o sea si las rpm aumentan => P1 aumenta.
Si Q es mayor de 0,94 in3/s => P1 será mayor de 15.500 => V2 será mayor.
Selección de la Bomba de Alta Presión.
Investigando en Internet, pudimos ubicar varios fabricantes de bombas de alta
presión a nivel mundial. Aunque muchos fabricantes producen bombas con la presión
requerida, solo uno de ellos proporciona una unidad de bombeo que se adapta a las
condiciones de diseño de nuestro proyecto.
Aqua-Dyne, modelos EK:
Esta empresa nos ofrece distintos modelos que cumplen con nuestros
requerimientos, entre ellos tenemos las bombas de modelos EK10-20000: con una
presión máxima de 20000 psi y un caudal máximo de 0,85 gpm, esta bomba cumple
con las condiciones de presión de trabajo mas se excede en el caudal. También
ofrecen el modelo EK20-20000 con 20000 psi de presión máxima y 1,5 gpm,
ocasionando el mismo inconveniente.
Por último ofrecen la unidad de bombeo, modelo EK 5 con un rango de
trabajo desde 2500 psi a 1,7 gpm, hasta 40000 psi aun caudal de 0,105 gpm.
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81
Rangos de trabajo del sistema de bombeo EK 5
Fig. 2.29 Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5
Fuente: http://www.aqua-dyne.com/Product/PumpingUnits (Agosto 2003)
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82
3. RESULTADOS Y ANALISIS
3.1 ESTUDIO FUNCIONAL DEL SISTEMA.
En esta etapa del proyecto se describen las características y funciones de cada
uno de los elementos que componen el circuito.
Circuito Al circuito lo podemos dividir en dos partes o subsistemas:
1) Bomba - Tobera: subsistema de energía de presión.
2) Tobera - chapa a cortar: subsistema de energía de velocidad (aceleración de
partículas abrasivas).
Diagrama Principal
Fig. 3.1 Diagrama Principal.
Fuente: Elaboración propia
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83
Descripción:
1) Filtro de agua (diámetro de partícula = 0,0177 a 0,02 in).
2) Sistema de Bombeo Aqua-Dyne Modelo EK 5
3) Componente de enlace: Tubo de acero inoxidable trefilado (Øext = 0,315 in,
Øint. = 0,2 in).
4) Válvula de seguridad y descarga
5) Manómetro.
6) Válvula solenoide (secundaria).
7) Acumulador de presión.
8) Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria)
9) Componente de enlace: Tubo de acero inoxidable trefilado articulado o tubo
flexible (ØN = 0,315 in).
10) Tolva de abrasivo (Capacidad 52 lb)
11) Componente de enlace: Tubo flexible, vínculo entre la tolva y la cámara de
aspiración (ØN = 0,236 in).
12) Cabezal abrasivo compuesto por:
a) Tobera de agua "pura". Diámetro = 0,001 in, material: Carburo de
Tungsteno.
b) Cámara de mezcla del agua y el abrasivo.
c) Tubo mezclador o de aceleración de partículas abrasivas. Diámetro (de
salida) = 0,315 in.
13) Lámina a cortar (acero inoxidable austenítico, espesor ½ in).
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84
14) Unidad colectora.
Componentes
3.1.1 Filtro
La pureza del agua utilizada para cualquier proceso de corte hidro-abrasivo
cumple un rol muy importante en la vida de algunos componentes crítico de la
máquina, así como el agujero de salida de la tobera, válvulas, sellos y pistones. La
mas afectada es la salida de la tobera de alta presión; para poder ejecutar un corte de
alta calidad, el orificio debe crear una corriente de alta calidad dirigida al centro de la
cámara de mezcla, por lo tanto los contaminantes en el agua pueden crear múltiples
problemas para el orificio. Estos contaminantes, pueden ser clasificados en dos
grupos: sólidos disueltos y sólidos suspendidos.
Las partículas en suspensión en el agua, impactan en el borde del orificio de
salida de la tobera produciendo astillones, acarreando como resultados mala calidad
de la corriente de agua, baja capacidad de corte y el acortamiento de la vida útil del
tubo mezclador. Las partículas disueltas pueden precipitar la solución en la entrada
del orificio, con el tiempo un anillo de este precipitado se va formando alrededor del
orificio, eventualmente una porción de este anillo puede llegar a romperse y dañar el
orificio e interrumpir el corte.
El agua que es demasiado pura también causa problemas en los componentes
de alta presión. Al ser el agua tan pura, existe un alto potencial de que esta disuelva
materiales con los cuales entra en contacto. Por lo tanto el excesivo tratamiento de las
aguas de trabajo puede deteriorar los componentes del sistema de alta presión.
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85
Como vemos debe existir un balance entre el agua pura y el agua no tratada.
Ultimadamente el costo del tratamiento del agua debe ser comparado con el
acortamiento de la vida de los componentes y la depreciación del equipo de corte. Las
aguas del servicio público siempre deben ser analizadas previo a la instalación de
cualquier sistema de corte con agua. Esto permitirá la elección e instalación de un
sistema de tratamiento adecuado, así que el requerimiento de tratamiento de agua
puede variar desde absolutamente nada, hasta simples filtros, pequeños suavizadores
de agua o incluso pequeños equipos de osmosis inversa.
3.1.2 Sistema de bombeo Aqua-Dyne EK 5
Este sistema de bombeo es fabricado por la Empresa Aqua-Dyne cuyas
características de trabajo se mencionaron en la sección 2.6.4 página 81-82 y también
están descritas en el Apéndice.
3.1.3 Componentes de enlace
Hasta la válvula solenoide de bloqueo (Figura n° 3.1, componente n° 8) se
utiliza un tubo de precisión de acero inoxidable sin costura trefilado en frío, al cual se
lo somete a un tratamiento térmico de recocido para garantizar la plasticidad
necesaria y así poder obtener la deformación en frío (curvado) sin llenado de arena
(Figura n° 3.1, componente n° 3). También descritas en el Apéndice.
Datos característicos del componente n° 3 · Øext. = 0,5 in
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86
· Øint = 0,2 in
· Pmáx = 40.000 psi
· Presión de trabajo = 15.500 psi
3.1.4 Válvula de seguridad y descarga. Válvula solenoide de
Bloqueo (Principal)
Cuando se desee terminar con la acción cortante (flujo de agua y abrasivo), se
accionará esta válvula.
Elemento de Seguridad del Circuito
Al accionarse la válvula solenoide de bloqueo (cierre del paso de agua hacia el
cabezal abrasivo), la presión del circuito (hasta esta válvula) se elevará, por lo tanto
será necesario colocar una válvula que ponga un límite a la presión.
Con esto se evitan los daños a los componentes y a las tuberías que podrían
derivar de un aumento incontrolado de la presión, de por sí particularmente fácil en
todos los circuitos que contienen un líquido.
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87
Alternativas 1) Válvula limitadora de presión (Figura n° 3.2): La válvula de acción directa emplea
como fuerza de contraste un resorte cilíndrico (3) que actúa contra un elemento móvil
de retención (cono (2)) que normalmente apoya sobre su asiento.
Figura n° 3.2: Esquema interno de una válvula limitadora de presión de acción directa
Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.
Una válvula de acción directa emplea como elemento móvil un cono solidario
a un pequeño pistón ubicado en su alojamiento correspondiente: cada movimiento del
cono proveniente de la entrada en funcionamiento de la válvula, determina también el
deslizamiento del pistón en su alojamiento ciego: entre éste y el exterior está previsto
un intercambio de aceite, que realiza la acción amortiguante sin la cual la válvula
mostraría una tendencia a las vibraciones con elevado ruido y con el peligro de dañar
otros componentes de la instalación debido a una oscilación persistente de la presión.
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88
Para disponer de una cierta elasticidad de uso, una válvula reguladora de
presión debe permitir un control de la presión de apertura dentro de un cierto rango de
valores. En las válvulas de acción directa, tal regulación se lleva a cabo variando la
fuerza de precarga mediante dispositivos de tornillo (4) comandados a llave o a mano.
En estas condiciones, el cono se encuentra sujeto a dos fuerzas que normalmente son
distintas; por un lado está la fuerza del resorte; por el lado opuesto actúa la fuerza
determinada por el producto de la presión del agua por la superficie activa del cono.
En el momento en que la segunda fuerza supera el valor establecido, el resorte cede y
el cono se levanta abriendo el pasaje hacia el tanque.
Entre los requisitos de una válvula del tipo descrito, además de la ausencia de
vibraciones, está la rapidez de reacción, que se traduce en un tiempo breve de
apertura (del orden de algunos centésimos de segundo); se requiere que la presión de
apertura no sea influenciada sensiblemente por el caudal y por la viscosidad, y que la
retención sea prácticamente perfecta.
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89
2) Válvula de seguridad y descarga (Figura n° 3.3): Este es un dispositivo necesario
en los sistemas con bomba. Cuando la bomba suministra el líquido de trabajo (agua)
al sistema, la válvula de descarga permanece cerrada, como se muestra en dicha
figura. Al cerrarse la válvula solenoide de bloqueo, la presión del sistema comienza a
elevarse hasta que el resorte (1) comienza a ceder por la acción del émbolo (6) con lo
cual se ponen en contacto el conducto (2) con el de impulsión.
Figura n° 3.3: Esquema interno de una válvula de seguridad y descarga
Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.
El agua llega al pistón (3), el cual desplazándose hacia arriba y comprimiendo el
muelle (4), abre la válvula de bola (5). Por lo tanto el agua proveniente de la bomba
pasa al desagüe y la presión de la misma se ve disminuida. Una vez abierta la válvula
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90
solenoide de bloqueo, la presión del sistema desciende; el resorte (1) baja el émbolo
(6), el émbolo (3) y la bola (5), la bomba retoma la presión de trabajo (15.500 psi).
Elección de la Alternativa mas Conveniente
En la primera alternativa descrita (Figura n° 3.4/1), al cerrarse el paso de agua
(t1) la presión de la bomba aumenta hasta que el resorte cede y produce la apertura de
la válvula. Aquí la presión de apertura (P2) se mantiene constante hasta que la válvula
de bloqueo se abra (t2) y la presión retome su valor de trabajo (P1).
Figura n° 3.4: Variación de la presión de trabajo de la bomba principal
Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la universidad Metropolitana, Pressure Control Valves. Basic Course in hydraulics Systems. Autor: Jack Kauffman, Director of technical training. Racine Hydraulics Inc.
En la segunda alternativa descrita (Figura n° 3.4/2), al cerrarse el paso de agua
(t1) la presión de la bomba aumenta hasta que se produzca el desplazamiento de la
bola de cierre (Figura n° 3.3, elemento n° 5). Aquí la presión de la bomba desciende
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91
(P3) y la del sistema (entre la válvula retorno y la válvula de bloqueo) permanece en
P2. Una vez abierta la válvula de bloqueo (t2) la presión de la bomba desciende
levemente (P4) y luego se eleva hasta el valor de trabajo (P1). Todo esto marca varias
ventajas respecto de la alternativa anterior. Al bajar la presión de la bomba (marcha
en vacío): a) Disminuye el consumo de energía por parte del motor eléctrico (menor
par)
b) Disminuye el desgaste de la bomba.
Por lo tanto seleccionamos la alternativa n° 2: válvula de seguridad y descarga.
Otras características
Si el corte del suministro de agua a la tobera se prolonga por más de unos
minutos (válvula solenoide de bloqueo cerrada), el motor eléctrico se detendrá.
Además, otra causa por el cual actúa este elemento de seguridad del circuito es la
progresiva obturación que va sufriendo con el uso, la pequeña tobera de agua (Ø =
0,01 in) debido al depósito de sedimentos producto de un incorrecto filtrado del
fluido.
3.1.5 Manómetro
Se colocará un manómetro (mide presión manométrica) para regular con
exactitud la válvula de seguridad y descarga y controlar la correcta presión del
circuito.
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92
3.1.6 Válvula solenoide (secundaria)
Esta válvula se abrirá con la parada de la Unidad de Bombeo (y se cerrará con
el arranque de la misma). Tiene como función, descargar la presión del acumulador,
para el caso de tener que iniciarse cualquier desmontaje de las líneas del circuito.
3.1.7 Acumulador de presión
A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en los sistemas hidráulicos no
pueden ser comprimidos y almacenados para su utilización en cualquier tiempo o
lugar. Cuando puede utilizarse, la ventaja de un acumulador consiste en suministrar
un medio de almacenar fluidos incompresibles bajo presión. Esto se consigue porque
cuando el fluido hidráulico, bajo presión, entra en la cámara del acumulador hace una
de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gas o eleva un peso.
Cualquier tendencia a disminuir que tenga la presión, a la entrada del acumulador,
hace que el elemento reaccione y obligue al líquido a salir.
En nuestro circuito el acumulador cumple con varias funciones:
1) Absorber las pequeñas variaciones de presión, consecuencia del caudal discontinuo
que entrega la bomba principal, haciéndola más constante.
2) Absorber los picos de presión debido al cierre brusco de la válvula solenoide de
bloqueo (Figura n° 3.1, componente n° 8).
3) Mantener el circuito (entre la válvula de retorno y la válvula solenoide de bloqueo)
a la presión de trabajo (15.500 psi), mientras la bomba principal trabaja a baja presión
(esta situación se produce cuando se cierra momentáneamente la válvula solenoide de
bloqueo).
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93
Descripción
Probablemente el acumulador más utilizado es el de la cámara cargada con un
gas inerte, generalmente nitrógeno seco. Puede utilizarse aire u oxígeno, siempre que
el fluido hidráulico no sea aceite (peligro de explosión). Un acumulador hidráulico
debe cargarse cuando está vacío de fluido hidráulico. Las presiones de carga de gas
varían en cada aplicación y dependen del intervalo de presiones de trabajo y del
volumen de fluido requerido en dicho intervalo. La presión de carga del gas no debe
ser inferior al 25 % (preferentemente al 33 %) de la presión máxima de trabajo. La
presión del acumulador varía en proporción a la compresión del gas, aumentando
cuando entra el fluido y disminuyendo cuando sale.
Clasificación 1) A superficie libre: aquí no existe ninguna separación entre el fluido hidráulico y el
gas. Se utiliza frecuentemente en máquinas de inyección y debe montarse
verticalmente. Es importante seleccionar una relación de volúmenes y presiones, de
tal forma que no sea utilizado más que un 65 % del fluido del acumulador, a fin de
evitar que el gas se descargue en el sistema.
2) De membrana o de vejiga: muchos acumuladores llevan incorporada una
membrana o vejiga de caucho sintético (Figura n° 3.5) que separa el gas del fluido
hidráulico. Como ciertos fluidos inflamables no son compatibles con las membranas o
vejigas convencionales, es importante seleccionar el material adecuado para las
mismas. El fluido en su interior puede variar entre el 25 % y el 75 % de la capacidad
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94
total, según las condiciones de funcionamiento. Trabajando fuera de estos límites, la
vejiga podría dilatarse o comprimirse demasiado, limitando su duración.
Figura n° 3.5: Acumulador de gas, de membrana o vejiga
Fuente: Guía de la cátedra de sistemas hidráulicas y pneumáticos. De la Universidad Metropolitana, Selection procedure for Hydraulics Accumulator, Louis Dodge, Consultant, New Richmond Ohio.
3) De pistón: otro método para separar el gas del fluido hidráulico es mediante un
pistón libre. Similar en construcción a un cilindro hidráulico, el pistón bajo la presión
del gas en uno de sus lados tiende a enviar afuera el fluido contenido en la cámara
opuesta. Aquí, también, la presión depende de la compresión y varía con el volumen
de aceite que hay en la cámara.
Adoptamos: acumulador de membrana. Gas: aire, presión x volumen = cte.
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95
3.1.8 Válvula Solenoide de Bloqueo (Primaria)
Cuando se desee terminar con la acción cortante (flujo de agua y abrasivo), se
accionará esta válvula.
3.1.9 Componente de enlace
Entre la válvula solenoide de bloqueo y el cabezal de mezcla (Figura n° 3.1,
componente n° 9) se puede utilizar un sistema de tubo de acero espiralado, articulado
o una combinación de tubo de acero inoxidable y tubo flexible. Este último está
constructivamente formado por doble malla de alta resistencia para soportar altas
presiones.
3.1.10 Tolva de abrasivo
Descrita anteriormente en la alternativa N° 7 de la sección 2.4 de la página 42.
3.1.11 Componente de enlace
Tubo flexible, este crea un vínculo entre la tolva y la cámara de aspiración
(ØN = 0,3 in).
3.1.12 Cabezal abrasivo
Descrita anteriormente en la sección 2.4 y 2.5 de las páginas 40 y 58
respectivamente.
3.1.13 Lámina a cortar
El diseño de este proyecto se basa en cortar láminas de acero inoxidable de ½”
de espesor, descrito anteriormente en la sección 1.4 de la página 11.
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96
3.1.14 Unidad colectora
Por debajo del plano de corte se coloca una unidad colectora de la mezcla
agua-abrasivo y material removido de la chapa cortada. En el interior de esta unidad
se pueden colocar bolitas de acero inoxidable o de aluminio, para absorber la energía
que aun contiene el chorro de agua abrasivo luego de traspasar la pieza de corte.
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97
3.2 CONTROL DE COORDENADAS
3.2.1 Sistemas de control
Limitaciones fundamentales para sistemas tradicionales de control
numérico.
Históricamente las máquinas de corte por agua y corte hidro-abrasivo han
utilizado sistemas de control numérico tradicionales empleando la conocida
herramienta de trabajo “G-code”. Sin embargo, existe un rápido distanciamiento de
esta tecnología por parte de los sistemas hidro-abrasivos, particularmente aquellos de
aplicaciones de corridas rápidas y de producción limitada. Los controladores G-code
fueron desarrollados para mover herramientas de corte rígidas, como fresadoras o
tornos. El avance para estas herramientas es generalmente constante a variada
solamente en incrementos discretos para esquinas y curvas. Cada vez que se desee
variar la velocidad de avance, se debe reprogramar la herramienta que utilice este
sistema automatizado.
Definitivamente las máquinas de corte con agua o corte hidro-abrasivo no son
herramientas de corte rígidas; utilizando una velocidad de avance constante se
producirá acabados superficiales deficientes tanto en las esquinas como en las curvas.
A demás al hacer cambios discretos en la velocidad de corte, también se producirá
cortes disparejos donde se produzca la transición. Por lo tanto los cambios en el
avance para las esquinas y curvas deben ser realizados suavemente y gradualmente,
con el avance determinado por el tipo de material a cortar, su espesor y la geometría
de la pieza.
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98
Fig. 3.6: Software de control numérico de la empresa Omax Corporation.
http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003
La base de los sistemas de control modernos es el control de algoritmos que
computen exactamente como debe variar el avance para geometrías y materiales
determinados para producir una pieza con un maquinado preciso. El algoritmo
determina las variaciones deseadas en el avance cada 0,0005 in a lo largo del corte
para producir piezas con acabados muy precisos. Utilizando el G-code para convertir
las velocidades de avance necesarias en instrucciones de control para los servo-
motores requerirá de muchísima programación y memoria del controlador. En cambio
los sistemas modernos utilizan el poder y la memoria de un PC para computar y
almacenar todas las velocidades de avance necesarias para la producción de una
determinada pieza, y dirigirla directamente a los servo-motores que controlan los ejes
de corte. Esto trae como resultado la producción de piezas mas precisas y mas fáciles
de crear que si se utilizara el sistema G-code.
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99
Estos programas se pueden adquirir fácilmente vía Internet o directamente con
los fabricantes de este tipo de máquinas.
Se puede incorporar un equipo de control numérico X - Y - Z con CAD -
CAM, para la realización de cortes según figuras previamente confeccionadas en un
módulo CAD.
Este programa descrito a continuación (Abrcalc.exe) obtenido en Internet nos
permite determinar (Figura n° 3.6), aproximadamente, los valores de velocidad de
corte lineal [pulgadas/min] y la potencia requerida por la bomba, luego de introducir
los siguientes parámetros:
Figura n° 3.7: Software aplicado al corte por chorro de agua y abrasivos
http://www.waterjets.org/abrasive_waterjet_software_downloads.html, Septiembre 2003
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100
• Material a cortar
• Espesor de corte [pulgadas]
• Presión de trabajo (bomba de agua) [psi]
• Caudal de abrasivo [lb/min]
• Diámetro tobera de agua [pulgadas]
• Diámetro (de salida) tubo mezclador [pulgadas]
En el mercado global se pueden obtener distintos software para el manejo de
este tipo de maquinarias.
3.2.2 Mesas de corte X – Y
Para poder fabricar piezas de precisión, un sistema de corte hidroabrasivo debe
tener una mesa de corte X -Y de precisión y sus respectivos sistemas de control de
movimiento. Las mesas se podrían dividir en cuatro categorías generales:
1. Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte.
2. Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.
3. Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.
4. Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte.
Cada uno de estos sistemas tiene sus ventajas y desventajas.
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Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte.
Este sistema es el mas comúnmente utilizado por los fabricantes de sistemas de
corte hidroabrasivo. La estructura que soporta el sistema de movimiento en los ejes
X-Y esta asegurada directamente al piso y esta separada de la mesa de corte y de la
unidad colectora. La o las cabezas de corte están montadas en una carrilera que
permita moverlas a lo largo de la viga que atraviesa la mesa. El puente grúa esta
soportado en cada extremo por un sistema de guía y es movido por tornillos sin fin,
ensambles de cremallera y piñón o correas localizadas en cada extremo. El
mecanismo del eje paralelo es operado por dos motores electrónicamente acoplados o
por un simple motor manejando un sistema mecánicamente acoplado.
Fig. 3.8 Sistema de puente grúa montado en el piso, separado de la mesa de corte
http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003
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Ventajas de este sistema:
• Fácil de manufacturar en un amplio rango de tamaños.
• Bien adaptado al uso de boquillas múltiples para grandes corridas de
producción.
• La mesa y unidad colectora pueden ser estructuralmente sencillas.
• Bien adaptado para configuraciones especiales de mesas requeridas para el
rápido manejo de materiales.
Desventajas del sistema:
• La instalación requiere de extremada delicadeza y técnicos hábiles y
especializados de manera de asegura que la mesa de corte y el puente grúa
estén debidamente alineados.
• La precisión de la piezas esta limitada debido al potencial de movimiento
relativo y vibraciones entre la mesa de corte y el puente grúa (en particular la
vibración del piso pude ser un problema).
• La precisión del sistema en general será afectada por movimientos a largo
plazo del piso, la alineación debe ser analizada periódicamente.
• Como la viga del puente grúa se mueve en ambos extremos, debe ser
utilizado un sistema electrónico o mecánico de muy alta calidad para asegurar
que ambos extremos se muevan de la misma manera, de lo contrario la
precisión se vera afectada.
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• Se le debe dar extrema atención al análisis y control apropiado de las
vibraciones de la mesa, puente grúa, y la estructura de soporte de la misma.
Es importante que estos sistemas sean evaluados para precisión dinámica
utilizando sistemas de medición dinámica a la máxima velocidad de corte,
puede que el sistema tenga una excelente precisión estática, pero pude tener
partes imprecisas debido a las vibraciones.
Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.
Este sistema es muy similar al anteriormente descrito, a excepción que las
guías del puente grúa están integradas a la mesa de corte. Como todo este sistema es
parte de una misma estructura el movimiento relativo no deseado se elimina
automáticamente. En este tipo de sistemas, el piso no es una parte vital del mismo.
Estos sistemas típicamente son mas precisos que la mayoría de los de puente grúa
separado de la mesa.
Fig. 3.9 Sistema de puente grúa integrado a la mesa de corte.
http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003
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Ventajas de este sistema:
• Bien adaptado al uso de boquillas múltiples para grandes corridas de
producción.
• Mejor precisión dinámica que el sistema anterior, debido a la desaparición de
movimientos relativos.
• La precisión del sistema puede ser mejorada directamente en la fábrica y no
requiere de larga instalación ni alineación.
• Se requiere menor superficie de instalación debido a la eliminación del marco
externo de soporte.
Desventajas:
• Su producción es más costosa que el sistema tradicional anteriormente
mencionado.
• La estructura de la mesa y la unidad colectora deben ser bastante
complejas para asegurar la alineación precisa de los rieles de las vigas.
• El cargar material en la mesa puede ser complicado porque la viga del
puente grúa puede interferir, a menos que la viga pude ser apartada
completamente.
• Como la viga del puente grúa se mueve en ambos extremos, debe ser
utilizado un sistema electrónico o mecánico de muy alta calidad para
asegurar que ambos extremos se muevan de la misma manera, de lo
contrario la precisión se vera afectada.
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• Se debe poner mucha atención al control de vibraciones en el puente grúa
para que la precisión dinámica no se vea afectada.
Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.
Este sistema utiliza un eje X montado en el piso, y un eje Y en cantiliver
montado en la viga del eje X. La cabeza de corte instalada en un carril en el eje Y. La
mesa de corte y la unidad colector ase encuentran completamente separadas de esta
estructura.
Fig. 3.10 Sistema en cantiliver montado en el piso, separado de la mesa de corte.
http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003
Ventajas de este sistema:
• Mejor acceso a la mesa de cortar debido a que la estructura de puente esta
separada de la mesa.
• Elimina la necesidad de un sistema de precisión dual requerido por un puente
grúa; la viga en cantiliver solo necesita ser movida en un solo extremo.
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• La mesa y unidad colectora pueden ser estructuralmente sencillas.
Desventajas del sistema:
• El eje Y esta limitado a una distancia aproximada de 5 pies, debido a
consideraciones estructurales.
• La viga en cantiliver debe ser cuidadosamente diseñada para controlar las
vibraciones o de lo contrario la precisión dinámica se verá afectada. En
sistemas grandes es requerido un sistema de absorción de vibraciones en el eje
Y. En este tipo de sistemas debe ser evaluada la precisión dinámica, ya que
este puede tener excelente precisión estática pero puede hacer partes muy
imprecisas debido a las vibraciones.
• La instalación requiere de extremada delicadeza y técnicos hábiles y
especializados de manera de asegura que la mesa de corte y la estructura estén
debidamente alineados.
• La precisión de la piezas esta limitada debido al potencial de movimiento
relativo y vibraciones entre la mesa de corte y la estructura. ( La vibración de
el piso en particular puede ser un problema)
• La precisión del sistema en general será afectada por movimientos a largo
plazo del piso, la alineación debe ser analizada periódicamente.
• No funciona bien para aplicaciones de múltiples boquillas, pero su
configuración puede ser posible.
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Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte
Este sistema emplea un eje X acomodado que esta estructuralmente integrado
al sistema de soporte utilizado para soportar el material a cortar. El eje Y en cantiliver
está montado en la viga del eje X.
Fig. 3.11 Sistema en cantiliver integrado a la mesa de corte
http://www.omax.com/about_tech_101.html, Septiembre 2003
Ventajas del sistema:
• Mejor precisión y por lo tanto piezas mejor fabricadas que el sistema anterior
porque el piso no es parte de la estructura y no existe movimiento relativo
entre las piezas.
• La precisión del sistema puede ser mejorada directamente en la fábrica y no
requiere de larga instalación ni alineación.
• Se requiere menor superficie de instalación debido a la eliminación del marco
externo de soporte.
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• Mejor acceso a la mesa de cortar debido a que la estructura de puente esta
separada de la mesa.
• Elimina la necesidad de un sistema de precisión dual requerido por un puente
grúa; la viga en cantiliver solo necesita ser movida en un solo extremo.
Desventajas del sistema:
• La estructura de la mesa y la unidad colectora deben ser bastante
complejas para asegurar la alineación precisa de los rieles de las vigas, y
por lo tanto mas costosas que el sistema anterior.
• El eje Y esta limitado a una distancia aproximada de 5 pies, debido a
consideraciones estructurales.
• La viga en cantiliver debe ser cuidadosamente diseñada para controlar las
vibraciones o de lo contrario la precisión dinámica se verá afectada. En
sistemas grandes es requerido un sistema de absorción de vibraciones en el
eje Y. En este tipo de sistemas debe ser evaluada la precisión dinámica, ya
que este puede tener excelente precisión estática pero puede hacer partes
muy imprecisas debido a las vibraciones.
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Factores a tener en cuenta en el diseño de cualquier sistema de calidad
Independientemente del sistema elegido, algunos factores deben ser tomados
en cuenta para todos los casos.
• Movimiento preciso tanto en el eje X como en el eje Y con sistemas de
movimientos servo conducidos sin juego en los sistemas de movimiento con
tornillo sin fin.
• Un sistema integral de amortiguación de vibraciones para unidades con
movimientos de la boquilla mayores de 30 in. en el eje más corto.
• Tratar de instalar el sistema de bombeo separado tanto de la mesa de corte
como del puente grúa para asegurar que no se transmitan vibraciones de la
bomba ni a la mesa ni a la boquilla de corte.
• Tablilla de soporte de material fácilmente reemplazable.
• Las guías de las correderas de los ejes, tornillos sin fin deben ser
correctamente sellados, para evitar recolectar polvo y viruta.
• Capacidad de llenar y vaciar rápidamente la unidad colectora para permitir
que tanto el material de corte como la viruta se hunda, minimizando el ruido y
el polvo.
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110
3.3 PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE
MAQUINADO HIDRO-ABRASIVO
En el proceso de corte por chorro de agua y abrasivo (Abrasive Waterjet
Cutting) intervienen los siguientes parámetros principales, para cortar una lámina de
½” de espesor:
• Presión de agua = 15.500 psi
• Caudal de agua = 0,94 in3/s
• Ø Tobera = 0,01 in
• Ø (salida) Tubo mezclador o acelerador de partículas abrasivas = 0,0315 in
• Distancia entre la salida del tubo mezclador y la lámina a cortar = 0,28 in
• Angulo de ataque (ángulo entre el eje del tubo mezclador y la lámina a cortar) = 90°
• Tipo de abrasivo: garnet (granate)
• Caudal de abrasivo = 7,5. 10-3 lb/s
• Øpartícula = 7,09 .10-3 in (mesh [malla] 80)
Estos son los principales parámetros que tienen una influencia directa sobre el
proceso de corte por chorro de agua abrasivo:
1) Si aumentamos la presión de la bomba, aumenta en forma lineal la profundidad de
corte.
2) Si aumentamos el caudal de abrasivo hasta un cierto valor (desde cero), el aumento
de la profundidad de corte es casi exponencial, luego pasa a cúbica y finalmente
inversa (atoramiento en el tubo mezclador).
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111
3) Un alto valor de caudal de abrasivo, proporciona un alto poder cortante, pero
ocasiona un desgaste más rápido del tubo mezclador. Esta relación no resulta ser
lineal. Ahora, un valor excedente (mayor de 1,6. 10-2 lb/s) reducirá la eficiencia del
mezclado y puede producirse un atascamiento en la línea de entrega y por lo tanto la
interrupción del proceso de corte.
4) Si aumentamos la velocidad de corte, disminuye la calidad superficial del corte y la
profundidad de corte.
5) Si aumentamos la separación entre el tubo mezclador (punto de salida) y la pieza a
cortar, disminuye la profundidad de corte.
6) El ángulo de ataque del chorro de agua abrasivo al material a cortar, resulta ser un
parámetro importante que afecta el proceso de maquinado. Normalmente es de 90°.
7) El tamaño de partícula de abrasivo influye sobre la terminación superficial y
profundidad de corte de la siguiente manera:
a) A mayor tamaño de partícula, se necesitara mayor distancia para lograr su
aceleración (por parte del chorro de agua) con respecto a la partícula de menor
tamaño. Al utilizar partículas de menor tamaño, obtendremos mayor velocidad
de proyección y una mayor cantidad de partículas que impactan sobre el
material a cortar, ocasionando mayor profundidad de corte que si se trabajara
con partículas de tamaño mayor.
b) A menor diámetro de partícula de abrasivo, se obtiene una superficie de
menor rugosidad.
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112
3.4 ESTUDIO APROXIMADO DE COSTO DE LOS COMPONENTES
DE LA MAQUINA
A) Elementos fijos: a) Sistema de Bombeo AQUA-DYNE EK 5: 8500 $ aprox.
b) Tubo de acero inoxidable trefilado AQUA-DYNE: 80 $/m.
B) Elementos intercambiables:
a) Tobera de agua "pura": material = zafiro, duración aproximada = 200 hs, costo =
$50
b) Tubo mezclador: material = carburo de tungsteno compuesto, duración aproximada
= 90 hs, costo =140 $ – 250 $, dependiendo del fabricante.
Costo de los elementos intercambiables: entre 190 $ y 300 $.
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113
CONCLUSIONES
Al iniciarse este proyecto se tenía la idea de hacer el estudio del sistema para
cortar láminas de acero inoxidable de ½” de espesor con agua a presión únicamente.
Luego de haber realizado los cálculos pertinentes pudimos darnos cuenta que era
físicamente imposible debido a las presiones extremas requeridas para realizar el
corte. Debido a esto nos vimos obligados a investigar sobre el corte hidro-abrasivo, y
procedimos a realizar los cálculos para llevar a cabo el corte mediante este proceso.
Notando así que todos los fabricantes de máquinas de corte con agua utilizan
abrasivos para facilitar el corte de los diferentes tipos de materiales y abaratar los
costos de mecanizado. Llevándonos así a investigar sobre los tipos de abrasivos y la
forma en que estos se deben incorporar al sistema para lograr el objetivo.
Además se realizó un estudio y análisis de cada uno de los elementos que
conforman el sistema, entre ellos filtro, sistema de bombeo, válvulas, acumuladores
de presión, mangueras, toberas, y tubos mezcladores con el objetivo de ver cual es el
papel que juega cada uno dentro del sistema.
Finalmente se hizo referencia a los distintos softwares utilizados que hacen
posible el correcto manejo de este sistema de maquinado. Así como también de los
distintos diseños de mesas de corte, a fin de tener una documentación completa para
introducir en el campo a personas o Instituciones interesadas en la construcción de
este tipo de equipo.
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114
Este sistema de corte presenta una serie de ventajas tales como:
• En el momento de efectuarse el corte, el agua se lleva consigo los restos de
material extraído.
• Las partículas del material son desprendidas por la gran energía del medio de
corte y finalmente son arrastradas por el curso del desague. Debido a esto se
impide la formación de polvo.
• El chorro de agua no desarrolla un alto calor durante el corte. La poca
temperatura que se desarrolla por la rotura de las partículas del material, es
evacuada inmediatamente por el chorro de agua, ya que este actúa como
refrigerante. Por lo tanto no hay Zona Afectada por el Calor (ZAC), no existe
posibilidad que se produzca un cambio en la estructura ni que se forme una
aureola en dicha zona.
• El material a cortar absorbe, durante el proceso de corte, muy poca humedad
porque la elevada velocidad del agua produce la rotura de las partículas en
fracción de segundos, no dando lugar a la absorción de humedad (cuando se
realice el corte de otro tipo de material: madera, cartón, etc.).
• No se forma rebaba (al no haber fusión del material).
• La terminación superficial obtenida es similar al de una pieza arenada.
115
BIBLIOGRAFIA
• Shigley, J. E. Mischke, C. R., Diseño en Ingeniería Mecánica, (5° Edición).
McGraw-Hill, México 1999.
• Gere y Timoshenko, Mecánica de Materiales, (2da Edición), Grupo Editorial.
Latinoamérica, México, 1984.
• Avner, S. H., Introducción a la metalurgia física, (2° Edición), McGraw-Hill.
• Flin/Trojan, Materiales de ingeniería y sus aplicaciones, McGraw-Hill.
• Victor Streeter, Mecánica de los fluidos, McGraw-Hill.
• Viejo Zubicaray Manuel, Bombas, Teoría Diseño y Fabricación (2° Edición),
Limusa.
• Guía de la cátedra de Sistemas Hidráulicos y Pneumáticos de la Universidad
Metropolitana:
o Louis Dodge, Selection procedure for Hydraulics Accumulator,
Consultant, New Richmond Ohio.
o Kauffman Jack, Pressure control valves, Basic Course in hydraulics
systems, Racine Hydraulics Inc.
o American National Standard Graphic Symbols for fluid Power
Diagrams, ANSI Standard Y32.10-1967.
o Catalogos de Equipos Racyne Hydraulics.
116
• Documento enviado por el Ing. Marcelo F. Bisciglia, Libro Informático AWJC,
Universidad Nacional de Rosario – Sta Fé Argentina, 2002.
• Documento enviado por el Ing. Ph.D. A. W. Momber , WOMA, Duisburg,
Alemania, Junio 2003.
• Documento enviado por la Empresa Aqua-Dyne, Houston, Agosto 2003.
Fuentes electrónicas:
http://www.ingersoll-rad.de
http://www.woma.com
http://www.waterjets.org
http://www.aqua-dyne.com
http://www.omax.com
http://www.globalspec.com
http://www.science.howstuffworks.com
http://www.flowlatino.com
http://www.flowcorp.com
117
Características del Sistema de Bombeo Aqua-Dyne EK 5.
Fluid Specifications Power Requirements Product Names
indicates an exact match
Max. Fluid Temperature
(F)
Max. Inlet
Pressure (psi)
Max. Outlet
Pressure (psi)
Max. Fluid
Viscosity (cps)
Max. Flow
(L/min)Power
RequirementsPower
Required (HP)
Plunger Options
Pump Size and Weight Description
Material Features Application/Material Options
Notes
EK5
40.000
0,9470
AC, DC, Gas, Diesel, Other
5,00
Multi
Weighs 119 lbs.
SS, Iron
Inlet, Leakproof,
Cont
Fluid, Power, Petroleum, Marine,
Military
Stainless Steel fluid cylinders,
three solid ceramic plungers,
3.5" stroke
MANGUERAS
Part Number
Hose ID (in.)
Hose OD (in.)
End Connector
(in.)
Min Bend
Radius (in.)
End Fitting OD (in.)
S20781-XX* .20 .50 3/8" HP 6.0 Tube Nipple 3/8" & 9/16" HP
.68
Type "M" Swivel 9/16" HP
.85
Female Swivel 1/4" & 9/16" HP
.85
Female Swivel 1/4" BSP
.85
• XX denotes the length of hose in feet.
MANGUERAS
Part Number
Hose ID (in.)
Hose OD (in)
End Connector
(in.)
Min Bend
Radius (in)
End Fitting OD (in.)
S20773-XX* .33 .61 9/16" MP 7 .95 S20774-XX* .50 .88 9/16" MP 8 1.13 S20074-XX* .80 1.3 1" MP 15 1.69
* XX denotes the length of hose in feet.
CORTE TRNSVERSAL DE BOQUILLA HIDRO-ABRASIVA
117
APENDICE
Con la introducción de Autoline™, Ingersoll-
Rand – lider del mercado en la tecnología
del corte por chorro de agua durante más de
cuatro décadas – ha desarrollado un cabezal
de corte que proporciona la mayor eficiencia
utilizando componentes de larga vida. Este
cabezal testado que puede adaptarse a otros
sistemas de corte más convencionales
proporciona una automática y exacta alinea-
ción del orificio de agua y el tubo focalizador.
El consistente haz del agua con abrasivo
revierte en un alto grado de repetibilidad así
como una destacable velocidad de corte. El
cabezal Autoline es particularmente eficiente
al no requerirse herramienta alguna para la
sustitución de consumibles.
Características de Autoline™
• Orificio y focalizador prealineados eliminan
tiempos de preparación manteniendo un
preciso punto centro de herramienta (TCP),
y asegurando un efectivo haz de corte.
• El sistema patentado de montaje de la
boquilla sin necesidad de herramienta algu-
na, permite una rápida sustitución de orifi-
cio y focalizador, sin necesidad de desco-
nectar la manguera de abrasivo.
• AutolineTM utiliza para el corte con abrasi-
vo el mismo orificio que el usado para corte
de agua pura. Solo se necesita cambiar de
tuerca
• Montaje del orificio sin fricción asegurando
la repetibilidad y alineación precisa.
• Sólo tres consumibles: orificio, cámara de
mezcla y focalizador. Todos ellos fabricados
en materiales de larga vida reduciendo
costes e incrementando la productividad.
• La cámara de mezcla de larga vida permite
el cambio único del inserto y no de toda la
cámara.
• El cabezal de corte, incluyendo la válvula
neumática pesa sólo 2,3 kg. Lo cual da una
mayor flexibilidad a la hora de diseñar mon-
tajes de cabezas múltiples.
Boquilla de Abrasivo
Aplicaciones Autoline™
Las Soluciones de Corte Hidroabrasivo de
Ingersoll-Rand son la respuesta acertada. La
combinación de orificio de larga duración con
los sistemas integrados de dosificado de abra-
sivo y de alimentación de abrasivo logran una
productividad hasta hoy sin precedentes. Adi-
cionalmente, los tiempos de parada se ven
reducidos al no emplearse herramientas y estar
alineados. Cuando se combina con el sistema
de alimentación de abrasivo presurizado se
alcanza un nivel sin igual. Las Soluciones de
Corte Hidroabrasivo de Ingersoll-Rand marcan
una nueva pauta en la producción y precisión
del corte por chorro de agua.
Autoline™
Materiales / Velocidades en el Corte Hidro-abrasivo (Ejemplos)
Material Espesor Velocidad
Acero inoxidable 10 (0.4) 90 (3.5)40 (1.6) 18 (0.7)
Titanio 10 (0.4) 100 (4.0)40 (1.6) 20 (0.8)
Aluminio 10 (0.4) 260 (10.2)40 (1.6) 50 (2.0)
Marmol 10 (0.4) 630 (24.8)40 (1.6) 130 (5.1)
Granito 10 (0.4) 540 (21.2)40 (1.6) 110 (4.3)
Vidrio 10 (0.4) 430 (16.9)40 (1.6) 90 (3.5)
Uds: mm (inch) mm/min(inch/min)
Servicio mundial Ingersoll-Rand
Ingersoll-Rand es mundialmente reconocida
y apreciada como la pionera en la tecnología
de corte por chorro de agua. Una dilatada
experiencia de muchos años que lleva em-
parejad la calidad de sus productos hacen
de Ingersoll-Rand el socio tecnológico ideal
para procesos de corte en frío. Ingersoll-Rand
proporciona así la ayuda necesaria para
encontrar la solución adecuada y la perfecta
integración del corte por chorro de agua
Incluso en procesos de fabricación ya exis-
tentes. Los clientes de Ingersoll-Rand están
asistidos por una red de mundial de servicio y
fabricación. Ingersoll-Rand está plenamente
comprometido en el soporte de todos sus
clientes, sin que importe el lugar en que se
solicite ni el tipo de requerimiento de la
aplicación. Para más información de nuestros
productos por favor visite nuestra página web
abajo citada.
Configuraciones estandar boquilla
Modelo No. Orificio Focalizadorø ø
AN-0721 0.17 (0.007) 0.54 (0.021)
AN-1030 0.25 (0.010) 0.76 (0.030)
AN-1243 0.30 (0.012) 0,90 (0.035)
AN-1443 0.35 (0.014) 1.10 (0.043)
Uds: mm (inch)
Cuerpo de Boquilla
Adaptador/GuiaManguera de Abrasivo
Orificio de Diamante
Tornillo FijaciónCamar de Mezcla
Tornillo FijaciónTabera de Focalización
Cartucho de Cambio Rápido
Camar de MezclaLarga Vida
Tabera de FocalizaciónLarga Vida
Su socio para
D, F, CH, A, TR, GR, CY, Benelux, Escandinavia,
Tailandia y China
Ingersoll-Rand
Wasserstrahl-Schneidetechnik GmbH
Auf der Laukert 11
D-61231 Bad Nauheim
Tel.: +49 (0) 6032 /997-0
Fax.: +49 (0) 6032 /997-270
www.ingersoll-rand.de
info.waterjet@ingersoll-rand.de
Para más información por favor contacte
con Alemania (oficina central de Europa)
IR-BN – 502005 – 04/03-ES
Reino Unido (Birmingham) Su socio para UK, Irlanda, Islandia y Sudafrica
Tel.: +44 (0) 1922651315, Fax.: +44 (0) 1922651314
España (Coslada / Madrid) Su socio para E, P y Oriente Medio
Tel.: +34 91-62774-52, Fax.: +34 91-62774-06
Polonia (Varsovia) Su socio para PL, SK, CZ, HU, CIS, BG, R, MK, Estados Balticos y antigua Yugoslavia
Tel.: +48 (0) 226357245, Fax.: +48 (0) 226357332
Italia (Vignate / Milan) Su socio para I
Tel.: +39 02 95056-457, Fax.: +39 02 95056-310
India (Mumbai) Su socio para IND, BD y Sri Lanka
Tel.: +91 (0) 225698 90 22, Fax.: +91 (0) 2256946926
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