«ΥΔΡΟΚΟΠΗ. ΜΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΟΠΗΣ ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΚΟΠΗ LASER»

Transcript

1 ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΥΔΡΟΚΟΠΗ. ΜΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΟΠΗΣ ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΚΟΠΗ LASER» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΝΙΑΔΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ ΔΡ.ΦΥΣΙΚΟΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΔΟΥΚΑΚΗΣ ΗΛΙΑΣ ΧΑΝΙΑ

2 ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: : «ΥΔΡΟΚΟΠΗ. ΜΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΟΠΗΣ ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΚΟΠΗ LASER» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΝΙΑΔΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΔΟΥΚΑΚΗΣ ΗΛΙΑΣ (ΑΜ : 2306 ) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΑΝΑΘΕΣΗΣ: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ: ΒΕΒΑΙΩΝΕΤΑΙ ΟΤΙ Η ΠΑΡΟΥΣΑ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΝΑΙ ΠΛΗΡΗΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ Ο ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΑΝΙΑΔΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ ΔΡ.ΦΥΣΙΚΟΣ 2

3 ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ: «ΥΔΡΟΚΟΠΗ. ΜΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΟΠΗΣ ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΗΣ ΜΕ ΚΟΠΗ LASER» ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η πτυχιακή αυτή έχει σαν αντικείμενο μελέτης της κατεργασίας με δέσμη νερού υψηλής πίεσης, εξερχόμενη από κατάλληλα διαμορφωμένο ακροφύσιο(water-jet Machining). Η κατεργασία αυτή είναι ιδιαίτερα φιλική προς το περιβάλλον και παρουσιάζει πολύ μεγάλες δυνατότητες ως προς την επεξεργασία μεγάλης ποικιλίας υλικών, εξασφαλίζοντας τη διατήρηση των ιδιοτήτων κατεργασμένη τους καθώς επιφάνεια.οι και αυξημένη μηχανουργικές ποιότητα στην κατεργασίες τελική Water-Jet Machining (WJM) και Αbrasive Water-Jet Machining (AWJM) αποτελούν μη-συμβατικές διαδικασίες κοπής υλικών, κατά τις οποίες νερό υψηλής ταχύτητας (με παρουσία λειαντικών κόκκων που εισχωρούν στη δέσμη νερού - περίπτωση Abrasive WJM), προσπίπτει στο κατεργαζόμενο κομμάτι και το διαβρώνει. Οι πρώτες θεωρητικές προσεγγίσεις-μελέτες της διαδικασίας κοπής με Water-Jet παρουσιάστηκαν στις αρχές του 20ου αιώνα, ενώ οι βιομηχανικές εφαρμογές της, στα μέσα της δεκαετίας του 80. Από τα τέλη της δεκαετίας του 90 και έπειτα, η κατεργασία με Water- Jet γνωρίζει μεγάλη εξάπλωση και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία, καθώς μια τέτοια κατεργασία ήταν κοστολογικά απρόσιτη στο παρελθόν. Λόγω των ιδιαιτεροτήτων των κατεργασιών WJM και AWJM, και εξαιτίας του σύγχρονου χαρακτήρα τους. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΜΑΝΙΑΔΑΚΗ ΚΥΡΙΑΚΗ ΔΡ.ΦΥΣΙΚΟΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΔΟΥΚΑΚΗΣ ΗΛΙΑΣ ΧΑΝΙΑ

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΝΟΠΤΙΚΉ ΠΕΡΙΓΡΑΦΉ ΤΩΝ ΜΕΘΌΔΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ WJM ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΦΘΟΡΑΣ ΚΑΤΕΡΓΑΖΟΜΕΝΟΥ ΤΕΜΑΧΙΟΥ ΔΟΜΗ WJ- ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΚΑΘΑΡΗ ΥΔΡΟΚΟΠΗ(WJM) ΥΔΡΟΚΟΠΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΕΙΑΝΤΙΚΟΥ ΥΓΡΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΜΙΑΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΗΣ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ ΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΛΕΙΖΕΡ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΛΕΙΖΕΡ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΛΕΙΖΕΡ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ- ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΟΠΗΣ ΜΕ LASER ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ ΜΕ LASER ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

5 1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Κατά την είσοδο του νερού στο ακροφύσιο, η ροή αναπτύσσεται σταδιακά και έχει μηδενική ταχύτητα στα τοιχώματα του ακροφυσίου (λόγω ανάπτυξης οριακού στρώματος). Η ταχύτητα της ροής βαίνει αυξανόμενη προς το κέντρο του ακροφυσίου, ενώ το προφίλ ταχυτήτων γενικά μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου. Με το πέρας του χρόνου, το προφίλ ταχυτήτων της ροής του νερού γίνεται συμμετρικό, ενώ η ταχύτητα έχει ενισχυθεί κατά τουλάχιστον εννέα (9) φορές στο σημείο εξόδου της ροής από το ακροφύσιο. Η δυναμική πίεση αυξάνεται ενώ η στατική μειώνεται, με τη συνολική πίεση (άθροισμα δυναμικής και στατικής) να παραμένει σταθερή. Στην έξοδο του ακροφυσίου η συνολική πίεση είναι κατά τι μικρότερη, γεγονός που αποδεικνύει ότι πρακτικά υφίστανται απώλειες λόγω συνεκτικότητας (ιξώδους) του νερού ΙΣΤΟΡΙΚΑ Ο Δρ Norman Franz θεωρείται ο πατέρας της υδροκοπής. Ήταν το πρώτο πρόσωπο που μελέτησε τη χρήση ύδατος σε υπερβολικά υψηλές πιέσης Ultra Hydro Pressure (UHP), ως τέμνον εργαλείο. Ο όρος UHP ορίζεται κάτι παραπάνω απο λίβρες άνα τετραγωνική ίντσα (Pound per Square Inch-PSI). Ο ΔΡ Franz ήταν ένας μηχανικός δασονομίας, που θέλησε να βρεί νέους τρόπους για να τεμαχίσει κορμούς δέντρων με μεγάλο πάχος. Στη δεκαετία του 50, ο Δρ Franz χρησιμοποίησε μεγάλο βάρος επάνω στις στήλες του ύδατος οδηγώντας το νερό μέσω ενώς μικροσκοπικού στομίου. Με αυτό τον τρόπο λάμβανε σύντομες εκρήξεις πολύ υψηλών πιέσεων, που πολλές φορές ήταν υψηλότερες από τις σημερινές πιέσεις λειτουργίας και ήταν σε θέση να κόψει το ξύλο και άλλα υλικά (σχήμα 1.1.1). Οι έρευνες του συνεχίστηκαν προσπαθώντας να αντιμετωπίσει τα προβλήματα στην συνεχή λήψη υψηλών πιέσεων και στην διάρκεια ζωής της μηχανής του. Στην πραγματικότητα ο Δρ Franz ποτέ δεν κατάφερε να δημιουργήσει μια 5

6 ολοκληρωμένη παραγωγική εργαλειομηχανή, ωστόσο απέδειξε ότι μία ακτίνα ύδατος με πολύ υψηλή ταχύτητα, έχει μεγάλη δύναμη κοπής. Σχήμα 1.1.1: Η πρώτη εργαλειομηχανή υδροκοπής του Δρ Franz. Οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές της υδροκοπής έγιναν στις αρχές του 1970, και αφορούσε την κοπή με καθαρή υδροκοπή κυματοειδούς χαρτονιού. Καθαρή υδροκοπή ήταν η αρχική μέθοδος κοπής με νερό. Η μεγαλύτερη χρήση της έγινε για την κοπή των προϊόντων χαρτιού, πλαστικών, αφρών, υφασμάτων, χαλιών, τύρφης, τροφίμων, εσωτερικών μερών του αυτοκινήτου κ.α ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η υδροκοπή είναι ταυτόχρονα μια απλή αλλά και σύνθετη διαδικασία κοπής. Με βασική διαδικασία την ροή του νερού από μια αντλία και τη δημιουργία υψηλής πίεσης στο νερό όπου μέσω των υδραυλικών σωληνώσεων καταλήγει στο στόμια εκτόξευσης. Επίσης στη διαδικασία ενσωματώνεται η σύνθετη τεχνολογία υλικών και το σχέδιο. Η εργαλειομηχανή παράγει και ελέγχει νερό σε πιέσεις λίγο μεγαλύτερες από bar όπου απαιτείται υψηλή επιστήμη και τεχνολογία καθώς σε αυτές τις πιέσεις μία διαρροή μπορεί να προκαλέσει μόνιμη ζημιά διάβρωσης στα εξαρτήματα της μηχανής. Πλέον στην εποχή μας οι κατασκευαστές των εργαλειομηχανών υδροκοπής έχουν φροντίσει για την σύνθετη τεχνολογία 6

7 υλικών και την εφαρμοσμένη μηχανική των τέμνων-άκρων οπότε ο χρήστης χρειάζεται μόνο να είναι πεπειραμένος στη βασική λειτουργία της υδροκοπής. Σχήμα 1.2.1: Κύκλος Νερού στην Υδροκοπή Οι αντλίες που χρησιμοποιεί η εργαλειομηχανή χωρίζονται στην αντλία ενίσχυσης και στην άμεση αντλία κίνησης. Η αντλίες είναι η καρδιά της εργαλειομηχανής (σχήμα α φάση), γιατί δημιουργούν υψηλή πίεση στο νερό, μετέπειτα ο σταθεροποιητής ( σχήμα β φάση) σταθεροποιεί την υψηλη πίεση του νερού ώστε στη συνέχεια στο στόμιο εκτόξευσης (σχήμα δ φάση) να μετατρέψει την υψηλή σταθερή πίεση σε μία υπερηχητική ακτίνα υδροκοπής. Επίσης για την λειαντική υδροκοπή στο σχήμα υπάρχει η συσκευή παροχής λειαντικών (γ φάση) μαζί με τον απαραίτητο αποθηκευτικό χώρο των κόκκων και την αντλία κίνησής τους. 7

8 1. Η άμεση αντλία κίνησης λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο με μία αντλία χαμηλής πιέσεως στο πλυντήριο πίεσης. Είναι μια τριβάθμια αντλία (σχήμα 1.2.2) που λειτουργεί με την προϋπόθεση ότι η στάθμη του νερού, που ελέγχεται μέσω τριών ηλεκτροδίων άμεσα από ηλεκτρονική διάταξη, βρίσκεται στο σωστό επίπεδο. Οι αντλίες αυτές μπορούν να αποδώσουν μέγιστη συνεχή πίεση λειτουργίας 10%-25% μικρότερη από την ονομαστική τους τιμή στις μονάδες των αντλιών ενίσχυσης. 2. Στην αντλία ενίσχυσης (σχήμα 1.2.3) υπάρχουν δύο κυκλώματα υγρού, το κύκλωμα του νερού και του υδραυλικού κυκλώματος. Το κύκλωμα του νερού αποτελείται από τα φίλτρα στην είσοδο του νερού, την αντλία προώθησης, τον ενισχυτή και τον σταθεροποιητή πίεσης. Ο σταθεροποιητής πίεσης είναι ένα σύστημα ρύθμισης-σταθεροποίησης της πίεσης σε επίπεδα χαμηλότερα της πίεσης εισόδου. Το νερό της βρύσης φιλτράρεται με την είσοδο του στο σύστημα φιλτραρίσματος, στη συνέχεια πάει στην ενισχυτική αντλία (σχήμα 1.2.4) όπου η πίεση του νερού από τα 6 bar συμπιέζεται έως και 6000 bar. Στη συνέχεια μέσω τον υδραυλικών και πριν φτάσει το νερό στην κοπτική κεφαλή περνάει πρώτα από τον σταθεροποιητή πίεσης. Ο σταθεροποιητής πίεσης εξασφαλίζει ότι το νερό εξέρχεται από την κεφαλή κοπής συνεχώς και με σταθερή πίεση. Χωρίς το σταθεροποιητή το νερό θα είχε μεταβλητή πίεση αφήνοντας σημάδια στο υλικό που κόβεται. Σχήμα 1.2.2: Αμεση αντλία κίνησης, μοντέλο JP-930 8

9 Σχήμα 1.2.3: Αντλία ενίσχυσης, μοντέλο 50i-S II ESL Το υδραυλικό κύκλωμα, για τη δημιουργία του νερού υψηλής πίεσης, αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα, την υδραυλική αντλία, την δεξαμενή λαδιού, το εξάρτημα διακλάδωσης και το έμβολο. Ένα ηλεκτρικό μοτέρ κινεί την υδραυλική αντλία, που τραβά το λάδι από τη δεξαμενή και το συμπιέζει στα 200 bar. Το υπό πίεση λάδι διοχετεύεται στο εξάρτημα διακλάδωσης όπου οι βαλβίδες του συλλέκτη αποστέλλουν το υπό πίεση υδραυλικό λάδι στη μία ή στην άλλη πλευρά του εμβόλου (σχήμα α φάση). Το εισερχόμενο λάδι πιέζει το έμβολο (σχήμα β φάση) της εμβολοφόρου παλινδρομικής αντλίας, με πίεση 200bar, στην απέναντι πλευρά. Το προωθούμενο έμβολο συμπίεσης του νερού (σχήμα γ φάση) ανεβάζει την πίεση του νερού στα 4000bar (σχήμα δ φάση). Ο ενισχυτής είναι μία παλινδρομική αντλία που το έμβολο παλινδρομεί δεξιά αριστερά, παρέχοντας υψηλή πίεσης νερό από τη μία πλευρά σε κάθε παλινδρόμηση του εμβόλου. Κατά την διάρκεια της συμπίεσης του νερού από τη μία πλευρά, χαμηλής πίεσης νερό γεμίζει την άλλη πλευρά του ενισχυτή (σχήμα στ φάση). Το υδραυλικό λάδι, της πλευρά που συμπίεσε το νερό, εξέρχεται από τον θάλαμο με το άνοιγμα της κατάλληλης 9

10 βαλβίδας και στη συνέχεια ψύχεται κατά την διάρκεια της επιστροφής του στην δεξαμενή συγκέντρωσης ώστε να συμμετέχει στον επόμενο κύκλο λειτουργίας του ενισχυτή. Σχήμα 1.2.4: O Kύκλος του Nερού στην αντλία ενίσχυσης Στην παραπάνω εν συντομία περιγραφή του κυκλώματος του νερού παρατηρούμε ότι Πίεση=Δύναμη/Παροχή, δηλαδή η πίεση που δημιουργείται στο νερό είναι αντιστρόφως ανάλογη με την παροχή του λαδιού. Εάν δύναμη=20, παροχή=20 τότε η πίεση είναι 1, δηλαδή άν κρατήσουμε σταθερή τη δύναμη που ασκεί το έμβολο και μειώσουμε την παροχή του λαδιού τότε η πίεση του νερού θα ανέβει. Για παράδειγμα αν μειώσουμε την παροχή απο 20 σε 1 τότε η πίεση ανεβαίνει απο 2 σε 20. Επομένως η αναλογία ενδυνάμωσης που προσφέρει η πίεση του λαδιού στην πίεση του νερού είναι 20:1. Οι μονάδες υδροκοπής ειναι σχεδιασμένες για να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, ενώ επίσης έχουν σχεδιαστεί για να αποτυγχάνουν με ασφαλή τρόπο. Τα συστήματα υδροκοπής αποτυγχάνουν σταδιακά και όχι στιγμιαία, καθώς οι συνδέσεις και τα σφραγισμένα μέρη αρχίζουν σιγά-σιγά να διαρρέουν μέσα από ειδικά σχεδιασμένες τρύπες. Ο χειριστής ή ο 10

11 υπεύθυνος συντήρησης μπορεί να κάνει έναν περιοδικό έλεγχο κάθε μια με δύο εβδομάδες ενώ υπάρχουν και αισθητήρες τερματισμού στην μονάδα άντλησης για την προστασία από την φθορά της αντλίας. Η αντιμετώπιση προβλημάτων ενός ενισχυτή είναι αρκετά απλή, καθώς η διαρροή ζεστού νερού δηλώνει διαρροή υψηλής πίεσης ενώ κρύο νερό υποδεικνύει χαμηλής πίεσης. Μόλις η αντλία υψηλής πίεσης έχει δημιουργήσει την πίεση του νερού, υψηλής πίεσης υδραυλικά μεταφέρουν το νερό στην κοπτική κεφαλή. Εκτός από την μεταφορά του νερού υψηλής πίεσης τα υδραυλικά παρέχουν ελεύθερη κυκλοφορία στην κοπτική κεφαλή. Ο πιό κοινός τύπος της υψηλής πίεσης υδραυλικών είναι ειδική σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα. Η σωλήνωση έχει διάφορα μεγέθη για διαφορετικούς σκοπούς. 1. 1/4 ιντσας χάλυβα σωλήνα : επειδή είναι εύκαμπτη αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείται χαρακτηριστικά στον εξοπλισμό κινήσεων. Δεν χρησιμοποιείται για να μεταφέρει υψηλής πίεσης νερό σε μεγάλες αποστάσεις ( για παράδειγμα απο την αντλία στη βάση του εξοπλισμού κινησης). Σε μεγάλα μήκη από 10m-20m χρησιμοποιούνται για την κίνηση στους άξονες x y z και ονομάζεται υψηλής πίεσης μαστίγιο, που μπορεί να καμφθεί λόγω της ελικοειδούς μορφής του. 2. 3/8 ίντσας χάλυβα σωλήνα : τυπικά αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείται για να παραδώσει το νερό από την αντλία στη βάση του εξοπλισμού κίνησης, ενώ μπορεί κα να καμφθεί. 3. 9/16 ίντσας χάλυβα σωλήνα : αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείται στη μεταφορά νερού υψηλής πίεσης σε μεγάλες αποστάσεις. Σε πολύ μεγάλες αντλίες η σωλήνωση αυτή είναι ιδιαίτερα ευεργετική καθώς η μεγάλη εσωτερική διάμετρος μειώνει την απώλεια πίεσης. Αυτή η σωλήνωση δεν κάμπτεται. 11

12 Σχήμα 1.2.5: Εξαρτήματα συναρμολόγησης Σχήμα 1.2.6: Στροφέας Εκτός απο τη σωλήνωση για την μεταφορά του νερού απαιτούνται κι άλλα εξαρτήματα συναρμολόγησης (σχήμα 1.2.5) όπως τα Τ(ταφ ), οι ευθείς σύνδεσμοι, οι γωνίες, οι αποκλισμένες βαλβίδες και οι συνδέσεις με ελευθερία κίνησης στην περιστροφή που ονομάζονται στροφείς (σχήμα 1.2.6), που έχουν διαφορετική μορφή για κάθε τύπο μετακίνησης. Οι στροφείς είναι τα πάσης φύσεως ρακόρ τα οποία όμως για τις υψηλές πιέσεις της υδροκοπής έχουν ιδιαίτερη διαμόρφωση. 12

13 1. 3. ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM Βασική ιδέα της μεθόδου κοπής με δέσμη νερού είναι η εκτόξευση με μεγάλη πίεση καθαρού νερού (WJM) ή νερού με σωματίδια λειαντικής ουσίας (AWJM), μέσα από κατάλληλα διαμορφωμένη διατομή (ακροφύσιο), πάνω στο υλικό που πρόκειται να κατεργαστεί (Σχήμα 1.3.1).Το αποτέλεσμα είναι μια γρήγορη, ευέλικτη και αποτελεσματική μέθοδος κοπής μιας μεγάλης ποικιλίας υλικών, που σήμερα έχει γίνει ιδιαίτερα ανταγωνιστική. Η δέσμη νερού εκτοξεύεται από το ακροφύσιο Water-Jet με ταχύτητα που προσεγγίζει τα 900 m/sec. Όταν η δέσμη νερού έρθει σε επαφή με την επιφάνεια κατεργασίας, τα μόρια του κατεργαζόμενου υλικού απομακρύνονται ταχύτατα λόγω της διαβρωτικής ιδιότητας του νερού. Σχήμα 1.3.1: Ακροφύσιο Water-Jet Η απαιτούμενη πίεση κοπής (4,000-6,000 Atm), παράγεται από αντλία υψηλής πίεσης. 13

14 Σύμφωνα με τη σχέση Bernoulli, η ταχύτητα της δέσμης (υ ), είναι (κατά προσέγγιση): υ= 2 p / ρ όπου p είναι η πίεση και ρ η μέση πυκνότητα του νερού. Το βάθος διείσδυσης της δέσμης εξαρτάται από το είδος του υλικού που πρόκειται να κοπεί, από την ταχύτητα (υ ) της δέσμης νερού και από την απόσταση μεταξύ ακροφυσίου και κατεργαζόμενου τεμαχίου ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΟΣΤΟΥΣ Το κόστος ενός τυπικού συστήματος Abrasive Jet με όλο τον απαραίτητο εξοπλισμό, κυμαίνεται από ως περίπου, αναλόγως των δυνατοτήτων του (ισχύς, αριθμός αξόνων κοπής, αυτοματισμοί, κ.λπ.). Το κόστος εργασιών κυμαίνεται ανάλογα με το χρόνο κατεργασίας και το αντίστοιχο κόστος συμβατικής κατεργασίας. Συνήθως όμως, το κόστος κυμαίνεται από 6 ως 30 την ώρα. 14

15 2. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM Η κατεργασία με δέσμη νερού προσφέρει πλήθος πλεονεκτημάτων σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους κοπής. Πιο συγκεκριμένα: Δεν αναπτύσσεται ζώνη θερμότητας και δεν προκαλείται σκλήρυνση ή αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων του κατεργαζόμενου τεμαχίου κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Είναι δυνατή η κατεργασία οποιουδήποτε υλικού με ταυτόχρονη δυνατότητα κοπής και δημιουργίας περίπλοκων σχηματισμών. Έχει την ικανότητα να κόβει στις τρεις διαστάσεις. Μπορεί να γίνει κατεργασία των περισσότερων υλικών χωρίς προδιάτρηση οπής. Δεν απαιτείται δευτερεύουσα επεξεργασία μετά την κύρια κατεργασία. Χαρακτηρίζεται από μεγάλη εξοικονόμηση ακατέργαστης ύλης και είναι ταχύτερη σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους κοπής. Κατά τη διάρκεια της κατεργασίας το περιβάλλον εργασίας είναι καθαρό και αβλαβές για τον άνθρωπο, ενώ είναι φιλική προς το περιβάλλον ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ WJM ΚΑΙ AWJM Η κατεργασία κοπής με δέσμη νερού συνίσταται στις περιπτώσεις υλικών που χαρακτηρίζονται από μικρή σκληρότητα, σε αντίθεση με την περίπτωση χρήσης λειαντικών κόκκων, όπου χρησιμοποιείται κυρίως στις περιπτώσεις υλικών με αυξημένη σκληρότητα. Σε κάθε περίπτωση, όλκιμα αλλά και ψαθυρά υλικά, όπως μέταλλα, πλαστικά, συνθετικά, μάρμαρα, 15

16 γρανίτης, κεραμικά κ.λπ., μπορούν να κατεργαστούν. Το πάχος των κατεργαζόμενων τεμαχίων περιορίζεται μόνο από το μέγεθος της χρησιμοποιούμενης εργαλειομηχανής WJM ή AWJM. Σε περιπτώσεις όπου το κόστος κατεργασίας με χρήση συμβατικής μεθόδου είναι μικρότερο, πρέπει να συνυπολογίζονται και οι παράγοντες της προκύπτουσας ποιότητας επιφάνειας, της σκλήρυνσης του μετάλλου, της παραμόρφωσης και της δημιουργίας θραυσμάτων, ειδικά στην περίπτωση επεξεργασίας εύθραυστων υλικών, όπως πέτρα, γυαλί, κ.λπ..τα ακροφύσια και ο σωλήνας ανάμιξης, αποτελούν τα κρισιμότερα στοιχεία της εργαλειομηχανής και είναι αυτά που φθείρονται γρηγορότερα. Το τμήμα του ακροφυσίου του συστήματος δέσμης ύδατος από όπου εξέρχεται το νερό, είναι κατασκευασμένο από διαμάντι στο οποίο συχνά προκαλούνται ρωγμές ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ WJM Η τεχνολογία του Water Jet χρησιμοποιήθηκε αρχικά σε εργασίες καθαρισμού και συγκεκριμένα στην απομάκρυνση αργίλου και πέτρας. Σήμερα το Water-Jet χρησιμοποιείται για: Βιομηχανικό καθαρισμό και προετοιμασία επιφάνειας Χρωματισμό, γυάλισμα και επικαλύψεις επιφανειών Υδροκατεδάφιση τσιμέντου και θρυμματισμό βράχων Απολύμανση και ανακύκλωση υλικών Ειδικότερα, στη μηχανουργική τεχνολογία χρησιμοποιείται για: Kοπή υλικών με απλή δέσμη νερού (πλαστικά, λεπτά φύλλα μετάλλων, υφάσματα) Kοπή υλικών που είναι δύσκολο να κατεργαστούν (σύνθετα υλικά) 16

17 Τόρνευση, διάτρηση και κατεργασία τρισδιάστατων επιφανειών Καθαρισμό Η κατεργασία κοπής με νερό, με ή χωρίς λειαντικά σωματίδια, βρίσκει σήμερα πολλές εφαρμογές, ιδιαίτερα στη βιομηχανία τροφίμων, την αυτοκινητοβιομηχανία, όπως και γενικά στη βιομηχανία κατασκευών, στις βιομηχανίες αεροσκαφών, στην κοπή λίθων και πλακιδίων. Αξιοσημείωτη είναι η χρήση του Water Jet σε ιατρικές επεμβάσεις. Οι μικρές διαστάσεις της δέσμης, η ακρίβεια κοπής, η λειτουργικότητά του (καθώς είναι μικρό και ευέλικτο ως εργαλείο), το γεγονός ότι δε μολύνει, αφήνει καθαρούς και δεν προξενεί αύξηση της θερμοκρασίας στους περιβάλλοντες ιστούς, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι μειώνει την απώλεια αίματος, καθιστούν το Water Jet το πλέον κατάλληλο εργαλείο για επεμβάσεις σε ζωτικά όργανα όπως συκώτι, νεφρά και εγκέφαλο. Το βασικό πλεονέκτημα της χρήσης Water Jet έναντι της χρήσης laser σε περιπτώσεις ιατρικών επεμβάσεων, είναι το γεγονός ότι το τελευταίο βοηθά μεν στον έλεγχο της απώλειας αίματος, αλλά μπορεί να προξενήσει φθορές στους περιβάλλοντες ιστούς λόγω ανάπτυξης υψηλών θερμοκρασιών ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΦΘΟΡΑΣ ΚΑΤΕΡΓΑΖΟΜΕΝΟΥ ΤΕΜΑΧΙΟΥ Ο μηχανισμός φθοράς του κατεργαζόμενου τεμαχίου στην κατεργασία AWJΜ επιτυγχάνεται μέσω διάβρωσης και περιγράφεται από διάφορες προσεγγίσεις για τον προσδιορισμό του βάθους κοπής, που φαίνονται στο σχήμα

18 Σχήμα : Μοντέλα υπολογισμού του βάθους κοπής της κατεργασίας AWJ Οι προσπάθειες που κατεβλήθησαν στις ανωτέρω προσεγγίσεις για την επακριβή περιγραφή του μηχανισμού διάβρωσης της κατεργασίας AWJ, οδήγησαν στην ανάπτυξη καινοτόμων μεθοδολογιών κοπής με δέσμη νερού, όπως το Ice-Jet Machining, το Cryogenic Jet machining, τα υβριδικά συστήματα κατεργασιών και τις μεθόδους στίλβωσης και καθαρισμού με χρήση δέσμης νερού. Έως και σήμερα σημαντικότερη παράμετρος της κατεργασίας AWJM θεωρείται το βάθος κοπής. Ο υπολογισμός του βασίζεται σε συνδυασμό αναλυτικών και εμπειρικών σχέσεων, ενώ έχουν αναπτυχθεί πέντε (5) κύριες κατηγορίες μεθόδων υπολογισμού του βάθους κοπής που παρουσιάζονται στο σχήμα και είναι: 18

19 Μοντέλα μετατόπισης όγκου Μοντέλα διατήρησης ενέργειας Μοντέλα παλινδρόμησης Κινητικά μοντέλα Αριθμητικές προσομοιώσεις Από τα μοντέλα αυτά μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η κατηγορία των μεθόδων που βασίζονται σε αριθμητικές προσομοιώσεις. Σχήμα : Μοντέλα υπολογισμού του βάθους κοπής της κατεργασίας Water-Jet 19

20 2. 4. ΔΟΜΗ WJ- ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Στο σχήμα παρουσιάζεται η δομή του ακροφυσίου που χρησιμοποιείται στην κατεργασία Abrasive Water-Jet, όπου διακρίνονται τα επιμέρους εξαρτήματά του. Η διάμετρος της δέσμης νερού (στην έξοδο του ακροφυσίου) κυμαίνεται από 0.1 έως 0.5 mm (τυπικές τιμές), ενώ για την επαρκή ανάμιξη νερού-κόκκων η διάμετρος του σωλήνα ανάμιξης είναι περίπου από 2.5 έως 5 φορές μεγαλύτερη. Συνεπώς, ο λόγος της διαμέτρου δέσμης κοπής προς τη διάμετρο του σωλήνα ανάμιξης, απαιτείται να είναι κατά το δυνατόν μικρότερος ώστε να επιτυγχάνεται η απαιτούμενη εστίαση της δέσμης κοπής. Η ταχύτητα των σωματιδίων του λειαντικού μέσου εξαρτάται από τους ρυθμούς ροής του νερού και του λειαντικού και μπορεί να φτάσει το 80% της ταχύτητας του νερού. Η ταχύτητα αυτή που αναπτύσσεται εντός του στενού χώρου του σωλήνα ανάμιξης, έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία έντονου διαβρωτικού περιβάλλοντος που συχνά οδηγεί σε αστοχία το σωλήνα ανάμιξης. Σε ένα σύστημα Abrasive Water-Jet, η δέσμη νερού αναμιγνύεται με τη λειαντική ουσία και παράγεται η δέσμη κατεργασίας, στο άκρο της οποίας η ταχύτητα προσεγγίζει την τιμή των 900 m/s. Συνεπώς, ο σωλήνας ανάμιξης σε μια διάταξη Abrasive Water-Jet, αποτελεί το κρισιμότερο εξάρτημα. Για την περιγραφή της αξιοπιστίας του ή/και της πιθανής του αστοχίας, έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα. Οι δύο μορφές αστοχίας που διαμορφώνουν την εσωτερική διάμετρο του σωλήνα ανάμιξης σε αποκλίνουσα ή συγκλίνουσα μορφή, παρουσιάζονται στο σχήμα Η αποκλίνουσα μορφή παρουσιάζεται όταν το λειαντικό μέσο είναι πολύ σκληρότερο από το υλικό του σωλήνα ανάμιξης ενώ η συγκλίνουσα μορφή παρουσιάζεται στην αντίστροφη περίπτωση. Σε κάθε περίπτωση, η αστοχία του σωλήνα ανάμιξης έχει επίπτωση στα χαρακτηριστικά και την αποδοτικότητα της δέσμης κοπής. Η μελέτη συμπεριφοράς και ο έλεγχος της αστοχίας του σωλήνα ανάμιξης καθώς και η εξάρτησή της από τις κατασκευαστικές παραμέτρους του ακροφυσίου και των συνθηκών κοπής, 20

21 πραγματοποιήθηκε σε εργασίες που στόχο είχαν τη βελτιστοποίηση της κατεργασίας. Σχήμα 2.4.1: Δομή και Φθορά του Ακροφυσίου στο Abrasive Water-Jet Machining Η βελτιστοποίηση της κατεργασίας εξαρτάται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα, την οικονομία και την ποιότητα της διαδικασίας. Γενικά, οι παράμετροι αυτοί στην κοπή με Abrasive Water-Jet, κατηγοριοποιούνται ως εξής (σχήμα 2.4.2, 2.4.3) : 21

22 Υδραυλικοί παράμετροι : Πίεση αντλίας (p) Διάμετρος στομίου νερού (d0) Παράμετροι κοπής : Ταχύτητα πρόωσης (u) Αριθμός περασμάτων (np) Απόσταση στομίου από τεμάχιο (s) Γωνία κρούσης (φ) Παράμετροι μίξης : Εξωτερική διάμετρος ακροφυσίου (df) Μήκος τμήματος εστίασης του ακροφυσίου (lf) Παράμετροι λείανσης : Παροχή λειαντικού μέσου (ma) Διάμετρος κόκκου (dp) Κατανομή μεγέθους κόκκων [f(dp)] Σχήμα λειαντικού μέσου Σκληρότητα λειαντικού μέσου (ΗP) Δυνατότητα ανακύκλωσης λειαντικού 22

23 Σχήμα 2.4.2: Παράμετροι Abrasive Water-Jet Η διαδικασία επιλογής βέλτιστων τιμών για τις παραπάνω παραμέτρους κοπής, έχει ως αποτέλεσμα το βασικότερο πλεονέκτημα της κατεργασίας Water-Jet, την ποιότητα της προκύπτουσας επιφάνειας του κατεργαζόμενου τεμαχίου. Οι μέχρι σήμερα μελέτες που είναι σχετικές με την ποιότητα της παραγόμενης επιφάνειας, στηρίζονται κυρίως σε πειραματικές διαπιστώσεις. 23

24 Σχήμα 2.4.3: Παράμετροι Abrasive Water Jet Η κατεργασία AWJ βρίσκει εφαρμογές σε μεγάλη ποικιλία μεταλλικών και μη υλικών, όπως ο χυτοσίδηρος, ο ανοξείδωτος χάλυβας, το αλουμίνιο, ο χαλκός, το τιτάνιο και τα κράματά του, οι ενανθρακωμένοι χάλυβες, οι χάλυβες εργαλείων, τα κεραμικά υλικά, τα σύνθετα υλικά κ.λπ.. Οι υψηλές ταχύτητες κοπής και κατευθύνσεις,παρέχουν η τη δυνατότητα κατεργασίας δυνατότητα δημιουργίας σε πολλές σύνθετων διαμορφώσεων, με προκαθορισμένες ανοχές, χωρίς τη δημιουργία θερμοκρασιακών τάσεων ούτε μηχανικής παραμόρφωσης στα κατεργαζόμενα τεμάχια. Η προσαρμοστικότητα της κατεργασίας αυτής, την καθιστά ικανή να επιτύχει διεργασίες ανάλογες αυτών των παραδοσιακών μεθόδων, όπως η διάτρηση, το φρεζάρισμα, η τόρνευση, η σπειρωτόμηση, ο καθαρισμός κ.λπ.. 24

25 3. ΚΑΘΑΡΗ ΥΔΡΟΚΟΠΗ Καθαρή υδροκοπή είναι η αρχική μέθοδος κοπής με νερό. Η μεγαλύτερη χρήση της έγινε για την κοπή των προϊόντων χαρτιού, σφράγιση υλικά, κοπή υλικών όπως : πλαστικά, αφροί, υφάσματα, χαλιά, τύρφη, τρόφιμα, τα εσωτερικά μέρη του αυτοκινήτου κ.α. γιατί δημιουργεί την λιγότερη υγρασία στο υλικό, το κόψιμό είναι εξαιρετικά ακριβές και επιτρέπει την κοπή των λεπτών περιγραμμάτων καθως και οξείες γωνίες. Σχήμα 3.1 : Καθαρή υδροκοπή (μοντέλο Cobra5120) Τα χαρακτηριστηκά της καθαρής υδροκοπής είναι : Η λεπτή ακτίνα κοπής (0,004 εως της ίντας διάμετρο) Εξαιρετικά λεπτομερής γεωμετρία Πολύ μικρή απώλεια υλικού κατά την κοπή 25

26 Κοπή χωρίς θερμότητα Μεγάλη διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό Μικρή διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό Συνήθως κόβει πολύ γρήγορα Κοπή σε ελαφριά και μαλακά υλικά Εξαιρετικά χαμηλές δυνάμεις κοπής Απλή στερέωση 24ωρη λειτουργία Στην υδροκοπή η διαδικασία αφαίρεσης υλικού μπορεί να περιγραφεί ως μια υπερηχητική διαδικασία διάβρωσης. Η πίεση και η ταχύτητα είναι δύο ευδιάκριτες μορφές ενέργειας, όπου η πίεση του νερού της αντλίας μετατρέπεται σε υψηλή ταχύτητα του νερού μέσω του ακροφύσιου που υπάρχει στο τέλος των σωληνώσεων των υδραυλικών εγκαταστάσεων. Το ακροφύσιο έχει μια μικρή τρύπα που το νερό υψηλής πίεσης περνά μέσα από αυτό το μικρό άνοιγμα μετατρέποντας την δυναμική ενέργεια (πίεση) του νερού σε κινητική (ταχύτητα). Από νερό με πίεση περίπου 2760 bar προκύπτει ταχύτητα νερού 2 Mach ενώ με πίεση 4130 bar προκύπτει ταχύτητα πάνω απο 3 Mach. Τα ακρο του ακροφυσίου (Σχήμα 3.2) κατακευάζεται από τρεις τύπους υλικών (ζαφείρι, ρουμπίνι και διαμάντι) που το καθένα έχει μοναδικές ιδιότητές, σχήμα 3.3. Το ζαφείρι είναι το πιο κοινό υλικό, δημιουργεί στο νερό ρεύμα αρκετάς καλής ποιότητας και σε συνδιασμό με την καλή ποιότητα νερού έχει διάρκεια ζωής ώρες. Επίσης η διάρκεια ζωής του ζαφειριού στην λειαντική υδροκοπή είναι η μισή από αυτη της καθαρής υδροκοπής. Το ρουμπίνι ταιριάζει περισσότερο στην λειαντική υδροκοπή 26

27 και το κόστος του είναι σχεδόν ίδιο με το ζαφείρι ενώ η διάρκει ζωής του είναι ώρες. Το διαμάντι έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής ( ώρες) αλλά είναι 10 με 20 φορές πιό ακριβό. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε 24ωρες διεργασίες ενώ σε αντίθεση με τους άλλους τύπους ακροφύσιων, μπορεί μερικές φορές να καθαριστεί υπερηχητικά και να επαναχρησιμοποιηθεί. Σχήμα 3.2 : Ακροφύσιο υδροκοπής Σχήμα 3.3 : Toμή του Ακροφύσιου 27

28 3. 1. ΥΔΡΟΚΟΠΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΕΙΑΝΤΙΚΟΥ ΥΓΡΟΥ Η διαφορά της υδροκοπής με χρήση λειαντικού υγρού από την καθαρή υδροκοπή δεν είναι μεγάλη και επικεντρώνεται στην επιπρόσθετη χρήση λειαντικού υγρού. Τα μόρια του λειαντικού υγρού σε συνδιασμό με το νερό υψηλής πίεσης, έχουν τη δυνατότητα να κόβουν ισχυρότερα υλικά όπως μέταλλα, πέτρες, κεραμικά, αλουμίνιο και σύνθετα υλικά. Τα χαρακτηριστηκά της λειαντικής υδροκοπής είναι : Εξαιρετικά ευέλικτη διαδικασία Κοπή χωρίς θερμότητα Κοπή χωρίς μηχανικές καταπονήσεις Εύκολος προγραμματισμός Λεπτό πάχος κοπής (0,5mm - 1.3mm διάμετρο) Εξαιρετικά λεπτομερείς γεωμετρία Μεγάλη διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό (εώς και 250mm) Μικρή απώλεια υλικού κατά την κοπή Απλή στερέωση Χαμηλές δυνάμεις κοπής ( κάτω απο τα 32N) Μικρές αλλαγές ρυθμίσεων Εύκολη ενεργοποίηση χρήσης πολλαπλών κεφαλών κοπής 28

29 Εύκολη εναλλαγή απο καθαρή σε λειαντική υδροκοπή Μειωμένες δευτεροβάθμιες διαδικασίες Ελάχιστη εώς και καθόλου εμφάνιση γρεζιού Στη λειαντική υδροκοπή η κοπή ξεκινάει με καθαρή υδροκοπή στην συνέχεια μέσα στο ακροφύσιο προστίθεται το αποξεστικό-λειαντικό υγρό και ενώνετε με το νερό στον σωλήνα ανάμιξης λίγο πριν το στόμιο εκτόξευσης (Σχήμα 3.1.1). Στο τέλος του σωλήνα ανάμιξης υπάρχει το στόμιο εκτόξευσης που βρίσκονται τα ευγενή υλικά ζαφείτι, ρουμπίνι ή διαμάντι (σχήμα 3.3). Το λειαντικό που χρησιμοποιείται είναι σκληρή άμμος που είναι ειδικά επικαλυμμένη και σε συγκεκριμένα μεγέθη. Το πιο κοινό λειαντικό είναι ο γρανίτης που είναι σκληρό και ανέξοδο υλικό. Διαφορετικά μεγέθη γρανίτη χρησιμοποιούνται για κάθε διεργασία για παράδειγμα 0,125 mm παράγουν ομαλή επιφάνεια, 0,177 mm είναι η πιο κοινή χρήση και τα 0,297 mm κόβουν λίγο γρηγορότερα απο τα 0,177 mm με ελαφρώς τραχύτερη επιφάνεια. Ο σωλήνας ανάμιξης (σχήμα 3.1.1) επιταχύνει τα λειαντικά μόρια όπως ο σωλήνας του όπλου, ενώ το μεγεθός τους σχετίζεται με το μέγεθος του στομίου. Οι σωλήνες έχουν μάκρος περίπου 8 cm, εξωτερική διάμετρο ¼ της ίντσας και η εσωτερική διάμετρος κυμαίνεται απο 0,0200,060 ίντσες. Σημαντική τεχνολογική πρόοδο στην υδροκοπή ήταν η εφεύρεση σωληνών ανάμιξης με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από συνθετικό καρβίδιο του βολφραμίου. Εάν η κοπτική κεφαλή έρχεται σε επαφή με σφιγκτήρες, βάρη ή το προς κοπή υλικό κινδυνεύει να σπάσει και δεν επισκευάζεται, γι αυτό οι προηγμένες εργαλειομηχανές έχουν ηλεκτρονικά συστήματα για την ανίχνευση της σύγκρουσης. Η απόστασή μεταξύ του σωλήνα αναμίξης και του προς κοπή υλικού πρέπει να είναι από 0,025cm 0,50cm. 29

30 Σχήμα 3.1.1: Σωλήνας ανάμιξης και στόμιο εκτόξευσης σε τομή Στον πίνακα φαίνεται το υλικό κατασκευής των σωλήνων ανάμιξης και η διάρκεια ζωής τους. Η διάκεια ζωής των σωλήνων ανάμιξης όπως φαίνεται στον πίνακα είναι κατά πολύ μικρότερη από τα υλικά στο άκρο του ακροφυσίου (ζαφείρι, ρουμπίνι και διαμάντι). Σωλήνας ανάμιξης Διάρκεια ζωής Σχόλια Κλασσικό καρβίδιο 4-6 ώρες του βολφραμίου Οι αρχικές σωλήνες αναμίξης. Πλέον δεν χρησιμοποιούνται λόγω κακής απόδοση και κόστους ανά ώρα χρήσεις. Συνθετικό καρβίδιο ώρες χαμηλού κόστους Ιδανικό μορφής. Συνθετικό μέσης ζωής Καλός σωλήνας ανάμιξης. καρβίδιο ώρες διάρκειας Συνθετικό καρβίδιο ώρες ανώτερης ποιότητας για κοπή τραχιάς Ο καλύτερος σωλήνας ανάμιξης, ιδανικός για εργασίες ακριβίας και για καθημερινή χρήση. ΠΙΝΑΚΑΣ : Υλικά κατασκευης σωλήνων αναμιξης 30

31 3. 2. ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΔΟΜΗ ΜΙΑΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΗΣ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ Στην υδροκοπή υπάρχουν πολλές διαφορετικές εργαλειομηχανές που διαχωρίζονται ανάλογα με τον εξοπλισμό κινήσεως. Η βασική δομή μιας εργαλειομηχανής υδροκοπής φαίνεται στο σχήμα Τα βασικά στοιχεία που συνθέτουν μια εργαλειομηχανή υδροκοπής είναι: Μία αντλία υψηλής πίεσης που δέχεται νερό στην πίεση του δικτύου και την καταθλίβει σε μεγάλη πίεση. Ένα δοχείο με λειαντικούς κόκους για την τροφοδοσία τους στην κεφαλή κοπής. Μία κεφαλή με ακροφύσιο με μικρή οπή. Ένα τραπέζι όπου δένεται το προς κοπή υλικό και «εξουδετερώνει» την ενέργεια της δέσμης μετά την κοπή. Το τραπέζι έχει να κάνει διπλή δουλειά. Από τη μία να συγκρατήσει το κομμάτι (δεν ασκούνται μεγάλες δυνάμεις όπως στις συμβατικές κοπές, άρα δεν απαιτείται βαρύς εξοπλισμός συγκράτησης) και από την άλλη να διασκορπήσει την υψηλή κινητική ενέργεια της δέσμης επαναφέροντας το νερό στην αρχική χαμηλή πίεση. Αυτή είναι η βασική δουλειά του τραπεζιού. Εκτός αυτής όμως ένα λειτουργικό τραπέζι πρέπει : Να εξουδετερώνει όσο γίνεται το δημιουργούμενο θόρυβο. Να διαθέτει πρόβλεψη αυτοκαθαρισμού για να μην διακόπτεται η παραγωγική διαδικασία για την απομάκρυνση των αποβλήτων της κοπής. Να διευκολύνει τη συγκέντρωση και την απόρριψη των αποβλήτων, και 31

32 Να αντέχει στο ιδιαίτερα διαβρωτικό περοβάλλον λόγω της συνεχούς παρουσίας νερού, αλλά και της έμμεσης προσβολής από την ίδια τη δέμση κοπής. Σχήμα : Εργαλειομηχανή υδροκοπής ΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ Τα πλεονεκτήματα της υδροκοπής είναι : Ευελιξία στη παραγωγή Ακρίβεια κοπής Μικρό πλάτος κοπής Χωρίς επιφανειακή σκλήρυνση 32

33 Χωρίς θερμική καταπόνηση Χωρίς καπνούς, αναθυμιάσεις και σκόνες Φιλική στο περιβάλλον Το λειαντικό υγρό, ο γραφίτης είναι μη τοξική φυσική ουσία και ανακυκλώσιμη Τα μειονεκτήματα της υδροκοπής είναι : Μικρή ταχύτητα κοπής σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους, άρα και μεγαλύτερο κόστος λειτουργίας Κακή ποιότητα κοπής για τα χοντρά μέταλλα γιατί δημιουργείται κώνικη διάτρηση με αποτέλεσμα να προκαλεί λανθασμένες διαστάσεις Η χρησιμοποίηση νερού με υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα προκαλεί σκουριά και αναγκάζει τον χρήστη να επενδύση στο φιλτράρισμα και τον απιονισμό του νερού. 33

34 4. ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΛΕΙΖΕΡ Η κοπή με λέιζερ υπήρξε η πρώτη βιομηχανική διεργασία στην οποία χρησιμοποιήθηκαν τα λέιζερ και σήμερα αποτελεί μία από τις πλέον διαδεδομένες εφαρμογές τους στη βιομηχανία. Οι βασικοί λόγοι που οδήγησαν στην πληθώρα εφαρμογών κοπής με λέιζερ είναι η ταχύτητα και η ποιότητα κοπής. Αναλυτικότερα, τα πλεονεκτήματα της κοπής λέιζερ σε σχέση με συμβατικές τεχνικές κοπής είναι: α) το πλάτος κοπής είναι πολύ μικρό που συνεπάγεται οικονομία υλικού. Οι άκρες είναι καλά τετραγωνισμένες, ομαλές και καθαρές γεγονός που αφενός αποτρέπει την ανάγκη περαιτέρω επεξεργασίας. Επιπλέον, μπορεί να ακολουθήσει άμεσα συγκόλληση αν χρειαστεί. Τέλος η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα είναι πολύ μικρή επομένως οι παραμορφώσεις του γειτονικού υλικού ελάχιστες. β) η διαδικασία είναι ταχύτατη, με ελάχιστο θόρυβο, μπορεί εύκολα να αυτοματοποιηθεί, η επιλογή και η αλλαγή διεύθυνσης είναι πανεύκολη και δεν απαιτούνται επιπλέον εργαλεία. γ) απαιτείται μόνο οπτική επαφή με το υλικό και σχεδόν όλα τα υλικά μπορούν να κοπούν με λέιζερ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ Οι βασικές αρχές κοπής με λέιζερ φαίνονται στο σχήμα Τα βασικά τμήματα της διάταξης είναι το λέιζερ, ένα οπτικό σύστημα καθοδήγησηςεστίασης της δέσμης και ένα σύστημα ελεγχόμενης μετακίνησης είτε της δέσμης είτε του δείγματος που υπόκειται σε επεξεργασία. Συστήματα λέιζερ που χρησιμοποιούνται στην κοπή είναι τα διοξείδιο του άνθρακα και νιοβίου (CO2, Nd) και λέιζερ διεγερμένων διμερών. Το σύστημα καθοδήγησης της δέσμης αποτελείται από κάτοπτρα υψηλής ανακλαστικότητας ή ειδικά για 34

35 τα Nd λέιζερ μπορεί να είναι οπτική ίνα. Το σύστημα εστίασης μπορεί να αποτελείται από διαπερατά ή ανακλαστικά οπτικά. Τα διαπερατά οπτικά είναι φακοί κουάρτζ στην περίπτωση των λέιζερ Nd και διεγερμένων διμερών και φακοί από ZnSe, GaAs ή CdTe για το CO2 λέιζερ. Αντίστοιχα, τα ανακλαστικά οπτικά αποτελούνται από παραβολικά κάτοπτρα. Η εστιασμένη δέσμη οδηγείται στο υλικό συνήθως ομοαξονικά με κάποιο αέριο. Ανάλογα με το υλικό που πρόκειται να κοπεί, το χρησιμοποιούμενο λέιζερ και τη διαδικασία που ακολουθείται, το αέριο μπορεί να λειτουργεί είτε για ενίσχυση της διαδικασίας είτε για αδρανοποίηση του υλικού που κόβεται. Η ενίσχυση της διαδικασίας κοπής επιτυγχάνεται είτε με αδρανές είτε με ενεργό αέριο. Στην πρώτη περίπτωση, το αέριο είναι αέρας/αέριο υπό πίεση που μέσω της ισχυρής ροής απομακρύνει από το σημείο κοπής το λιωμένο υλικό και τους δημιουργούμενους ατμούς, ενισχύοντας αφενός την απορρόφηση και βοηθώντας αφετέρου την ευκολότερη είσοδο της δέσμης στα βαθύτερα στρώματα. Στη δεύτερη περίπτωση, η οποία εφαρμόζεται σε μεταλλικά δείγματα όπως σίδηρο, η χρήση οξυγόνου έχει σαν αποτέλεσμα την ενίσχυση της θερμικής διαδικασίας και κατ επέκταση της ταχύτητας κοπής λόγω της δημιουργούμενης εξώθερμης αντίδρασης. Η αδρανοποίηση του υλικού είναι επιθυμητή στα μεταλλικά δείγματα και σχετίζεται με τη ελαχιστοποίηση των οξειδώσεων. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται αργό άζωτο. Τέλος η ροή αερίου σε κάθε περίπτωση λειτουργεί προστατευτικά για τα οπτικά εστίασης καθώς απομακρύνει από αυτά τους ατμούς και το πλάσμα. 35

36 Σχήμα 4.1.1: Οι βασικές αρχές κοπής με λέιζερ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η ακτινοβολία, μετά την παραγωγή της, περνάει μέσα από σωλήνες γεμάτους με κάποιο «υλικό ενίσχυσης» και αυξάνει την ισχύ της. Ειδικοί καθρέπτες φροντίζουν ώστε το μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολίας να κάνει επανειλημμένα την ίδια διαδρομή, κερδίζοντας κάθε φορά περισσότερο σε ισχύ. Ένα μέρος της ακτινοβολίας που πηγαινοέρχεται μέσα στους σωλήνες αφήνεται να περάσει από μικρή οπή διαφάνειας που βρίσκεται στο κέντρο του κατόπτρου και δημιουργεί την τελική υψηλής ενέργειας ακτίνα Laser. Αυτή η εξαιρετικά ισχυρή ακτίνα, εστιασμένη από σύστημα κατόπτρων και φακών, και υποβοηθούμενη από την μεγάλης ταχύτητας ροή κάποιων αερίων, προσβάλλει και λιώνει το υλικό που θέλουμε να κόψουμε. Στο σχήμα είναι ένα σχεδιάγραμμα με σύστημα παραγωγής ακτίνων Laser. Η πορεία της ακτίνας ξεκινάει από τη θέση 1 όπου η διέγερση του 36

37 διοξειδίου του άνθρακα παράγει μονοχρωματικό φως. Στην συνέχεια το μονοχρωματικό φως αναμιγνύεται από τον αποκλείνοντα φακό στη θέση 2 και οδηγείται από τα τηλεσκόπια των θέσεων 3 και 4 στους καθρέπτες εκτροπής δέσμης των θέσεων 5. Στη θέση 6 είναι ο φακός εστίασης που οδηγεί την λεπτή δέσμη Laser στη θέση 7 και την κεφαλή κοπής, όπου στην άκρη της κεφαλής βρίσκεται το ακροφύσιο (μπεκ), θέση 8,και οδηγεί την δέσμη στο φύλλο υλικού που μορφοποιείται, θέση 9. Σχήμα 4.2.1: Σχεδιάγραμμα Συστήματος Παραγωγής Ακτίνας LASER. Το σύστημα εστίασης (θέση 6) αποτελείται είτε από φακό σεληνιούχου ψευδαργύρου ή από παραβολικό κάτοπτρο που εστιάζει την ακτίνα Laser σε ένα σημείο. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η περίπτωση εστίασης με φακό. Στο σημείο εστίασης επιτυγχάνεται πυκνότητα ισχύος μεγαλύτερη από 500KW/cm2, ανάλογα βέβαια με την ισχύ της πηγής. 37

38 Με τον όρο εστιακή απόσταση εννοούμε την απόσταση ανάμεσα στην εστία και τα οπτικά εστίασης. Η εστία ρυθμίζεται πάνω από την επιφάνεια του φύλλου που θα κόψουμε, επάνω σε αυτήν ή κάτω από αυτήν μέσα στην μάζα του φύλλου που θέλουμε να κόψουμε, ανάλογα με τις απαιτήσεις του υλικού. Η υψηλής πυκνότητας ισχύς θερμαίνει πολύ γρήγορα το υλικό, το λιώνει και μερικά ή ολικά το εξατμίζει. Το αέριο που εκτοξεύεται από το ακροφύσιο απομακρύνει την τηγμένη μάζα υλικού από το αυλάκι κοπής και επηρεάζει την ποιότητα κοπής, την ισχύ του Laser και τη συνολική παραγωγικότητα. Τα αέρια αυτά χρησιμοποιούνται είτε σε φιάλες είτε σε συστοιχίες φιαλών ή σε δεξαμενές υγρού για μεγάλες καταναλώσεις. Για το άζωτο, που είναι το πιο κοινό αέριο για την κοπή ανοξείδωτου χάλυβα, απαιτείται σύστημα υψηλής πίεσης και υψηλής παροχής. Υπάρχουν δύο τρόποι προμήθειας αυτών των συστημάτων : είτε δεξαμενές υγρού υψηλής πίεσης, ή συμβατικές δεξαμενές με συμπιεστή αζώτου, που παρέχουν την αδιάκοπη παροχή του Laser με άζωτο. Η μηχανή κινεί την κεφαλή κοπής πάνω από το φύλλο του μετάλλου σύμφωνα με το προγραμματισμένο σχέδιο, και κόβει το αντικείμενο που θέλουμε από το φύλλο του υλικού. Σχήμα 4.2.2: Εστιακή απόσταση, δηλαδή απόσταση φακού με την εστία. 38

39 4. 3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΛΕΙΖΕΡ Ανάλογα με το υπό κοπή υλικό και το χρησιμοποιούμενο λέιζερ, υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι κοπής των υλικών. Αυτές είναι κυρίως θερμικές όπως η εξάτμιση, το λιώσιμο σε συνδυασμό με απομάκρυνση του λειωμένου υλικού και το λιώσιμο σε συνδυασμό με καύση και απομάκρυνση του λειωμένου υλικού. Επιπλέον, σε ειδικές περιπτώσεις μπορεί να εφαρμοστεί η κοπή με σπάσιμο λόγω θερμικής τάσης, η χάραξη και η «κρύα κοπή». Αναλυτικότερα η κάθε μέθοδος κοπής λειτουργεί ως εξής: Κοπή με εξάτμιση Κοπή με λιώσιμο και απομάκρυνση Κοπή με λιώσιμο, καύση και απομάκρυνση Κοπή με θραύση λόγω θερμικής τάσης Κοπή με χάραξη Κρύα κοπή ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΟΠΗΣ ΜΕ ΛΕΙΖΕΡ Το κυριότερο χαρακτηριστικό των τομών από θερμική κοπή με λέιζερ είναι η ύπαρξη γραμμώσεων στην τομή. Πολλά μοντέλα έχουν προταθεί για να εξηγηθεί η ύπαρξη τους όμως δεν είναι ακόμα γνωστός ο ακριβής μηχανισμός της δημιουργία τους. Σε κάθε περίπτωση όμως η δομή των γραμμώσεων σχετίζεται στενά με την ποιότητα κοπής, την τραχύτητα της επιφάνειας και την ύπαρξη οξειδίων. Η τραχύτητα της τομής είναι συνήθως ελάχιστη κυρίως για υλικά μικρού πάχους. Για παράδειγμα, στο σίδηρο η τραχύτητα κυμαίνεται από 20 μm έως 60 μm για πάχος υλικού 1 mm έως 8 mm αντίστοιχα. Γενικά, για υλικά 39

40 πάχους λίγων mm η τραχύτητα δεν υπερβαίνει τα 20 μm. Όμως παρουσιάζεται αρκετά ενισχυμένη κατά την κοπή με συνεχές λέιζερ παρουσία οξυγόνου. Σχετικά με την περιοχή του υλικού που επηρεάζεται από τη θερμοκρασία, αυτή εξαρτάται από το υλικό και την ισχύ της εισερχόμενης ακτινοβολίας. Γενικά όμως είναι σχετικά μικρή (για τον σίδηρο είναι έως 0.25 mm). Τέλος, σχετικά με τις δυνατότητες του λέιζερ σε κοπή διαφόρων υλικών, στο σχήμα παρουσιάζεται μία σειρά αποτελεσμάτων κοπής από λέιζερ CO2 όπου όσο περισσότεροι σταυροί υπάρχουν σε ένα υλικό τόσο ευκολότερα κόβεται με λέιζερ. Όπως φαίνεται σχεδόν όλα τα υλικά κόβονται με το λέιζερ με πολύ καλή έως ικανοποιητική απόδοση. Σχήμα 4.4.1: Πίνακας κοπής λέιζερ διαφόρων υλικών 40

41 4. 5 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ- ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΟΠΗΣ ΜΕ LASER Η τεχνολογία κοπής με Laser παρουσιάζει τα ακόλουθα Πλεονεκτήματα: Υψηλή ακρίβεια. Καθώς η χρήση του αντίστοιχου φακού εστίασης δημιουργεί το ανάλογο πάχος στη δέσμη κοπής και σε συνδυασμό με την τεχνολογία CNC είναι η μοναδική τεχνολογία που επιτρέπει κοπή ή χάραξη πολύπλοκων σχημάτων. Εξαιρετική ποιότητα κοπής. Μικρό πλάτος ίχνους κοπής (Kerf). Μεγάλη ταχύτητα κοπής. Πολύ μικρή ζώνη θερμικού φορτίου σε σύγκριση με άλλες τεχνικές Θερμικής Κοπής. Πολύ μικρή εφαρμογή θερμότητας, και αυτή πολύ κοντά στο ίχνος κοπής, με αποτέλεσμα μικρότερη παραμόρφωση του κομμένου υλικού. Κοπή πολλών διαφορετικών τύπων υλικών. Κοπή και χάραξη με το ίδιο εργαλείο. Δυνατότητα κοπής σύνθετων γεωμετρικών σχημάτων, μικρών οπών και φρεζαριστών κοπών. Καμία επαφή ανάμεσα στο υλικό και το εργαλείο διαμόρφωσής του, επομένως εφαρμογή μηδενικών δυνάμεων στο αντικείμενο που δουλεύουμε. 41

42 Εύκολος και άμεσος έλεγχος της ισχύος του Laser σε πλατύ φάσμα (1-100%) που κάνει δυνατή την μείωση της ισχύος όταν κόβουμε απότομες και πολύ μικρές γωνίες. Το επίστρωμα οξειδίων στην επιφάνεια κοπής, όταν κόβουμε με πυρσό λέιζερ, είναι πολύ λεπτό και εύκολα αφαιρούμενο. Κοπή με Laser με υψηλής πίεσης Άζωτο κάνει δυνατή κοπή ελεύθερη οξειδώσεων. Η τεχνολογία κοπής με Laser παρουσιάζει τα ακόλουθα Μειονεκτήματα : Αναθυμιάσεις. Η κοπή πλαστικών υλικών παράγει τοξικούς καπνούς από το λιωμένο υλικό και απαιτεί καλά αεριζόμενο περιβάλλον. Περιορισμοί των υλικών κοπής. Δεν κόβεται με Laser ο χαλκός και το αλουμίνιο γιατί αντανακλούν πολύ φως και έχουν μεγάλο πάχος. Επίσης εύθραυστα και διαφανή υλικά όπως το γυαλί και το κρύσταλλο. Απαιτείται υψηλή ενέργεια για την λειτουργία του Laser. Ρυθμός Παραγωγής. Ενώ η κοπή με Laser είναι μια γρήγορη διαδικασία ο ρυθμός παραγωγής εξαρτάται απο τον τύπο του Laser, το πάχος και το είδος του υλικού. 42

43 5. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΔΡΟΚΟΠΗΣ ΜΕ LASER Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα τα οποία υπερτερεί η υδροκοπή σε σχέση με το λέιζερ. Κάποια από τα ποιο σημαντικά είναι τα ακόλουθα. 1. Μπορεί να κοπεί οποιοδήποτε υλικό ( είτε ξύλο, είτε σίδερο ), γιατί δεν προκαλούνται θερμές επιφάνειες. Με αποτέλεσμα να καεί, και εντέλει να καταστραφεί το υλικό. 2. Είναι φιλικό προς το περιβάλλον, γιατί τεμαχίζει τα υλικά μόνο με την χρήση του νερού. 3. Καλύτερα φινιρίσματα μετά το πέρας της κοπής. Στην αντίθετη περίπτωση το λέιζερ υπερτερεί σε κάποιους άλλους τομείς έναντι της υδροκοπής 1. Στην ιατρική χειρουργική. Αφού μπορείς να γίνει με την χρήση του εγχείριση σε οποιοδήποτε σημείο του σώματος. Και παράλληλα καυτιριασμός στην περιοχή που έχεις μόλις εγχειρήσει, για να μην έχεις απώλεια αίματος. 2. Επίσης έχει και καλή ποιότητα κοπής 43

44 6. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΑΡΜΑΡΩΝ 44

45 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΓΥΑΛΙΟΥ 45

46 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΛΛΟΥ 46

47 47

48 7. 1. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΥΡΙΑΚΗ Γ. ΜΑΝΙΑΔΑΚΗ, ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΡΟΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΑ ΦΙΛΙΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕ ΕΚΤΟΞΕΥΣΗ ΥΓΡΟΥ ΥΨΗΛΗΣ ΠΙΕΣΗΣ, ΕΤΟΣ ΙΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΣΤΑΥΡΟΣ, ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ ΚΟΠΗΣ. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ, ΕΤΟΣ WATER JET SWEDEN 4. ΕΜΠΟΡΙΚΟ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΠΕΙΡΑΙΩΣ, ΤΕΧΝΙΚΟΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ, ΕΤΟΣ