Charakteristika rezania materiálov vodným lúčom

Transcript

1 ZPRÁVA Z PRŮMYSLOVÉ PRAXE Číslo projektu Název projektu Jméno a adresa firmy Jméno a příjmení, tituly studenta: Modul projektu CZ.1.07/2.4.00/ Vytváření nových sítí a posílení vzájemné spolupráce v oblasti inovativního strojírenství BSK industrial,s. r. o., Temenická 3245/59, Šumperk IČ Juraj Surovský, Ing. 3. Obrábění materiálu Úvod do problematiky rezania vodným lúčom Cesty hľadania spôsobov ako prispieť k zvýšeniu efektívnosti procesu rezania vodným lúčom, ako skrátiť čas potrebný na vyrezanie jednotlivých komponentov pri zachovaní kvality obrobenej plochy sa ale nekončia. Naopak, táto technológia popri neobmedzenom sortimente rezateľných materiálov disponuje nástrojom, ktorý nepôsobí negatívne na obrobok ani na životné prostredie, sa stala najviac napredujúcou technológiou posledných rokov. Táto nekonvenčná, alebo progresívna technológia rezania vysokorýchlostným a vysokotlakovým hydroabrazívnym lúčom vzrástla na význame pridaním abrazívnych látok. Vysoká rýchlosť vytekajúceho prúdu vody s prímesou abrazíva (AWJ) umožňuje obrábať intenzívne, ekonomicky a pritom ekologicky v podstate skoro všetky priemyselné materiály. Táto technológia je dnes už hardwarovo i softwarovo zväčša vyriešená, existujú špeciálne CNC riadené stroje, ale spôsob kontroly povrchu obrobených plôch s kontinuálnym riadením ( on line ) zostáva ešte technickým problémom. Charakteristika rezania materiálov vodným lúčom Princíp rezania kvapalinovým lúčom spočíva v generovaní vysokého tlaku kvapaliny (najčastejšie vody), ktorá pri pretekaní dýzou malého priemeru získa veľmi vysokú kinetickú energiu. Kvapalinový vodný lúč (VL = WJ) je vysokotlakový bez alebo s prímesou abrazíva, kontinuálny a v prípade s prisávaním abrazíva označovaný ako AWJ (Abrasive Water Jet). (Slávik, I., 2000, s. 11). Podľa druhu a hrúbky rezaného materiálu sa určuje spôsob rezania. Rezanie použitím čistého vodného lúča sa používa pri rezaní tenkých a mäkkých materiálov s nižšou pevnosťou, napr. papier, lepenka, textil, guma, koža, penové materiály, ale i čokoláda, lieky a iné. Čistý vodný lúč vytvára reznú medzeru širokú 0,1 0,4 mm obr. č. 1.

2 Obrázok 1: Čistý vodný lúč Obrázok 2: Abrazívny vodný lúč (Slávik, I., 2000, s. 12) (Slávik, I., 2000, s. 12) Primiešaním abrazívnych častíc (zŕn) do čistého vodného lúča vzniká abrazívny vodný lúč, ktorý vytvára reznú medzeru širokú 0,8 2,2 mm- obrázok 2. Abrazívnym vodným lúčom možno rezať nasledovné druhy technických materiálov : - všetky druhy konštrukčných, nástrojových a antikoróznych ocelí - kalené plechy (PP-ARMOX, HARDOX ), pružinové ocele, MARAGIN,TRIP - titán a jeho zliatiny - stelit, NIMONIC, HASTELLOY, INCONEL - farebné kovy (meď, mosadz, bronz) - hliník a jeho zliatiny - ťažko obrobiteľné materiály - brúsne kotúče z Al2O3 - prírodné a umelé kamene, žula, mramor - keramika, porcelán, dlaždice, obklady - stavebný materiál, betónové dlažby, šamotové tehly - sklo i viacvrstvové, lepené, nepriestrelné, drôtené - tvarové diely kreslené a programované s CAD/CAM Ďalšie možné aspekty využitia technológie WJ či AWJ sú : - rezanie materiálov s nerovnakou hrúbkou (zvlnených ± 100 mm) - možnosť zmeny kvality rezanej plochy v rámci jedného výrobku - minimálne silové pôsobenie lúča na rezaný materiál

3 - rezanie materiálov bez tepelného alebo chemického ovplyvnenia (pancierový plech) Charakteristika technológie WJ - AWJ Hlavné oblasti procesu vzniku, formovania a pôsobenia vysokotlakového vodného lúča na obrábaný materiál sú na obrázku 3. Obrázok 3: Schéma vzniku, formovania a pôsobenia AWJ na obrábaný materiál (Krajný, Z., 1998, s. 20 ) Rezná kvapalina : Výber druhu pracovnej kvapaliny je základný faktor ovplyvňujúci efektívnosť technológie rezania. Pracovná kvapalina pre Water Jet Machine (WJM) musí spĺňať nasledujúce požiadavky: - nízka viskozita zabezpečujúca malé straty výkonu toku kvapaliny pri prechode potrubiami - minimálna agresívnosť s ohľadom na kovové časti zariadenia, malá toxicita, t.j. kvapalina nesmie dráždiť pokožku, dýchacie cesty a zrak obsluhy - schopnosť spĺňať hydrodynamické charakteristiky vysokorýchlostného lúča malého

4 priemeru - schopnosť zabezpečovať najlepšiu kvalitu plôch pri najmenších energetických stratách na formovanie lúča ako nástroja rezania - bežná dostupnosť a nízka cena Z globálneho pohľadu uvedené požiadavky najlepšie spĺňa voda (H2O), ktorá je najdostupnejšia, najlacnejšia a nie je agresívna pri styku s obsluhou stroja. Jej korózny účinok na oceľové časti stroja sa eliminuje ich výrobou z nehrdzavejúcich materiálov. V medicíne sa okrem vody používa i lieh alkohol i pri rezaní liekov, v potravinárskom priemysle sa na rezanie čokolády a zákuskov používa kakao, mlieko, rastlinné oleje. Medzi základné požiadavky, ktoré vyjadrujú efektívnosť používanej kvapaliny, je jej schopnosť zachovať kompaktný spojitý tvar lúča po výstupe z vodnej dýzy (trysky), na čo najväčšiu vzdialenosť. Prietok vody (L.min -1 ) ako funkcia tlaku a veľkosti priemeru trysky, podľa (Mašlej, M., 2003, s. 35) ukazuje tabuľka 1. Filtrácia a úprava kvapaliny Predpokladom pre dlhodobý chod zariadenia na rezanie vodným lúčom je správna filtrácia vstupnej kvapaliny. Neupravená voda používaná na pitie, alebo na priemyselné použitie sa ukázala ako nevhodná pre dlhodobú prácu pri tlaku p = 350MPa a rýchlosti v=700m.s -1. Prvé zariadenia používali na filtráciu 15-5 mikrónové filtre. Filtračná jednotka s filtrami je na obrázku 4. Okrem toho sa niekedy robí zmäkčovanie vody alebo deionizácia. Obrázok 4: Filtračná jednotka s 15, 10 a 5 mikrónovými filtrami (zelené nádoby hore) (Mašlej, M., 2003 s.41)

5 Tabuľka 1: Prietok vody v L.min -1 ako funkcia tlaku (p) a veľkosti priemeru vodnej dýzydz1 (Mašlej, M., 2003 s.58) Kompresia stlačenie vody Pôsobenie vodného lúča na rezaný materiál je podmienený veľkosťou tlaku kvapaliny, ktorá pôsobí na určitú plochu. Pri vodnom lúči pôsobí tlak p = MPa na plochu 1 mm 2. Úlohou tlakového systému je natlakovanie kvapaliny na konštantnú efektívnu hodnotu tlaku. K tomu sa používajú buď piestové alebo multiplikátorové čerpadlá. Činnosť hydraulického multiplikátora (násobiča tlaku) je založená na rovnováhe síl, ktoré pôsobia na nerovnaké plochy diferenciálneho piestu. Dosahuje sa tlak p = MPa. Schematické znázornenie hydraulickej jednotky s multiplikátorom je na obr. č. 5. Pre výstupný tlak vody P2 potom u dvojčinného multiplikátora platí: S1 S2 P2 S1 S2 P2 =. P1 a z toho = = i S2 P1 S2 kde: P1- je tlak pôsobiaci na piest o ploche S1 P2 -je tlak pôsobiaci na piest o ploche S2

6 i - je multiplikačná konštanta, alebo koeficient zosilnenia tlaku P1 na P2 ( napr. i = 9 ). Obrázok 5: Schéma zariadenia pre kompresiu vody, s dvojčinným multiplikátorom (Slávik, I., 2004, s.49) Množstvo kvapaliny dodávané multiplikátorom nie je kontinuálne. Preto pre vyrovnanie kolísania tlaku a rovnomernej dodávky kvapaliny je do okruhu zaradený akumulátor. Je to vysokotlaková nádoba, výstup z ktorej je riadený tlakovým mechanizmom. Konštantný tlak sa kontroluje výstupným tlakomerom. Rozvod stlačenej kvapaliny Stlačená kvapalina je privádzaná cez vysokotlakové potrubie do pohybujúceho sa zariadenia reznej hlavice. Vysokotlakové potrubia sú z ocele AISI 309 = STN , (Krajný, Z., 1998, s. 87). Vodná dýza (tryska) Na vstupe do rezacej hlavy obr. č. 6, je umiestnená vodná dýza (tryska). V nej dochádza k transformácii statickej energie kvapaliny na dynamickú (kinematickú) energiu lúča. Vodná tryska uskutočňuje usmernenie (fokusáciu) lúča, s cieľom vytvorenia kompaktného prúdu kvapaliny. Vytvorenie súvislého homogénneho lúča tvorí základ tvaru nástroja pre rezanie, ktorý sa neskôr kopíruje do rezaného materiálu. Vodná tryska je základná súčiastka pre delenie kvapalinovým lúčom. Používa sa pri oboch druhoch zariadení, tak pre rezanie čistou vodou (VL), tak i pri zariadení pre delenie materiálov abrazívnym kvapalinovým lúčom (AWJ). Vodné trysky pre tlaky do 150 MPa sa vyrábajú

7 z nehrdzavejúcich ocelí, trysky pre tlaky do 250 MPa sú zo spekaných karbidov (SKtvrdokov), alebo z keramiky, pre vyššie tlaky sú trysky zo zafíru, rubínu, alebo syntetického diamantu. Najefektívnejšie je rezanie novými tryskami. Životnosť trysky je vždy podmienená materiálom trysky, použitým tlakom, kvalitou použitej kvapaliny. Zmena vnútorného priemeru a tvaru trysky, vplýva na rezný výkon, kvalitu a tvar rezu, drsnosť a kolmosť rezanej plochy a dosiahnutú hĺbku rezu. (Valíček, J., 2008, s. 71). Obrázok 6: Kompletná základná technologická zostava zariadenia pre delenie materiálov vysokorýchlostným hydroabrazívnym prúdom (lúčom). (Hloch, S., 2008, s. 68) Miešanie vodného lúča s abrazívom Proces primiešavania, resp. zmiešavania abrazívneho materiálu (zrna) do čistého vodného lúča sa robí v zmiešavacej komôrke, ktorá je umiestnená v reznej hlave. Pri prechode kvapaliny do rozširujúceho sa priestoru komôrky sa mení lamelárne prúdenie na turbulentné, dochádza k čiastočnému víreniu kvapaliny a v priestore komôrky vzniká podtlak. Ten nasáva cez potrubie príslušné abrazívum, ktoré sa mieša s vodným lúčom. Vodný lúč odovzdá časť svojej kinetickej energie abrazívnym časticiam a spolu postupujú do usmerňovacej trubice, alebo tiež nazývanej abrazívnej trysky a tam vytvárajú abrazívny kvapalinový lúč. Väčšina abrazívnych zŕn po zmiešaní zostáva v obalovej povrchovej vrstve lúča, čo je z hľadiska rezného účinku dobré. (Krajný, Z., 1998, s.117).

8 Abrazív Náklady na abrazív predstavujú najväčšiu položku pri rezaní na zariadeniach pracujúcich s AWJ. Implementácia abrazíva do technológie rezania vodným lúčom, bola výsledkom intenzívneho výskumu realizovaného v USA v rámci kozmického programu, zameraného na zvýšenie efektívnosti rezania keramických materiálov pre raketoplány na konci 70-tych rokov 20. storočia. Primiešaním abrazívnych zŕn do čistého vodného lúča prudko vzrástla jeho výkonnosť. Tá však závisí od použitého abrazíva a jeho kvality. Pri výbere vhodného abrazíva sa volí kompromis medzi týmito faktormi. (Maňková, I., 2000, s ). - Tvrdosť abrazíva vyššia účinnosť pri delení materiálov, ale rýchlejšie opotrebenie trubíc a trysiek - Veľkosť abrazívnych zŕn. Udáva sa v jednotkách MESH, čo označuje počet ôk sita na dĺžke jedného palca (25,4 mm). Napr. MESH 80 znamená veľkosť zrna mikrometra, POWER Garnet 2A - Tvar abrazívnych zŕn použitím guľatejších zŕn sa dosiahne lepšia drsnosť povrchu na úkor dosiahnutej hĺbky deliaceho rezu - Hmotnostný tok abrazíva, je množstvo primiešaného abrazíva za určenú časovú jednotku - Ekologickosť abrazíva - Cena abrazíva Poznáme prírodné a syntetické abrazíva. Podľa praxe je najrozšírenejším druhom abrazíva GRANAT granátový piesok, alebo olivínový piesok. V praxi používané množstvo abrazíva pri delení materiálov spôsobom AWJ je v rozsahu Ma = g.min -1. Abrazívna dýza (tryska), alebo zaostrovacia trubica Základnou požiadavkou na abrazívnu trysku (dýzu), v ktorej prebieha proces formovania konečného tvaru lúča, je vysoká miera oteruvzdornosti. Preto sú vyrábané práškovou metalurgiou z karbidu volfrámu (WC), z kubického nitridu boru (PKNB) a najnovšie z WC + povlak iónovou implantáciou, alebo i z reznej keramiky. Životnosť abrazívnej trysky v prevádzke je vyjadrená počtom pracovných hodín rezania (delenia), pri nezmenenej, resp. pri nepatrnej zmene jej vnútorného geometrického tvaru

9 (napr. zmena priemeru o 0,05 mm) sa prejaví v zmene tvaru vystupujúceho lúča a následne v zmene tvaru a veľkosti vytvorenej reznej medzery. Z abrazívnej dýzy (trysky) s výrobným priemerom 1 mm (p = 350 MPa, abrazív Granát MESH 80, veľkosť zŕn 180 mikrometrov ), vystupuje: hod. lúč s priemerom 0,9 mm hod. lúč s priemerom 1,0 mm hod. lúč s priemerom 1,1mm hod. lúč s priemerom 1,2mm hod. lúč s priemerom 1,4mm Maximálna životnosť trubíc je hod., vyrobených z kompozitného karbidu (s povlakom). (Hloch, S., 2006, s38). Pôsobenie lúča ako nástroja rezania Po výtoku abrazívneho lúča z abrazívnej dýzy (trysky) je jeho činnosť charakterizovaná - šírením lúča v prostredí medzi dýzou a materiálom - interakciou (stykom) s materiálom - útlmom zvyšnej kinetickej energie (disipitácia) Snahou je vzdialenosť medzi tryskou a materiálom minimalizovať, (z = l 4 mm). Interakcia s materiálom je podľa spojením viacerých mechanizmov rezania (cutting), únavy (fatigue) a lomu (fracture). Na podiel jednotlivých mechanizmov v rámci výslednej deformácie má vplyv : - uhol dopadu abrazívnych častíc - veľkosť a tvar abrazívnych častíc - kinetická energia abrazívnych častíc - materiálové vlastnosti abrazívnych častíc - materiálové vlastnosti rezaného (obrábaného) materiálu Výsledkom tohto pôsobenia je povrch, ktorý je charakteristický tým, že na ploche rezania sú minimálne 2 zóny. Horná časť deliaceho rezu je pomerne hladká (iniciačná oblasť) ako je vidieť i na obr. č. 12 a od určitej hĺbky prevláda ryhovaná oblasť. Je to spôsobené tým, že lúč stráca svoju kinetickú energiu a vychyľuje sa, čím dochádza k zmene mechanizmu úberu materiálu z prevládajúceho rezného opotrebenia na deformačné opotrebenie (Krajný, Z., 1998, s. 134).

10 Obrázok 7: Charakteristický povrch obrobenej plochy po delení abrazívnym vodným lúčom do materiálu STN 17246, hrúbky 60 mm. (Hloch, S., 2009, s.86-89) Hĺbku reznej zóny je možné vypočítať hc (kvalitná oblasť) i hĺbku deformačnej zóny hd (pri h = hc + hd). Vzorec 1(Hashish, M., 1995, s117) Útlm vodného lúča Prebieha v priestoroch záchytnej nádrže s vodou, naplnenou na minimálnu výšku podľa pracovného tlaku lúča. Utlmenie sa robí i pokračovaním prúdu s abrazívom, v styku s podpornými podložkami (roštmi), ako to vidieť i na obrázku 13. Obrázok 8: Dôsledky pôsobenia hydroabrazívneho lúča na pracovné podložky (rošty ) po prerezaní deleného materiálu pri útlme lúča. (Mašlej, M., s.2003 s.34)

11 Analýza vzájomných vzťahov medzi parametrami rezania a parametrami kvality rezaného pvrchu Na kvalitu delenej plochy a na úber (odoberanie) materiálu pri rezaní abrazívnym vodným lúčom má vplyv mnoho technologických faktorov, ako to vidieť z obrázku 9. Obrázok 9: Regulovateľné parametre pri delení materiálov abrazívnym lúčom (AWJ) (Slávik, I., 2004). Tieto faktory možno rozdeliť na priame a nepriame: - priame faktory : rýchlosť posuvu - vf - / mm.min -1, mm.s -1 / (vp) smer posuvu - sp - / / hrúbka materiálu - h - /mm / (b) uhol pôsobenia - β - / / (α) zdvih (vzdialenosť) - l - / mm / (z) - nepriame faktory : tlak čerpadla - pč - /MPa/ Tato zpráva byla vypracována pro účely projektu Vytváření nových sítí a posílení vzájemné spolupráce v oblasti inovativního strojírenství s reg. č. CZ.1.07/2.4.00/ Projekt je podpořen z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.

12 tlak kvapaliny - p - /MPa/ priemer vodnej dýzy - dz1 - /mm/ (do) priemer abrazívnej dýzy - dz2 - /mm/ (da) dĺžka abrazívnej dýzy - L - /mm/ hmotnostný tok abrazíva - Ma - / g.min -1 / (ma) druh abrazíva (rozmer, tvar ) - A - druh deleného materiálu - Rm (pevnosť, tvrdosť) (σ, E) (Krajný, Z., 1998, s 76). Pôsobením týchto faktorov sa vytvára deliaca plocha, ako obalová plocha trajektórie pracovného pohybu abrazívneho lúča. Pracovný lúč sa skladá z vody (74%), abrazíva (23 %) a vzduchu (3%). Základným princípom úberu materiálu abrazívnym vodným lúčom je spolupôsobenie kvapalnej a pevnej fázy, kde úber materiálu sa uskutočňuje ako dôsledok erozívneho pôsobenia. Pevné časti abrazíva dopadajú vysokou rýchlosťou na hornú eróznu časť materiálu a vytvárajú rezné opotrebenie. Spodná časť delenej plochy podlieha plastickým deformáciám (deformačné opotrebenie) viď obrázok 12. Uvedení autori zostavili aj tabuľku významnosti vplyvu technologických parametrov AWJ na výkon a kvalitu povrchu deleného materiálu tabuľka č. 2. Ako vidieť z tabuľky, ktorá vznikla z výsledkov analýzy vlastných, ale i uvádzaných autorov na drsnosť a vlnitosť povrchu delených plôch pri rezaní s AWJ, najväčší vplyv má zrnitosť abrazíva (maximálny význam), jeho tvrdosť a použitý materiál abrazíva (veľká významnosť) a ďalej s veľkou významnosťou sú to : - tlak vodného prúdu - p - - posuvová rýchlosť - vf - - priemer vodnej trysky - dz1 (Valíček, J., 2008, s.51). Tato zpráva byla vypracována pro účely projektu Vytváření nových sítí a posílení vzájemné spolupráce v oblasti inovativního strojírenství s reg. č. CZ.1.07/2.4.00/ Projekt je podpořen z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.

13 Rozhodujúcimi vlastnosťami abrazíva, na základe fyzikálnych princípov ako aj podmienok pracoviska, ktoré vplývajú na proces rezania materiálov abrazívnym lúčom sú: - maximálna tvrdosť abrazíva - vhodný tvar abrazívnych zŕn - vhodná veľkosť zŕn abrazíva - vyššia merná hustota abrazíva - zdravotná nezávadnosť abrazíva - cenová dostupnosť abrazíva (Maňková, I., 2000, s.73). Tabuľka 2 : Významnosť vplyvu technologických parametrov AWJ na výkon a kvalitu povrchu deleného materiálu. ( s. 27). Tato zpráva byla vypracována pro účely projektu Vytváření nových sítí a posílení vzájemné spolupráce v oblasti inovativního strojírenství s reg. č. CZ.1.07/2.4.00/ Projekt je podpořen z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.

14 Zmenou rezných parametrov (p, vf, Ma) sa dosiahne zväčšenie úsekov I, II a III, zároveň nastáva zmenšenie úsekov IV a V. Pri určitých menších hrúbkach materiálu sa úsek V ani nemusí vyskytovať (Slávik, I., 2004, s. 73), (Mašlej, M., 2003, s. 57). V prípade deliaceho rezu s maximálnou možnou rýchlosťou posuvu vf - pri ktorej AWJ lúč ešte preniká celou hrúbkou materiálu, pri daných ďalších parametroch a pri rovnakom abrazíve, sa postupne zhoršuje kvalita rezaného (deleného) povrchu. Nasledujúce fotografie na obrázku 16 pri rezaní materiálu Dural STN s h = 15 mm ukazujú, že so zmenou hmotnostného toku Ma -, pri zachovaní ostatných konštantných parametroch, sa drsnosť povrchu mení. Hmotnostný tok abrazíva Ma, spolu s rýchlosťou pohybu stopy lúča po povrchu materiálu - vf - sú najvýraznejšie faktory, ktoré ovplyvňujú drsnosť obrobenej plochy. Záver Pretože ako ukazuje analýza literárnych údajov, neexistuje v súčasnosti vo svete potrebný algoritmus (postup riešenia v presne stanovenom poradí) ako je tomu napr. pri laserovom rezaní a neexistuje ani rovnocenná norma pre určenie miesta merania drsnosti povrchu na rezanej ploche po AWJC, treba ďalej rozšíriť experimentovanie na rôznych obrábaných materiáloch a pri zmene viacerých ovplyvňujúcich faktorov (parametrov), ktoré majú vplyv na drsnosť Ra, Rz rezanej plochy, vytvoriť podmienky k zostaveniu algoritmu v budúcnosti v rámci riešenia doktorandských prác, alebo vedeckých projektov. Datum a podpis studenta Tato zpráva byla vypracována pro účely projektu Vytváření nových sítí a posílení vzájemné spolupráce v oblasti inovativního strojírenství s reg. č. CZ.1.07/2.4.00/ Projekt je podpořen z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR.