Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 4.3. Μη συμβατικές κατεργασίες υψηλού περιβαλλοντικού οφέλους Δρ. Νικόλαος Βαξεβανίδης, Καθηγητής Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
Μη συμβατικές κατεργασίες κοπής Γενικά Οι μη συμβατικές μέθοδοι κατεργασιών με αποβολή υλικού (non conventional material removal processes) προέκυψαν από τις απαιτήσεις και τις ανάγκες της σύγχρονης κατασκευαστικής τεχνολογίας. Ιδιαίτερα η ανάπτυξη των κλάδων της αεροναυπηγικής, της βιοϊατρικής και της μικροτεχνολογίας έδωσαν ιδιαίτερη ώθηση και τελικά επέβαλαν την εισαγωγή, ανάπτυξη και διάδοση των μη συμβατικών αυτών κατεργασιών. Οι συμβατικές κατεργασίες με αποβολή υλικού χαρακτηρίζονται από έναν αριθμό εγγενών μειονεκτημάτων και περιορισμών. Ο θεμελιακός μηχανισμός κοπής, δηλαδή η πρόσδοση πλαστικού έργου μέσω διατμητικών δυνάμεων και η δημιουργία αποβλήτου, καθορίζεται πρωταρχικά από τις μηχανικές ιδιότητες του κατεργάσιμου υλικού. Νέα προηγμένα, πολύ σκληρά και/ή εύθραυστα υλικά, όπως χάλυβες υψηλής αντοχής, υπερκράματα, σκληρομέταλλα, πυρίμαχα, κεραμικά αντιμετωπίζουν προβλήματα κατεργασιμότητας. Σημαντικό ποσοστό της προσδιδόμενης ενέργειας απομακρύνεται ως θερμότητα με τα απόβλητα, τα οποία απαιτούν επιπλέον δαπάνη ενεργείας και κόστους για τη συγκέντρωσή τους και την απομάκρυνση ή ανακύκλωσή τους. Η ανεπιθύμητη θερμότητα δημιουργεί προβλήματα παραμόρφωσης και ρωγμάτωσης στην επιφάνεια του τεμαχίου, ενώ οι δυνάμεις κοπής δημιουργούν προβλήματα στη συγκράτησή του και συχνά προκαλούν την παραμόρφωσή του. Η παραμόρφωση αυτή, όπως και οι επαγόμενες παραμένουσες τάσεις, πολλές φορές απαιτούν επιπρόσθετη μηχανική ή θερμική κατεργασία για την απομάκρυνση ανεπιθύμητων αποτελεσμάτων. Επιπλέον, σημαντικούς περιορισμούς εισάγουν και οι πολύπλοκες γεωμετρικές μορφές του κατεργάσιμου τεμαχίου. Λόγω της τοπικής περιορισμένης φόρτισης του κοπτικού εργαλείου για την παραγωγή πολύπλοκων μορφών απαιτείται μια εν σειρά ή κατά στρώματα αποβολή του υλικού με συνέπεια μεγάλους χρόνους κατεργασίας, δαπανηρές εργαλειομηχανές (αντιγραφής ή ΝC εργαλειομηχανές) και, πολύ συχνά, ακριβά εργατικά. 1
Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών δύο προσεγγίσεις είναι εφαρμόσιμες: Η τροποποίηση των παραδοσιακών, συμβατικών τεχνολογιών, π.χ. εφαρμογή ημίθερμης ή/και εν θερμώ κατεργασίας και Ανάπτυξη νέων μη συμβατικών τεχνικών κατεργασιών. Το κύριο χαρακτηριστικό όλων των κατεργασιών κοπής είναι η αποβολή του υλικού για την επίτευξη του επιθυμητού σχήματος και διαστάσεων. Οι μη συμβατικές κατεργασίες αποβολής υλικού χρησιμοποιούν διάφορες μορφές ενέργειας, συνήθως μη μηχανικές, και βασίζονται σε ποικίλους και διαφορετικούς μηχανισμούς αποβολής υλικού. Μία ταξινόμηση των φυσικών παραμέτρων και των αντίστοιχων μηχανισμών των μη συμβατικών κατεργασιών αποβολής υλικού παρουσιάζεται στο Σχήμα 12.1 ενώ στο Σχήμα 12.2 δίδεται διαγραμματικά η αρχή λειτουργίας και ο μηχανισμός αποβολής υλικού των διαφόρων μεθόδων. Οι μη συμβατικές κατεργασίες αποβολής υλικού ταξινομούνται ως: Μηχανικές κατεργασίες: κοπή με δέσμη ύδατος (water jet machining) κοπή με επενδεδυμένα εκρηκτικά (cutting with shaped-charges) κοπή με δέσμη λειαντικών κόκκων (abrasive jet machining) κατεργασίες αποπεράτωσης (finishing processes) κοπή με υπερήχους (ultrasonic machining) Θερμικές ή θερμοηλεκτρικές κατεργασίες: ηλεκτροδιάβρωση (electro-discharge machining/edm) κοπή με Laser (laser cutting ή Laser beam machining) κοπή με δέσμη ηλεκτρονίων (electron beam machining) κοπή με δέσμη πλάσματος (plasma beam machining) Χημικές /ηλεκτροχημικές κατεργασίες: ηλεκτροχημική κοπή (electrochemical machining/edm) ηλεκτροχημική λείανση (electro-chemical grinding/edm) χημική κοπή (chemical machining) 2
Ταξινόμηση των μη συμβατικών κατεργασιών αποβολής υλικού. Αρχή λειτουργίας και μηχανισμός αποβολής υλικού των κυριοτέρων μη συμβατικών κατεργασιών κοπής [3]. 3
Συγκεντρωτικό σχήμα των Μη συμβατικών κατεργασιών Οι λόγοι εφαρμογής της πλέον κατάλληλης κάθε φορά τεχνικής των μη συμβατικής κατεργασιών αποβολής υλικού είναι κοινοί και συνοψίζονται στα ακόλουθα: Χρήση νέων υλικών, Πολυπλοκότητα σχήματος και διαστατική ακρίβεια, Αυτοματοποίηση κατεργασιών και επικοινωνιών, Απαιτήσεις πιστότητας επιφάνειας, Σμίκρυνση διαστάσεων (miniaturization/micromachining), Ταχύτητα παραγωγής και οικονομία. Από την άποψη της ευρύτητας των εφαρμογών αλλά και σε σχέση με τις παραλλαγές της, αναμφίβολα η πιο σημαντική μη συμβατική κατεργασία κοπής, είναι η ηλεκτροδιάβρωση (Η/Δ), η οποία εξετάζεται στη συνέχεια. 4
Σύνοψη των μη συμβατικών κατεργασιών κοπής. Οι μη συμβατικές μέθοδοι κατεργασιών με αποβολή υλικού αναφέρθηκαν επιγραμματικά στη εισαγωγή του κεφαλαίου αυτού. Περισσότερα στοιχεία μπορούν να αναζητηθούν στις βιβλιογραφικές αναφορές [3, 5, 7, 8]. Η σύνοψη της παρούσας ενότητας αναφέρεται μόνο στην διαστατική ακρίβεια και την τραχύτητα επιφάνειας που επιτυγχάνεται, βλέπε Πίνακα και στα κύρια χαρακτηριστικά των μεθόδων αυτών, βλέπε Πίνακα Διαστατική ακρίβεια και τραχύτητα επιφάνειας μη συμβατικών κατεργασιών [8] 5
Κύρια χαρακτηριστικά των μη συμβατικών κατεργασιών [8] 6
1. ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑΒΡΩΣΗ Η ηλεκτροδιάβρωση (electro - discharge machining/edm) εξετάζεται ως μια αντιπροσωπευτική κατεργασία θερμικού/θερμοηλεκτρικού χαρακτήρα. Η ιδιαίτερη σημασία της έγκειται στη δυνατότητα κατεργασίας ασυνήθιστα σκληρών αγώγιμων υλικών και εξαιρετικά πολύπλοκων γεωμετρικών μορφών. Η θεωρητική της βάση απαιτεί περαιτέρω ανάπτυξη, ενώ και οι τεχνολογικές της παράμετροι, όπως ο ρυθμός αφαίρεσης υλικού και η ομοιομορφία της προκύπτουσας επιφάνειας, δεν έχουν διερευνηθεί σε βάθος. Παρόλα αυτά αποτελεί την πλέον διαδεδομένη μη συμβατική κατεργασία και εφαρμόζεται ευρύτατα λόγω των εξαιρετικών δυνατοτήτων που προσφέρει σε υλικά μικρής κατεργασιμότητας. Η ηλεκτροδιάβρωση συνίσταται στην αποβολή ηλεκτρικά αγώγιμου υλικού από το κατεργάσιμο τεμάχιο μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων (κατεργάσιμο τεμάχιο και εργαλείο) κάτω από ένα μέσο κατεργασίας (διηλεκτρικό υγρό) με σκοπό την πρόσδοση της επιθυμητής μορφής στο τεμάχιο. Στο Σχήμα 12.3, παρουσιάζεται μια τυπική εργαλειομηχανή Η/Δ με τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται. Αυτά είναι η κεφαλή, το δοχείο εργασίας, το τραπέζι, το εργαλειοφορείο, η αποθήκη διηλεκτρικού, η αντλία και το φίλτρο. Με τον όρο ηλεκτροδιάβρωση αναφερόμαστε σε δύο διαφορετικές τεχνικές: την ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης (die sinking EDM) όπου με σταθερό εργαλείο γίνεται η πρόσδοση της μορφής του εργαλείου - ηλεκτροδίου" στο "κατεργάσιμο τεμάχιο - ηλεκτρόδιο", την ηλεκτροδιάβρωση σύρματος (wire EDM) όπου το σταθερό ηλεκτρόδιο έχει αντικατασταθεί με μεταλλικό αγώγιμο σύρμα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα κύρια τεχνολογικά χαρακτηριστικά των δύο αυτών τεχνικών. Ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης. 7
Η αρχή της μεθόδου φαίνεται διαγραμματικά στο Σχήμα 12.4. Το τεμάχιο προσδένεται στο τραπέζι της εργαλειομηχανής (βλέπε Σχήμα 12.3) και το εργαλείο κινείται με μία αυτό-ρυθμιζόμενη πρόωση, ώστε μεταξύ του τεμαχίου και του εργαλείου να σχηματίζεται ένα σταθερό "διάκενο". Το εργαλείο και το τεμάχιο βρίσκονται μέσα σε ένα διηλεκτρικό υγρό. Εργαλειομηχανή ηλεκτροδιάβρωσης (μέθοδος αποτύπωσης). 8
Ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης (αρχή της μεθόδου). Μεταξύ των ηλεκτροδίων επιβάλλεται μία τάση μεγαλύτερη από την τάση διάσπασης του διακένου μεταξύ των ηλεκτροδίων, που εξαρτάται από το σχήμα και την απόσταση των ηλεκτροδίων και τις μονωτικές ιδιότητες του διηλεκτρικού υγρού, με συνέπεια την πραγματοποίηση μίας εκκένωσης. Για την λειτουργία μιας Ε/Μ Η/Δ απαιτείται μια γεννήτρια παλμών τάσης και ένα σύστημα παροχής διηλεκτρικού υγρού. Είδη γεννητριών. Για την κατεργασία απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται από ειδικές γεννήτριες. Ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής παλμών, οι γεννήτριες τροφοδότησης διακρίνονται σε: Περιστρεφόμενες παλμογεννήτριες, που έχουν πλέον πολύ περιορισμένη εφαρμογή. Γεννήτριες αποφόρτισης ή αποθήκευσης, βλέπε Σχήμα 12.5(α), με κυκλώματα τροφοδοσίας μέσω πυκνωτών, πηνίων η συνδυασμών τους. Στατικές παλμογεννήτριες βλέπε Σχήμα 12.5(β) όπου το σύστημα τροφοδοσίας τής τάσης συνδέεται μέσω συστοιχίας διακοπτών με τον αγωγό εκκένωσης. Η διάρκεια και η σειρά των εκκενώσεων εξαρτάται κυρίως από τη διαδοχή των φάσεων λειτουργίας των διακοπτών. 9
Είδη γεννητριών τροφοδοσίας Ε/Μ Η/Δ: (α) αποθήκευσης και (β) Στατική παλμογεννήτρια. Γεννήτρια απορρόφησης ή Στα Σχήματα 12.5(α) και (β) δίνονται επίσης διαγραμματικά τυπικές μορφές παλμών τάσης και αντίστοιχης έντασης του ρεύματος για τους δύο τύπους των γεννητριών. Η μορφή των παλμών αυτών, τάσης και έντασης, εξαρτάται από το διάκενο μεταξύ του εργαλείου και του τεμαχίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 12.6 που αφορά Ε/Μ με στατική παλμογεννήτρια. Επειδή οι συνθήκες στο διάκενο κατεργασίας αλλάζουν συνεχώς, οι διάφοροι παλμοί του Σχήματος 2.5 εμφανίζονται με μία στοχαστική σειρά. Ορίζονται: Η χρονική διάρκεια του παλμού, t i. t i = t d + t e 10
Παλμοί τάσης και έντασης του ρεύματος σε μια στατική παλμογεννήτρια. (α) Παλμός εκκένωσης (κανονικό διάκενο) (β) Παλμός εν κενό (πολύ μεγάλο διάκενο) (γ) Βραχυκύκλωμα (μηδενικό διάκενο) (δ) Εσφαλμένη εκκένωση (πολύ μικρό διάκενο). Η χρονική διάρκεια της πρώτης φάσης του παλμού; t d Η χρονική διάρκεια εκκένωσης, t e Η χρονική απόσταση μεταξύ των παλμών, t p.. Ο λόγος χρονικής επαφής, τ (duty factor). τ = t i / t p H συχνότητα εκκένωσης, f e, ως ο αριθμός των πραγματοποιούμενων εκκενώσεων στον αγωγό εκκένωσης στη μονάδα του χρόνου f e = 1/t e Η παλμική συχνότητα, f p, ως ο αριθμός των τασικών παλμών στη μονάδα του χρόνου. f p = 1/t p 11
Στην πράξη χρησιμοποιούνται και γεννήτριες πολλαπλού τύπου, δηλαδή γεννήτριες που μπορεί να τροφοδοτούν συγχρόνως περισσότερα του ενός εργαλεία, είτε διαδοχικά είτε και ταυτόχρονα, για τη συντόμευση του χρόνου κατεργασίας, την κατασκευή πολύπλοκων τεμαχίων ή την ταυτόχρονη κατεργασία περισσότερων τεμαχίων. Ρυθμιστής πρόωσης. Όλες οι εργαλειομηχανές Η/Δ είναι εξοπλισμένες με ένα ρυθμιστή πρόωσης, ώστε το διάκενο να διατηρείται σταθερό. H πρόωση πρέπει να ρυθμίζεται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή αφαίρεση υλικού από το τεμάχιο, να αποφεύγεται η φθορά στο εργαλείο - ηλεκτρόδιο και επίσης, ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες εργασίας, να αποφεύγονται βραχυκυκλώματα, εσφαλμένες εκκενώσεις και παλμοί λειτουργίας εν κενώ. Διηλεκτρικό υγρό. Η κατεργασία της Η/Δ γίνεται μέσα σε ένα ρευστό μέσο (διηλεκτρικό υγρό). Ο κύριος ρόλος του διηλεκτρικού είναι: η δημιουργία διακένου ορισμένης διηλεκτρικής σταθεράς, η απομάκρυνση από το διάκενο των αφαιρούμενων μεταλλικών τεμαχιδίων, η ψύξη της περιοχής κατεργασίας για την απαγωγή της αναπτυσσόμενης θερμότητας από τις αλλεπάλληλες διασπάσεις. Κατάλληλα διηλεκτρικά υγρά είναι ενώσεις υδρογονανθράκων (βενζίνη, πετρέλαιο, έλαιο μετασχηματιστή, ειδικά ορυκτέλαια, κηροζίνη). Η διάταξη ανακυκλοφορίας του διηλεκτρικού υγρού, εκτός από την αντλία, περιλαμβάνει φίλτρο καθαρισμού και, ενδεχομένως, εναλλάκτη θερμότητας - διηλεκτρικού, νερού - για την απαγωγή της εκλυόμενης από τις εκκενώσεις 12
θερμότητας. Τελευταία, για την μικροκατεργασία και για την κοπή με ηλεκτροδιάβρωση με κινούμενο σύρμα - ηλεκτρόδιο, επιτυγχάνονται καλά αποτελέσματα και με απιονισμένο νερό ως μέσο κατεργασίας. Τεχνολογικές παράμετροι ηλεκτροδιάβρωσης. Στην Η/Δ ορίζονται οι ακόλουθες τεχνολογικές παράμετροι: Η αποβολή υλικού ανά εκκένωση, V We, που είναι ο όγκος του υλικού που αποβάλλεται από το κατεργάσιμο τεμάχιο σε μία εκκένωση. Η φθορά ανά εκκένωση, V Ee, που είναι ο όγκος του υλικού που αποβάλλεται από το ηλεκτρόδιο εργαλείο ανά εκκένωση. Η ταχύτητα αποβολής υλικού, ν w, που είναι ο ανά μονάδα χρόνου αποβαλόμενος όγκος υλικού από το κατεργάσιμο τεμάχιο. Η ταχύτητα φθοράς, ν Ε, που είναι ο ανά μονάδα χρόνου αποβαλόμενος όγκος του υλικού από το ηλεκτρόδιο εργαλείο. Η σχετική φθορά, θ, που είναι η σχέση τα ταχύτητας φθοράς ν Ε τα την ταχύτητα αποβολής υλικού, ν w θ = ν Ε / ν W και αποτελεί το χαρακτηριστικό μέγε8ος τα φθοράς του εργαλείου. Τη μεγαλύτερη επίδραση στην κατεργασία έχουν η ενέργεια ηλεκτρικής εκκένωσης, W e και ο λόγος χρονικής επαφής, τ. Η ενέργεια ηλεκτρικής εκκένωσης (ενέργεια παλμού) δίδεται από τη σχέση : W u ( t) i ( t) dt u i t e (1) t e e e e e e 13
όπού ue και i e είναι η μέση τάση και η μέση ένταση της εκκένωσης, αντίστοιχα και t e η χρονική διάρκειά της (Σχήμα 12.6). Σημειώνεται ότι, η ενέργεια μπορεί να μετα-βληθεί με μεταβολή της μέσης έντασης του ρεύματος εκκένωσης, καθώς επίσης με μεταβολή της διάρκειας της εκκένωσης. H μέση τάση εκκένωσης, που εξαρτάται μόνο από το υλικό των ηλεκτροδίων και το διηλεκτρικό μέσο, παραμένει σταθερή (συνήθως15-45 V). Υλικά κατασκευής εργαλείων ηλεκτροδιάβρωσης. Γενικά, κάθε υλικό που είναι αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εργαλείων ηλεκτροδιαβρώσεως. Η πράξη όμως έχει αποδείξει ότι, για να επιτευχθούν τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, επιβάλλεται να επιλέγονται υλικά εργαλείου λαμβάνοντας υπόψιν κάθε φορά το υλικό του προς κατεργασία τεμάχιου, το είδος της κατεργασίας που πρόκειται να γίνει καθώς και τον τύπο της γεννήτριας που διαθέτει η Ε/Μ. Χρησιμοποιούνται κυρίως ο χαλκός και τα κράματά του, ο γραφίτης, ενώ προϊόντα κονιομεταλλουργίας, όπως χαλκός - γραφίτης, βολφράμιο - χαλκός, καρβίδιο του βολφραμίου + κοβάλτιο, βρίσκουν εφαρμογή σε ειδικές περιπτώσεις. Τα ηλεκτρόδια - εργαλεία κατασκευάζονται κυρίως με κοπή (ιδιαίτερα με φρεζάρισμα αντιγραφής) σε συνήθεις Ε/Μ, ενώ για κατεργασία κομματιών πολύ μεγάλων διαστάσεων γίνεται ψυχρή διαμόρφωση ελασμάτων χαλκού. Στην τελευταία περίπτωση το σχήμα που δίνεται στο χάλκινο έλασμα ενισχύεται εσωτερικά με μεταλλικές νευρώσεις, για να αντέχει στις μηχανικές και υδροδυναμικές (από την εξαναγκασμένη ροή του διηλεκτρικού στο διάκενο) καταπονήσεις. Για την κατασκευή εργαλείων Η/Δ χρησιμοποιούνται επίσης, οι εποξειδικές ρητίνες με επιμετάλλωση (π.χ. επιψευδαργύρωση) και σπανιότερα εφαρμόζεται η χύτευση χαλκού. Κατά την κατασκευή επιδιώκεται να ανοίγονται πολλές διαμπερείς οπές μικρής διαμέτρου (~ 0,35-0,5 mm) στο σώμα του εργαλείου - ηλεκτροδίου για την αποτελεσματικότερη κυκλοφορία 14
του διηλεκτρικού στις θέσεις κατεργασίας, ιδίως στα πολύπλοκα εργαλεία. Για το σκοπό αυτό περισσότερο από το χαλκό, προσφέρεται ο γραφίτης, που επιτρέπει τη διάνοιξη οπών διαμέτρου 0,4 mm και μήκους μέχρι 150 mm χωρίς προβλήματα κατεργασιμότητας. Μηχανισμός αποβολής υλικού Ο ακριβής μηχανισμός με τον οποίο πραγματοποιείται η κατεργασία έχει αποτελέσει θέμα εκτεταμένης έρευνας και αρκετές θεωρίες έχουν προταθεί, χωρίς καμία ωστόσο να είναι πλήρης και να εξηγεί στο σύνολά τους τα παρατηρούμενα φαινόμενα. Οι κυριότερες απ' αυτές είναι: η ηλεκτρομηχανική, η θερμομηχανική και η θερμοηλεκτρική η οποία αποτελεί την πλέον παραδεκτή προσέγγιση. Οι διάφορες φάσεις που πραγματοποιείται η εκκένωση και η αποβολή υλικού με βάση τη θεωρία αυτή, φαίνονται διαγραμματικά στο Σχήμα 2.7 όπου παρουσιάζεται και η μεταβολή της εφαρμοζόμενης τάσης και της έντασης του ρεύματος εκκένωσης σε σχέση με τη χρονική διάρκειά τους. Κατά την έναρξη της εκκένωσης υπάρχει μία χρονικά ταχεία μεταβολή της τάσης και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και δημιουργείται ένας έντονα ιονισμένος αγωγός εκκένωσης από τη διάσπαση του διηλεκτρικού Σχήμα 12.7(α). Με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα του διηλεκτρικού κινούνται προς την κατεύθυνση της αντίθετης πολικότητας ηλεκτροδίων. Τα πολύ γρήγορα κινούμενα ηλεκτρόνια συγκρούονται με μόρια του διηλεκτρικού, επιταχύνονται, συγκρούονται και πάλι με μόρια και, από την αλυσιδωτή αυτή αντίδραση, δημιουργείται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα ο αγωγός εκκένωσης. Σύμφωνα με άλλες θεωρίες, ο μηχανισμός διάσπασης πραγματοποιείται από την αναπτυσσόμενη θερμότητα που έχει ως συνέπεια την εξάτμιση του διηλεκτρικού μέσου. 15
Μηχανισμός αποβολής υλικού κατά την ηλεκτροδιάβρωση. Ο έντονα ιονισμένος αγωγός εκκένωσης επιτρέπει τη δίοδο ηλεκτρικού ρεύματος μεγάλης έντασης. Η εκλυόμενη ηλεκτρική ενέργεια από την εκκένωση μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, που έχει ως αποτέλεσμα να αρχίζει η τήξη και η ακαριαία εξάτμιση ορισμένου όγκου υλικού στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων, βλέπε Σχήμα 12.7(β). Η ένταση του ρεύματος εκκένωσης αποκτά τότε τη μέγιστη τιμή της. Δημιουργείται στον κλάδο της εκκένωσης ένας αγωγός πλάσματος (ιονισμένο αέριο μεγάλης θερμοκρασίας 8000-12000 Κ), που αποτελείται από θετικά φορτισμένα ιόντα μετάλλου και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια από την εξάτμιση των υλικών των ηλεκτροδίων και από ουδέτερα μεταλλικά άτομα. Στις επόμενες φάσεις, η ένταση του ρεύματος εκκένωσης παραμένει χρονικά σταθερή, στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων ένας ορισμένος όγκος μετάλλου τήκεται ή εξατμίζεται ακαριαία σχηματίζοντας ένα νέφος αερίου υψηλής πίεσης (της τάξης αρκετών εκατοντάδων ατμοσφαιρών) και δημιουργείται ένας κρατήρας, βλέπε Σχήματα 12.7(γ) και (δ). Ο αγωγός πλάσματος και το νέφος του αερίου αυξάνονται σταθερά. Με τη διακοπή της ηλεκτρικής τάσης, βλέπε Σχήμα 2.7(ε), η πίεση του νέφους μειώνεται απότομα, ο αγωγός πλάσματος και το νέφος διασπώνται και το, εν μέρει ρευστό εν μέρει εξαερωμένο, υλικό απομακρύνεται υπό 16
σφαιροειδή μορφή από τον κρατήρα μέσω του διηλεκτρικού υγρού, βλέπε Σχήμα 12.7(στ). Ο όγκος του υλικού που αφαιρείται από το εργαλείο και το κατεργάσιμο τεμάχιο σε μία εκκένωση δεν είναι ο ίδιος. Εξαρτάται κυρίως από την πολικότητα και τις ιδιότητες του υλικού των ηλεκτροδίων καθώς επίσης από τη διάρκεια και το ρεύμα της εκκένωσης. Με κατάλληλη εκλογή του υλικού του εργαλείου - ηλεκτροδίου και με αλλαγή των παραμέτρων εκκένωσής μπορεί να επιτευχθεί μία σημαντική ασυμμετρία, π.χ. 99,5 % αφαίρεση του υλικού στο τεμάχιο - ηλεκτρόδιο και 0,5 % στο εργαλείο ηλεκτρόδιο. Η παραπάνω περιγραφή αναφέρεται σε απλή εκκένωση (single discharge). Στην πραγματικότητα, οι βιομηχανικές εφαρμογές της Η/Δ αναφέρονται σε πολλαπλές εκκενώσεις (multiple discharges) σε τυχαίες θέσεις μεταξύ τεμαχίου-εργαλείου. Η στοχαστική φύση του φαινομένου αυτού καθιστά δύσκολη τη θεωρητική προσέγγιση και, μέχρι στιγμής, μόνο η εκτεταμένη πειραματική εργασία μπορεί να συσχετίσει τις παραμέτρους της κατεργασίας με τις μηχανικές ιδιότητες της προκύπτουσας επιφάνειας. Με αύξηση της χρονικής διάρκειας παλμού, t i ή της εκκένωσης, t e μεγαλώνει το διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων και αυτό έχει ως συνέπεια την αύξηση της σχετικής φθοράς βλέπε Σχήμα 2.8. Η ταχύτητα αποβολής υλικού του κατεργάσιμου τεμαχίου, v w αυξάνεται στην αρχή με την αύξηση της χρονικής διάρκειας του παλμού, t i, αποκτά μια μέγιστη τιμή και στη συνέχεια ελαττώνεται βλέπε το ίδιο Σχήμα. Η ελάττωση αυτή της v w οφείλεται στο ότι, με την αύξηση της χρονικής διάρκειας του παλμού αυξάνεται το ποσό της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την αφαίρεση του υλικού και ο αγωγός εκκένωσης μεγαλώνει. Μετά την επίτευξη της βέλτιστης διαμέτρου του αγωγού, κατά τη χρονική στιγμή t opt, αυξάνουν οι απώλειες ενέργειας λόγω απαγωγής στα ηλεκτρόδια και στο διηλεκτρικό μέσο και λόγω ακτινοβολίας και, συνεπώς, με την περαιτέρω αύξηση της διάρκείας του παλμού μειώνεται η ταχύτητα αποβολής υλικού. Επίσης, με την αύξηση του ρεύματος εκκένωσης, αυξάνεται η ταχύτητά αποβολής λόγω της αύξησης του ωφέλιμου ποσού της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την αφαίρεση του υλικού. 17
Μεταβολή της ταχύτητας αποβολής υλικού από το τεμάχιο και της σχετικής φθοράς σε σχέση με τη χρονική διάρκεια παλμού κατά την ηλεκτροδιάβρωση με στατική παλμογεννήτρια, χάλυβα, με εργαλείο από χαλκό. Η σχετική φθορά των υλικών των εργαλείων που χρησιμοποιούνται συχνότερα, χαλκός ή γραφίτης, σε σχέση με τη μέση ένταση εκκένωσης φαίνεται στο Σχήμα 2.9. Η σχετική φθορά του χαλκού αυξάνεται με την αύξηση του ρεύματος εκκένωσης, επειδή; με την αύξηση της ενέργειας εκκένωσης, αυξάνεται επίσης το τηκόμενο υλικό του ηλεκτροδίου καθώς και το ποσό του υλικού που εξαερώνεται κατά την έναρξη της εκκένωσης. Αντίθετα, στον γραφίτη παρουσιάζεται μείωση της φθοράς με την αύξηση της μέσης έντασης της εκκένωσης. Συνεπώς, ο γραφίτης είναι πλέον κατάλληλος για κατεργασίες εκχόνδρισης όπου χρησιμοποιούνται μεγάλες εντάσεις ρεύματος εκκένωσης και μεγάλη διάρκεια εκκένωσης, ενώ ο χαλκός είναι προτιμητέος στις τελικές κατεργασίες, όπου απαιτούνται μικρή διάρκεια και ρεύματος εκκένωσης. 18
Σχετική φθορά εργαλείου από χαλκό και γραφίτη κατά την Η/Δ. Πιστότητα κατεργασμένης επιφάνειας. Στις εφαρμογές της Η/Δ δίδεται μεγάλη έμφαση στις μεταλλουργικές αλλαγές και στη δημιουργία ζωνών θερμικής επίδρασης της ηλεκτροδιαβρωμένης επιφάνειας καθώς και στο συσχετισμό των παραμέτρων της Η/Δ με τις μηχανικές ιδιότητες της προκύπτουσας επιφάνειας. Ο συσχετισμός αυτός επιτυγχάνεται με τη συστηματική προσέγγιση της πιστότητας της κατεργάσιμης επιφάνειας (surface integrity). H Η/Δ είναι μια κατεργασία κυρίως θερμικής φύσης (μηχανισμός τήξης και ατμοποίησης), πλην όμως υπεισέρχονται και μηχανικά φαινόμενα. Η δημιουργία κρατήρων στο κατεργάσιμο τεμάχιο, η σφαιροειδής μορφή των αποβαλλομένων τεμαχίων του υλικού κατά την κατεργασία χάλυβα, η αλλαγή της δομής των υλικών των ηλεκτροδίων, οι παραμένουσες εφελκυστικές τάσεις και οι εμφανιζόμενες μικρορωγμές στη επιφάνεια του κατεργάσιμου τεμαχίου είναι σαφή δείγματα του ισχυρού θερμικού φαινομένου που λαμβάνει χώρα. 19
Η τοπογραφία της ηλεκτροδιαβρωμένης επιφάνειας να μπορεί να περιγραφεί ως μια γεωμετρία επαλληλίας κρατήρων. Η μορφή αυτή της επιφάνειας ανταποκρίνεται στη στοχαστική μορφή της κατεργασίας, που σε συνδυασμό με το θερμικό φαινόμενο, δημιουργεί επάλληλους κρατήρες με επιφανειακές σταγόνες επανατηγμένου υλικού και επιφανειακές κηλίδες και μικρορωγμές. Κατά συνέπεια, η ηλεκτροδιάβρωμένη επιφάνεια παρουσιάζει μια αρκετά τραχεία (μη στιλπνή) εμφάνιση, ενώ η επιφανειακή τραχύτητα γίνεται αντιληπτή και με την αφή. Τυπική μορφολογία ηλεκτροδιαβρωμένης επιφάνειας παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.10. Τυπική μορφολογία ηλεκτροδιαβρωμένης επιφάνειας. Η μέση αριθμητική τραχύτητα R a εξαρτάται από το μέγεθος του κρατήρα εκκένωσης. Για την επίτευξη μεγάλων ταχυτήτων αποβολής υλικού, v w απαιτούνται μεγάλες ενέργειες εκκένωσης για την κατεργασία όπου η προκύπτουσα τραχύτητα επιφάνειας είναι μεγάλη. Για την επίτευξη μικρής τραχύτητας επακολουθεί κατεργασία με μικρότερη ενέργεια και συνεπώς επιτυγχάνεται μικρή μέση αριθμητική τραχύτητα R a. Η καλύτερη μέση τραχύτητα επιφάνειας που επιτυγχάνεται στη κατεργασία των σκληρομετάλλων έναντι αυτής των χαλύβων, οφείλεται στη μικρότερη 20
αποβολή υλικού ανά εκκένωση. Γενικά, η επιφανειακή τραχύτητα αυξάνεται με την αύξηση της ενέργειας του παλμού εκκένωσης, βλέπε Σχήμα 2.11. Σήμερα με υβριδικές τεχνικές Η/Δ μπορεί να επιτευχθεί σχεδόν απόλυτα λεία επιφάνεια (mirror finishing), ωστόσο το κόστος είναι πολύ υψηλό για κοινή εμπορική χρήση. Η θερμική επίδραση πάνω σε μια επιφάνεια έχει και μια άλλη σημαντική συνέπεια, τη δημιουργία ζώνης πλαστικής παραμόρφωσης καθώς και την ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων, σε αντίθεση προς τις μηχανικές κατεργασίες. Το μέγεθος των παραμενουσών τάσεων και το βάθος διείσδυσης της λεπτής ζώνης πλαστικής παραμόρφωσης στα επιφανειακά στρώματα κατά την ηλεκτροδιάβρωση εξαρτώνται από την ενέργεια εκκένωσης. Μεγάλο ποσό εκλυόμενης ενέργειας είναι δυνατό να οδηγήσει σε χαλάρωση των τάσεων, πράγμα που οφείλεται κυρίως στη δημιουργία μικρο-ρωγμών στην κατεργασμένη επιφάνεια. Τυπικές κατανομές παραμενουσών τάσεων διαφορετικές ενέργειες παλμών παρουσιάζονται στο Σχήμα 12.12 για Μεταβολή της τραχύτητας επιφάνειας σε συνάρτηση με την ενέργεια του παλμού κατά την Η/Δ [4]. 21
Κατανομή παραμενουσών τάσεων κάτω από την επιφάνεια ηλεκτρο- διαβρωμένων δοκιμίων χάλυβα C45 [6]. Η ζώνη παραμόρφωσης στη ηλεκτροδιάβρωση, αν και εκτιμάται ότι εμπεριέχει και δευτερεύουσα ίχνη μηχανικής επίδρασης, χαρακτηρίζεται κυρίως από θερμικά φαινόμενα αλλαγής της μικροδομής και τη δημιουργία ενός επιφανειακού λευκού ψαθυρού στρώματος (white layer) που αποκαλύπτεται με μεταλλογραφική προβολή με κατάλληλο αντιδραστήριο (Nital). Στη ζώνη θερμικής επίδρασης αναγνωρίζονται σχηματικά τρία διακριτά στρώματα : To εξωτερικό επανατηγμένο λευκό στρώμα (white layer), Ένα ενδιάμεσο (μεταβατικό) στρώμα, Το αρχικό υλικό που αποτελεί τη βάση. Το πάχος του εξωτερικού στρώματος και η ύπαρξη και το πάχος των άλλων ζωνών εξαρτώνται από το είδος του κατεργάσιμου υλικού και τα χαρακτηριστικά των παλμών. Αξίζει να σημειωθεί ότι η επιφάνεια του λευκού στρώματος χαρακτηρίζεται από πολύ μεγάλη σκληρότητα (τριπλάσια και πλέον) σε σχέση με το αρχικό υλικό. Οι τιμές όμως μειώνονται εκθετικά 22
συναρτήσει του βάθους από την κατεργασμένη επιφάνεια και προσεγγίζουν την αρχική σκληρότητα σε βάθος μικρότερο των 500 μm. Σχηματικές μορφές της ζώνης θερμικής επίδρασης στην Η/Δ χαλύβων, σύμφωνα με διάφορους ερευνητές, παρουσιάζονται στο Σχήμα 12.13. Σχηματικές μορφές της ζώνης θερμικής επίδρασης στην Η/Δ χαλύβων, σύμφωνα με διάφορους ερευνητές [1]. 23
Η πιστότητα επιφάνειας του κατεργάσιμου τεμαχίου εξαρτάται από το υλικό του τεμαχίου, την τραχύτητα επιφάνειας του εργαλείου, το διηλεκτρικό μέσο και τον τρόπο κυκλοφορίας αυτού στο διάκενο κατεργασίας, αλλά κυρίως από την ενέργεια εκκένωσης ή ισοδύναμα από την ένταση i e και τη διάρκεια του παλμού εκκένωσης t p. Oι Ε/Μ Η/Δ συνοδεύονται από νομογραφήματα κατεργασιμότητας τα οποία χρησιμοποιούνται για την επιλογή των βέλτιστων συνθηκών για δεδομένη κατεργασία, βλέπε ενδεικτικά Σχήμα 12.14. Ωστόσο, λόγω της στοχαστικής φύσης της ηλεκτροδιάβρωσης, τα νομογραφήματα αυτά στην πράξη, πρέπει να επαληθευθούν μέσω δοκιμών. 24
Νομογράφημα κατεργασιμότητας Ε/Μ Η/Δ AGIE 1.1 MT. Επισημαίνεται ότι η διαστατική ακρίβεια της ηλεκτροδιάβρωσης είναι στενά συνδεδεμένη με το μέγεθος του διακένου κατεργασίας μεταξύ εργαλείου και κατεργάσιμου τεμαχίου. Όσο μικρότερο είναι ή μπορεί να τηρηθεί αυτό, τόσο μεγαλύτερη ακρίβεια απόδοσης μορφής και διαστάσεων επιτυγχάνεται. 25
Πρέπει όμως να επιδιώκεται πάντα η βελτιστοποίηση της ταχύτητας αποβολής υλικού με την επιζητούμενη ακρίβεια κατεργασίας. Το μέγεθος διακένου προσδιορίζεται από τη διάρκεια και την ένταση της εκκένωσης, την εν κενό τάση, τα υλικά εργαλείου και τεμαχίου και από το διηλεκτρικό μέσο. Γενικά επιτυγχάνεται κατά την ηλεκτροδιάβρωση μια ακρίβεια διαστάσεων της τάξης των 10 μm, ενώ με ορισμένες προϋποθέσεις επιτυγχάνονται και τιμές της τάξης 1-2 μm. Ηλεκτροδιάβρωση σύρματος. Τα παραπάνω αναφερθέντα για την ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης με σταθερό εργαλείο καθορισμένης γεωμετρικής μορφής. Ισχύουν σε γενικές γραμμές και για την ηλεκτροδιάβρωση σύρματος (wire-edm). Στην κατεργασία αυτή, που είναι μία τεχνική ελεγχόμενη από Η/Υ, η επιθυμητή γεωμετρία του κατεργάσιμου τεμαχίου δημιουργείται από ένα λεπτό αγώγιμο σύρμα, διαμέτρου 0,05-0,25 mm, που κινείται από ένα σύστημα NC ή CNC, βλέπε Σχήμα 2.15. Το υλικό του σύρματος είναι συνήθως χαλκός η ορείχαλκος, ενώ, ως διηλεκτρικό, χρησιμοποιείται απιονισμένο νερό που ψεκάζεται στο διάκενο. Ηλεκτροδιάβρωση σύρματος (αρχή της μεθόδου). Ενώ στην ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης το κατεργάσιμο τεμάχιο συνδέεται συνήθως στην κάθοδο, στην ηλεκτροδιάβρωση σύρματος συνδέεται στην 26
άνοδο και, επιπλέον, εφαρμόζονται παλμοί μικρότερης διάρκειας, t p, αλλά πολύ μεγαλύτερης έντασης. Τυπικές μορφές παλμών τάσης και έντασης του ρεύματος δίνονται στο Σχήμα 2.16. Η ηλεκτροδιάβρωση σύρματος χρησιμοποιήθηκε στις αρχές του 1970 ως εναλλακτική λύση στη μηχανική κοπή σωλήνων, κελυφών κ.λ.π. Σήμερα, με την πρόοδο της τεχνολογίας CNC και τη χρήση επικαλυμμένων συρμάτων (coated wires), η μέθοδος βρίσκει ευρύτατες εφαρμογές στην κατασκευή μήτρων, εξαρτημάτων και γενικά τρισδιάστατων γεωμετριών στην οποία απαιτείται μικροκοπή ακριβείας (precision micro machining) στην αεροναυπηγική και σε βιοτεχνολογικά εξαρτήματα. Παλμοί τάσης και έντασης ρεύματος σε ηλεκτροδιάβρωση σύρματος. Αξιολόγηση της ηλεκτροδιάβρωσης Γενικά, η ηλεκτροδιάβρωση αποτελεί σήμερα μία διαδεδομένη και αξιόπιστη κατεργασία κοπής που εφαρμόζεται με επιτυχία, όχι μόνο σε μέταλλα και κράματα αλλά και σε προηγμένα μη μεταλλικά υλικά (σύνθετα, κεραμικά κ.λ.π.). Το κύριο χαρακτηριστικά της, που αποτελεί ταυτόχρονα και πλεονέκτημα αλλά και μειονέκτημα, έγκειται στο γεγονός ότι η επίτευξή της κατεργασίας δεν εξαρτάται από το είδος, τη μορφή ή/και τις μηχανικές 27
ιδιότητες του υλικού, αλλά μόνο από την ηλεκτρική του αγωγιμότητα με απαιτούμενη ελάχιστη τιμή ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας 0,01 S/cm. Ηλεκτροχημική κατεργασία Η αρχή της ηλεκτροχημικής κοπής (electrochemical machining/ecm) φαίνεται διαγραμματικά στο Σχήμα 12.17. Το κατεργάσιμο τεμάχιο αποτελεί την άνοδο (θετικός πόλος μίας ηλεκτρικής πηγής συνεχούς ρεύματος) και το εργαλείο, με μορφή αντίστοιχη της προς κατασκευήν κοιλότητας στο τεμάχιο, την κάθοδο (αρνητικός πόλος). Ο μηχανισμός αφαίρεσης υλικού κατά την ηλεκτροχημική κατεργασία βασίζεται σε μία ανοδική διάλυση μεταλλικών υλικών κατά τη διάρκεια μίας ηλεκτρόλυσης, βλέπε Σχήμα 12.18. Το στοιχείο της ηλεκτρόλυσης αποτελείται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη, που είναι διάλυμα σε νερό κατά κανόνα ουδετέρων αλάτων, συνήθως NaCl ή NaNO 3. Μετά την σύνδεση των ηλεκτροδίων σε μία πηγή συνεχούς ρεύματος στην κάθοδο, εκφορτίζονται με τη βοήθεια των ηλεκτρονίων τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου, ενώ τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα ΟΗ - αντιδρούν στην άνοδο με το θετικά φορτισμένο μέταλλο. Η σχηματιζόμενη με τον τρόπο αυτό ένωση οξειδίου του μετάλλου ή διαλύεται στον ηλεκτρολύτη ή κατακάθεται στον πυθμένα ως ίζημα. Στο διάκενο μεταξύ εργαλείου και τεμαχίου ρέει συνεχώς και με μεγάλη ταχύτητα ο ηλεκτρολύτης, που, εκτός από την κύρια δράση του ως μέσο που πραγματοποιείται η ηλεκτρόλυση, παρασύρει τα προϊόντα της ηλεκτρόλυσης (οξείδια του μετάλλου και αέριο υδρογόνο) και απάγει την παραγόμενη θερμότητα. Με τον τρόπο αυτό, το εργαλείο δεν υφίσταται φθορά ή αλλαγή σχήματος και διαστάσεων και ένα και μόνο εργαλείο μπορεί να κατεργασθεί ένα πολύ μεγάλο αριθμό εργαλείων. Με τη βοήθεια μίας συνεχούς ταχύτητας πρόωσης, τουλάχιστον του ενός ηλεκτροδίου (εργαλείου ή κατεργάσιμο τεμάχιο), σχηματίζεται μεταξύ του τεμαχίου και του εργαλείου ένα διάκενο μέσα στο οποίο ρέει ο ηλεκτρολύτης. Η γεωμετρία του τεμαχίου διαφέρει από εκείνη του εργαλείου κατά το μέγεθος του διακένου της κατεργασίας. 28
Τυπική διάταξη της ηλεκτροχημικής κατεργασίας (a): Εργαλείο Ηλεκτρόδιο, (b): Κατεργάσιμο τεμάχιο, (c): Φορέας E/M, (d): Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, (e):δοχείο ηλεκτρολύτη, (f): Αντλία, (g): Φίλτρο, (h): Πρόωση εργαλείου [3]. Μηχανισμός αφαίρεσης υλικού κατά την ηλεκτροχημική κατεργασία. 29
Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της ηλεκτροχημικής κατεργασίας συνοψίζονται στα εξής: Η κατεργασιμότητα ενός υλικού είναι ανεξάρτητη από τις μηχανικές ιδιότητες, έτσι ώστε, ακόμα και τα σκληρότερα υλικά και γι αυτό δυσκολότερα στην κατεργασία με αποβολή υλικού (σκληρυμένοι χάλυβες, υπερκράματα, σκληρομέταλλα κ.λ.π), είναι κατεργάσιμα με ECM Η μέθοδος κάνει δυνατή την κατασκευή σύνθετων μορφών και πολύπλοκων γεωμετριών.. Στο ηλεκτρόδιο του εργαλείου παράγεται μόνο αέριο υδρογόνο που, κατά τα άλλη, δεν λαμβάνει μέρος την ηλεκτροχημική αντίδραση και γι αυτό δεν υφίσταται πρακτικά καμία φθορά. Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα εργαλεία κατεργάζονται εύκολα. Κυρίως χρησιμοποιούνται ο χαλκός και ο ορείχαλκος λόγω της μεγάλης ηλεκτρικής αλλά και θερμικής αγωγιμότητάς τους. Τελευταία χρησιμοποιείται και ο γραφίτης, που παρουσιάζει το πλεονέκτημα ότι η επιφάνειά του δεν αλλοιώνεται σε περίπτωση δημιουργίας ηλεκτρικού τόξου όπως συμβαίνει με το χαλκό και τον ορείχαλκο. Η αφαίρεση του υλικού συνδυάζεται με τη ρευστή κατάσταση του υδατικού διαλύματος του ηλεκτρολύτη. Η αναπτυσσόμενη θερμοκρασία, από τη θερμότητα που οφείλεται στην ηλεκτρική αντίσταση διάβασης, δεν υπερβαίνει το σημείο βρασμού του ηλεκτρολύτη (<100 0 C). Δεν προκύπτει συνεπώς θερμική καταπόνηση του υλικού και αποφεύγεται η δημιουργία παραμενουσών τάσεων, πράγμα που συμβαίνει λόγω των θερμικών και μηχανικών φαινομένων στην ηλεκτροδιάβρωση και στις συμβατικές, μεθόδους κοπής. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ν.Β. Βαξεβανίδης, Ομοιομορφία Επιφάνειας Κατεργάσιμου Υλικού με Μηχανική και Πλαστική Παραμόρφωση, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π., Αθήνα, 1996. 2. Α.Γ. Μάμαλης, Κατεργασίες των Υλικών, Αθήνα Ε.Μ.Π., 1986. 30
3. Α.Γ Μάμαλης, Τεχνολογία των Κατεργασιών των Υλικών: Μη Συμβατικές Κατερ-γασίες, εκδ. Άνωση, Αθήνα, 2000. 4. Κ-Δ. Ε. Μπουζάκης, Μορφοποιήσεις με αφαίρεση υλικού, 2 η εκδ., εκδ. Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 2001. 5. G.F. Benedict, Non traditional Manufacturing Processes, Marcel Dekker, N. York, 1987. 6. A.G. Mamalis, N.M Vaxevanidis and A.P. Karafillis, Surface Integrity and Formability of Steel Sheet, VDI Verlag, Dusseldorf, (1990). 7. A Ghosh, and A.K Mallik., Manufacturing Science, EWP, N. Delhi, 1991. 8. S.Kalpakjian, and S.R Schmid,. Manufacturing Processes for Engineering Materials, Prentice Hall, 4 th ed., New Jersey, 2003. 31
2. ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΛΕΙΑΝΤΙΚΩΝ ΚΟΚΚΩΝ (AJM) 2.1 Γενικές πληροφορίες για την κατεργασία AJM Στην κοπή με δέσμη λειαντικών κόκκων (AJM), ένα λεπτό ρεύμα λειαντικών ωθείται μέσω ενός ειδικού ακροφυσίου με την βοήθεια κάποιου προωθητικού αερίου (CO 2, Νi, ή αέρα) με πίεση που κυμαίνεται από 1 έως 9 bar. Κατά συνέπεια, τα λειαντικά επιτυγχάνουν μια υψηλή ταχύτητα που κυμαίνεται από 150 έως 350 m/s, που ασκεί κρουστική δύναμη και που προκαλεί τη μηχανική διάβρωση του προς κατεργασία τεμαχίου.το τεμάχιο τοποθετείται από το ακροφύσιο σε μια απόσταση αποκαλούμενη απόσταση απόκλισης (SOD), ή απόσταση ακροφύσιοακρών (NTD). Στην AJM χρησιμοποιούνται Al 2 O 3 ή SIC με την μορφή λειαντικών και μεγέθους κόκκου από 10 έως 80 μm. Τα ακροφύσια κατασκευάζονται γενικά από καρβίδια βολφραμίου (WC) ή συνθετικό ζαφείρι διαμέτρου 0.2-2 mm. Για να περιορίσουν την φθορά στο στόμιο, τα ακροφύσια μπορούν να έχουν το ορθογώνιο σχήμα κυμαινόμενο από 0.1 0.5 mm ως 0.18 3 mm. Η βέλτιστη γωνία πρόσπτωσης καθορίζεται σύμφωνα με την ολκιμότητα ή την ευθραυστότητα του τεμαχίου προς κατεργασία.η AJM δεν θεωρείται μια από τις κύριες κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Το ποσοστό αφαίρεσής υλικού κατά την κατεργασία εύθραυστων υλικών, όπως το γυαλί, ο χαλαζίας και τα κεραμικά, είναι περίπου 30 mg/min, ενώ μόνο ένα μέρος της τιμής αυτής εφαρμόζεται κατά την κατεργασία των μαλακών και όλκιμων υλικών. Λόγω του περιορισμένου ποσοστού αφαίρεσης υλικού και της αυξημένης κωνικότητας,η AJM δεν είναι κατάλληλη για κατεργασία σε βαθιές τρύπες και τις κοιλότητες. Εντούτοις, η διαδικασία είναι σε θέση να διαμορφώνει τρύπες και μορφές σε φύλλα μετάλλου πάχους συγκρίσιμου με τη διάμετρο του ακροφυσίου. Η συγκεκριμένη διαδικασία είναι κατάλληλη για 32
πραγματοποίηση κοπών, σχισιμάτων, τον καθαρισμό επιφανειών, το γκλασάρισμα, και τη στίλβωση. Σχηματική απεικόνιση των στοιχείων της κατεργασίας AJM 2.2 Μηχανική της κοπής AJM Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 2.2) παρουσιάζεται σχηματικά η μηχανική της κοπής. Όταν ο κοπτικός κόκκος προσπέσει με μεγάλη ταχύτητα στην κατεργάσιμη επιφάνεια, λόγω της κρούσης προκαλείται ψαθυρή θραύση και το αέριο της δέσμης απομακρύνει τα θρυμματισμένα σωματίδια απόβλητα που σχηματίσθηκαν. Στην πράξη συμβαίνουν ταυτόχρονα και διαδοχικά πολλαπλές κρούσεις, θραύσεις και απομακρύνσεις σωματιδίων, δηλαδή το φαινόμενο έχει στοχαστικό χαρακτήρα. Παρόλα αυτά, υπάρχουν αναλυτικά μοντέλα για την περιγραφή του φαινομένου, ενώ από τον περιγραφόμενο μηχανισμό κοπής είναι σαφές ότι η κατεργασία AJM είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην κοπή ψαθυρών και εύθραυστων υλικών. 33
Σχηματική Διάταξη της κατεργασίας AJM Ο ρυθμός αποβολής υλικού, Q εξαιτίας του θρυμματισμού της επιφανείας από τη μηχανική δράση των προσπιπτόντων κόκκων, εκφράζεται από τη σχέση : Q = xzd 3 v 3/2 (ρ/12hw) 3/2 Όπου Ζ είναι ο αριθμός των κόκκων που προσπίπτουν στην επιφάνεια ανά μονάδα χρόνου, d είναι η μέση διάμετρος και v η ταχύτητα της δέσμης, ρ είναι η 34
πυκνότητα του υλικού των κόκκων, HW η σκληρότητα του κατεργάσιμου υλικού και χ σταθερά. Η αποτελεσματικότητα της κοπής σχετίζεται με την εκτίμηση του ρυθμού αποβολής υλικού, της γεωμετρίας της κοπής, της ποιότητας της κατεργάσιμης επιφανείας και της φθοράς του ακροφυσίου. Οι λειτουργικές παράμετροι που επηρεάζουν και καθορίζουν τα μεγέθη αυτά είναι : - Το κοπτικό/ λειαντικό μέσο ( σύνθεση, αντοχή, μέγεθος κόκκων και παροχή μάζας ) - Το αέριο ( σύνθεση, πίεση και ταχύτητας ) - Το ακροφύσιο ( γεωμετρία, υλικό, απόσταση ακροφυσίου / τεμαχίου (stand-off ) και κλίση ) Χαρακτηριστικά της δέσμης κοπής του AJM Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως λειαντικά μέσα είναι κυρίως η αλουμίνα ( Al 2 O 3 ) και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), με μέση διάμετρο κόκκων 10 50μm. Το μέγεθος των κόκκων δεν επηρεάζει σημαντικά την ταχύτητα κοπής, θα πρέπει όμως οι κόκκοι να έχουν αιχμηρά άκρα. Επαναχρησιμοποίηση της κοπτικής σκόνης δεν συνίσταται διότι, αφ ενός μειώνεται η ταχύτητα κοπής και αφ ετέρου δημιουργούνται προβλήματα στο στόμιο του ακροφυσίου. Η παροχή των κόκκων εξαρτάται από τη πίεση και την παροχή του αερίου. Όταν το ποσοστό της μάζας των κόκκων στη δέσμη του αερίου ( λόγω μείγματος ) αυξάνεται, ο ρυθμός αποβολής υλικού αρχικά αυξάνεται, μέχρι μια μέγιστη τιμή και στην συνέχεια μειώνεται.όταν η παροχή των λειαντικών κόκκων αυξάνεται, ο ρυθμός αποβολής 35
επίσης αυξάνεται. Σημειώνεται, ότι εκτός από κόκκοι Al 2 O 3 και SiC σε ορισμένες εφαρμογές χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά,όπως κόκκοι ανθρακικού μαγνησίου για χάραξη ή κόκκοι δισανθρακικού νατρίου για τελικό καθαρισμό και κοπή μαλακών υλικών. Ειδικά για τελική λείανση και καθαρισμό χυτών αντικειμένων, προτιμώνται σφαιρίδια ή ψήγματα γυαλιού. Ως αέριο μεταφοράς και ώθησης των λειαντικών κόκκων χρησιμοποιείται συνήθως αέρας, άζωτο ή CO 2. Η πίεση λειτουργίας κυμαίνεται από 0,2 N/mm 2 έως 1 N/mm 2, ενώ η σύσταση του αερίου μέσου επηρεάζει έμμεσα το ρυθμό αποβολής υλικού αφού καθορίζει τη σχέση πίεσης-ταχύτητας. Προφανώς, μεγάλη ταχύτητα συνεπάγεται και μεγάλο ρυθμό αποβολής υλικού. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του ακροφυσίου ασκούν σημαντική επίδραση στην κατεργασία AJM. Δεδομένου ότι το ακροφύσιο βρίσκεται σε συνεχή επαφή με την ταχέως κινούμενη δέσμη λειαντικών κόκκων, θα πρέπει να είναι ιδιαιτέρως ανθεκτικό στην φθορά. Ως υλικά κατασκευής χρησιμοποιούνται το καρβίδιο του βολφραμίου (WC) ή συνθετικό ζαφείρι. Για συνήθεις εφαρμογές, το στόμιο του ακροφυσίου έχει διατομή 0,005 0,02 mm 2 και σχήμα ορθογωνικό ή κυκλικό, ενώ,με βάση τη θέση του ως προς το σώμα του ακροφυσίου, διακρίνεται σε γωνιακό ή ευθύγραμμο. Σημειώνεται ότι από τεχνητό ζαφείρι κατασκευάζονται ακροφύσια με στόμιο μόνο κυκλικής διατομής. Γενικά τα ακροφύσια από WC έχουν διάρκεια ζωής 12 30 hr, ενώ αυτά από τεχνητό ζαφείρι περί τις 300hr. Η απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και του κατεργάσιμου τεμαχίου ( stand-off ) επηρεάζει καθοριστικά όχι μόνο το ρυθμό αποβολής υλικού αλλά και το σχήμα και το μέγεθος των κρατήρων που σχηματίζονται και συνεπώς την ποιότητα της κατεργάσιμης επιφάνειας. Με την κατεργασία AJM παράγονται επιφάνειες με κοκκώδη υφή και θαμπή (ματ) εμφάνιση. Για βέλτιστη απόσταση ακροφυσίου / κατεργάσιμου τεμαχίου, η επιταχυνόμενη τραχύτητα επιφανείας εξαρτάται από το μέγεθος των κόκκων και κυμαίνεται από 0,15μm έως 1,15μm. Ο παρακάτω πίνακας ( Πίνακας 2.1 ) 36
συνοψίζει την τραχύτητα χαλύβδινης επιφανείας που προκύπτει από τη κατεργασία AJM για διάφορα υλικά και μεγέθη λειαντικών κόκκων. 37
Πίνακας 2.1: Πίνακας Τραχύτητας Επιφανείας 2.3 Παράμετροι της Κατεργασίας Η απόδοση της AJM όσον αφορά το ρυθμό αφαίρεσης υλικού (MRR) και την ακρίβεια στην κοπή επηρεάζεται από τους επιλεγμένους όρους κατεργασίας. Ο MRR για ένα ορισμένο υλικό επηρεάζεται κυρίως από την κινητική ενέργεια των λειαντικών δηλαδή τη ταχύτητα με την οποία το λειαντικό βομβαρδίζει το υλικό κατεργασίας. Αυτή η ταχύτητα εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: Πίεση αερίου στο ακροφύσιο Διάμετρος ακροφυσίων Μέγεθος κόκκου λειαντικών Αναλογία ανάμειξης κατά βάρος: β m (ροη λειαντικών / ροή αερίου ) Απόσταση ακροφυσίου άκρων ( πλάτος δέσμης ) Ο MRR επιτυγχάνει μια μέγιστη τιμή σε μια αναλογία μίξης β m = 0.15, και ένα πλάτος δέσμης από 15 έως 17 mm. Αυξάνεται με την αυξανόμενη πίεση αερίου στο ακροφύσιο. Ο τύπος υλικού προς κατεργασία και το μέγεθος λειαντικού κόκκου επηρεάζουν επίσης τον MRR. Το τελευταίο αυξάνεται με το αυξανόμενο μέγεθος κόκκου. Τα κοφτερά λειαντικά που είναι ανώμαλης μορφής, είναι ξηρά, και έχουν ομοιόμορφο μέγεθος (μη εμπορικό) και είναι καταλληλότερα για να εκτελέσουν την κατεργασία. Το περιοριστικό μέγεθος των λειαντικών κόκκων που επιτρέπει 38
στο λειαντικό να ανασταλεί την μεταφορά αερίου είναι περίπου 80 μm. Τα λειαντικά SiC και Al 2 O 3 χρησιμοποιούνται για την κοπή και τεμαχισμό των τεμαχίων, ενώ το δισανθρακικού άλας νατρίου, ο δολομίτης, και οι χάντρες γυαλιού χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό, το γαλάκτωμα, και τη στίλβωση. Διάμετροι κοπής σε αναλογία με το ύψος της δέσμης κοπής 39
Διάταξη κατεργασίας AJM με Computer Numeric Control Κατά επιλογή των καλύτερων συνθηκών εργασίας (βm = 0.15, Al 2 O 3 λειαντικών με μέγεθος κόκκου 50 μm, πλάτος δέσμης = 14 mm, πίεση ακροφυσίων = 7 bar ), ο MRR που επιτυγχάνεται σε περίπτωση κατεργασίας είναι της τάξεως των 30 mg/min Η ακρίβεια βελτιώνεται με την επιλογή του μικρότερου πλάτους δέσμης το οποίο μειώνει και τον MRR. Το μέγεθος κόκκου λειαντικού είναι ο αποφασιστικός παράγοντας για τον καθορισμό του φινιρίσματος της επιφανείας. 40
Φορητή διάταξη λειτουργίας AJM 2.4 Εξοπλισμός του AJM Στο παρακάτω σχήμα ( Σχήμα 2.7 ) παρουσιάζεται μία χαρακτηριστική διάταξη λειτουργίας AJM, η οποία συνδέεται με μία παροχή αερίου (μπουκάλες αερίου ή συμπιεσμένος αέρας). Το αέριο μεταφοράς δεν πρέπει να είναι εύφλεκτο όταν απαλλάσσεται από το ακροφύσιο στην ατμόσφαιρα. Επιπλέον, πρέπει να μην είναι τοξικό, να είναι φτηνό, διαθέσιμο και να παρέχει την δυνατότητα να ξηραθεί και να φιλτραριστεί. Ο αέρας χρησιμοποιείται ευρέως εξ αιτίας της διαθεσιμότητάς του. Στους μικρούς σταθμούς, μπουκάλες αερίου του CO 2 και Ν 2 χρησιμοποιούνται συνήθως. Μετά το φιλτράρισμά ρυθμίζεται η πίεση του αερίου στα 7-9 bar, για να ταιριάξει με τις συνθήκες εργασίας. Το αέριο εισάγεται έπειτα στο θάλαμο μίξης που περιέχει τα λειαντικά. Ο θάλαμος είναι εξοπλισμένος με μια συσκευή δόνησης που παρέχει ένα εύρος ξ 1-2mm σε μια συχνότητα f r από 5 έως 50 Hz. Η ροή του λειαντικού ελέγχεται μέσω της ρύθμισης ξ και f r. Από το θάλαμο μίξης, το μίγμα αέριο/λειαντικών κατευθύνεται στο ακροφύσιο που κατευθύνει τη ριπή επάνω στο στόχο ή στο προς κατεργασία τεμάχιο. Η ταχύτητα ρίψης από 150-350 m/s εξαρτάται από την πίεση του αερίου στο ακροφύσιο, τη διάμετρο της οπής του ακροφυσίου, και την αναλογία μίξης. Το ποσοστό ροής μίας χαρακτηριστικής διάταξης είναι περίπου 0.6 m 3 /h, το οποίο ελέγχεται μέσω μιας βαλβίδας που βρίσκεται στο πάτωμα και ρυθμίζεται από το πόδι του χειριστή. Το ακροφύσιο τοποθετείται σε μία ειδική θέση λειτουργίας ή πολλές φορές κρατιέται στο χέρι, ανάλογα με τον τύπο λειτουργίας που απαιτείται (κοπή, ψαλίδισμα, χάραξη, γυάλισμα, ή καθαρισμός). Κατά την κατεργασία υλικών με εύθραυστα τοιχώματα μπορεί να είναι απαραίτητο να ελεγχθεί η σχετική κίνηση μεταξύ του ακροφυσίου και του τεμαχίου από ένα πρόγραμμα και έναν παντογράφο, ανάλογα με το μέγεθος και τη μορφή της κοπής. Η διάταξη AJM πρέπει να εξοπλιστεί με έναν συλλέκτη σκόνης για να περιορίσει τη ρύπανση. Υψηλά μέτρα ασφαλείας και προφυλάξεις πρέπει να ληφθούν σε περίπτωση κατεργασίας τοξικών 41
υλικών όπως το βηρύλλιο για να συλλέξουν την παραχθείσα σκόνη και τα υπολείμματα. :Χαρακτηριστική διάταξη λειτουργίας AJΜ 42
Θάλαμος εφαρμογής της κατεργασίας AJM Ακροφύσιο AJM σε μορφή πιστολιού (φορητή διάταξη ) 43
2.5 Εφαρμογές της διαδικασίας AJM Η διαδικασία AJM έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στου παρακάτω τομείς : 1. Καθαρισμός και λείανση των γραμμών έκχυσης στα χυτά μέρη και τα σφυρηλατημένα. 2. Καθαρισμός μεταλλικών καλουπιών και κοιλοτήτων. 3. Κόβοντας τα λεπτό-τεμαχισμένα εύθραυστα συστατικά φτιαγμένα από γυαλί, σκληρά υλικά, μίκα και ούτω καθεξής. 4. Καθαρισμός επιφανειών από τη διάβρωση, τα χρώματα, την κόλλα, και τους μολυσματικούς παράγοντες, ειδικά εκεί όπου είναι απροσβάσιμες. 5. Μαρκάρισμα-Σχεδιασμός πάνω στο γυαλί. 6. Δημιουργία γαλακτώματος των σωλήνων γυαλιού εξωτερικά ή εσωτερικά. 7. Χάραξη στο γυαλί χρησιμοποιώντας μεταλλικά ή λαστιχένια εκμαγεία. Μερικές χαρακτηριστικές εφαρμογές της AJM περιλαμβάνουν τα εξής: Λοξότμηση δίσκου ηλεκτρονικών κατασκευασμένο από σιλικόνη και κολλημένο πάνω σε δίσκο βολφραμίου. Χάραξη αριθμών μητρώου στα γυάλινα παράθυρα των αυτοκινήτων. Απογρέζωση σε εσωτερικές τεμνόμενες τρύπες σε πλαστικά εξαρτήματα που απαιτούνται για τις ιατρικές εφαρμογές. Απογρέζωση των χειρουργικών βελόνων και των υδραυλικών βαλβίδων. Απογρέζωση εξαρτημάτων από nylon, teflon και derlin. 44
Εφαρμογή της AJM σε κοπή σιδηροπαγούς σκυροδέματος 2.6 Σύνοψη (Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα ) Στα πλεονεκτήματα της AJM περιλαμβάνονται τα εξής: Ικανή στην δημιουργία τρυπών και περίπλοκων μορφών στα σκληρά και εύθραυστα υλικά. Χρησιμοποιείται για να κόψει εύθραυστα υλικά με λεπτά τοιχώματα. Θερμοευάισθητα υλικά όπως το γυαλί και τα κεραμικά μπορούν να κατεργασθούν χωρίς να επηρεαστούν οι φυσικές τους ιδιότητες και η κρυστάλλινη δομή τους καθώς λίγη ή καθόλου θερμότητα παράγεται κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Ασφαλής στην λειτουργία. Χαρακτηρίζεται από την μικρή οικονομική επένδυση και τη χαμηλή κατανάλωση ισχύος. 45
Μπορέστε να χρησιμοποιηθεί για να καθαρίσει τις επιφάνειες, ειδικά στις περιοχές που είναι απρόσιτες από τις συνηθισμένες μέθοδοι. Οι παραχθείσες επιφάνειες μετά τον καθαρισμό τους από την AJM χαρακτηρίζονται από την αντίσταση τους στην φθορά. Τα μειονεκτήματα συνοψίζονται ως εξής: Η εφαρμογή AJM είναι περιορισμένη στα εύθραυστα υλικά. Δεν συστήνεται για την κατεργασία των μαλακών και ελατών υλικών. Τα λειαντικά δεν μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν επειδή χάνουν την οξύτητά τους και ως εκ τούτου την κοπτική τους δυνατότητα. Το ακροφύσιο φράζει σε περίπτωση που χρησιμοποιηθούν κόκκοι διαμέτρου μικρότερης από 10μm. Η ακρίβεια της διαδικασίας είναι μικρή λόγω του σκεδασμού της δέσμης. Οι βαθιές τρύπες που παράγονται εμφανίζουν έντονη κωνικότητα. Μερικές φορές, τα επεξεργασμένα μέρη πρέπει να υποβληθούν σε μια πρόσθετη λειτουργία του καθαρισμού για να ξεφορτωθούν λειαντικά που κολλούν στην επιφάνεια. Η υπερβολική φθορά των ακροφυσίων αυξάνει το συμπληρωματικό κόστος κατεργασίας. Η διαδικασία τείνει να μολύνει το περιβάλλον. 46
3. ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΥΔΑΤΟΣ (WJM) 3.1 Γενικές πληροφορίες για την κατεργασία WJM Τις πέντε τελευταίες δεκαετίες,έχουν υποβληθεί διάφορες μελέτες που χρησιμοποιούν μπέκ ύδατος υψηλής πίεσης (παλλόμενες ή συνεχείς) στις εφαρμογές μεταλλείας. Ο Franz (1972) του πανεπιστημίου του Michigan έχει πετύχει τεμαχισμό ξυλείας χρησιμοποιώντας τις υψηλής πίεσης προβολές και επισήμανε την αποδοτικότερη λειτουργία της εφαρμογής με τον εμπλουτισμό του νερού με τμήματα πολυμερών. Από τότε, η κοπτική ικανότητα των υγρών υπό υψηλή πίεση έχει αναφερθεί για ένα ευρύ φάσμα των υλικών, συμπεριλαμβανομένου του PB, του Al, του cu, του Tj, των χαλύβων, και του γρανίτη. Είναι δύσκολο ωστόσο να κατανοηθεί ότι ριπή νερού μπορεί να κόψει το χάλυβα και το γρανίτη. Εντούτοις, με επιστημονικούς όρους είναι εύκολο να εξηγηθεί καθώς ένα ρεύμα του ύδατος ωθείται σε υψηλή πίεση (2000 8000 bar ) μέσω ενός συγκλίνοντος ακροφυσίου και δίδεται μία ριπή ύδατος υψηλής ταχύτητας 600-1400 m/s. Στο στόχο, η κινητική ενέργεια (KE) του ακροφυσίου μετατρέπεται αυθόρμητα σε υψηλής πίεσης ενέργεια, περιλαμβάνοντας υψηλά φορτία που υπερβαίνουν το όριο διαρροής του υλικού, προκαλώντας φθορά. 3.2 Μηχανική της κοπής WJM Ως γνωστόν όταν μία σταγόνα υγρού κινείται με μεγάλη ταχύτητα και προσπίπτει σε μία στερεά επιφάνεια αναπτύσσονται πολύ μεγάλες πιέσεις για χρόνο περίπου 1μs μετά τη κρούση. Εάν θεωρηθεί ότι ένας υγρός κύλινδρος με επίπεδο άκρο προσπίπτει κάθετα σε μία στερεά απαραμόρφωτη βάση με ταχύτητα v, η αναπτυσσόμενη πίεση, p προσδιορίζεται από τη σχέση P = ρ v c o Όπου ρ είναι η πυκνότητα και c o η ταχύτητα του ελαστικού κύματος στο υγρό. Εάν ληφθεί υπόψη η συμπιεστότητα και θεωρηθεί ότι η επίπεδη στερεά επιφάνεια 47
πρόσκρουσης έχει μηχανική αντίσταση ( ρc)s, η πίεση που αναπτύσσεται δίνεται από τη σχέση P = v [ (ρc o )(ρc)s / (ρ c o + (ρc)s ) Σημειώνεται ότι η σχέση αυτή είναι παρόμοια με αυτή που προκύπτει κατά τη σύγκρουση στερεού σώματος με την επιφάνεια υγρού και όπως είναι φανερό, είναι ανεξάρτητη του μεγέθους της επιφάνειας. Η πίεση p ασκείται σε όλη την επιφάνεια επαφής κατά τη χρονική στιγμή της κρούσης και η διάρκεια της εξαρτάται από το χρόνο που απαιτείται για την ανάπτυξη κυμάτων αποφόρτισης από την περιφέρεια του κυλίνδρου προς τον άξονα του με συνέπεια την πτώση από την πίεση, p λόγω συμπίεσης στην πίεση σταθερής ασυμπίεστης κατάστασης, pv 2 /2. Υπολογίζεται ότι για μια δέσμη διαμέτρου d = 3 mm, ο χρόνος αποκατάστασης της πίεσης των κυμάτων αποφόρτισης, t = 2 c o είναι περίπου 1 μs ενώ η πίεση σταθερής κατάστασης είναι μία η δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη από την αρχική πίεση. Πρέπει να σημειωθεί ότι μία δέσμη υγρού με ταχύτητα v = 520 m/s δημιουργεί με την πρόσπτωση της σε μεταλλική επιφάνεια πίεση p = 0,77 GPa.Εάν ληφθεί υπόψη ότι η τάση ροής ενός μαλακού χάλυβα είναι περίπου 0,25 Χ 10 9 Ν/m 2, καθίσταται φανερό ότι η αλληλεπίδραση των τασικών κυμάτων (stress waves), που δημιουργούνται με την κρούση του υγρού με το υλικό της επιφανείας πρόσπτωσης, είναι δυνατό να δημιουργήσει είτε πλαστική παραμόρφωση σε όλκιμα είτε θραύση σε ψαθυρά υλικά. Στο γενικό αυτό μηχανισμό οφείλεται και η αποβολή υλικού και τα φαινόμενα δακτυλιοειδούς θραύσης και scabbing που παρατηρούνται ύστερα από πρόσπτωση δέσμης ύδατος στην επιφάνεια σκληρού πολυμερούς υλικού. Η μεταβολή της πίεσης με το χρόνο στη διεπιφάνεια επαφής εξαρτάται από το σχήμα της προσπίπτουσας δέσμης υγρού. Στο αρχικό στάδιο της κρούσης μίας σφαιρικής σταγόνας υγρού η προς τα έξω ροή παρεμποδίζεται η δε ταχύτητα ενός οριακού σημείου Ρ, χ είναι : Χ = d ( r sinθ ) / dt = r θ cos θ V = d ( r sinθ ) / dt = - r θ sin θ 48
Οπότε έχουμε : Χ = - v co t θ Η πίεση της συμπιεστής ροής μεταπίπτει σε μόνιμη ( ασυμπίεστη ) κατάσταση μόνο όταν χ < Co, ενώ η ακτίνα επαφής Χο στην οριακή κατάσταση υπολογίζεται ως Οπότε Χ = Co = v co t θ = v r / Xo Χο = r v / Co Προφανώς η δυναμική επαφή ενός υγρού κυλίνδρου με ένα επίπεδο παράλληλα προς μία γενέτειρα, θα έχει πλάτος 2Χο. Αν μια ποσότητα ύδατος με αρχική κοίλη επιφάνεια S εκτοξευθεί μέσω ενός χαλύβδινου ακροφυσίου, δημιουργείται πρώτα μία δέσμη μικρών διαστάσεων και μεγάλης ταχύτητας και στην συνέχεια ακολουθεί η κύρια δέσμη του ύδατος. Η αρχική μικροδέσμη δημιουργεί κρουστική πίεση με τη πρόσπτωση σε μία μεταλλική επιφάνεια, με συνέπεια την μικροδιάτρηση της πλάκας με την δημιουργία μικρής οπής ή κρατήρα στην περίπτωση πολύ σκληρού υλικού, και που περιβάλλεται από μεγαλύτερο και ομαλότερο κρατήρα λόγω της μηχανικής δράσης της κύριας δέσμης που ακολουθεί. Πρακτική εκμετάλλευση των φαινομένων που παρουσιάσθηκαν στα προηγούμενα γίνεται στην κοπή με δέση ύδατος. Η μέθοδος αυτή, όπως ήδη αναφέρθηκε, χρησιμοποιεί ως κοπτικό εργαλείο μία δέσμη ύδατος υπερύψηλης ταχύτητας της τάξης των 3 Mach. Τα πλέον σημαντικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η δυνατότητα κοπής οποιασδήποτε μορφής και η ευκαμψία που προσφέρει ο καθαρά σημειακός χαρακτήρας της κοπής. 49
Πίνακας 3.1: Απεικόνιση διαφόρων flow rates για διάφορα ακροφύσια. 50
3.3 Παράμετροι Κατεργασίας WJM Τα χαρακτηριστικά της κοπής με την μέθοδο WJM καθορίζονται από τα φυσικά χαρακτηριστικά της δέσμης ύδατος, τα γεωμετρικά στοιχεία του ακροφυσίου και τις μηχανικές ιδιότητες του κατεργάσιμου υλικού. Σε κάθε περίπτωση ισχύει η σχέση Bernoulli P t = p s + p d + f fr Όπου P t είναι η ολική ( σταθερή ) πίεση, p s η στατική πίεση, p d η δυναμική πίεση και f fr οι απώλειες λόγω τριβών, η οποία, για τις συνθήκες που συναντώνται στην πράξη, απλοποιείται στη σχέση V 2 = 2p/ρ όπου ρ είναι η πυκνότητα του ρευστού. Η παροχή, Q του συστήματος WJM δίνεται από τη σχέση : Q = 24 C d D 2 0.22pt/ρ Όπου C d είναι ένας συντελεστής και D η διάμετρος του ακροφυσίου. Οι παραπάνω σχέσεις είναι οι βασικές για τον καθορισμό των χαρακτηριστικών της δέσμης.με την βοήθεια των σχέσεων αυτών λοιπόν καταρτίζονται νομογραφήματα που καθορίζουν τις συνθήκες λειτουργίας ενός συστήματος WJM. Σημειώνεται ότι στα συνήθη νομογραφήματα συνήθως λαμβάνεται C d = 1, ενώ στην πράξη, για τα ακροφύσια που χρησιμοποιούνται είναι C d = 0.7, οπότε πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς. Η πίεση της δέσμης του ύδατος και η παροχή καθορίζουν σε σημαντικό βαθμό και τα αποτελέσματα της κοπής. Η παροχή επηρεάζει το ρυθμό αφαίρεσης υλικού (material removal rate), ενώ η πίεση καθορίζει όχι μόνο την αφαίρεση υλικού αλλά και το μηχανισμό κοπής, διάτμηση ή θραύση, ανάλογα με το κατεργάσιμο υλικό.έχει διαπιστωθεί ότι με χαμηλή πίεση, ανεξαρτήτως της παροχής, δεν επιτυγχάνεται κοπή, ενώ, όταν η πίεση είναι επαρκής για την κοπή ενός δεδομένου υλικού και διατηρείται σταθερή η ταχύτητα κοπής καθορίζεται από την παροχή. Στον παρακάτω πίνακα ( Πίνακας 3.2 ) δίνονται τυπικές ταχύτητες κοπής με δέσμη 51
ύδατος για διάφορα υλικά. Σημειώνεται ότι το διάκενο κατεργασίας, δηλαδή η απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και του κατεργάσιμου υλικού, κυμαίνεται από 2,5mm έως 6,5mm. Το διάκενο μπορεί να αυξηθεί μέχρι 25-30 mm, χωρίς σημαντική επίδραση στην ταχύτητα κοπής, για υλικά που είναι ευαίσθητα σε κραδασμούς ή θρυμματίζονται ή διαχωρίζονται σε στρώματα και όταν απαιτείται λεία επιφάνεια κοπής. Πίνακας 3.2: Τυπικές ταχύτητες κοπής WJM για διάφορα υλικά. 52
Ακροφύσιο σε λειτουργία κοπής. 3.4 Εξοπλισμός του WJM Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.2 ) απεικονίζεται γραφικά ο εξοπλισμός του WJM. Αποτελείται από τους ακόλουθους σταθμούς: Σχήμα 3.2 : Γραφική απεικόνιση εξοπλισμού WJM. 53
1. Πολυβάθμιος σταθμός φιλτραρίσματος. Ο σκοπός του οποίου είναι να φιλτράρει τα στερεά μόρια έως 0.5 μm. Σε αυτό το στάδιο, συστήνεται επίσης να εκτελεσθεί απιονισμός και η απομεταλλοποίηση του νερού για να επιτρέψουν την καλύτερη απόδοση των στοιχείων των μηχανών και της εκτεταμένης ζωής ακροφυσίων. Μετά τι φιλτράρισμα, το νερό αναμιγνύεται με τα πολυμερή σώματα για να λάβει ένα συναφές μίγμα για κοπή. 2. Αντλία λαδιού και ενισχυτής υψηλής πίεσης νερού. Αποτελείται από μια υδραυλική αντλία που τροφοδοτείται από μια ηλεκτρική μηχανή που παρέχει το λάδι σε μια πίεση περίπου 120 bar. Μια τέτοια πίεση απαιτείται για να οδηγήσει ένα διπλής ενέργειας έμβολο σε μία αντλία που ανεβάζει την πίεση του νερού από 4 bar σε περίπου 4000 bar και περισσότερα. Η λειτουργία του ενισχυτή είναι απλή. Αποτελείται από δύο τελικούς μικρούς κυλίνδρους για το νερό και έναν μεγάλο κεντρικό κύλινδρο για το λάδι. Ένας διακόπτης ορίου, που βρίσκεται σε κάθε τέλος των τελικών κυλίνδρων επισημαίνει τους ηλεκτρονικούς ελέγχους για να μετατοπίσει την κατευθυντική βαλβίδα ελέγχου και να αντιστρέψει την κατεύθυνση των εμβόλων. Δεδομένου ότι μια πλευρά του ενισχυτή είναι στη θέση των κολπίσκων, η αντίθετη πλευρά παράγει μια υπερβολικά υψηλής πίεση και αντίστροφα. Το νερό παραδίδεται σε έναν συσσωρευτή τοποθετούμενο σε δεξαμενή και από εκεί στον τέμνοντα σταθμό. Κατά τη διάρκεια των μη απασχόλησης χρόνων, το νερό αποθηκεύεται στο συσσωρευτή για να είναι υπό πίεση έτοιμο οποιαδήποτε στιγμή να εκτελέσει την κοπή. Το ενισχυτής προσφέρει ελαστικότητα για τις εφαρμογές κοπής και καθαρισμού. Υποστηρίζει επίσης τα ενιαία ή πολλαπλά ακροφύσια για αυξημένη παραγωγή. 3. Στάδιο Κοπής. Το συγκλίνον ακροφύσιο μετατρέπει την υπερβολικά υψηλή πίεση (4000 bar ) σε μια υψηλή ταχύτητα κοπής 400-1400 m/s. Το ακροφύσιο παρέχει ένα συνεπή ρεύμα προβολών ύδατος για τη βέλτιστη κοπή. Η συνοχή του κοπτικού υγρού μπορεί να ενισχυθεί με την πρόσθεση πολυμερών σωμάτων όπως το οξείδιο του πολυαιθυλενίου (PEO) με μοριακό βάρος 4 εκατομμυρίων. Τέτοια προσθήκη παρέχει το νερό ένα υψηλότερο ιξώδες και ως εκ τούτου αυξάνει το συνεπές μήκος μέχρι το dn 600, όπου dn είναι η διάμετρος της οπής των 54
ακροφυσίων που πέφτουν μεταξύ 0.1 και 0.35mm. Για τη βέλτιστη κοπή, το SOD προτιμάται σαν επιλογή. Ακόμα κι αν το SOD επιλέγεται πέρα από αυτήν την σειρά, η ισχύς της ριπής είναι ακόμα σε θέση να φέρει εις πέρας μη κοπτικές διαδικασίες όπως ο καθαρισμός, η στίλβωση, η αφαίρεση λίπους, κ.λπ., λόγω της ύπαρξης του συγκεντρωμένου υγρού κώνου. Τα ακροφύσια κατασκευάζονται γενικά από τα πολύ σκληρά υλικά όπως το WC, ο συνθετικός σάπφειρος, ή το διαμάντι. Το διαμάντι παρέχει τη μεγαλύτερη ζωή ακροφυσίων, ενώ το WC δίνει την χαμηλότερη. Ο τέμνων σταθμός πρέπει να εξοπλιστεί με συλλέκτη που ενεργεί ως δεξαμενή για τη συλλογή των συντριμμιών κατεργασίας που παρασύρονται ακροφύσιο. Επιπλέον, απορροφά το υπόλοιπο της ενέργειας μετά από την κοπή, η οποία υπολογίζεται για να είναι 90% της συνολικής υδροδυναμικής ενέργειας. Μειώνει τα επίπεδα θορύβου (105 DB) που συνδέονται με τη μείωση της προβολής ύδατος από 3 Mach στα υποηχητικά επίπεδα. Στα συστήματα WJM υψηλής πίεσης που είναι κατάλληλα για κοπή όλων των υλικών, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός ενισχυτή για την αύξηση της πίεσης του ύδατος στα επιθυμητά επίπεδα ( 400MPa ). Στα συστήματα χαμηλής και / η μεσαίας πίεσης, που χρησιμοποιούνται για επιλεγμένα κατεργάσιμα υλικά, αποφεύγεται η χρήση του ενισχυτή και χρησιμοποιείται απλούστερη διάταξη, γεγονός που έχει ως συνέχεια και τη σημαντική μείωση του κόστους κτήσης του εξοπλισμού. 55
Σχήμα 3.3: Διάταξη υψηλής πίεσης συστήματος WJM. Οι γραμμές μεταφοράς αποτελούνται από εύκαμπτους και / η άκαμπτους σωλήνες, μεταβλητές καμπύλες και εύκαμπτους συνδέσμους αρθρώσεων. Οι εύκαμπτοι σωλήνες απλοποιούν σημαντικά το υδραυλικό μέρος του συστήματος αλλά χρησιμοποιούνται μέχρι πίεση 380MPa. Για μεγαλύτερες πιέσεις χρησιμοποιούνται άκαμπτες σωληνώσεις από ανοξείδωτο χάλυβα. Τέλος,τα φίλτρα χρησιμοποιούνται για την προστασία του στομίου του ακροφυσίου από ξένα υλικά και ακαθαρσίες. Το ακροφύσιο εκτόξευσης αποτελεί, όπως ήδη αναφέρθηκε, ένα από τα πλέον σημαντικά στοιχεία του συστήματος, η δε γεωμετρία του καθορίζει ουσιαστικά την αποδοτικότητα της κοπής ( ρυθμός αποβολής υλικού, ποιότητα επιφανείας και ρυθμός φθοράς ). Δυο τύποι είναι σήμερα σε χρήση.ο πρώτος και πλέον διαδεδομένος χρησιμοποιείται στόμιο από ζαφείρι, ενώ ο δεύτερος, που συναντάται στα πλέον προηγμένα συστήματα, έχει στόμιο από συνθετικό διαμάντι. Στην περίπτωση αυτή ο χρόνος ζωής του ακροφυσίου είναι δεκαπλάσιος αλλά και το κόστος 7 10 φορές μεγαλύτερο. 56
Σχήμα 3.4 : Διάταξη WJM με χρήση Computer Numeric Control. 57
Σχήμα 3.5: Απεικόνιση των μερών διάταξης CNC WJM. 3.5 Εφαρμογές του WJM Το WJM χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές περιλαμβάνοντας τα εξής: 1. Κοπή των μετάλλων και των σύνθετων υλών που εφαρμόζονται στις αεροδιαστημικές βιομηχανίες. (Σχήμα 3.6 ) 2. Υποβρύχιες κοπές και βιομηχανίες πλοίων. 3. Κοπή των βράχων, του γρανίτη, και του μαρμάρου. 4. Είναι ιδανικό στα μαλακά υλικά κοπής όπως το ξύλο, το χαρτί, το ύφασμα, το δέρμα, το λάστιχο, και τα πλαστικά. 5. Τεμαχισμός και επεξεργασία των παγωμένων τροφίμων, των προπαρασκευασμένων τροφίμων, και του κρέατος. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το 58
οινόπνευμα, η γλυκερίνη, και τα μαγειρεύοντας λίπη χρησιμοποιούνται ως εναλλακτικά υγρά κοπής. 6. Το WJM χρησιμοποιείται επίσης στον καθαρισμό, τη στίλβωση, και την αφαίρεση λίπους της αφαίρεσης μολύνσεων πυρηνικής φύσης για καθαρισμό σωλήνων και καλουπιών για την προετοιμασία επιφανειών με σκοπό την επιθεώρηση για ενίσχυση επιφανειών για απογρέζωση Σχήμα 3.6 : Προϊόντα κοπής της διαδικασίας WJM. Σχήμα 3.7 : Εφαρμογή της WJM σε κοπή πλακετών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. 59
Σχήμα 3.8: Εφαρμογή της διαδικασίας WJM σε κοπή ξύλου και πολυμερών. 60
Σχήμα 3.9: Κοπή με την μέθοδο WJM φύλλων λαμαρίνας. Σχήμα 3.10: Κατεργασία λείανσης με την μέθοδο WJM. 61
Σχήμα 3.11: Κοπή με την μέθοδο WJM φύλλων πολυστυρενίου. 3.6 Σύνοψη (Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα) Το WJM έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα: Το ύδωρ είναι φτηνό, μη τοξικό, και μπορεί να διατεθεί εύκολα και να διανεμηθεί εκ νέου. Η διαδικασία απαιτεί περιορισμένο όγκο νερού (100-200 L/h). Το εργαλείο (ακροφύσιο) δεν φθείρεται και επομένως δεν χρειάζεται το ακόνισμα. Καμία θερμική υποβάθμιση του υλικού εργασίας καθώς ως διαδικασία δεν παράγει θερμότητα.για αυτόν τον λόγο, η διαδικασία WJM είναι καταλληλότερη για τα ευαίσθητα (εκρηκτικά εύφλεκτα )περιβάλλοντα. Είναι ιδανικό για την κοπή, αμιάντου, μόνωσης με ίνες γυαλιού,βηρυλλίου, και πλαστικά ενισχυμένα με ίνες (FRP), επειδή η διαδικασία παρέχει μια καθαρή από αιωρήματα και σκόνη ατμόσφαιρα.για αυτόν τον λόγο, η διαδικασία δεν είναι επικίνδυνη και είναι περιβαλλοντικά ασφαλής. 62
Η διαδικασία παρέχει τις καθαρές και αιχμηρές αποκοπές που είναι απαλλαγμένες από τα γρέζια. Ισχύει για τα υλικά που αντανακλούν την δέσμη Laser, όπως το γυαλί, ο χαλκός, και το αλουμίνιο. Οι αρχικές τρύπες δεν απαιτούνται για να εκτελέσουν την κοπή. Το βρέξιμο του υλικού προς κατεργασία είναι ελάχιστο. Ο θόρυβος ελαχιστοποιείται, δεδομένου ότι η μονάδα ισχύος και ο ενισχυτής ER μπορούν να κρατηθούν μακριά από τον τραπέζι κοπής. Το WP υποβάλλεται σε μια περιορισμένη μηχανική πίεση, δεδομένου ότι η δύναμη που ασκείται από την δέσμη νερού δεν υπερβαίνει γενικά τα 50Ν. Σε WJM, η κοπή εκτελείται χωρίς την ανάγκη περαιτέρω προσδιορισμού του σημείου κοπής. Το WJM πλησιάζει το ιδανικό single-point εργαλείο. Εντούτοις, το WJM έχει τα ακόλουθα μειονεκτήματα: WJM είναι επισφαλές σε λειτουργία εάν οι προφυλάξεις ασφάλειας δεν ακολουθούνται αυστηρά. Το WJM δεν είναι προσαρμόσιμο στη μαζική παραγωγή λόγω της υψηλής απαίτησης συντήρησης. Η διαδικασία χαρακτηρίζεται από το υψηλό κόστος παραγωγής λόγω (α) Υψηλού κύριου κόστους της μηχανής (β) Της ανάγκης γιατί υψηλά καταρτισμένους χειριστές 63
4. ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΥΔΑΤΟΣ ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΛΕΙΑΝΤΙΚΩΝ ΚΟΚΚΩΝ (AWJM) 4.1 Γενικές πληροφορίες για την κατεργασία AWJM Το AWJM είναι μια υβριδική διαδικασία (HP) δεδομένου ότι είναι μια ολοκλήρωση των διαδικασιών AJM και WJM. Η προσθήκη των λειαντικών στην προβολή ύδατος αυξάνει τη σειρά των υλικών που μπορεί να κοπεί με μια προβολή ύδατος δραστικά και μεγιστοποιεί τις MRR αυτού του HP.Το MRR είναι βασισμένο, επομένως, στη χρησιμοποίηση από κοινού των λειαντικών και του νερού σε ένα ακροφύσιο. Εντατικές ερευνητικές εργασίες έχουν εκτελεσθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριών δεκαετιών για να ερευνήσουν τις ικανότητες αυτής της νέας ελπιδοφόρου διαδικασίας. Έχει αναφερθεί ότι η διαδικασία AWJM είναι σε θέση να κατεργάζεται και τα μαλακά και σκληρά υλικά στη μηχανή σε πολύ ψηλές ταχύτητες όπως συγκρίνεται με εκείνες που πραγματοποιούνται από το WJM. Κόβει από 10 (δέκα) έως 50 (πενήντα ) φορές γρηγορότερα από τη διαδικασία WJM. Επιπλέον, οι κοπές που εκτελούνται από το AWJM έχουν τις καλύτερες ιδιότητες ακρών και επιφάνειας. Το AWJM χρησιμοποιεί μια συγκριτικά χαμηλότερη πίεση νερού από αυτή που χρησιμοποιείται από το WJM (περίπου 80%) για να επιταχύνει το AWJ. Η αναλογία μίξης των λειαντικών στο νερό είναι περίπου τα 3/7 από τον συνολικό όγκο. Χρησιμοποιούνται συχνά λειαντικά (γρανίτης, άμμος, Al2O3, κ.λπ.) με μέγεθος κόκκου 10-180 μm. Όπως προηγουμένως αναφέρεται, εκτός από την ικανότητά της κατεργασίας στα μαλακά και σκληρά υλικά σε πολύ ψηλές ταχύτητες, η διαδικασία AWJM έχει τα ίδια πλεονεκτήματα με την διαδικασία WJM. Εντούτοις, έχει τους ακόλουθους δύο περιορισμούς: Εξαιτίας της ύπαρξης των λειαντικών στο μίγμα υψηλής πίεσης, υπάρχει μια υπερβολική φθορά στη μηχανή και στον εξοπλισμό της εγκατάστασης. Η διαδικασία δεν είναι περιβαλλοντικά ασφαλής σε σύγκριση με την WJM. 64
Σχήμα 4.1 : Γραφική απεικόνιση της μεθόδου AWJM. 4.2 Μηχανική της κοπής AWJM Οι χαρακτηριστικές μεταβλητές κατεργασίας της ΑWJM-διαδικασίας είναι οι ακόλουθες: Πίεση νερού Διάμετρος ακροφυσίων νερού Γεωμετρία του σωλήνα εστίασης (μήκος και διάμετρος) Πλάτος δέσμης μείγματος Μέγεθος και τύπος λειαντικών σωματιδίων Αναλογία λειαντικών / νερού Σκληρότητα και αντοχή του υλικού προς κατεργασία Τύπος υλικού προς κατεργασία (μεταλλικός, μη μεταλλικός, ή σύνθετο) 65
Κατά την κατεργασία του γυαλιού από AWJ, επιτυγχάνεται αφαίρεση υλικού περίπου 16-20 mm 3 /min. Ένα AWJ τέμνει εγκάρσια πλάκες μπετό πάχους 360 mm ή παχιές πλάκες μετάλλου πάχους 76 mm με μια εγκάρσια ταχύτητα 38 mm/min με ένα ενιαίο πέρασμα. Όταν κόβει χαλύβδινες πλάκες (ή μεταλλικά υλικά) η τραχύτητα Rt επιφάνειας κυμαίνεται από 3.8 έως 6.4 μm, ενώ οι ανοχές ±130 μm είναι θεμιτές. Η επαναληψιμότητα των ±40 μm, κυβικότητα 43 μm/m, και η ευθύτητα 50 μm ανά άξονα αναμένονται. Η άμμος και ο γρανίτης χρησιμοποιούνται συχνά ως λειαντικά υλικά. Εντούτοις, ο γρανίτης προτιμάται επειδή είναι 30% αποτελεσματικότερος από την άμμο. Ένα υδάτινο μέσω μεταφοράς αποτελούμενο από το νερό με τις αντιδιαβρωτικές πρόσθετες ουσίες συμβάλλει στην υψηλότερη επιτάχυνση των λειαντικών με μια επακόλουθη υψηλότερη λειαντική ταχύτητα και αυξανόμενο MRR. Το βάθος διείσδυσης αυξάνεται με την αυξανόμενη πίεση νερού και τη μειούμενη εγκάρσια ταχύτητα, υπό τον όρο ότι άλλες συνθήκες εργασίας είναι σταθερές. Το πλάτος της δέσμης έχει μια σημαντική επίδραση στην MRR και την ακρίβεια. Επιτυγχάνει τις τιμές μεταξύ 0.5 και 5mm. Η μικρότερη τιμή (0.5 mm.) πραγματοποιεί την υψηλότερη ακρίβεια και το μικρότερο πλάτος γρεζιού, ενώ η μεγαλύτερη αξία (5 mm.) πραγματοποιεί μέγιστο MRR. Πέρα από 5mm, η δέσμη νερού χάνει βαθμιαία την τέμνουσα ικανότητά της έως ότου φθάνει σε 50-80 χιλ., στα οποία η δέσμη χρησιμοποιείται αποδοτικά στον καθαρισμό επιφανειών και στην καταστολή. Ο παρακάτω πίνακας ( Πίνακας 4.1 ) επεξηγεί τις εγκάρσιες ταχύτητες κατά την κοπή των διαφορετικών υλικών των διαφορετικών παχών χρησιμοποιώντας AWJ. Συνεπώς, μπορεί να απεικονιστεί ότι : 1. Τα καθαρά μέταλλα (Ti, Al ) έχουν την ίδια κατεργασιμότητα. 2. Το γυαλί κόβεται σε 8-10 φορές γρηγορότερα από τα μέταλλα και τα κράματα. 66
Πίνακας 4.1 : Πίνακας ταχυτήτων κοπής υλικών με την μέθοδο AWJM Η τραχύτητα επιφάνειας εξαρτάται από το υλικό προς κατεργασία, το μέγεθος των κόκκων, και τον τύπο των λειαντικών. Ένα υλικό με ένα υψηλό ποσοστό αφαίρεσης παράγει μεγάλη τραχύτητα επιφάνειας. Για αυτόν τον λόγο λεπτόκοκκα λειαντικά χρησιμοποιούνται για κατεργασία στα μαλακά μέταλλα για να επιτύχουμε την ίδια τραχύτητα με τα σκληρά. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη η αναλογία λειαντικών/νερού τόσο υψηλότερο θα είναι το MRR. Στην περιοχή των σύνθετων, η διαδικασία AWJM είναι ιδιαίτερα καλή δεδομένου ότι οι τιμές της κατεργασίας είναι αρκετά υψηλές, και δεν αποφλοιώνει τις στρώσεις του υλικού. Σε μία μελέτη σχετικά με την κοπή ενός πολυμερούς υλικού FRP πάχους 5mm συγκρίθηκε η μέθοδος WJM με την AWJM και εκμαιεύθηκαν τα εξής συμπεράσματα : Η έκβαση αυτής της μελέτης δείχνει ότι το AWJM έχει πραγματοποιήσει μια εγκάρσια ταχύτητα 2000 mm/min, το οποίο είναι 40 φορές αυτό που 67
πραγματοποιείται από WJM. Επιπλέον η τραχύτητα επιφάνειας όπως λαμβάνεται από AWJM (RA = 4.4 μm) είναι περίπου 30% λιγότερη από αυτό που λαμβάνεται από WJM (RA = 6.4 μm). 4.3 Παράμετροι Κατεργασίας AWJM Τα πέντε σημαντικά χαρακτηριστικά του AWJ που πρέπει ληφθούν υπόψη για να αποδώσει αποτελεσματικά η διάταξη είναι τα ακόλουθα: Η ταχύτητα της ριπής ύδατος καθορίζει την τέμνουσα ικανότητα. Η συνοχή του μίγματος καθορίζει τη μορφή και την ποιότητα της κοπής. Η αναλογία λειαντικών /μάζας νερού εξασφαλίζει την βέλτιστη κοπτική ικανότητα. Η περιστροφική αεριωθούμενη συμμετρία καθορίζει την τέμνουσα ικανότητα στις διαφορετικές κατευθύνσεις. Η καθιέρωση μιας, ασχέτου χρόνου,εγκατάστασης δίνει μια ομοιόμορφη ποιότητα κατά μήκος της κοπής σε ένα WP. 68
Σχήμα 4.2 : Τύποι κοπής ανάλογα με την γωνία κλίσης του ακροφυσίου. 4.4 Εξοπλισμός του AWJM Ο εξοπλισμός του AWJM δεν διαφέρει πολύ από το βασικό εξοπλισμό του WJM. Έτσι, είναι αποτελούμενος από : 1. Σταθμό φιλτραρίσματος νερού. Είναι ο ίδιος με αυτόν του WJM, αλλά τα τέμνοντα πολυμερή σώματα AWJM δεν χρησιμοποιούνται συνήθως, επειδή η γενική άποψη είναι ότι η αυξανόμενη συνοχή τους στο ακροφύσιο αποτρέπει τα λειαντικά μόρια από τη μίξη με την προβολή ύδατος και, επομένως, η 69