Embed Size (px)
Citation preview
ВИСОКА ТЕХНИЧКА ШКОЛА СТРУКОВНИХ
СТУДИЈА
БЕОГРАД
ЗАВРШНИ РАДСЕЧЕЊЕ ВОДЕНИМ МЛАЗОМ
Предмет: Обрадни процеси
ментор:Др. Александар Раковић
студент:Зоран Тодорићбр.индекса: 254/10смер: КПС
Београд, 2011 год.
САДРЖАЈ
1.УВОД 4
2.WАTER JET – сечење воденим млазом 5
2.1 Резни млаз 5
2.2. Примена WJ и AWJ 9
2.3 Материјали 10
2.4 Процес обраде 12
2.5 Процес мешања абразива и воде 15
3. СУСПЕНЗИОНИ МЛАЗ 18
4. ХВАТАЧ МЛАЗА 19
5. МЕХАНИЗМИ УКЛАЊАЊА МАТЕРИЈАЛА 20
6. СНАГА ВОДЕНОГ МЛАЗА 23
7. КВАЛИТЕТ ОБРАДЕ АБРАЗИВНИМ ВОДЕНИМ МЛАЗОМ 27
8. ЧОВЕКОВА ОКОЛИНА 30
9. ЗАКЉУЧАК 32
10. ЛИТЕРАТУРА 34
СЕЧЕЊЕ МЕТАЛА ВОДЕНИМ МЛАЗОМЗоран Тодорић
Апстракт
Сечење абразивним воденим млазом је једна од најмодернијих и најпримењивијих неконвенционалних технологија обраде. Због могућности сечења великог броја различитих материјала без термичког утицаја ова технологија је конкурентна за све већи број индустријских грана. Квалитет реза: геометрија реза и квалитет површина представљају главне показатеље обраде.
Иако почетни инвестициони трошкови могу бити високи, сечење воденим млазом краћим временом обраде омогућује значајне уштеде. Из тог разлога, у различитим областима индустрије, сечење чистим воденим млазом налази економски оправдану примену насупрот досадашњим конвенционалним технологијама обраде.
У циљу очувања животне средине и одрживог развоја, поступак сечења воденим млазом игра важну улогу у различитим индустријским технологијама. Предности обраде абразивним воденим млазом одређују је као потенцијалну, ефективну, еколошки прихватљиву и одрживу технологију и осигуравају и у будућности њену примену у индустрији.
Кључне речи: сечење, водени млаз, абразив, квалитет површина.
WATER JET CUTTINGZoran Todoric
Abstract
Water Jet Cutting (WJC) is one of the most modern applied non-conventional
technology for material processing. Opportunity to process various materials without
thermal impact makes her applicable for various industrial branches. Quality of cut:
geometry of cut and surface quality are the main quality aspects.
Despite increased investment costs, WJC provides significant savings. For that
reason it has enormous applicability in industry comparing other technologies.
WJC process plays important role in protection of environment and sustainable
development. Various advantages determine WJC as potential, effective, ecologically
acceptable and sustainable technology and ensure her application in future.
Key Words: cutting, Water Jet, abrasive, surface quality.
1.УВОД
Сечење воденим млазом представља поступак којим се, помоћу алата или
опреме за сечење, један део, дефинисан својим обликом и контуром, одваја од
остатка материјала. Као шта је познато конвенцијални поступци сечења су: маказама,
тестером, гасно сечење, сечење плазмом, док су неконвенцијални поступци сечење
ласером и воденим млазом.
У Русији је први патентирао употребу воденог млаза Петер Тупитсyн давне
1936. Године, радећи у Украинском заводу за рударство у граду Донетск. Водени
млаз је применио као методу за бушење рударског окна, док се каснијих година иста
метода употрбљавала за бушење великих подземних резервоара у којима је
смештен гас, нафта итд. Због велке потребе за рудом уранијума у периоду од 1950 до
1960 године, а знајући да је радиоактиван, ова технологија је примењивана у
поступку даљинског бушења и откопавања руде.
Први човек који се бавио изучавањем примене врло високих притисака био је
Др. Норман Франз, заступајући идеју, могућности да се од воде врло великог
притиска направи резни алат. Дошао је до идеје да резање дрвне грађе из стабала
великих пречника врши применом воденог млаза под великим притиском. Први је
употребио млазницу са малим отвором и доказао моћ воденог млаза, односно
огромну снагу за сечење и обраду резањем.
Сечење воденим млазом (Water Jet Machining – WJM) пoчиње да бива познато
у ширим светским круговима око 1980 године. Године 1990 Др. John Olsen као један
од оснивача “ОМАХ“ корпорације истражује концепцију сечења абразивним
воденим млазом (АWJM), упоредно развијајући и софтверска решења за
програмирање и вођење операције сечења. Убрзо патентира комерцијалне AWJM
машине и уводи кроз ланац специјализованих продавница у слободну продају.
стр. 4 од 37
2.WАTER JET – сечење воденим млазом
Основу процеса WАTER JET представља млаз који је састављен од воде и
абразивног песка. Млаз је веома малог пречника (0,2-1mm), који се под великм
притиском од (у просеку 4000 бара) судара са површином радног предмета [2].
Крећући се суперсоничном брзином, вода, абразив и мехурићи ваздуха у контакту са
површином радног предмета одвајају комадиће материјала. С обзиром на то да је
процес ограничен на изузетно мали простор добија се рез дебљине око 0,9 mm.
2.1 Резни млаз
Постоје две врсте сечења и то: водено, које се примењује код сечења мекших
материјала и абразивно - за сечење тврдих материјала. За методу сечења
абразивним воденим млазом се примењују одговарајуће дизне за сечење
(млазнице). На слици 1 су приказане резне главе за сечење са абразивом и без
абразива.
Слика 1. Резне главе са абрзивом и без абразива
Резна глава за сечење абразивом има све исте делове као резна глава за
сечење чистом водом, с тим што у наставку има прикључење које представља вод за
довод абразива. Мешање воде и абразива се врши тако што водени млаз ствара под-
притисак у дизни и за собом повлачи абразив.
стр. 5 од 37
Млазница претвара створену притисну енергију са што мање губитка у
кинетичку енергију млаза, која се користи за сечење. Вода пролази кроз отвор дизне
брзином од око 1000 m/s, тако да и најмања нечистоћа оштећује дизну. Из тог
разлога веома је важно да вода буде шта чистија, тако да је неопходна хемиска
припрема воде. Вода пролази кроз пред-филтере, фине филтере и на крају кроз јоно-
измењивачку колону.
Да би се одржао оштар, јак, снажан резни млаз у току дужег времена, од
највећег је значаја непромењена улазна геометрија дизне (млазнице). Важно је
истаћи да дизна има при оптималним условима радни век од око 100 часова рада.
Сечење абразивним воденим млазом се (захваљујући великој снази и
храпавом абразиву) може користити за сечење материјала велике отпорности,
велике тврдоће, а такође и крте и жилаве материјале као што су:
Метал,
Стакло,
Камен, индустријска керамика,
Гранит, мермер,
Високо отпорне, тешко обрадиве легуре (титан и сл.),
Композитни материјали,
Пластика,
Гума, папир, сунђер, итд.
Сечење воденим млазом је широко распрострањено у грађевинарству
приликом сечења црепова, мермера, гранита и кермамичких елемената за
декорацију ентеријера, компликоване облике који се често користе тешко резати на
конвенцијалним машинама.
Пресудан утицај на резултате резања имају притисак пумпе и пречник
млазнице јер они одређују снагу воденог млаза. Да би водени млаз продро у
стр. 6 од 37
материјал он мора својом снагом да прекорачи границу чврстоће материјала који се
реже.
Код резања воденим млазом ради се са размаком млазнице од материјала
(који се реже) у висини од 2 до 3 mm, да би се резање остварило у пределу језгра
слободног млаза. Ако се повећа размак млазнице и материјала расипа се млаз услед
унутрашње турбуленције и трења ваздуха у капи, односно, млаз брзо губи енергију.
Већи размак млазнице и материјала доводи до погоршања квалитета резне ивице,
односно, до повећања ширине реза и храпавости резне површине.
Брзина помака млазнице (брзина резања) битно утиче на крајњи резултат
резања, са аспекта уведене енергије у односу на дужину реза. Повећањем брзине
резања смањује се дубина резања, тј. смањује се квалитет резне површине на рачун
мање уведене енергије. Са аспекта економичности и продуктивности корисник у
сваком случају тражи што већу брзину резања при ниској потрошњи енергије за
сечење одговарајућих материјала али не на рачун смањења квалитета резних
површина.
Предности сечења воденим млазом у односу на сечење ласером или плазмом
су:
Веома прецизно сечење млазом чији је пречник мањи од 1mm, а тачност
резања ± 0,1mm,
Рез је хладан и недолази до термичких напрезања материјала,
Могућност резања и тврдих и меких материјала,
Мања ограничења дебљине материјала,
Нема прашине, штетних гасова и прашине од резања, и
Резна површина је глатка и чиста.
Обрада воденим млазом и обрада абразивна млазом припадају групи
неконвенцијалних процеса као што су ултрасонична обрада и абразивна обрада. У
тим процесима механичка енергија воде и абразива се користи за обраду
материјала.
стр. 7 од 37
Генерална подела неких типичних нетрадиционалних механичких процеса
обраде материјала:
USM (Ultrasonic Machining) – Ултра-сонична обрада,
AJM (Abrasive Jet Machining) - Обрада абразивним млазом,
WJM (Water Jet Machining), - Обрада воденим млазом, и
AWJM (Abrasive Water Jet Machining) - Обрада абразивним воденим
млазом.
WJM и AWJM може се остварити користећи различите прилазе и
методологије као што су:
WJM – чист,
WJM – са стабилизатором,
AWJM – абразив, вода и ваздух, и
AWJM – абразив и вода.
Међутим у свим варијантама процеса основни принцип рада остаје исти:
Вода се упумпава са довољно високим притиском, од 2000 – 6100 бара [2]. За
постизање овако високе вредности називног притска користе се вишестепенасте
пумпе.
Пумпа високог притиска ради на једноставном принципу појачавања притиска
користећи хидрауличне цилиндре различитог пречника. Када вода под таквим
притиском прође кроз одговарајућу млазницу (углавном од 0,2 – 0,4 mm),
потенцијална енергија воде се конвертује у кинетичку енергију генеришући брзину
од 1000 m/s.
Таква огромна брзина воденог млаза може обрадити алуминијум, кожу,
текстил, смрзнуту храну итд. У чистом WJM, комерцијално чиста вода (вода из
славине) се користи у обрадне сврхе. Међутим како вода изалази из млазнице млаз
има тенденцију апсорпције атмосферског ваздуха и тако му се смањује могућност
стр. 8 од 37
сечења. Веома често се стабилизатори (полимери са “ дугачким ланцем“) додају
води ради спречавања фрагментације воденог нлаза.
У AWJM абразивне честице песка SiO2 се додају у водени млаз да би се
побољшала његова могићост сечења. AWJM се користи на два начина: као улазни
(директни) и са суспензијом. У директном AWJM честицама абразива је дозвољено
да уђу у водени млаз брзином од 800 m/s. Абразивни млаз тако велике брзине може
обрађивати скоро све врсте материјала. На слици 2. се види фотографски приказ
комерцијалне CNC машине за сечење.
Слика 2. Комерцијална CNC машина за сечање воденим млазом и глава за сечање
2.2. Примена WJ и AWJ
Сечење воденим млазом и абразивним воденим млазом има генералну
примену у машинској, текстилној индустрији, медицини. Због специфичности
поступка обраде, најчешћа примена је за следеће процесе:
Сечење сложених раванских контура,
Скидање фарбе,
Чишћење,
стр. 9 од 37
Сечење меканих материјала,
Сечење у индустрији текстила и кожној индустрији,
Хируршке интервенције,
Сечење недоступних углова,
Комбинована обрада: бушење - глодање,
Растављање нуклеарних постројења.
2.3 Материјали
Могућност сечења воденог млаза може се драстично побољшати додавањем
чврстих честица у водени млаз. Типично је да се користе за сечење мекших
материјала као што су папири и станиоли, обојене метале легуре, дрво, текстили,
полимери, смрзнуто месо, кожа итд, али ипак има главну примену у сечењу
материјала као што су плоче веће дебљине, алуминијум и други материјали.
Ламинатни метали и керамички материјали, појачана пластика и остали
композитни материјали углавном се техником AWJM могу економично резати.
Осим сечења водени млаз под притиском се такође користи и у одстрањивању боја,
за чишћење, у хирургији итд. AWJM се такође може користити за џепно глодање,
израду завојница и бушење. Једно од стратешких примена AWJM је демонтажа
нуклеарних постојења.
На слици 3. је приказана једна од могућности исецања делова по затвореној
контури из плоче од нерђајућог челика дебљине 50 mm.
стр. 10 од 37
Слика 3. Нерђајућа челична плоча 50 mm дебљине обрађена постуоком AWJ
На слици 4. су приказане могућности исецања различитих компоненти
машинских склопова, где је уочљива веома велика прецизност, као и квалитет
површине.
Слика 4. Различите машинске компоненте обрађене постуоком AWJ
WJM и AWJM имају одређене предности које помажу да се постигне значајна
примена у машинској индустрији:
брза поставка и програмирање кретања алата,
Веома мали отпад након обраде,
Обрада буквално било ког 2–D облика,
Врло мале бочне силе приликом обраде силе (стезања),
стр. 11 од 37
Нема загревања материјала, и
Обрада материјала великих дебљина (до 150 mm). [6]
2.4 Процес обраде
На слици 5. је приказан стандардни процес при обради абразивним млазом (AWJM),
Слика 5. Шематски приказ AWJM
Слика 5. Стандардни процес обраде воденим млазом
Основне компоненте процеса AWJM приказани на слици 5 су:
1. Бустер пумпа ниског притиска,
2. Хидраулични погон,
3. Адитив миксер,
4. Управљачка контролна јединица,
5. Појачивач, и
6. Појачивач ниског притиска.
Појачивач притиска је шематски приказан на слици 6.
стр. 12 од 37
Слка 6. Појачивач притиска
Појачивач приказан на слици 6. је погоњен хидрауликом. Срце хидрауличног
погона представља вишестепена хидраулична пумпа. Целокупни хираулични агрегат
вођен је микро-компијутером да би се постигао програмиран пораст притиска.
Хидраулични агрегат доставља појачивачу радни флуид – уље под притиском.
Однос попречних пресека два цилиндра, односно клипа у појачивачу се може
приказати као:
Aodnos = AvećiAmanji
(2.1)
Тако да ће појачање притиска у малом цилиндру бити:
ph× Aveći = pw × Amanji (2.2)
pw=ph×AvećiAmanji
(2.3)
pw=ph× Aodnos (2.4)
Нпр. ако је притисак хидрауличног агрегата подешен на:
ph=¿100 bara, Aodnos=¿ 40, (2.5)
Онда ће притисак воде на излазу из појачивача бити:
pw=¿ 100× 40 = 4000 bara (2.6)
Користећи директни контролни вентил (реглатор притиска), појачивач је
погоњен хидрауличном јединицом. Вода може бити директно уведена у мали
стр. 13 од 37
цилиндар појачивач. Кад појачивач ради, доставља воду под притиском, већи клип
мења смер кретања тако да долази до пада притиска у појачиачу. Да би се ови
падови притиска спречили, већи цилиндар се додаје ради компензације.
Вода високог притска се уводи преко нерђајућих високопритисних цеви у главу
за сечење. Веома је важно напоменути да су цњви флексибилне и да издржавају
притиске до 4000 бара.
Глава за сечење садржи млазницу, комору за мешање и цев за фокус где се
непосредно сједињују вода и абразив. На слици 7 је приказан попречни пресек
резне главе.
Слика 7. Попречни пресек главе за сечење
Пречник флексибилних цеви од нерђајућег челика износи: Ф=6 mm.
Потенцијал притиска воде се претвара у конусном делу млазнице у велику брзину, а
пречник млазнице износи (0,2 – 0,4 mm). Губитци у брзини воденог млаза могу се
предвидети Бернулијевом једначином:
стр. 14 од 37
vwj = ¿ (2.7)
где је:
pw - притисак воде, и
ρw - густина воде.
Млазница се обично прави од сафира. Век трајања млазнице је око 100 до 150
часова рада.
У WJM овај млаз се користи без мешања, а у AJWM се претходно меша са
абразивом. Простор за мешање абразива са водом је унутрашњих димензија ф= 6
mm, и h=10 mm. Како вода протиче кроз млазницу, тако ствара вакум који повлачи
нову количину абразива. Абразивне честице се допремају коришћењем вибро или
зупчастих транспортера.
2.5 Процес мешања абразива и воде
Мешање абразива са водом значи постепено увођење абразивних честица у
водени млаз стварајући тако на излазу из млазнице абразивни водени млаз. На
слици 8 је приказано понашање абразива од уласка у комору за мешање до изласка
из млазнице.
Слика 8. Шематски приказ процеса мешања
стр. 15 од 37
Пролазећи процес мешања, абразивна честица убрзава, добијајући енергију
од воде, и коначно излазе истом брзином на млазницу. Комора за мешање
приказана је на сликама 8 и 9. Уочава се да је цев за довод абразива постављена у
комору за мешање на самом почетку конуса фокусне цеви. Фокусна цев се прави од
волфрам карбида унутрашњег пречника од 0,8 до 1,6 mm и дужине 50 до 80 mm.
Честице абразива крећу се турбулентно у цевчици, ударају о зидове све док не
добију дозвољену брзину да их понесе водени млаз.
Процес мешања може се приказати математичком формулом. Узимајући
прорачун губитка енергије на млазници, брзина воденог млаза може се одредити:
vw j=¿ ψ √ 2 pwρw(2.8)
где је:
ψ - коефицијент губитка брзине на млазници.
Проток воде може се израчунати по формули:
qw = ϕ vwj× A
otvora (2.9)
qw = ϕ vwj ×π4d
o2 (2.10)
qw = ϕ π4d
o2×ψ √ 2 pwρw (2.11)
qw = cd π4 do
×√ 2 pwρw (2.12)
где је:
cd - коефицијенат истицања на млазници.
Укупна снага воденог млаза може се израчунати коришћењем формуле:
Pwj = pw × qw (2.13)
Pwj = pw × cd
π4 do
2×√ 2 pwρw (2.14)
стр. 16 од 37
Pwj = cd π4 do
2×√ 2 pw3ρw (2.15)
За процес мешања губитци се занемарују, па важи закон о одржању количине
кретања:
∑ ( ·mv)pre = ∑ ( ·mv)posle
(2.16)
Флуиди који учествују у материјалном билансу су: ваздух, вода и абразив, тако
да се претходна једначина може написати и као:
(∙
mvazd vvazd+∙
mw vwj+∙
mabr vabr)pre
¿(∙
mvazd vvazd+∙
mw vwj+∙
mabr vabr)posle (2.17)
Момент ваздуха пре мешања је занемарљив због веома мале густине.
Претпоставка је да после мешања воде и абразива брзина остаје иста vwj .
Исто тако и честице абразива које се уводе у мешач малом брзином имају веома
занемарљиво мали момент. Приликом процеса мешања абразивне честице морају
добити потрбно убрзање да би заједно са водом у конусној цеви изашле великом
брзином кроз млазницу.
∙mw vwj
=( ∙
mv+∙
mabr .)vawj (2.18)
vawj=
∙mw
( ∙
mw+∙
mabr .)vwj (2.19)
vawj=1
(1+R )vwj (2.20)
стр. 17 од 37
где је:
R=
∙mabr .
∙mw
- фактор оптерећења или однос мешања.
Укупна брзина абразивног воденог млаза може се израчунати узимајући у
обзир фактор момента губитка η:
vawj=η1
(1+R )vwj (2.21)
3. СУСПЕНЗИОНИ МЛАЗ
Абразивни водени млаз који коначно изађе из млазнице може се користити
за обраду различитих материјала. У суспензионом AWJM абразивни млаз се
формира значајно другачије. Постоје три различита типа суспензионог AWJ млаза
који се формира: директно, иниректно, или методом bypass-ног упумпавања.
На слици 9 је приказан принцип индиректног и by-pass-ног дозирања
абразивног материјала.
стр. 18 од 37
а) б)
Слика 9. Индиректни и бупасс-ни принцип дозирања абразивног материјала
Вода и абразив, који се под високим притиском мешају у резервоару, доводе
се у комору главе мешача: директно, као што је приказано на слици 9/а, индиректно
или бупасс-но, као шта је приказано на слици 9/б.
стр. 19 од 37
4. ХВАТАЧ МЛАЗА
Када се абразивни млаз корист за процес обраде, још уек има значајну
енергију која зависи од предмета обраде. Енергија коју поседује водени млаз мора
се обуздати пре него што оштети неки други део машине или околине. У ту сврху се
користи хватач. Хватач служи да се апсорбује енергију воденог млаза и да је
распрши. На слици 10 су приказана три различита типа хватача:
а) тип воденог базена,
б) постоље челичне кугле, и
в) ТИБ2 плоче.
а) б) в)
Слика 10. Типови хватача млаза:
Постоје џепни хватачи и линиски хватачи. Џепни хватачи могу да путују
заједно са резном главом. У нашим условима, највећу примену су нашли хватачи
типа ”воденог стола”. После одређеног времена решетке – носачи радних предмета
се морају заменити због дејства воденог млаза који их оштећује.
стр. 20 од 37
стр. 21 од 37
5. МЕХАНИЗМИ УКЛАЊАЊА МАТЕРИЈАЛА
Генерални параметри обраде сечења абразивним воденим млазном (AWJM)
су:
Пречник млазнице (сафир): 0,1 - 0,3 mm,
Пречник фокусне цеви: 0,8 – 2,4 mm,
Притисак: 2500 – 6200 бара [2],
Однос абразива: 60 – 125 g/l,
Проток абразива: 0,1 – 1 kg ⁄ min.,
Растојање млазнице од материјала: 1 – 2 mm,
Угао резања: 60 – 90 о,
Брзина резања: 100 – 5000 mm, и
Дубина резања: 1 – 250 mm.
Механизам уклањања материјала је веома комплексан. У AWJM се материјал
обрађује са веома малим углом удара абразивне честице која се забија у материјал
стварајући микрорез. Даљим повећањем угла удара, долази до стварања пластичне
деформације материјала. У случају обраде кртих материјала, долази до стварања
пукотина и до одвајања материјала.
У обради воденим млазом степен уклањања материјала MRR (Material
Removal Rate) може бити пропорционалан снази воденог млаза:
MRR∝Pwj∝cd× π4
do2×√ 2 pw3ρw (4.1)
односно:
MRR=u×cd× π4
do2×√ 2 pw3ρw (4.2)
стр. 22 од 37
Пропорцијална константа ״u ״ представља специфичну енергију потребну да
би се материјал обрађивао.
На слици 11, 12, 13 и 14 је приказано како изгледају ивице исеченог
материјала поступком AWJM:
Слика 11. Изглед зоне дејства абразивног воденог млаза
Слика 12. Изглед засека – реза (фотографија)
Слика 13. Изглед уздужног пресека (фотографија)
стр. 23 од 37
Слика 14. Изглед доње површине радног предмета, излаз радног млаза (фотографија)
Посматрајући слике 11, 12, 13 и 14, уочава се да је резна ивица шира на
врху. Генерално, врх резне ивице је идентичан димензији резног млаза AWJ.
Пречник AWJ је једнак пречнику фокусне цеви у случају да је растојање 1 – 5 mm.
Улазни угао засека је редукован укључујући могућност резања AWJ.
На слици 13 се види попречни пресек структуре пресеченог материјала,
уочљиво је да је горња резна ивица финија од доње. На дну реза се појављује
закривљење ивице услед пластичне деформације материјала.
На слици 14 је приказана структура са излазне стране. Кроз сва три примера
сечено је истим пречником AWJ, али се разликују по излазном резу. Квалитет реза се
може видети на излазној страни.
Параметри који служе за оцену квалитета операције сечења су:
Површинске наслаге на материјалу,
Завршна површина реза,
Управност резних површина, и
стр. 24 од 37
Формирње неравнина на излазној резној ивици.
Истраживачи су пружили увид у механизме скидања материјала које
захтевају велики број информација и параметара које због компликација не уводимо
у разматрање. Постоје много реални модели за предвиђање дубине продирања
абразивног млаза од којих су често примењени поступци по препоруци друге групе
истраживача из Холандије.
У даљем тексту рада биће изложен упрошћени модел за предвиђање
дубине продирања абразивног млаза у основни материјал.
6. СНАГА ВОДЕНОГ МЛАЗА
Снага абразивног воденог млаза може се израчунати коришћењем основне
формуле:
Pabr=12∙mabr
v awj2
(5.1)
где су:∙mabr
- масени проток абразивне течности, и
vawj❑ - брзина абразивног воденог млаза.
Заменом формуле за брзину абразивног воденог млаза 2.21 добија се:
Pabr=12
∙mabr
(η 11+R
vwj) ² (5.2)
Проток абразивне течности и воде су међусобно повезани са односом
мешања (R) на следећи начин:
∙mabr
=R∗ ∙mw
(5.3)
Заменом једначине 5.3 у 5.2 добија се:
стр. 25 од 37
Pabr=12
∙mw
R (η 11+R
vwj)² (5.4)
Проток воде кроз млазницу се рачуна као:
∙mw
=cd× π4
do2ρw vwj (5.5)
где је:
cd - коефицијент истицања воденог млаза кроз млазницу,
do - пречник отвора млазнице за воду,
ρw - густина воденог млаза, и
vwj - брзина истицања воденог млаза кроз отвор на млазници.
Заменом наведеног у једначину 5.4 добија се:
Pabr=12
cd× π4
do2ρw v wjR η
2( 11+R )2vwj
2 (5.6)
Односно након груписања величина:
Pabr=cd×π8
do2ρw Rη
2( 11+R )2vwj
3 (5.7)
Брзина воденог млаза може се написати као:
vwj❑=( 2 pwρw )3/2 (5.8)
Заменом једначине 5.8 у једначину 5.7 добија се:
Pabr=cd×π8
do2ρw Rη
2( 11+R )2( 2 pwρw )3/2 (5.9)
Односно након сређивања:
Pabr=cd× π4
do2R( η1+R )2pw
32 √ 2ρw (5.10)
Може се предпоставити да је количина уклоњеног материјала (MRR)
пропорционална снази абразивне фазе AWJ. Водена фаза не доприноси процесу
уклањања материјала у поступку АWJ.
стр. 26 од 37
MRR= ∙Q
=Pabrumat
(5.11)
где је:
u mat - специфична енергија потребна за обраду материјала, и
Pabr - снага воденог млаза.
Са друге стране количина уклоњеног материјала је пропорционална дубини
продирања абразивног млаза, средњој ширини засека и брзини резања:
MRR=ht wv f (5.12)
где је:
ht - дубина продирања млаза, и
w - ширина засека, која се израчунава коришћењем формуле:
w=(wulaz+w izlaz )
2≈d i (5.13)
где је:
d i - пречник фокусне цеви, и
v f - брзина резања.
Замењујући једначину 5.13 у једначину 5.12 добија се:
MRR=htd i v f (5.14)
Комбинујући једначине 5.10 - 5.14 може се добити теоријска дубина реза:
ht=¿ cd× π4
do2R( η1+R )2 pw
32
umat d i v f √ 2ρw (5.15)
Стварна количина уклоњеног материјала мања је од теоријске услед
губитака, и рачуна се помоћу полу-емпиријске формуле:
MRR=ξPabrumat
(5.16)
где је:
ξ – коефицијент, који узима у обзир следеће факторе:
Гранулација абразива,
стр. 27 од 37
Затупљење абразива,
Утрошак абразива, и
Растојање између млазнице и радног предмета.
Из горе наведеног произилази да је стварна дубина продирања млаза:
ht=¿ ξ cd× π4
do2R( η1+R )2 pw
32
umat d i v f √ 2ρw (5.17)
Напишемо ли једначину 5.17 у следећем облику:
ht=¿ K ( R2
(1+R ) ² ) (5.18)
При чему је je R=mabr∙
mw
, а K представља константу.
Максимална теоријска дубина продирања у зависности од односа мешања
одређује се коришћењем извода функције 5.17 одн. 5.18:
∂ht∂ R
=K (1+R )2−2 R−2 (1+R )R2=0 (5.19)
Претходна једначина може имати реално решење само ако је испуњено:
(1+R )−2R=0 (5.20)
односно:
1−R=0⇒R=1 (5.21)
Теоретски максимум дубине продирања је при односу мешања R=1.
Зѕвисност ht од R је приказана на слици 15. Међутим у пракси максимум ht се
добија при вредности R= 0,5 – 0,6. Сви остали параметри остају исти.
стр. 28 од 37
Однос мешања (R)
Слика 15. Дубина резања у зависности од односа мешања
7. КВАЛИТЕТ ОБРАДЕ АБРАЗИВНИМ ВОДЕНИМ МЛАЗОМ
Предмет је дефинисан, према конструкциској документацији (радионичком
цртежу), одн. одређеним бројним каракеристикама:
Геометриским (облик и положај површина и димензије),
Механичким (материјал, чврсзоћа,тврдоћа) и
Технолошким (дозвољена одступања облика и положаја, толерације
димензија, квалитет обрађене површине).
Нормалне вредности овх карактеристика зависе од намене или функције
предмета. Неизбежне грешке које се јављају током процеса обраде, не допуштају да
се постигну тачне, номиналне вредности карактеристика, тако да ће се стварне
вредности разликовати у мањој или у већој мери од номиналних. Ако се одступања
стварних карактеристика крећу у границама толеранција, предмет је у технолошком
смислу, исправан, значи да је у процесу обраде постигнут прописан квалитет.
стр. 29 од 37
дубина продирања
(ht)
За оцену процеса сечења абразивним воденим млазом највећи утицај има
група геометриских карактеристика, јер одређује геометриски изглед предмета.
Групу геометриских карактеристика предмета чине:
Тачност димензија
Тачност облика и
Квалитет реза
Постоји разлика између тачности израдка и тачности позиционирања алатне
машине. Тачност алатне машине се не преноси директно на тачност изратка.
Куповина тачне алатне машине не значи да истовремено да ће израдак бити тачних
димензија.
Скупа, супер прецизна алатна машина (линеарне тачности позиционирања
нпр. ± 0,25 mm на читавој дужини радног хода), не гарантује аутоматски тачност
израде дела од ± 0,025 mm, већ на ту тачност утичу и други фактори. Тачност изратка
је комбинација утицаја: процеса обраде, алатне машине, резне главе и стабилности
обратка. Највеће грешке последица су самог процеса обраде.
Тачност позиционирања координатног радног стола машине за сечење
абразивним воденим млазом је уобичајено око 0,01 mm при праволиниском
померању. Међутим, тачност обраде је обично између ± 0,07 и ± 0,4 mm када је
дебљина материјала мања од 25 mm, односно, тачност је између 0,5 и 1,5 mm, када
је дебљина већа од 25 mm.
Сечењем абразивним воденим млазом производе се делови високе
прецизности код којих, обично, није потребна накнадна обрада. При сечењу
абразивним воденим млазом ״ квалитет реза ״ је термин који описује комбинацију
карактеристика као што су:
геометрија реза (ширина реза, конусност реза) и
квалитет површине реза (храпавост).
стр. 30 од 37
Стандарди за описивање квалитета реза код сечења абразивни воденим
млазом још увек нису усвојени. Тачност геометриских карактеристика реза је
значајна за производњу, јер осигурава тачне толеранције израђеног дела и избегава
се накнадна обрада.
На слици 16. су приказане величине које дефинишу геометриске
карактеристике реза код сечења абразивним воденим млазом.
Слика 16. Карактеристике квалитета реза
Храпавост површине реза се користи за описивање површине странице реза
и даје индикацију да ли је потребна накнадна машинска обрада. На слици 17 се види
храпавост конусност при сечењу абразивним воденом млазом.
стр. 31 од 37
Слика 17. Конусност и храпавост реза
Храпавост површине се дефинише помоћу средње висине неравнина Rz или
средњег аритметичког одступања у профила Ra. Површина реза никада не може бити
идеално глатка, састоји се од микро-неравнина постоје и макро-неравнине, које могу
бит периодично поновљиве (валовитост) или се јављају само местимично
(огреботине, напрслине, јамице) и последица су случајних грешака.
Механизам стварања микронеравнина на површини странице реза при
сеењу абразивним воденим млазом је још увек недовољно снажан.
На слици 18. су дати сви утицајни фактори који су присутни при сечењу
абразивним воденим млазом.
Слика 18. Утицајни фактори процеса
стр. 32 од 37
8. ЧОВЕКОВА ОКОЛИНА И БУДУЋНОСТ
У данашње време се производни процеси преиспитују због утицаја на
животну околину, као нпр. употреба конвенционалних расхладних средстава.
Релативне чињенице које иду у прилог AWJM су:
Рециклажа воде,
Водени остатак који не загађује, и
Могућност поновног коришћења абразива.
Брига за околину је навела истаживаче да користе абразиве који не загађују
и постоји могућност поновне употребе. Истраживање у овој област доводе до
криогеничког (залеђеног) млаза где течни нитроген замењује водену фазу, а
кристали сувог леда замењују абразив. На слици 19 је приказана машина за сечење
криогеничким млазом.
стр. 33 од 37
Слика 19. Криогенична абразивна машина
стр. 34 од 37
9. ЗАКЉУЧАК
Поступак обраде сечења материјала абразивним воденим млазом заснива
се на еродивном дејству узаног млаза (мешавина воде и абразива) високог притиска
(2000-6100 бар) и високе брзине резања.
У циљу очувања животне средине и поспешивање одрживог развоја,
поступак сечења воденим млазом игра важну улогу у различитим индустријским
технологијама. [5]
Иако су почетни инвестициони трошкови могу бити високи, сечење воденим
млазом краћим временом обраде омогућује значајне уштеде. Из тог разлога, у
различитим областима индустрије сечење чистим воденим млазом налази примену
насупрот досадашњих конвенционалних технологија обраде.
Примена је изражена углавном при сечењу неметала (стакло, керамика,
пластичне масе, папир, картон, дрво, кожа, гума, текстил, сунђер, стаклена вуна,
храна). Процес омогућује велике предности када се ради о сечењу материјала
велике тврдоће, пластике ојачане стакленим и карбонским влакнима, затим,
материјале мале тврдоће а високе жилавости као што су гума, сунђер и пластика.
Док се чист водени млаз, са друге стране се данас углавном користи за сечење
меких материјала (гума, минерална вуна, сунђер, картон).
Квалитет обрађене површине методом сечења абразивним воденим
млазом разликује се у зависности од дубине реза, при чему највећи утицај има
брзина кретања (алата, обратка). Мањим брзинама резања добија се бољи квалитет
површине, али се смањује продуктивност. [1]
Повећањем удаљености абразивне млазнице од површине предмета који се
обрађује доводи до повећања храпавости обрађене површине, с тим да његово
смањење испод одређених вредности може довести до пораста храпавости
стр. 35 од 37
обрађених површина. Повећањем радног притиска воде добија се финија обрада
површина, али се повећава потрошња абразива.
Приликом дефинисања режима обраде абразивним воденим млазом
потребно је имати у виду оптимални однос између производности и квалитета
обрађених површина.
У поређењу са другим конвенционалним технологијама обраде материјала
резањем повећано је припремно време (програмирање машине), али је са друге
стране време обраде једног комада у серији и укупни трошкови рада су смањени.
Предности обраде абразивним воденим млазом: чиста површина реза,
висока прецизност, висока флексибилност, мале количине отпада из процеса,
расположивост и разносврсност абразива, без термичких утицаја на основни
материјал, велика брзина обраде, сечења великих дебљина (до 150 mm) [6] и висока
тачност одређују је као потенцијалну, ефективну, еколошки прихватљиву и одрживу
технологију и осигуравају и у будућности њену примену у индустрији. [5]
Компјутеризованом технологијом абразивног воденог сечења, применом
CAD-CAM процеса ефикасност искоришћења скупих материјала се повећава, а сама
примена процеса технички није ограничена.
стр. 36 од 37
10. ЛИТЕРАТУРА
[1] Др Недић, Б., Мр Баралић Ј., „СПЕЦИФИЧНОСТИ ОБРАДЕ АБРАЗАИВНИМ
ВОДЕНИМ МЛАЗОМ“, Стручни рад, Машински факултет, Универзитет у Крагујевацу,
2007.
[2] ***, “WATERJET CUTTING”, Интернет страница, http://www.jetedge.com/content.cfm?
fuseaction=dsp_applications_cutting, 2011.
[3] Др Недић, Б., Мр Баралић Ј., „ОБРАДА АБРАЗИВНИМ ВОДЕНИМ МЛАЗОМ И
КВАЛИТЕТ ОБРАЂЕНЕ ПОВРШИНЕ“, 10 Интернационална конференција из
Трибологије, 2007.
[4] ***, “FLEXMATIC”, каталог производа, Интернет страница, 2011.
[5] Јанковић, П., Радовановић, М., „УЛОГА ИНДУСТРИЈСКИХ ТЕХНОЛОГИЈА У
ОЧУВАЊУ ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ“, Мaшински факултет, Универзитет у Нишу, 2010.
[6] ***, „ТЕХНОЛОГИЈА СЕЧЕЊА ХЛАДНИМ ВОДЕНИМ МЛАЗОМ“, Интернет страница,
[email protected], 2010.
стр. 37 од 37
