1

NOVE TEHNOLOGIJE OBRADE MATERIJALA

Nove tehnologije obrade čine postupci odvajanja čestica materijala bez

djelovanja mehaničkih sila. Većina ovih postupaka je prihvaćena i ima veliku primjenu

u industriji. Novi postupci obrade počeli su se razvijati nakon drugog svjetskog rata.

Primjenjuju se za operacije kod kojih su stariji, tradicionalni postupci obrade

neekonomični ili ih nije moguće primijeniti u sljedećim specifičnim uvjetima:

- u obradi vrlo tvrdih i žilavih materijala,

- za postizanje zahtjevne kvalitete obrade površine,

- kod izrade složenih oblika predmeta.

Kod novih postupaka obrade, odvajanje čestica materijala se izvodi korištenjem

različitih oblika energije pa je, na temelju toga, izvedena njihova podjela na ove vrste:

1. Mehanički – odvajanje materijala obratka pomoću velike brzine mlaza fluida,

sa ili bez brusnih zrnaca:

- ultrazvučna obrada,

- obrada vodenim mlazom,

- obrada smjesom abrazivnih zrnaca i vode,

- obrada abrazivnim mlazom.

2. Električni – elektrokemijska energija odstranjuje materijal:

- elektrokemijska obrada,

- elektrokemijsko skidanje ivica,

- elektrokemijsko brušenje.

3. Toplinski – toplinska energija, koja se dovodi na mali dio površine obratka,

odstranjuje materijal taljenjem i isparavanjem:

- elektroerozija,

- elektroerozija s žicom,

- elektronskim snopom,

- laser,

- mlaz plazme.

4. Kemijski – kemijska kiselina, koristeći zaštitne maske, selektivno odstranjuje

materijal obratka:

- fotokemijska obrada,

- kemijsko glodanje, sječenje i graviranje.

1. Elektroerozija iskrom

Elektroerozija je proces obrade elektrovodljivih materijala s nizom odvojeno

izbijenih električnih iskri. Iskre nastaju između suprotno nabijenih elektroda alata i

obratka. Proces se odvija na metalnim površinama pod naponom, a poznat je još od 18.

stoljeća. Proces se naziva elektroerozija ili EDM (Electrical Discharge Machining)

postupak. Ruski znanstvenici koji su istraživali trošenje električnih kontakata, došli su

početkom 40-tih godina prošlog stoljeća na ideju primjene elektroerozijskog efekta u

obradi metala. Od svih novih postupaka obrade elektroerozija ima najširu primjenu.

Postupak se koristi u mikro-obradi (na primjer, bušenje provrta promjera od 10 m) i

makro-obradi (na primjer, izrada matrica za prešanje, teških i do nekoliko tona). U

usporedbi sa starijim metodama, elektroerozija iskrom ima niz prednosti, naročito pri

obradi tvrdih, toplinski otpornih materijala i obradaka, koji imaju složeni geometrijski

2

oblik, kao što su: kovački ukovnji, kalupi za lijevanje i prešanje plastičnih masa,

žigovi, matrice i slični oblici.

Slika 1.1 Shema stroja za elektroeroziju iskrom

Kod elektroerozije iskrom elektroda-alata i elektroda-obratka su suprotno

spojene na istosmjerni izvor struje i uronjene u tekućinu. Tekućina ima izolacijska

svojstva i naziva se dielektrična tekućina ili dielektrik. Na mjestu gdje je razmak

između elektrode i alata najmanji dolazi do odvajanja materijala iz obratka. Važan

preduvjet obrade jesu odvojeni izboji iskri u slijedu jedna iza druge. Pravilan izbor

materijala alata i određeni termički, električki i mehanički efekti omogućuju

odstranjivanje materijala na elektrodi-obratku, a ne na elektrodi-alatu.

Svi materijali, koji provode elektricitet (metali, legure, karbidi, grafiti i dr.),

pogodni su za obradu elektroerozijom.. Mehanička svojstva materijala (tvrdoća,

čvrstoću i žilavost) ne utječu na proces obrade. Alat je u većini slučajeva spojen na

pozitivan pol-anodu, a obradak na negativan pol-katodu. Razmak između alata i

obratka je vrlo mali: od 0,4 do 0,004 mm, i regulira se uz pomoć radnog napona.

1.1 Proces elektroerozije

Elektroerozija iskrom je složen proces koji zavisi od velikog broja fizikalnih

efekata. Postoje više teorija procesa elektroerozije, a najpoznatija je termoelektrična

teorija. Teorija se bazira na objašnjenju da se obrada zbiva kvantizirano, odnosno da

svaka pojedina iskra odstranjuje vrlo malu količinu materijala obratka (u manjoj mjeri

odstranjuje i materijal alata). Elektroda-alat i elektroda-obradak su razmaknute i

umočene u dielektričnu tekućinu. Kada probojni napon u radnom razmaku dosegne

vrijednost od 107-10

8 V/cm, on pokrene slobodne elektrone iz tekućine i katode prema

anodi. Iskre imaju temperaturu od 8.000 do 12.000 oC i stvaraju se u razmacima od 2

s do 1000 s. Toplina iskre, koja je u stvari usijana plazma u kanalu izbijanja,

prenosi se na vrlo malu površinu obratka. Velika toplina uzrokuje njegovo taljenje i

DIELEKTRIČNA

TEKUČINA

GENERATOR

IMPULSA

PRETVARAČ SERVO MOTOR

ALAT

OBRADAK

PUMPA

FILTERI

REGULACIJA NAPONA

U velik

U mali

+

-

3

djelomično isparivanje. Nakon toga, dielektrik odstranjuje rastaljeni materijal i ostaje

vrlo sićušan krater na površini obratka.

Da bi se postigla kvalitetna i točna obrada s uskim tolerancijskim poljima, struja

je vremenski ograničena, odnosno djeluje u vrlo kratkim impulsima. Vremenski period

između dvije iskre čak je nešto veći od samog trajanja iskre. Da bi se u jedinici

vremena odstranio veliki volumen materijala električni impulsi slijede velikom

frekvencijom jedan iza drugog (od 500 do 5000 iskri po sekundi).

Slika 1.2 Proces elektroerozije

Na slici 1.3 prikazani su naponski i strujni impulsi u tijeku vremena. Jedan

ciklus je vrijeme koje obuhvaća vrijeme uključenja struje i vrijeme isključenja struje.

Slika 1.3 Naponski i strujni impulsi

Prema termoelektričnoj teoriji jedan ciklus procesa elektroerozije se ukratko opisuje

ovako:

1. Alat i obradak su pod naponom i između njih je dielektrična tekućina, koja je

dobar izolator. Na mjestu gdje je razmak između elektrode i alata najmanji

koncentracija iona je najveća i električno polje najsnažnije. Kada probojni

napon u dosegne vrijednost u području od 107-10

8 V/cm, slobodni elektroni,

djelomično iz tekućine djelomično i iz katode, se gibaju prema anodi. Električni

potencijal je toliko velik da uzrokuje razlaganje tekućine u ionizirajuće

fragmente. Na slici 1.3 1, se vidi rast napona, dok je jakost struje na nuli.

2. Stvara se uski stup s velikim brojem ionizirajućih čestica. One se centriraju u

najsnažnijem dijelu polja. Električna vodljivost dielektrične tekućine se

povećava. Napon dostiže svoju najveću vrijednost, ali jakost struje je na nuli.

3. Struja počinje teći, a napon padati. Toplina brzo raste i uzrokuje isparavanje

dijela tekućine, obratka i elektrode i stvara se kanal pražnjenja. Jakost struje

nastavlja rasti, a napon padati. Kad se jakost struje i napon stabiliziraju,

I

(A)

U

(V)

vrijeme CIKLUS

vrijeme

4

odstranjuje se nešto materijala iz obratka. Kanal za pražnjenje se tada sastoji od

super zagrijane plazme (ionizirani plin na vrlo visokoj temperaturi, koji sadrži

pozitivne ione metala i negativne elektrone).

Slika 1.3 Mehanizam procesa elektroerozije i probojni kanal

4. Kad se struja prekine jakost i napon struje padnu na nulu pa nastaje implozija

iskre (implozija suprotno od eksplozije). Temperatura se smanji, mjehur pare

raspadne, a dielektrična tekućina ispere metalne čestice. Izbačeni metal očvrsne

u obliku sitnih kuglica i rasprši se u dielektričnoj tekućini. Preostali plin se diže

do površine alata. Bez dovoljnog velikog vremenskog prekida struje, metalne

kuglice bi se sakupljale na površini alata. Što bi dovelo do nestabilnosti iskre i

cijelog procesa. Obloženi alat bi stvorio luk istosmjerne struje, koji bi mogao

oštetiti alat i obradak.

1.2 Dielektrična tekućina

Već prva ispitivanja elektroerozivnog procesa su pokazala da je erozija materijala

puno veća i razmak između elektroda puno manji ako se koristi dielektrična tekućina.

Ona ima zadatak da:

1. stvori pogodne uvjeta za elektroerozivni proces,

2. odstrani otopljeni materijal iz međuelektrodnog razmaka,

3. hladi obradak i alat.

Dielektrična tekućina se mora ponašati kao izolator, sve dok se ne stvori probojni

napon između elektroda. Dielektrik mora biti kemijski i termički postojan. On mora

imati antikoroziva svojstva i što manji viskozitet. Ove zahtjeve ispunjavaju

ugljikovodici kao što su: parafin, white spirit, transformatorska ulja i dr. Strujanje

tekućine, između alata i obratka, je potrebno radi postizanja efikasne obrade. Čistoća

tekućine ima vrlo snažan utjecaj na točnost obrade. Tijekom cirkulacije tekućine se

U

(V)

I

(A)

vrijeme

vrijeme

- - - -

+ + + +

+

-

+- 4

1

-

+

-

- +

+-

2

-

-

M+

M+

M+

M+

M+

M+

e-

e-

e-

e-

e-

e-

M+

3

5

čvrste čestice, koje su nastale za vrijeme elektroerozije, odstranjuju filtracijom i

taloženjem u glavnom spremniku (vidi sliku 1.1).

1.3 Alat

Alat se izrađuje kao nešto umanjeni negativni oblik obratka. Najčešći materijali za

izradu alata su: mesing, bakar i grafit. Regulacijski sustav stroja za elektroeroziju

automatski regulira posmak alata. Razmak između alata i obratka se održava

konstantnim uz promjenjivu brzinu erodiranja. Zavisno od razlike između napona u

razmaku UG i referentnog napona UR servomotor brže podiže ili spušta alat. Ako se

poveća razmak između alata i obratka, povećava se i napon UG, a time i razlika UG -

UR, što povećava broj okretaja servomotora i brzinu posmaka alata. Obrnuto, ako se

razmak smanjuje, smanjuje se radni napon razmaka, smanjuje se broj okretaja

servomotora i posmak alata prema obratku.

1.4 Kvaliteta i proizvodnost obrade

Kvaliteta površine, u prvom redu njezina hrapavost, zavisi od energije iskre. Ako ona

ima veliki toplinski kapacitet, hrapavost površine će biti gruba i brzina odvajanja

materijala u jedinici vremena (proizvodnost) će biti visoka. Ako iskra ima malu

energiju, hrapavost površine će biti vrlo fina, a proizvodnost će biti mala. Moguće je

postići hrapavost i do Ra = 0,10 m (ima zrcalni sjaj). Standardne hrapavosti površina

kao Ra = 0,4-0,8 m (N5 – N6) su uobičajene. Produktivnost obrade je mala i zavisi

od energije iskre. Volumen odstranjenog materijala je u području od 1 mm3/min do

250.000 mm3/min.

1.5 Prednosti elektroerozivne obrade iskrom

- Nikakve mehaničke sile ne djeluju na obradak, Izostanak mehaničkih sila

eliminira problem trošenja alata i tako garantira apsolutnu točnost dimenzija

bez obzira na broj obrađenih izradaka.

- Čvrsto držanje obradaka za vrijeme obrade eliminira potrebu za steznim

napravama i smanjuje vrijeme pripreme.

- Iako u postupku koriste električne iskre opasnosti za operatera nema, a ne

postoje ni preveliki problemi vezani uz zaštitu okoliša.

- Vrlo tvrdi materijali (tvrde čelične legure, kaljeni čelici, titan) mogu se vrlo

efikasno obrađivati elektroerozijom, nema problema vezanih uz lom alata.

- Glodanje četvrtastog udubljenja nije moguće. Elektroerozija sa žicom može

postići vrlo oštre bridove.

- Elektroerozija se može činiti sporom obradom, ali to nije tako jer alat u

kontinuiranoj obradi stvara konturu obratka.

- Kvalitetna površina obrade, koja se odmah postiže elektroerozijom, eliminira

potrebu za velikim brojem operacija potrebnih kod tradicionalne obrade.

- Kod elektroerozije samo nekoliko sekvenci je potrebno. Obradak se obrađuje

samo s jedim alatom i na jednom stroju.

6

Slika 1.4 Stoj za elektroeroziju iskrom

Slika 1.5 Tipični proizvodi izrađeni postupkom elektroerozije iskrom

2. Elektrokemijska obrada

Elektrokemijska ili ECM (Electro Chemical Machining) obrada je kontrolirani

elektrokemijski postupak kojim se obrađuju pretežno metalni materijali. Pravilo

elektrolitskog procesa poznato je još od 80-tih godina 19. stoljeća, a kao industrijski

proces poliranja, primjenjuje se od 1935. godine. Pojavom novih materijala koji se

teško obrađuju starijim postupcima, pobudio je veliko zanimanje za industrijsku

primjenu ovog postupka. Sada postoje različiti postupci elektrokemijske obrade:

tokarenje, glodanje, bušenje, brušenje i direktna trodimenzionalna obrada.

7

Slika 2.1 Shematski prikaz elektrokemijske obrade (ECM)

2.1 Način odvijanja procesa

Prolazi li istosmjerna struja između anode i katode uronjene u elektrolitičku otopinu

dolazi do otapanja anode, koje je proporcionalno s gustoćom struje. Elektrokemijska

obrada koristi ovaj fenomen na taj način da je obradak spojen na pozitivni pol (anoda),

a alat na negativni pol (katoda) istosmjerne struje, vidi sliku 2.1.

Na slici 2.2 je prikazana reakcija otapanja željeza u elektrolitu, koji je vodena otopina

natrijeva klorida (NaCl). Električna struja odvodi elektrone i oslobađa ione (atomi koji

su izgubili jedan ili više elektrona) iz površine obratka. Rezultat elektrolitičkog

rastavljanja su:

H2O→ H+ + (OH)

− i NaCl→ Na

+ + Cl

−

Negativno nabijeni anioni: (OH)− i Cl

− idu prema anodi i pozitivno nabijeni kationi:

Na+ i H

+ idu prema katodi. Iz anode (obratka) izlaze metalni ioni (otapanje materijala):

Fe → Fe2+

+ e−

Na katodi (alat) se stvara vodik. Nikakav metal se ne odstranjuje ili dodaje. Alat ne

mijenja oblik i dimenzije. Na katodi dolazi do elektrolize vode:

2(H2O) + 2e− → H2 + 2(OH)

−

Kod elektrolitičkog katodnog taloženja, metalni ioni se talože na katodi. Ali kod

elektrokemijske obrade, metalni ioni reagiraju s elektrolitom i stvara se metalni

hidroksid. Posljedica ove elektrokemijske reakcije je spajanje željeznih iona s drugim

ionima i nastaje željezni hidroksid. Željezni hidroksid može dalje reagirati s vodom i

kisikom stvarajući željezni oksid.

PUMPA

ALAT

TANK

ELEKTOLIT OBRADAK

IZOLATOR

GENERATOR

8

4Fe(OH)2 + 2(H2O) + 2O2 → 4Fe(OH)3

Slika 2.2 Elektrokemijska obrada željeza u elektrolitu natrijevog klorida

Kod elektrokemijske obrade alat se izrađuje kao zrcalna slika oblika koji se obrađuje u

obratku. Alat se pomiče u smjeru obratka s konstantnom brzinom posmaka. Posmična

brzina ovisi o obliku elektrode i jačini struje. Materijal obratka se odstranjuje u

razmaku između alata i obratka. Elektrolit pod visokim pritiskom pritiče kroz alat u

smjeru obratka i dalje struji između alata i obratka brzinom i do 40 m/s. U razmaku

između alata i obratka postoji zavisna ravnoteža između veličine razmaka i gustoće

struje. Veličine gustoće struje i razmaka se mjere. Ako se razmak smanjuje, onda će

gustoća struje i volumen odstranjenog materijala u jedinici vremena (produktivnost)

rasti i obrnuto. Kod ravnoteže postoji, tzv. ista brzina obrade kao brzina posmaka i

konstantni radni razmak. Razmak je kod uobičajene obrade od 0,025 – 0,75 mm.

Gustoća struje je vrlo visoka, uspoređujući je sa drugi elektrokemijskim procesima, od

20 do 800 A/cm2. Najvažniji uvjet je da obradak mora provoditi električnu struju.

Tvrdoća materijala ne utječe na efikasnost obrade. U tijeku procesa na obradak ne

djeluju mehaničke sile ili termička opterećenja. Alat i obradak nisu u direktnom

kontaktu i temperatura je niska (ograničena je s temperaturom isparavanja elektrolita).

Ne dolazi do trošenja alata. Uobičajen napon je od 10 – 20 V, a industrijski strojevi za

elektrokemijsku obradu se proizvode s maksimalnom jačinom struje od 300 do 20.000,

iznimno do 100.000 A.

Fe

Fe+2

FeCl2

Na+ Cl

-

OH -

H +

H

H2

Fe

Na+

OH -

Cl -

Cl -

Cl -

H +

H + H

+

H

e-

e- _ +

H2O→ H+ + (OH)

−

NaCl→ Na+ + Cl

−

Fe(OH)2

e-

e-

e-

9

2.2 Pregled fizikalnih veličina elektrokemijske obrade

Otpor A

rgR

Jakost struje rg

AU

R

UI

Faradejev prvi zakon rg

tAUCtICV

rg

UCf

tA

Vr

Posmak A

ICfr

Volumen odstranjenog

materijala u jedinici

vremena

ICMRR

Tablica 2.12 Količina odstranjenog materijala (q)

2.3 Alat

Alat se u većini slučajeva proizvodi iz bakra i ima provrte za dovod elektrolita pod

tlakom. Alat mora imati velike električnu i toplinsku vodljivost i ne smije biti

korozivan u elektrolitu. Pored bakra, koristi se olovo i kositrena bronca te legirani

CrNi čelik kod većih opterećenja. Brzina posmaka alata je od 0-15 mm/min.

2.4 Elektrolit

Elektrolit ima više zadaća:

- provodi struju između alta i obratka,

- reagira s metalnim ionima i odstranjuje ih radne zone,

- održava nisku temperaturu i ne dozvoljava taloženje materijala na alat.

Elektrolit mora imati:

- kemijsku i elektrokemijsku postojanost,

- visoku električnu vodljivost,

- nisku korozivnost i toksičnost,

Brzina elektrolita mora biti od 10 do 60 m/s. Da bi se otklonili produkti kemijske

reakcije i održala konstantna temperatura, elektrolit ima tlak od 10 - 30 bara. Najčešće

se koriste otopine anorganskih soli: natrijev klorid, kalijev klorid, natrijev nitrat i

natrijev klorat.

g – razmak,

r – otpor elektrode,

A – površina između alata i

obratka,

V – volumen odstranjenog

materijala,

C – specifičan volumen

odstranjenog materijala u

jedinici vremena,

t – vrijeme,

U – napon,

n – efikasnost struje (0,9-1).

Materijal obrade q (mm3/As)

Al 3,44 10 -2

Cu 7,35 10

-2

Fe 3,67 10 -2

Čelik 3-2,5 10

-2

Ni 3,42 10 -2

Ti 2,73 10

-2

10

2.5 Primjena

Najvažnije područje primjene elektrokemijskog postupka je obrada materijala koji su

tvrdi, otporni na toplinu, koroziju i koje je teško ili nemoguće obraditi s alatima za

obradu skidanjem strugotine. Osim toga, važno područje njihove primjene je obrada

složenih oblika obratka kao što su: lopatice i rotori turbina, kovački ukovnji, kalupi za

lijevanje, matrice, žigovi i dr.

Zbog visokih troškova opreme, alata i pripreme, kao i vrlo malog trošenja alata

elektrokemijska obrada se primjenjuje u velikoserijskoj i masovnoj proizvodnji. U

maloserijskoj proizvodnji se koristi u manjoj mjeri.

Slika 2.3 Primjeri obrađenih dijelova elektrokemijskom obradom

(AEG-Elotherm-Germany)

Slika 2.4 Alatni stroj za elektrokemijsku obradu (AEG-Elotherm-Germany)

11

3. Obrada mlazom vode

Obrada mlazom vode ili WJM (Water Jet Machining) postupak koristi vrlo visoku

brzinu vode kao rezni alat. Ovaj postupak obrade ograničen je za rezanje nemetalnih

materijala, kad se mlaz fluida sastoji samo iz vode. Ako se u mlaz vode dodaju fini

abrazivi, tada se postupak može koristiti i za obradu metala, stakla, keramike i drugih

tvrdih materijala.

3.1 Način odvijanja procesa

Voda tlaka od 4000 bara prolazi kroz sapnicu promjera 0,1 do 0,56 mm brzinom od

700 do 900 m/s. Udar mlaza uzrokuje prekid kohezivnih međuatomskih sila

materijala, što dovodi do odvajanja i rezanja obratka. Vodeni mlaz je vrlo kratko

vrijeme u dodiru s materijalom. Materijali, kao što su papir, tkanine, fiberstaklo,

plastika i dr., mogu se bez rizika rezati. Temperatura u zoni rezanja ne prelazi 70 0C.

Slika 3.1 Shematski prikaz osnovnih komponenti obrade vodenim mlazom

3.2 Oprema

Glavne komponente sustava za obradu mlazom vode prikazane su na sl. 3.1, a to su:

- hidraulička jedinica sastoji se od elektromotora i hidrauličke pumpe koja ima

količinu protoka od 4 litre u minuti; moguće je regulirati tlak do 200 bara;

- pojačalo se koristi za povećanje tlaka vode do 3800 bara; hidraulički tlak se

koristi na dijelu pojačala s niskim tlakom cilindra i tlak vode se povećava na

dijelu pojačala s visokim tlakom cilindra (vidi sliku 3.2).

- akumulator prigušuje velike razlike u tlakovima, tako da su varijacije tlaka u

granicama od 2,5 %.

Odbojni

ventil

Akumulator Filter Izlaz vode

Rezervoar

ulja Pumpa Motor

Mlaznica

Zaporni

ventil

Ulaz vode Filter

Odbojni

ventil

Hvatač mlaza

vode

Pojačalo

Hidraulički

razvodnik

12

Slika 3.2 Shematski prikaz pojačala tlaka

- Filteri zaštićuju provrt sapnice od mogućih oštećenja uzrokovanih česticama u

vodi. Ulazna voda se mehanički filtrira. Čestice veće od 0,45 m se odstranjuju.

- Vodena mlaznica Sastoji se od više dijelova (vidi sliku 3.3). Sapnica se

najčešće izrađuje iz safira, promjer provrta i do 0,075 mm. U zadnje vrijeme se

safirne sapnice zamjenjuju dijamantni. One su i do deset puta trajnije od

safirnih. Time se smanjuju vremena prekida rada i servisa. Dijamantne sapnice

je moguće više puta očistiti i one stvaraju koherentan mlaz. Ipak, cijena

dijamantne sapnice je od sedam do deset puta veća nego cijena safirna sapnice.

Slika 3.3 Abrazivna vodena mlaznica

ULAZ ULJA

20 MPa

ULAZ

VODE

IZLAZ VODE

380 MPa

IZLAZ

ULJA

CILINDAR NISKOG

PRITISKA

CILINDAR VISOKOG

PRITISKA

ODBOJNI

VENTIL

Sapnica

Ulaz vode

Abrazivi

Komora za miješanje

Tijelo mlaznice

Komora za miješanje

13

- Abrazivna vodena mlaznica. Razlika između abrazivne i standardne sapnice je

u dodatnom dopremnom mehanizmu za abrazive. Na slici 3.3 je prikazana

abrazivna vodena mlaznica. Abrazivi se dodaju vodenom mlazu u komori za

miješanje. Kad vodeni mlaz velikom brzinom prolazi kroz komoru za

miješanje, on stvara područje niskog tlaka, koje povlači abrazivna zrnca iz

dostavne cijevi. Unutarnji promjer sapnice varira od 0,75 do 2,5 mm. Snaga

vodenog mlaza je od 7 do 45 kW. Najčešće se kao abrazivi koriste: garnet,

kvarcni pijesak, silicijev karbid i dr.

- Hvatač mlaza vode. Nakon što izađe iz materijala vodeni mlaz, ili abrazivni

vodeni mlaz, se mora raspršiti i uhvatiti. Kontejneri, nazvani hvatači, se

postavljaju ispod predmeta i radnog stola. Hvatači smanjuju buku nastalu

prolazom mlaza kroz materijal. Kapljice vode i povratno štrcanje vode može

stvarati probleme. Hvatači moraju biti dovoljno duboki od 300 do 600 mm da

bi vodeni mlaz izgubio snagu.

3.3 Karakteristike procesa

Nekoliko faktora utječe na obradu vodenim mlazom. Najbolji način određivanja tih

faktora je praktično testiranje materijala obrade. Najvažniji parametri obrade su:

- tlak, brzina strujanja i promjer mlaznice,

- razmak između mlaznice i površine obratka (Standoff razmak),

- vrsta i veličina abraziva (ako se koristi).

Tlak, brzina strujanja i promjer mlaznice su najvažniji parametri svake obrade

vodenim mlazom. Volumen mlaza tekućine u jedinici vremena se prema

Bernoullijevoj jednadžbi za nestlačive tekućine izračunava:

pDCQ D 22,024 2

(m3/s)

CD – koeficijent sapnice,

p – tlak fluida (Pa),

– prosječna gustoća fluida (kg/m3).

Količina protoka i tlak vodenog mlaza imaju različiti utjecaj na rezanje. Količina

proroka utječe na brzinu odvajanja materijala, dok tlak ne samo da utječe na brzinu

odvajanja materijala, već i na sam mehanizam rezanja materijala. To je u svakom

slučaju očito, jer velika količina protoka s malim pritiskom neće rezati materijal. Ipak,

s porastom pritiska i smanjenjem otvora sapnice, uz konstantnu količinu protoka,

dubina rezanja se povećava. Ovo potvrđuje povezanost pritiska i mehanizma rezanja.

Utjecaj pritiska vodenog mlaza u procesu obrade vodenim mlazom može se prikazati

Bernoullijevom jednadžbom:

pv

2 (m/s)

v – brzina vodenog mlaza,

p –tlakvodenog mlaza,

– prosječna gustoća fluida.

14

Tablica 3.1 Rezanje mlazom vode bez abraziva

Tlak vode, MPa

Promjer sapnice,

mm

Količina protoka, lit/min

380

0,15 0,20 0,30 0,35

0,64 0,79 2,6 3,6

275

0,15 0,20 0,30 0,35

0,57 0,98 2,2 3,1

200

0,15 0,20 0,30 0,35

0,49 0,87 2,0 2,6

Tlak vodenog mlaza je proporcionalan kvadratu brzine vodenog mlaza, koji je

proporcionalan kinetičkoj energiji (½ v2) čestica gustoće . Zato, pritisak vodenog

mlaza određuje prosječnu kinetičku energiju u vodenom mlazu. Na visokim pritiscima,

prosječna kinetička energija vodenih molekula je velika i najvjerojatnije nadjača

molekularne sile vezivanja materijala obratka. Iz tih razloga, ako materijal ima veću

čvrstoću pritisak vodenog mlaza mora se povećati. Ako je pritisak vodenog mlaza za

rezanje specifičnog materijala dovoljno velik, i održava se konstantnim, brzina rezanja

zavisi od količine protoka. U tablici 3.2 prikazane su tipične brzine rezanja za različite

vrste materijala.

Tablica 3.2 Rezanje mlazom vode bez abraziva

Materijal Debljina

(mm) Brzina rezanja

(mm/s)

kartonski papir brusni papir tepih s gumenom podlogom koža fina izolacijska ploča gumene ploče uretan polipropilen polivinilklorid elektronička ploča spužva grafitni kompozit

7 1 sloj

16 1

50 3 2 2 0,75 1,5

50 1,6

3300 2030 120 1270 1650 150 100 60 300 50 100 10

3.4 Razmak između mlaznice i površine obratka

Razmak između mlaznice i površine obratka je 2,5 do 6,5 mm. Zbog toga što je unutar

razmaka do 25 mm vrlo mala promjena karakteristika mlaza, to i maksimalni razmak

može biti do 25 mm. Razmak se može povećati i do 50 mm za materijale podložne

mrvljenju ili odvajanju slojeva kao što su elektroničke ploče ili za operacije koje

zahtijevaju ravan odrez.

15

3.5 Primjena abrazivnog vodenog mlaza

Abrazivna obrada vodenim mlazom ne samo da osigurava raznovrsnost obrade već se

njegova primjena proširuje i na tvrde i puno čvršće materijale. Neki od primjera

primjene abrazivnog vodenog mlaza jesu:

- Obrada alatnih čelika. Abrazivna obrada vodenim mlazom ima niz prednost u

usporedbi s tradicionalnim obradama i elektroerozijom. Na primjer, u obradi

provrta promjera 100 mm i debljine 50 mm. Obje metode mogu obrađivati ovaj

materijal nakon toplinske obrade.

- Rezanje inconela. Turbina s dijametrom od 760 mm se izrađuje se iz jednog

komada debljine 45 mm. Cilj obrade je odstranjivanje materijala između

lopatica turbine. Konačnu oblik se obrađuje elektrokemijskom obradom.

Prosječno vrijeme obrade je 48 sati.

- Epruvete za ispitivanje zamora materijala iz titana, nehrđajućeg čelika,

Cres 321 i Inconela. Epruvete se režu brzinom od 250 mm/min s tolerancijom

dimenzija od ± 0,025 mm.

- Karbon fiber kompozit. Zbog njegovog velikog sadržaja abraziva i velike

čvrstoće ekstremno teško ga je obrađivati tradicionalnim metodama. Pri obradi

s abrazivnim vodenim mlazom odrez je pravilan duž cijelog reza. Abrazivna

obrada vodenim mlazom može zamijeniti tradicionalne metode pjeskarenja,

turpijanja i drugih konvencionalnih postupaka obrade.

Tablica 3.3 Utjecaj debljine materijala na brzinu rezanja abrazivnim mlazom vode

Para

metr

i

Dijametar, mm

Sapnica 0,23 0,33 0,46 0,56

Mlaznica 0,79 1,19 1,19 1,57

Abrazivi

Posmak, kg/min

0,23 0,68 0,91 1,46

Veličina filtra 100 80 80 60

Tlak vode

MPa 310 240 240 240

Debljina materijala, mm 0,8 1,6 3,2 6,4 12,7 19 25,4 50,8 76,2 100

Brz

ina r

ezan

ja, m

m/m

in

Metali

Aluminij 4570 2030 1270 762 457 305 203 152 127 102

Mesing 1270 762 457 254 102 25 13 8 5 3

Ugljični čelik 1520 1270 762 508 305 203 152 75 50 25

Bakar 1270 1020 559 305 152 75 38 15 8 3

Legura 718 1520 1140 559 305 152 75 38 5 3

Nehrđajući čelik

1140 762 610 486 254 152 102 57 38 25

Titan 2030 1520 1140 762 457 305 152 75 50 25

Alatni čelik 38 HRc

890 762 635 435 330 254 191 127 50 25

KeramikaAl2O3 127 61 38 23 15 8

16

Slika 3.4 Tipični proizvodi abrazivne obrade mlazom vode

3.6 Prednosti obrade vodenim mlazom

Prednosti obrade vodenim mlazom jesu:

- rezanje u svim pravcima,

- smanjenje troškova alata,

- minimalne sile rezanja (5 do 130 N), nije potrebno stezanje obratka,

- označavanje i markiranje obratka nije potrebno,

- obrađena površina nema zaostalih naprezanja i deformacija,

- obrada različitih materijala bez mijenjanja opreme i alata,

- kvaliteta reza je ista za sve slojeve «sendvič» materijala,

- nema poteškoća s oštrim bridovima odreza,

- mala debljina reza i mali gubitak materijala,

- vrlo jednostavna integracija u robotizirane sustave.

Sustav obrade vodenim mlazom vrlo jednostavno se

integrira i koristi na univerzalnim karteziskim i

čovjekolikim robotima. Univerzalni roboti trebaju

imati ponovljivost ± 0,1 mm. Robot može normalno

stajati ili biti pričvrščen za strop. Robot vodi

mlaznicu vrlo blizu površine obratka duž

programirane putanje kretanja. Pošto WJM stvara

veliku buku i do 120 dB robot se postavlja u posebne

komore koje reduciraju nivo buke na 80 dB. Komora

također eliminira probleme vezane uz veliku

vlažnost zraka. Ovakve komore s WJM i robotom se

najviše koriste u automobilskoj industriji. Kao na

primjer, rezanje automobilskih tepiha. U

robotiziranom WJM sustavu i do 500.000 različitih

vrsta tepiha se može proizvesti na godinu. Cijena

instalacije se kreće od 400.000 dolara na više i

isplativa je u roku od 9 do 12 mjeseci.

Slika 3.5 Ruka robota sa sustavom

za obradu vodnim mlazom

17

4. LASER Laser je akronim engleskog izraza: Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation, pojačanje svjetlosti s stimuliranom emisijom zračenja. Lasersko svijetlo

ima veliki intenzitet, jednu valnu duljinu, širi se u jednom smjeru, ima mali poprečni

presjek i može se vrlo precizno fokusirati. Laserski uređaj pretvara električnu ili

svjetlosnu energiju u svjetlost gore navedenih specifičnih svojstava. Osnove

funkcioniranja procesa otkrio je 1917. godine Albert Einstain. No, svijet je trebao

čekati sve do 1960. godine, kada je konačno bila dostupna sva tehnologija za

proizvodnju industrijskog lasera. Laser se koristi u mnogim područjima tehnike od

elektronike, telekomunikacija, kompjutora, medicine, vojne industrije, mjernih

instrumenata do alata za naučnih istraživanja. Najsnažniji laseri se primjenjuju u

proizvodnoj industriji za rezanje, zavarivanje i toplinsku obradu materijala.

Slika 4.1 a) Elektromagnetski spektar b) vidljivi spektar

Svjetlo je vrlo mali dio spektra elektromagnetskog zračenja, koje ljudsko oko može

otkriti. Svjetlo se proizvodi premještanjem elektrona u atomima i molekulama.

Različite valne duljine vidljivog svjetla su klasificirane prema bojama, poredane od

ljubičaste do crvene (vidi sliku 4.1). Svjetlost se tumači dvojako: kao gibanje valova i

kao mlaz čestica, koje se nazivaju fotoni. Foton je čestica od koje je sastavljeno

svijetlo, nema masu ni naboj, giba se brzinom svjetlosti (300.000 km/s) i ima vrlo

malu energiju:

E = h . (J)

Frekvencija,

Hz

1 km

1 m

1 cm

1 m

1 nm

1 Å

VIDLJIVI SPEKTAR

Valna duljina

105

106

107

108

109

1010

1011

1012

1013

1014

1015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

1022

Gama zrake

X zrake

Ultraljubičasto

Infracrveno

Mikrovalovi

TV, FM

Dugački valovi

Standardne emisije

760

740

720

700

680

660

640

620

600

580

560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

Gra

nic

e v

idlji

vo

g s

pe

ktr

a

Ultraljubičasto

Ljubičasta

Plava

Plavo-zelena

Zelena

Žuto-zelena

Žuta

Narančasta

Crvena

Tamno crvena

Valna duljina

m · 10-3

Infracrveno

a) b)

h – Planckova konstanta, h = 6,626 10-34

(Js),

– frekvencija; Hz (s-1

).

18

- Lasersko svjetlo je monokromatsko što znači da ima samo jednu specifičnu

valnu dužinu (), što mu daje jednu intenzivnu boju: crvena, plava, zelena ili

žuta.

- Lasersko svjetlo je koherentno organizirano, fotoni slijede jedan iza drugoga.

Koherentnost omogućuje laseru da isporuči veliku količinu energije u uskoj

zraci. Tako, su vidljivi laseri vrlo sjajni i intenzivni.

Slika 4.2 a) Nekoherentni valovi b) koherentni valovi

- Lasersko svjetlo je usmjereno, fotoni putuju jedan do drugoga. Svijetlo sunca

ili žarulje ide u svim smjerovima i nije organizirano, dok lasersko svjetlo ima

jedan smjer (vidi sliku 4.3).

Slika 4.3 a) Nekoherentni valovi b) koherentni valovi

- Lasersko svjetlo se može vrlo precizno fokusirati, svojstvo paralelnosti to mu i

omogućuje. Fokusirani laser isporučuje veliku količinu energije na vrlo malom

prostoru.

Osnovni princip rada

Atomi i molekule u materijalima mogu biti u različitim energetskim stanjima. Ako

atom ima najnižu količinu energije kažemo da je u osnovnom stanju. Određeni atomi

ili molekule u materijalima se uzbuđuju pumpanjem energije uz pomoć akceleracije

elektrona u električnom polju i udaraju u atome ili s optičkim pumpanjem (intenzivnim

osvjetljivanjem s kratkovalnim svijetlom). Uzbuđeni atomi prelaze u metastabilno

stanje (stanje više energije). Iz ovakvog stanja oni mogu pasti u niže energetsko stanje

uz spontano oslobađanje viška energije u obliku elektromagnetskog zračenja, fotona.

Kada spontanom emisijom iz uzbuđenog atoma izađe jedan foton on može pobuditi

lančanu reakciju u uzbuđenom laserskom mediju. Naime, taj foton može udariti u

drugi uzbuđeni atom i iz njega sada izlaze dva fotona (kvanta energije), a atom padne

u niže energetsko stanje. Emitirani fotoni su koherentni, imaju isti smjer, valnu

duljinu, frekvenciju i energiju. Lančana reakcija se naziva stimulirana emisija, kod

koje fotoni udaraju u uzbuđene atome i stvaraju se novi fotoni i pojačava svjetlost, vidi

sliku 4.4.

a) b)

LASER

a) b)

Relativne širine zrake

19

Slika 4.4 Stimulirana emisija

Laser se sastoji iz tri dijela:

- izvora energije, koji se koristi za pumpanje energije,

- aktivnog medija, laserski medij koji služi za pojačavanje svjetlosne zrake i

- optičkog rezonatora, koji omogućava da fotoni idu tamo amo od jednog

ogledala do drugog, On fokusira zraku i omogućuje da jedan određen dio

svjetlosti izađe van.

Na slici 4.4 su prikazani energetski nivoi atoma. a) osnovno stanje atoma, b) atom

apsorbira energiju, c) atom je u uzbuđenom stanju (stanje više energije) i u njega

upada foton, d) atom pada u niže energetsko stanje i pored upadnog fotona emitira se

identičan, koherentan foton. Fotoni reagiraju s puno uzbuđenih atoma i stvara se

ogroman broj fotona. Pretpostavka za stvaranje laserske zrake je da se emitirani fotoni

dovoljno dugo kreću kroz aktivni medij, prije nego izađu iz njega. To se postiže

postavljanjem zrcala na krajevima aktivnog medija. U optičkom rezonatoru se cijelo

vrijeme aktivni medij uzbuđuje pumpanjem energije, koja drži atome napunjene i

spremne da emitiraju fotone. Fotoni, koji idu okomito na ogledala se pojačavaju, dok

fotoni koji idu koso ili poprečno nestaju. Jedno ogledalo je malo konkavno i

koncentrira fotone u jednu zraku. Drugo ogledalo je djelomično propusno, ima sitan

prolaz kroz koji laserska zraka može proći. Uz pomoć specijalnog mehanizma blende

zraka se ispušta van iz optičkog rezonatora u vrlo kratkim vremenskim intervalima.

Slika 4.5 Optički rezonator

Laser se može proizvesti iz nekoliko stotina različitih materijala: kristala, stakla,

plastike, tekućine i plinova. Laseri radi na frekvencijama infracrvenih, vidljivih do

ultraljubičastih elektromagnetskih zračenja. Laserska zraka ima vrlo veliku

koncentraciju energije i kad udari u obradak, on apsorbira tu energiju u vrlo malom

volumenu. Što uzrokuje veliko zagrijavanje, taljenje, isparavanje, izgaranje i

dekomponiranje materijala obratka. No, ukupna prenesena energija je fokusirana i

AKTIVNI MEDIJ

+ UNU

TRA

- UNU

TRA

IZVOR

SNAGE

VODA ZA

HLAĐENJE

VAN

AKTIVNI MEDIJ

78% He, 12% H2, 10% CO2

UNUTRA

VODA ZA

HLAĐENJE

UNUTRA

LASERSKA

ZRAKA

AKTIVNI MEDIJ

VAN

E1

E2

1

E3

E2

1

E3

E1

E2

1

E3

E1

E2

1

E3

E1

a) b) c) d)

Upadni foton

Emitiran foton

Upadni foton

20

ukupno toliko mala da ne dolazi do oštećenja okolnog materijala obratka. Laser se

može koristiti za bušenje i rezanje mnogih materijala pa čak i dijamanta.

Slika 4.6 a) Shematski prikaz laserske zrake za rezanje materijala s plinskom

mlaznicom, b) Rezanje s laserom

Pri rezanju s laserom on ne odstranjuje veliku količinu materijala već omogućuje brzo

odstranjivanje uskog dijela materijala. S laserom se lako upravlja, on nema mehanički

kontakt s obratkom i nema trošenja alata. Pored rezanja, laser se koristi i za bušenje,

zavarivanje, označavanje i toplinsku obradu materijala. Obrade laserom ne zahtijevaju

stezne naprave. Efikasnost obrade laserom zavisi od:

- pulsiranja i fokusiranja laserske zrake,

- refleksivnosti, apsorpcijskog koeficijenta, toplinske vodljivosti, specifične

topline i topline isparavanja materijala obratka.

Rezanje s laserom je idealno za serijsku i just-in-time proizvodnju. U nekim

slučajevima se jedan te isti laser s promjenom gustoće energije, fokusa i trajanja pulsa

može koristiti za: rezanje, bušenje, zavarivanje, označavanje i toplinsku obradu. U

industriji se najviše koriste dvije vrste lasera: ugljični dioksid, CO2 i kristal

neodymium s primjesama yttriuma aluminija, Nd:YAG.

CO2 laser

Ima valnu duljinu od 10 m, nevidljiv je i veće snage od Nd:YAG lasera. Izlazna

snaga je kod kontinuiranog lasera od 250 do 5.000 W, dok je kod pulsirajućeg

smanjena i iznosi od 100 do 2.000 W. Laserski medij je mješavina plinova 28-78%

He, 13-60% N2, 1-9% CO2. Točnu mješavinu plinova specificira svaki proizvođač

opreme. Slobodni elektroni prisutni u ioniziranom plinu se ubrzavaju u električnom

polju, udaraju u dušikove molekule i uzrokuju njihovo vibriranje, koje se prenosi na

CO2 molekule. Ako na ove vibrirajuće molekule CO2 padne infracrveno svjetlo, atomi

se usporavaju i oslobađa se energija u obliku fotona, koji pojačavaju ulazne svjetlosne

valove. Uobičajen dijametar laserske zrake je 0,2 mm. Na slici 4.6 shematski je

prikazano rezanje laserskom zrakom uz pomoć dodatnog procesnog plina. Zavisno od

materijala rezanja i kvalitete obrade kao dodatni plin se koristi: kisik (C- čelici, C-Mn

čelici), dušik (Nerđajuči čelik, Ni legure, Al legure, nemetali, drvo plastika i dr.) ili

LASER

RAVNO

ZRCALO

LEĆA ZA

FOKUSIRANJE

ULAZ

POMOĆNOG

PLINA FOKUSIRANA

LASERSKA

ZRAKA

PLINSKA

MLAZNICA OBRADAK

LASERSKA

ZRAKA a) b)

21

argon (Ti legure). Zavisno od vrste materijala, koji se reže i njegove debljine, pritisak

dodatnog plina varira od 7 do 27×105 Pa.

Za rezanje materijala se najviše koristi CO2 laser. Na slici 4.7 prikazan je dijagram

brzina rezanja u zavisnosti od debljine rezanja ploča iz aluminija i ugljičnog čelika za

laser snage 1,25 kW. CO2 laseri snage 6 kW s pomoćnim plinom kisikom pritiska od

4 do 6×105 se koriste za rezanje ploča iz ugljičnog čelika debljine i do 42 mm. Laseri

snage 6 kW mogu rezati isti materijal i do dva puta brže nego li laseri snage 3 kW.

Slika 4.7 a) Brzine rezanja 1,25 kW CO2 lasera, b) Različite debljine nerđajučeg čelika

odrezane laserom, c) Komplicirani izratci od plastike, keramike, drva i dr.

Nd:YAG laser

Nd:YAG (Neodymium Yttriuma Aluminium Garnet) laseri koriste itrij-aluminij

kristale, koji sadrže atome metala rijetkih zemalja: neodimij, erbij ili holmijum. Uz

pomoć pumpanja vidljivog svjetla ovi atomi se uzbuđuju na više energetske nivoe

svojih elektronskih ljuski. Ako kroz ove uzbuđene atome prolazi svjetlo valne duljine

1 m (infracrveno svjetlo) stimulira se vračanje atoma u njihovo osnovno energetsko

stanje, dolazi do oslobađanje energije u obliku emisija svjetlosnih valova (fotona), koji

pojačavaju ulazne svjetlosne valove.

Nd:YAG laseri imaju valnu dužinu od 1 m i mogu raditi na pulsirajući i kontinuirani

način. Pulsirajuća frekvencija je ograničena s maksimalnom snagom i varira od 1 do

10.000 impulsa po sekundi. Snaga Nd:YAG lasera ima izlaznu snagu od 100 do 400

W, ali postoje laseri i od 3.000 W. Nd:YAG laser ima i do 30% veću efikasnost i

može postići daleko veće brzine obrade od CO2 lasera istih snaga. Ovaj laser se

najviše koristi za bušenje, no sve se više koriste za rezanje i zavarivanje materijala.

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

Brz

ina r

ezan

ja,

m/m

in

Debljina obratka, mm

12

12

0

1

3

5

7

9

11

Al

Ugljični čelik

Različite debljine ploča iz nerđajučeg čelika

odrezane s laserom: 9,5, 12,5, 19 i 25,4 mm

a) b)

c)

22

Slika 4.8 Vremena bušenja s Nd:YAG laserom. Obradak Iconel 718

Kod rezanja laserom koristi se fokusirana svjetlosna zraka, koja ima gustoću energije i

do 10 kW/mm2. Za usporedbu kod lučnog zavarivanja gustoća energije je 10

-1

kW/mm2. Laseri su pogodni za rezanje ugljičnog čelika i nerđajučeg čelika. Metale

kao što su bakar i aluminij je teže rezati, zbog njihovog svojstva odbijanja svjetla kao i

visokih koeficijenata apsorpcije i provođenja topline. Rezanje s laserom je vrlo

precizno, čisto i tiho. Laserska zraka se može fokusirati na vrlo malu površinu

promjera od 0,1 do 1 mm. Laseri se koriste za rezanje kompliciranih oblika iz

različitih materijala od metala, keramike, plastike, gume, do drva<. Titan i njegove

legure se vrlo lako režu s laserom. Odvojeni volumen materijala na jedinici vremena je

jednak penetracijskoj brzini v (m/s).

Fov

Postoji jednostavna veza između penetracijske dubine (d), brzine zavarivanja (v) i

snage lasera P (kW).

.constP

vd

v – brzina penetracije (m/s),

Fo – apsorbirana gustoća energije (W/m2),

– gustoća materijala obratka (kg/m3),

L – latentna toplinaisparavanja (J/kg),

Cp – toplinski kapacitet,

Tv – temperatura isparavanja,

tv – vrijeme isparavanja,

To – temperatura materijala prije obrade.

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 0

10

20

30

40

50

60

70

80

Debljina metala, mm

Vri

jem

e b

ušen

ja, s

75 W

110 W

150 W

200 W

250 W

× [L + Cp (Tv – To)]

23

Tablica 4.1 Svojstva materijala i brzina penetracije v m/s za laser 6,3 × 1010

(W/m2)

MATERIJAL

SVOJSTVA MATERIJALA PARAMETRI PROCESA

kg/m

3

Lf kJ/kg

Lv

kJ/kg Cp

J/kg oC

Tm Tv K

W/mK V

m/s

tv

s

Volfram 19 300 185 4 020 140 3 410 5 930 164 0,64 3

Aluminij 2 700 397 9 492 900 660 2 450 226 1,9 0,6

Željezo 7 870 275 6 362 460 1 536 3 000 50 1,0 0,3

Titan 4 510 437 9 000 519 1 668 3 260 19 1,2 0,09

Nehrđajući čelik (304)

8 030 300 6 500 500 1 450 3 000 20 0,97 0,4

Slika 4.9 a) Zavarivanje laserom s“ključnom rupom”, b) Stupnjevi formiranja duboko

penetriranog vara

Laserska zraka se vrlo lako može fokusirati na malu

površinu i postiže vrlo veliku gustoću energije 106 W/cm

2.

Kod ovog intenziteta, stup ionizirane metalne pare, koja se

formira ispod udarne točke lasera, apsorbira ulaznu energiju

lasera, stvarajući usku i duboku rupu u materijalu obratka,

vidi sliku 4.9. Ovo tkz. zavarivanje s “ključnom rupom

istopljenog materijala”, koja se kreće kroz žlijeb, daleko je

efikasnije od zavarivanja kod kojeg je oblik vara ovisan o

koeficijentu toplinske vodljivosti materijala. Maksimalna

dubina istopljenog materijala zavisi od vrste materijala,

brzine posmaka i snage lasera. Snažni CO2 i Nd:YAG

laseri mogu postići ovako velike gustoće energije i mogu

zavarivati 25 mm C-Mn čelike samo u jednom prolazu. Pri

zavarivanju laserom energija spajanja se dobije iz

elektromagnetske energije, točnije iz infracrvenog zračenja.

Slika 4.10 Poprečni

presjek zavara

Laserska zraka

Penetracija

“Ključna rupa”

Smjer zavarivanja

Zračenje topline Laserska

zraka Isparavanje

metala

Prijenos

topline Istopljeni

metal

Povećanje

intenziteta

Metalne

pare

STUPNJEVI FORMIRANJA

DUBOKO PENETRIRANOG VARA

a) b)

24

Slika 4.11 Dubine penetracije zavara u zavisnosti od različitih snaga lasera

Slika 4.12 Širina zone utjecaja topline kao funkcija gustoće energije (intenziteta

topline) s spektrom gustoća energija praktičnih metoda zavarivanja

Jedna od najvažnijih prednosti zavarivanja laserom je brzina procesa. Uobičajena

brzina zavarivanja za MIG zavarivanje je približno 60 cm/min, TIG zavarivanje je još

50% sporije, dok, na primjer, 2 kW Nd:YAG laser može zavarivati 1,5 mm Č. 0370

brzinom od 6 m/min. Uspoređujući lasersko zavarivanje s TIG zavarivanjem imaju

približno iste kvalitete zavara, ali vremena zavarivanja s laserom su i do dvadeset puta

manja. Druga važna prednost lasera je njegova velika točnost obrade. Na primjer, kod

rezanja s plazmom točnost rezanja je u granicama ±2-3 mm na 10 m dužine reza. Dok

je kod rezanja s laserom točnost ±0,5mm na 10 m dužine reza, što dovodi velikih

vremenskih i novčanih ušteda. Ali, možda najvažnija prednost, koja karakterizira

obradu s laserom, je vrlo mala zona utjecaja topline. Ova zona je vezana uz zavar,

materijal nije istopljen, ali struktura materijala je promijenjena. Velika zona utjecaja

topline uzrokuje velike napetosti i deformacije, pa čak i pukotine u zavaru. Zbog toga

se zavarene konstrukcije moraju dodatno obrađivati, što dodatno povećava troškove.

Kod zavarivanje s laserom prenesena količina topline na obradak je i do deset, ili više,

0

5

7,5

15

0 1 2 3 4

BRZINA ZAVARIVANJA, (m/min)

DU

BIN

A P

EN

ET

RA

CIJ

E V

AR

A,(

mm

)

6 kW

5 6 7 8

2,5

10

12,5

4 kW

2 kW 1 kW

10-2

10-1

100

1

10

104 10

7

GUSTOĆA ENERGIJE, (W/cm2)

ŠIR

INA

ZO

NE

UT

JE

CA

JA

TO

PL

INE

,(M

M)

0,5 mm

0,8 mm

70 mm

7 mm

TRENJE

ELEKTROLUČNO

ZAVARIVANJE

ELEKTROOTPORNO

ZAVARIVANJE

REZANJE KISIKOM

LASERSKA ZRAKA

MLAZ ELEKTRONA

103

ELEKTRO-ZAVARIVANJE

ACETILENSKO IZGARANJE

105 10

6

25

puta manja nekog pri konvencionalnim metodama zavarivanja. Zbog toga su u vrlo

maloj mjeri prisutna unutarnja naprezanja i deformacije zavarenih spojeva i

konstrukcija proizvedenih s laserom.

Slika 4.13 laserski stroj s CNC upravljanjem (MPL 2515)

Laserski postupci uglavnom se izvode uz CNC upravljanje. Sustav mora održavati

točan položaj zrake i udaljenosti od obratka unutar 1 mm. Glava lasera se često

montira na kartezijski, gantri robot ili se obradak postavlja na horizontalan stol

pokretan u x-y smjeru. Nd:YAG i optički laseri su fleksibilni i mogu se montirati na

univerzalne robote s šest stupnjeva slobode kretanja. Adaptivno upravljanje procesom

i sustav za automatsko prdačenje žlijeba zavara su vrlo značajni za zavarivanje velikih

ili kompleksnih struktura. U mnogim slučajevima CAD nacrti se koriste za

jednostavnije programiranje laserskih strojeva. Procesne laserske glave montirane na

univerzalne robote čine trodimenzionalnu obradu relativno jednostavnom. S

uvođenjem relativno jednostavnih adaptivnih sustava upravljanja povećala se praktična

primjena laserskih obrada u industriji. Na slici 4.11 se prikazuje laserski stroj s CNC

upravljanjem, koji se koristi za rezanje metala, drva i plastike s točnošću od ±0,05 mm.

Kako bi mogli konkurirati Japanu i Južnoj Koreji europska brodogradilišta pokrenula

su velika istraživanja vezana uz laserska zavarivanja s robotom. Laserskim

zavarivanjem s robotom postiže se dramatična redukcija troškova i povećanje

kvalitete. Naročito velike uštede postignute su eliminacijom i skraćivanjem vremena

za ispravljanje grešaka nastalih zbog zona utjecaja topline. Kod upotrebe

konvencionalnih metoda za zavarivanje konstrukcija većih od 10 metara, na tisuće

radnih sati se koristi njihovo poravnavanje. Istraživanja su pokazala da je gotovo 40%

svih zavara moguće automatizirati. Na tankeru dugačkom 340 m nosivosti 300.000

tona to znači 265 km zavarenih spojeva.

Tablica 4.2 Usporedni troškovi zavarivanja ( U danskim krunama)

Zavarni spojevi Konvencionalne metode Laser

Sučeljeni zavar 16 (zavarivanje pod praškom) 8,9

T - zavar 132,2 (zavarivanje pod praškom) 29,9

Kutni zavar 23,4 (MIG) 11,9

26

Slika 4.14 Programiranje robota s Nd:YAG laserom

Prednosti zavarivanja s laserom

- svjetlost nema inerciju, velika brzina zavarivanje s brzim startom i zaustavljanjem,

- fokusirana laserska zraka daje veliku gustoća energije,

- zavaruju se materijali koje je teško zavarivati: titan, kvarc i dr.,

- stezne naprave nisu potrebne,

- nisu potrebne elektrode ili dodatni materijali,

- vrlo precizni zavari: točno pozicioniranje, dijametar i penetriranje),

- zona utjecaja topline je vrlo mala,

- komplicirane oblici zavarenih konstrukcija je moguće izvesti.

U tablici 4.2 prikazani su troškovi zavarivanja različitih spojeva zavara, a sadrže

troškove dodatnog materijala, zaštitnih plinova i troškove rada, ali ne sadrže i troškove

investicija. Robotizirani sustavi s laserom koštaju od 2-3 puta više nego tradicionalni.

Zbog toga se preporučuju različite metode zavarivanja i rezanja.

27

5. OBRADA SNOPOM ELEKTRONA Obrada snopom elektrona jest toplinski, netradicionalni proces obrade (engl. naziv

Electron Beam Machining, EBM). Kod ovog procesa se za obradu koriste elektroni

visoke energije. Ovaj proces se najčešće upotrebljava za zavarivanje materijala, a

primjenjuje se i za rezanje, bušenje i toplinsku obradu materijala. Obradom s snopom

elektrona se mogu obrađivati: metali, nemetali, keramike i kompozitni materijali.

Proces je vrlo sličan obradi s laserom i mnoga pravila su im potpuno identična.

Najveća razlika između obrade snopom elektrona i laserske obrade je da obrada

snopom elektrona se provodi vakuumskoj komori. Proces se počeo koristiti od 1950.

godine.

Princip rada

Slika 5.1 Shema stroja za obradu snopom elektrona

Stroj za obradu snopom elektrona funkcionira na vrlo sličan načina kao i katodna cijev

u televiziji. Kada kroz volframovu nit, koja se nalazi u vakuumskoj komori, prolazi

električna struja od 120 kV ona se zagrije i iz nje se emitiraju elektroni.. Broj elektrona

i njihova brzina zavise od temperature niti. Elektroni se mogu ubrzati do vrlo velike

brzine, ca. 60% brzine svjetlosti. Vakuum je potreban kako bi se omogućilo

nesmetanog kretanja elektrona, pošto molekule zraka mogu nepovoljno djelovati na

snop elektrona, mijenjajući im smjer. Za obradu s laserom nije potreban vakuum iz tog

razloga što fotoni imaju daleko manji volumen od elektrona. No obrada s laserom u

vakuumu bi imala bolje rezultate.

Elektroni se ubrzavaju u električnom polju, prolijeću kroz otvor na anodi, usmjeravaju

se i fokusiraju na obradak. Za fokusiranje i koncentriranje snopa može se koristi

električno, magnetsko ili elektromagnetsko polje. Snop elektrona se može fokusirati na

površinu promjera manjeg od jednog mikrometra s vrlo velikom gustoćom energije. Za

otklanjanje snopa elektrona koristi se sustav sličan sustavu za fokusiranje. Kad

elektroni udare u površinu obratka oni penetriraju u obradak i dolazi do njihovog

Obradak

Radni stol

Vakuum komora

Snažna vakuumsaka

pumpa

Prozor za promatranje

procesa

Otklonski sustav

Magnetski sustav za fokusiranje mlaza

Mlaz elektrona

Anoda s otvorom

Katoda koja emitira elektrode

Žarna nit koja zagrijava elektrodu

Optički pregledni

sustav Vakuum

komora

28

usporavanja, pretvaranjem njihove kinetičke energije u toplinsku energiju. Dolazi do

zagrijavanja materijala i do temperature taljenja te isparavanja. Pretvorba energije je

toliko brza da se ca. 90% energije transportira zajedno s isparenim materijalom.

Dubina penetracije je proporcionalna s energijom elektrona (eV) i gustoćom materijala

obratka. Penetracija može biti od nekoliko m pa sve do 200 mm.

Upravljanje procesom se vrši uz pomoć varijacija snage i promjera zrake elektrona.

Obrada snopom elektrona, uz pomoć sustava za fokusiranje i otklon te s CNC

upravljanjem, može biti vrlo precizna, brza i fleksibilna. Gustoća energije od 105

W/mm2 uzrokuje topljenje materijala, dok energija od 10

6 W/mm

2 uzrokuje

isparavanja materijala. Kod obrade snopom elektrona mogu se postići gustoće i do 108

W/mm2. Cijena stroja za obradu elektronskog snopa varira od 75.000 do 1.500.000 $.

Oni imaju ove karakteristike istosmjerne struje: napon od 15 do 200 kV, jačinu do

nekoliko stotina mA i snagu do 100 kW. Moguće je zavarivati čelične obratke samo s

jednim prolazom debljine od 200 mm. Mlaz elektrona nije vidljiv, osim na mjestu

udara. Moguće je postići vrlo visoku kvalitetu zavara te se zbog toga obrada snopom

elektrona koristi za zavarivanje kritičnih dijelova: zrakoplova, svemirskih letjelica i

dijelova za nuklearne elektrane.

Slika 5.2 Faze udara snopa elektrona u obradak

Karakteristike zavarivanja s snopom elektrona

- vrlo mali unos topline,

- vrlo mala zona utjecaja topline (ZUT), vidi sliku 5.3,

- mala naprezanja i deformacije zavara,

- moguće zavarivati obratke nakon završne obrade,

- velika brzina zavarivanja,

- visoki vakuum služi i kao zaštitna atmosfera (vrlo je povoljan za materijale

koji nepovoljno reagiraju s kisikom i dušikom),

- postiže se visoka čistoća zavara, jer plinovi nastali pri zavarivanju brzo

napuštaju mjesto zavara,

- moguće je spajati različite materijale zajedno,

- moguće je uspješno zavarivati materijale s visokom temperaturom tališta

kao i dobre vodiče topline (Cu, Al i dr.)

a) b) c) d)

TIG zavarivanje

PLAZMA zavarivanje

LASER zavarivanje

ELEKTRONSKO zavarivanje

29

Slika 5.3 Zona utjecaja topline za različite postupke zavarivanja

Slika 5.4 Dubina penetracije pri zavarivanju različitih materijala

(Al, SUS nehrđajući čelik i Cu)

Energija elektrona zavisi o masi me, brzini elektrona i električnom potencijalu polja.

Uevme

2

2

Brzina elektrona zavisi od potencijalu polja

em

Uev

2

masa elektrona me = 9,109 × 10-31

(kg)

električni naboj elektrona e = 1,602 × 10-19

Kolumba

brzina elektrona v (km/s)

Uv 600 (km/s)

Tablica 5.1 Primjeri bušenja s snopom elektrona

Materijal Debljina

materijala (mm)

Promjer rupe (mm)

Vrijeme bušenja

(sec)

Akcelerirajući napon (kV)

Jakost struje (m

A)

Volfram 0,25 25 <1 140 50

Nehrđajući čelik

2,5 125 10 140 100

Nehrđajući čelik

1,0 125 <1 140 100

Aluminij 2,5 125 10 140 100

Aluminijev oksid (Al2O3)

0,75 300 30 125 60

Kvarc 3,0 25 <1 140 10

brzina zavarivanja

Du

bin

a p

en

etr

ac

ije

IZLAZ

30

Tablica 5.2 Primjeri rezanja s snopom elektrona

Materijal Debljina

materijala (mm)

Širina reza (mm)

Brzina rezanja (m/min)

Akcelerirajući napon (kV)

Jakost struje (m A)

Nehrđajući čelik

0,175 100 50 130 50

Volfram 0,05 25 125 150 30

Mesing 0,25 100 50 130 50

Aluminijev oksid (Al2O3)

0,75 100 600 150 200

Tablica 5.3 Količine energije potrebne za rezanje različitih materijala

Materijal C (W/mm3/min)

Volfram 12 Fe 7 Ti 6 Al 4

Slika 5.5 Različiti dijelovi zavareni s snopom elektrona a) turbina, b) i c) zupčanici

a) b) c)

31

6. KEMIJSKA OBRADA Kemijska obrada jest u stvari korozivni proces u kojem se koristi snažno kemijsko

sredstvo za odstranjivanje materijala nagrizanjem. Ova metoda je najjednostavniji i

najstariji proces obrade metala bez odvajanja strugotine: Ona se već dugi niz godina

koristi u proizvodnji graviranih ploča za štampanje i nazivnih pločica. Kemijska

obrada se danas upotrebljava za izradu različitih kompliciranih izradaka, od vrlo malih

elektroničkih integriranih sklopova pa sve do vrlo velikih dijelova, dugačkih i više od

15 metara. U kemijskoj obradi materijal se odstranjuje iz određenih selekcioniranih

površina obratka umakanjem ili prskanjem s kemijskim reagensom. Nagrizanje

materijala se vrši uz pomoć mikroskopske elektrokemijske reakcije ćelija. Isti proces

se javlja pri koroziji ili kemijskom rastvaranju. Brzina penetrirajućeg nagrizanja varira

od 0,01 do 0,8 mm/min. Procesi kemijske obrade mogu se grupirati u:

- Kemijsko glodanje, za izradu utora, kontura i cjelokupno odstranjivanje

materijala. Ovaj proces je dobio takav naziv jer je u svojoj ranoj fazi

zamjenjivao glodanje.,

- Kemijsko blankiranje koristi se za nagrizanje vrlo tankih slojeva do 0,025 mm

ili za izradu kompliciranih oblika,

- Fotokemijska obrada koristi se za nagrizanje fotoosjetljivih otpornih ploča u

mikroelektronici,

- Kemijsko graviranje kod kojih se koriste slabi kemijski reagensi. Ponekad je

potrebna asistencija električnom erozijom,

- Glodanje s gelom u kojem se koristi reagens u formi gela.

Kemijsko glodanje ili blankiranje

Faze u postupku odstranjivanja materijala kod kemijskog glodanja i blankiranja su:

1. Priprema obuhvaća odmašćivanje, čišćenje i ispiranje površine za dobru

adheziju maske (materijala zaštite),

2. Maskiranje je faza u kojoj dolazi do pokrivanja i zaštite površina koje se neće

nagrizati,

3. Nagrizanje je kemijsko rastavljanje prskanjem ili umakanjem,

4. Odstranjivanje maske obuhvaća skidanje ili demaskiranje i čišćenje obratka,

5. Finiš je ustvari finalna inspekcija obratka.

Nakon čišćenja i maskiranja obradak se umače ili poprska s odgovarajućim sredstvom

za nagrizanje. Najsloženija faza u postupku je proces postavljanja maske na površinu

obratka tako da do nagrizanja dolazi samo na određenim površinama. Uobičajeno je da

se kompletna površina prvo pokrije s maskom. Zatim se dijelovi maske na površini,

koja će biti nagrizana, ručno odstranjuju. Varijanta kemijske obrade je i fotokemijska

obrada, kod koje se fotografska tehnika koristi za postavljanje maske. Na slici 6.1

prikazuju se faze kemijske obrade s upotrebom fotoosjetljivih zaštitnih sredstava.

32

Ove faze su:

1. Čišćenje obratka,

2. Pokrivanje obratka s emulzijom osjetljivom na svjetlo, obično umakanjem ili

prskanjem. Emulzija ili zaštitno sredstvo se suši obično u pećima.

3. Točan nacrt obratka obično se izrađuje na poliesterskoj foliji ili staklu s

uvećanjima i do 50 ili više puta. S ovakvim povećanjem točnost od 0,635 mm

na originalnom nacrtu će omogućiti točnost od 0,127 mm na obratku.

Specijalnim postupcima moguće je napraviti linije od 2 m.

4. Kako bi se dobio negativ, koji je glavna šablona (struktura na obratku) smanjuje

se originalni nacrt fotografskim načinom. Smanjenje se provodi u nekoliko

stupnjeva uz pomoć industrijske fotografske opreme.

5. Glavna šablona se postavlja na obradak koristeći vakuumski okvir za

osiguravanje dobrog kontakta. Točan otisak kopije negativa na svakoj strani

obratka je potreban radi točnog blankiranje dijelova. Zatim dolazi do

osvjetljenja s plavim svjetlom koje prolazi kroz negativ. Izvor svjetlosti je

svjetiljka iz živinih para. Izlaganje svjetlosti stvrdnjava selekcionirane površine

sredstva za zaštitu, tako da ne može doći do njihovih ispiranja.

6. Odstranjivanje negativa i razvoj obratka je faza u kojoj se odstranjuju ili

rastapaju površine obratka, koje nisu izložene svjetlosti. Ovime se omogućuje

nezaštićenim površinama obratka da na njih djeluje kemijski reagens.

7. Prskanje obratka s reagensom(ili umakanje).

8. Odstranjivanje zaostalog materijala zaštitne maske.

Slika 6.1 Osnovne faze u fotokemijskoj obradi

Kemijska obrada uz upotrebu foto-osjetljivog zaštitnog sloja se koristi za proizvodnju

malih, kompleksnih dijelova, kao što su elektroničke sklopne pločice i vrlo tanki

dijelovi, koji su premali ili pretanki da bi se proizveli štancanjem. Nakon kemijske

obrade često slijedi popločavanje, raspršivanje ili vakuumska taloženje metalnih

slojeva kontrolirane debljine. Ovaj proces je osnovna tehnologija proizvodnje u

mikroelektroničkoj industriji. Kemijska obrada je našla primjenu za odstranjivanje

viška materijala u avionskim krilima.

Očistiti obradak

Umakanje i prskanje obratka za postavljanje foto-otporne naslage

Negativi koji se postavljaju na obradak (postavljanje glavne šablone) Obje zaštičene strane su izložene.

Foto zaštita je razvijena.

Nagrizanje reagensom.

Maska je odstranjena.

33

Upotreba maske za rezanje

Iako se fotoosjetljiva zaštita najviše koristi u većini kemijskih obrada, u nekim

specijalnim slučajevima se koristi maske koje je moguće obrezivati to kod izrade:

1. neravnih obradaka,

2. velikih obradaka,

3. malog proizvodnog volumena, kada nije ekonomično upotrijebiti višefaznu,

fotoosjetljivu zaštitu.

Kod ovog postupka maska se obično postavlja na kompletnu površinu obratka

umakanjem ili prskanjem. Nakon toga se materijal maske odstranjuje na onim

površinama kod kojih se traži nagrizanja materijala.

Faktori dizajniranja u kemijskoj obradi

Pri dizajniranju dijelova, koji će se izrađivati kemijskog obradom, nekoliko specifičnih

faktora se moraju uzeti u obzir:

1. Varijacija promjena dimenzija zbog promjene temperature i vlažnosti. Kako bi

se ove greške eliminirale upotrebljavaju se deblje poliesterske folije ili staklo.

Kad je potrebna velika točnost kontrolira se sobna temperatura i vlažnost zraka.

2. Faktor nagrizanja ili radijus nagrizanja. Kada se dubina nagrizanja povećava,

povećava se tendencija nagrizanja ispod maske (vidi sliku 6.2). Nagrizajuće

sredstvo djeluje na svim površinama. Iz površina obratka, koja je duže vremena

izložena u nagrizajućem sredstvu, više će se materijala odstraniti. Kod najčešćih

dubina nagrizanja, od samo nekoliko desetaka mikrometra, faktor nagrizanja je

mali. Kod većih dubina nagrizanja dolazi do nagrizanja ispod zaštitnih maski,

koja mogu stvoriti probleme.

Brzina odstranjivanja materijala pokazuje brzinu penetracije u mm/min. Na brzinu

penetracije ne utječe veličina površine nagrizanja. Obično je brzina penetracije od

0,020 i 0,050 mm/min.

Faktor nagrizanja d

uFe

Slika 6.2 Faktor nagrizanja

Prednosti i nedostaci kemijske obrade

- proces je relativno jednostavan, izuzev izrade šablone negativa ili uzorka za

odrezivanje,

- nije potreban stručan rad,

- nema zaostalog naprezanja,

- može se obrađivati svaki metal, a najčešći su: aluminij, magnezij, titan i čelik,

- mogu se obrađivati velike površine (tankovi od 400 do 1.650 mm),

- mogu se obrađivati dijelovi gotovo svakog oblika. Vrlo tanki dijelovi, saćasti i

razni oblici se mogu napraviti bez djelovanja mehaničkih sila, vidi sliku 6.2,

- ekonomičan postupak za smanjenje težine dijelova,

- postižu se tolerancije u području od 0,001 do 0,1 mm.

- hrapavost površine je uglavnom vrlo dobra.

Tablica 6.1 Sredstva za nagrizanje, brzina penetracije i faktor nagrizanja za različite

materijale

u

d

34

Slika 6.2 Tipični izratci dobiveni

fotokemijskom obradom

Materijal obrade

Sredstvo nagrizanja

Brzina penetracije

mm/min

Faktor nagrizanja

AL Al legure

FeCl3 NaOH

0,02 0,025

1,75 1,75

Cu & legure

FeCl3 0,05 2,75

Mg & legure

H2SO4 0,038 1,0

Si HNO3:HF:H2O Vrlo brzo NA

Meki čelik

HCl:HNO3

FeCl3 0,025 0,025

2,0 2,0

Ti legure

HF HF:HNO3

0,025 0,025

1,0 1,0

Faktori koji utječu na selekciju sredstva za nagrizanje:

- materijal obratka,

- dubina i brzina odstranjivanja materijala,

- tražena hrapavost obrade,

- materijal zaštitne maske.

35

7. ULTRAZVUČNA OBRADA Obrada ultrazvukom je mehanički, netradicionalni proces obrade u kojem se koriste

brusna zrna kao rezni elementi (engl. naziv Ultra Sound Machining, USM). Ovaj

proces najviše se koristi za obradu materijala, tvrđih od 40 HRc, koji ne provode

električnu struju: keramika, staklo, stelit, silicij, grafit, kompozitni materijali ili

specijalno precizno kamenje. Svakim danom raste potražnja za dijelovima iz ovih

materijala, naročito u medicinskoj tehnologiji te optičkoj, automobilskoj i drugim

industrijama. Ovi materijali imaju specifična svojstva, kao što su: mala težina, velika

otpornost na kemikalije, temperaturu ili trošenje. Ovim procesom mogu se obrađivati

najtvrđi materijali uz veliki posmak i male sile rezanja. Na slici 7.1 prikazan je

jednostavan shematiski prikaz ovog procesa.

Slika 7.1 Shematski prikaz uređaja za ultrazvučnu obradu

Pri obradi ultrazvukom koristi se alat koji obrađuje “suprotnu sliku” u obratku

pulsirajućim kretanjem. Alat vibrira ultrazvučnom frekvencijom od 20 kHz (20.000

titraja u jednoj sekundi) u smjeru površine obratka s amplitudom od 0,05 mm.

Ultrazvučni proces započinje s električnim signalom velike frekvencije, koji se

pretvara u mehaničke oscilacije iste frekvencije. Nakon toga pojačalo povećava

amplitudu oscilacija. Istovremeno se abrazivna emulzija dovodi između alata i obratka

(mješavina 50% tekućine i 50% abrazivnog. brusnog zrna). Na najvišoj točki

amplitude, ili širenja, brusna zrna udaraju velikom brzinom u obradak i dolazi do

odvajanja materijala obratka u obliku sitnih čestica. Kao materijal brusnih zrna se

najviše koristi borov karbid, a također se koristi silicijev karbid (SiC), aluminijev

oksid (Al2O3) i silicijev dioksid (SiO2) te za najtvrđe materijale dijamantna prašina.

Veličina zrnaca kreće se uglavnom od 70 do 10 m, specijalno i finija (što odgovara

zrnatosti od 220, 600 i 800).

Brusna emulzija također djeluje kao sredstvo za hlađenje. Materijal alata je obično

mesing, meki ili alatni čelik, a njihovo trošenje zavisi od njihove tvrdoće. Energija

procesa se stvara u ultrazvučnom generatoru snage od 50 do 2.000 W. S najsnažnijim

generatorima je moguće obrađivati površinu obratka od nekoliko cm2. Uobičajeno se

postiže tolerancija dimenzija u području od ±25 m do samo ± 1-2 m. Strojevi za

Visoko

frekventni

napon

PUMPA

HLADNJAK

DRŽAČ

ALATA

POSMAK

VIBRACIJE

STEZNA NAPRAVA

OBRADAK

EMULZIJA ZA

BRUŠENJE

Jena faza

115 V

60 ~

36

obradu ultrazvukom su slični glodalicama ili bušilicama. Na slici 7.3 prikazan je CNC

stroj za obradu ultrazvukom. Srce stroja je Pb-Zr-Ti disk, koji pretvara električnu

energiju u mehaničke vibracije (piezoelektrični pretvarač). Kako bi se postigao željeni

oblik obratka oscilirajuće kretanje alata kombiniraju se s njegovim posmakom. Alat

nije u kontaktu s obratkom, već postoji konstantan razmak od 0,025 do 0,075 mm.

Posmak alata varira od 0,0025 do 0,1 mm/s. Postoji i specijalan postupak ultrazvučne

obrade u kojoj istovremeno alat vibrira i rotira (3.000-40.000 o/min).

Područje primjene

Suprotno od elektroerozije ultrazvučna obrada se može primjeni na sve tvrde i krte

materijale bez obzira da li provode električnu energiju ili ne. Najčešće se obrađuju

materijali kao što su: staklo, rubin, safir, keramika, kvarc, dijamant, karbid, tvrdi

metali i dr. Pri obradi materijala elektroerozijom brzina obrade će biti veća od obrade

ultrazvukom. No, obrađena površinska nije toplinski oštećena i postignuta hrapavost je

bolja nego li pri obradi elektroerozijom.

Slika 7.2 Tipični izratci ultrazvučne obrade Slika 7.3 Stroj za obradu ultrazvukom

U usporedbi s tradicionalnim metodama za rezanje, ultrazvučna obrada ima ove

prednosti:

- produktivnost obrade može biti i do pet puta veća,

- moguće je postići vrlo veliku kvalitetu površine, hrapavost Ra od 0,2 m,

- velika sigurnost procesa obrade zbog inteligentnog sustava upravljanja i zvučne

kontrole čak i pri bušenju provrta s vrlo malim dijametrom i do 0,3 mm.

- zaštita obratka i alata zbog vrlo malih sila rezanja i toplinskog naprezanja,

- visoku brzinu rezanja, male sile rezanja i veliku trajnost alata omogućavaju da

dolazi do oštrenje brusnih zrna,

- sredstvo za hlađenje je voda, koja ima odlična ekološka svojstva.

Na primjer, za ultrazvučno bušenje provrta u aluminijevom oksidu 13 mm i dugačkog

13 mm vrijeme obrade je samo 27 sekundi. Konvencionalnim bušenjem se nakon 90

sekundi i samo 6 mm dubine provrta dijamantno svrdlo zatupi.