7.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

(1)

Miskolci Egyetem

Gépgyártástechnológiai Tanszék

Dr. Maros Zsolt

zsolt.maros@uni-miskolc.hu

7.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA)

1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar)

1950: vízsugaras tisztítás

1960: a vízsugaras vágás kutatása

1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW)

1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz

1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések

7.7.1. Az abrazív vízsugaras technológiák történeti

áttekintése

(2)

Dr. Maros Zsolt

7.7.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve

Vízsugaras vágófej

Dr. Maros Zsolt

Vágófej kialakítások

(3)

Dr. Maros Zsolt

7.7.3 A vízsugaras rendszerek elemei

Megmunkáló gép

A rendszer vázlata

te x t

z y

x

Abrazív vízsugaras vágófej Munkadarab

Nyomásnövelőszivattyú

Vízsugár energiát elnyelőtartály Abrazív adagoló készülék

Rezgős adagoló

(4)

Dr. Maros Zsolt

Nyomásfokozó

Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5

Dr. Maros Zsolt

7.7.4 CAD/CAM tervezés lépései

MegaCAD Program

(5)

Dr. Maros Zsolt

Formátum konverzió MG Converter Program

Elhelyezési terv, szimuláció

Nesting Program

(6)

Dr. Maros Zsolt

Különböző alakzatok előállítása

Üvegek

Műanyagok Kerámiák Fémek

Dr. Maros Zsolt

Fa

Acél

Nagy vastagságban is !!

pl. 132 mm Kompozitok

Különböző alakzatok előállítása

(7)

Dr. Maros Zsolt

Víz Víz Víz

Nyomás létrehozása

Nyomás

létrehozása Nyomás

létrehozása

Víz- fúvóka

Abrazív anyag tároló

Szívótér (keverőtér) Abrazív

fúvóka Szuszpenziós

fúvóka Abrazív anyag

szuszpenzió Abrazív anyag nyomástartó

Vízsugaras vágás (WJ)

Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ)

Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ)

7.7.5 Vágósugarak fajtái

7.7.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei -Szuperszonikus sebesség

v=500-1400 m/s

Sebesség és energia- eloszlás a sugárban

v = 2 p ρ

v: a sugár sebessége

p: víznyomás p=150-500 MPa ρ: a közeg sűrűsége

Bernoulli törvény:

(8)

Dr. Maros Zsolt

Kölcsönhatás a környezettel:

- a koherens sugár sérül

- a levegő mennyisége növekszik - megkezdődik a divergencia

- a terhelésváltozhat: statikus – dinamikus - a környezet elnyli az energia egy részét

Közvetlenül a kilépésnél célszerű forgácsolni ! A sugár belső struktúrája

Dr. Maros Zsolt

v = 2 p ρ

- Becsapódási szög: 0-90

^o

a) merőleges sugár: ~90

^o

b) ferde sugár: <90

^o

c) érintő sugár: ~0

^o

- Kis vízáram 0.5-5 l/min

- Kis forgácsoló erők, max. 100 N - Alacsony hőmérséklet 60-90

^o

C - Nincs károsodás az anyagban

A sugár becsapódásának iránya

(9)

Dr. Maros Zsolt

Injektoros sugár alkotóelemei

Tömegarány Térfogatarány

víz, abrazív szemcsék, levegő

Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség

Nagy energiasűrűség Felgyorsult erózió Megmunkálás

•képlékeny alakváltozás nyírással

• kopás

• repedések összenövése

• rideg törés

• helyi megolvadás (szikrázás)

7.7.7 Az anyagleválasztás lányege abrazív vízsugaras

vágáskor

(10)

Dr. Maros Zsolt

Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor

Szívós erózió Rideg erózió

Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző:

HV

Jellegzetes vízsugárral vágott felület

Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző:

K

c

- forgácsolási zóna - átmeneti zóna - elhajlási zóna

Dr. Maros Zsolt

7.7.8 A vízsugaras vágás paraméterei

AWJ Berendezés Anyag Eredmény

abrazív anyag abrazív mérete abrazív tömegáram fúvóka hossz és átmér ő

nyomás

vágási sebesség fúvóka magasság

keménység repedési tulajdonság keménység szilárdság lemez vastagság

anyagleválasztási sebesség

tűrés

felületi érdesség

vágórés szélesség és

forma

(11)

Dr. Maros Zsolt

Az irányváltás okozta pontatlanságok

A vágórés lehetséges alakjai (anyag: laminált papír)

Megmunkálási hiba > 0.1 mm

7.7.9 Pontossági kérdések

Változó vágási font

α1 α2

v v v v

α1 α2

v v v v

Vágófej döntése az előtolás síkjában

vv vv

β

vv vv

β

Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen

A pontosság növelése a vágófej döntésével

(12)

Dr. Maros Zsolt

1 mm

Wi Wtop

Wj We

1 mm

Wb,min Wb,max

30 mm

Bevágási mélység: k

_max

7.7.10 Bevágási mélység értelmezése

Átvágott felület

k

_max

Az anyagleválasztás a bevágási

mélységgel jellemezhető

Bevágott alumínium ill. üveg

Dr. Maros Zsolt

7.7.11 A technológiai paraméterek hatása

Influence of parameters on the cutting gap

A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző

Alapvetően az időegység alatt bevitt

energiával szabályozható

(13)

Dr. Maros Zsolt

zsolt.maros@uni-miskolc.hu Nyomás

Bevágási mélység

Előtolás

Fúvóka magasság

Abrazív áram

A technológiai paraméterek hatása

(14)

Dr. Maros Zsolt

p=3000 bar

6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

traverse rate f ,mm/min

dept h o f kerf k , mm

ma=6 g/s ma=5 g/s ma=4 g/s

Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre

X12Cr13 stainless steel

Dr. Maros Zsolt

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 traverse rate f, m m /min

depth of kerf k, mm m=400

m=200 m=100

p=250 MPa

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

80 280 480 680 880

traverse rate f, m m /min

depth ofkerf k, mm

m=400 m=200 m=100

p=200 MPa 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 traverse rate f, m m /min

depth of kerf k, mm m=400

m=200 m=100

p=300 MPa

AlMgSi0,5 Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási

mélységre

(15)

Dr. Maros Zsolt

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

150 200 250 300 350

pressure p, MPa

depth of kerf k, mm

f=100 f=300 f=500 f=700 f=800 m=100g/min 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

150 200 250 300 350

pressur p, MPa

depth ofkerf k, mm

f=100 f=300 f=500 f=700 f=800 m=200g/min 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45

150 200 250 300 350

pressure p, MPa

depth of kerf k, mm

f=100 f=300 f=500 f=700 f=800 m=400g/min

AlMgSi0,5 A nyomás és az előtolás hatása a bevágási mélységre

Különböző anyagminőségek bevágási mélységei

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 250 500 750 1000 1250 1500 traverse rate f, m/min

depth of kerf k, mm

AlMgSi0.5, p=2000 bar marble, p=2000 bar Steel X12Cr13, p=2000 bar

Kétféle lehetséges erózió Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium)

Nehézkes szívós erózió Jelentéktelen rideg erózió

Acél:

márvány acél

AlMgSi0,5

(16)

Dr. Maros Zsolt

7.7.12 A megmunkált felület érdessége

(200 mm/min) (250 mm/min)

Dr. Maros Zsolt

3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

0 5 10 15 20

de pth of ke rf, mm

surface roughness Ra, um

p=207 Mpa p=345 Mpa aluminium f=127 mm/min garnet 80 ma=3,8 g/s dn=0,25 mm dm= 0,76 mm

3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

0 5 10 15 20

de pth of ke rf, mm

p=207 Mpa p=345 Mpa aluminium f=127 mm/min garnet 80 ma=3,8 g/s dn=0,25 mm dm= 0,76 mm

3 4 5 6 7 8 9

0 5 10 15 20 25

depth of kerf, mm

f=64 mm/min f=191 mm/min f=254 mm/min aluminium p=345 Mpa dn=0,25 mm dm=0,76 mm garnet 80 ma=3,8 g/s

3 4 5 6 7 8 9

0 5 10 15 20 25

depth of kerf, mm

f=64 mm/min f=191 mm/min f=254 mm/min aluminium p=345 Mpa dn=0,25 mm dm=0,76 mm garnet 80 ma=3,8 g/s

Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny]

Bay Zoltán Institute

Logistics and Production Systems

A megmunkált felület átlagos érdessége

(17)

Dr. Maros Zsolt

0 2 4 6 8 10 12

0 100 200 300 400 500 600

feed rate, mm/min

Ra, um

p=200, 250, 300 Mpa, m

_a

= 200, 400 g/min

f=100 mm/min Ra ~ 5÷8 μm f=300 mm/min Ra ~ 5÷10 μm f=500 mm/min Ra ~ 4÷10 μm

A megmunkált felület átlagos érdessége

Saját mérések

p=250 MPa,m

_a

=400 g/min ,f=100 mm/min p=200 MPa,m

_a

=400 g/min ,f=300 mm/min

p=200 MPa, m

_a

=200 g/min , f=300 mm/min

R

_a

= 6.03 μm

R

_z

=69.41 μm R

_a

= 6.74 μm

R

_z

=68.25 μm R

_a

= 6.21 μm

R

_z

=57.51 μm

A megmunkált felület érdessége

(18)

Dr. Maros Zsolt

W

_t

=10.70 μm P

_t

= 61.52 μm

W

_t

=57.60 μm P

_t

= 94.36 μm W

_t

= 54.37 μm

P

_t

= 101.6 μm

A megmunkált felület érdessége

Dr. Maros Zsolt

100 300500 100 300 500

200

300250

200300

250200

300250

0 20 40 60 80 100 120 140

µm

feed rate, mm/min pressure, MPa

ma=200 g/min ma=400 g/min

Ra Wt

Surface inaccuracy upper

middle

lower

A megmunkált felület egyenetlenségei a

kilépő oldalon

(19)

Dr. Maros Zsolt

AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm 170x

35x

17x

f=100

f=300 mm/min

A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva

7.7.13 Abrazív anyagok

Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges

•Gránát homok

•Olivin

•Cu salak

•C salak

•Kvarc homok

•Korund Al

₂

O

₃

•SiC

•Porcelán

Szempontok:

•fizikai tulajdonságok

•környezeti hatások

•költséghatékonyság

•technológiai hatások

•ár

(20)

Dr. Maros Zsolt

Gránát homok

A gránát azon szilikátok (SiO

₄

)összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei.

Pl.: almadin pyrope Mg

₃

Al

₂

[SiO4]

₃

andradit uvarovit Ca3Cr

₂

[SiO4]

₃

almadin

andradit kvarc

olivin

Dr. Maros Zsolt

100x

250x 150x

25x

Új állapotú gránát 80 abrazív por

elektronmikroszkópos képe

(21)

Dr. Maros Zsolt

77x

200x 200x

38x

Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe

3.7.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága

(22)

Dr. Maros Zsolt

Előny Hátrány

széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék

anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés)

nincs megolvadás és füst termelődés

magas zajszint

higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés

rövid a fúvóka élettartama

pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.)

költésges

7.7.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai

Dr. Maros Zsolt

7.7.16 Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása

t2t1hw

hp tw

(23)

Dr. Maros Zsolt

Térbeli alakzatok vágása

•Többtengelyes robotok alkalmazása

•Biztonságtechnikai feltételek megoldása

7.7.17 További lehetséges megmunkálások

„Műveleti sorrend” – sakkfigura készítés

Lehetséges műveletek

•vágás

•fúrás

•esztergálás

•marás

(24)

Dr. Maros Zsolt

Esztergálás

A befejező megmunkáláshoz:

•finomabb abrazív anyag

•Fogásvétel nélküli megmunkálás

Dr. Maros Zsolt

Fúrás

•körpályán mozgó sugárral (vágás)

•álló sugárral – a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos

Korrekt geometria

biztosítása nehéz

(25)

Dr. Maros Zsolt

Marás

Probléma:

A bevágási mélység kézbentartása

3D-s megmunkálási kísérletek

Marás

Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek

(26)

Dr. Maros Zsolt

Marás

Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek

Dr. Maros Zsolt

Szállított vízmennyiség [l/min]

Üzem i n yom ás [M Pa ]

0 50 100 150 200 250 300 350 400

250 200 150

100 50

0