Na popis charakteristík povrchu bola využitá optická profilometria, meranie parametrov drsnosti povrchu Ra [μm], Rz [μm], Rp [μm], Rv [μm] a hodnotenie hmotnostného Δm [mg.mm-1] a objemového Vm [mm3] úbytku materiálu. Výsledkom skúmania je určenie troch oblastí účinkov PWJ na materiál. Experimenty boli vykonané za podpory projektov: VEGA 1/0096/18, KEGA č. 036TUKE-4/2017 LO1406, FV10446 a FV30233.

Pulzujúci vodný lúč
Technológia vodného prúdu sa v praxi využíva na delenie rôzneho materiálu a je to flexibilná technológia. Modifikáciami vodného toku je možné dosiahnuť odlišné účinky na materiál. Základom pre určenie oblasti využitia je charakter generovaného prúdenia. Vodný prúd môže byť kontinuálny a diskontinuálny, bez a s prímesou abrazíva.
Pulzujúci vodný prúd (PWJ) je diskontinuálny vodný prúd bez prísady abrazíva. Uplatnenie nachádza v odvetviach, kde dochádza k riziku poškodenia štruktúry materiálu vplyvom agresívneho prostredia a uvoľňovania nežiaducich látok do ovzdušia. V experimentálnom skúmaní bolo využité generovanie ultrazvukových vibrácií pomocou prídavného zariadenia – ultrazvukového meniča.
Princíp vytvárania budených pulzov (obr. 1) spočíva v generovaní vibrácií v ultrazvukovom meniči, ktoré sa do vody v dýze prenášajú vlnovodom a transformátorom rýchlosti – ultrazvukovým nástrojom. Prúd vody z dýzy vystupuje najprv ako kontinuálny a následne sa začína formovať do jednotlivých zhlukov kvapaliny (obr. 1A). Materiál rozrušujú rázové dopady zhlukov vody s vysokou kinetickou energiou. [1]

Obr. 1: Princíp PWJ; A – vizualizácia prúdenia; B – prúdenie na výstupe z dýzy

PWJ ako nástroj je možné uplatniť pri dezintegrácii hornín a skál [2 – 3], pri sanáciách betónových konštrukcií [4], na úpravu povrchu okrasného kameňa [5], v strojárstve na odstraňovanie okují z ocele [6]; skúmaný je aj vplyv PWJ na eróziu kovov [7 – 11] a využitie PWJ v ortopédii [12].
Cieľom výskumu je popísanie eróznej účinnosti PWJ s použitím kruhovej dýzy a štúdium topografie povrchu medi CW004A. Dezintegračná účinnosť je hodnotená na základe hmotnostného Δm [mg.mm-1] a objemového Vm [mm3] úbytku a popisu parametrov drsnosti povrchu Ra [μm], Rz [μm], Rp [μm] a Rv [μm]. Experiment bol realizovaný za spolupráce Fakulty výrobných technológií v Prešove s Ústavom geoniky AVČR, v. v. i. v Ostrave.

Podmienky experimentu
Experimentálnym materiálom bola meď CW004A (tab. 1). 25 vzoriek s rozmermi 50x20x5 mm bolo erodovaných pri technologických podmienkach v tab. 2. Zmenovým faktorom bola rýchlosť posuvu v [mm.s-1].

Tab. 1: Vlastnosti medi CW004A

Technologická zostava sa skladala z deliacej hlavice, kruhovej dýzy StoneAge, hydraulického vysokotlakového čerpadla Hammelmann HDP 253, ultrazvukového zariadenia Ecoson WJ-UG 630-40 a robota ABB IRB 6640-180.
Vzorky boli pred a po experimente odvážené na stolovej váhe MettlerToledo PL303-IC. Z hodnôt bol prepočítaný hmotnostný ∆m [mg.mm-1] a objemový Vm [mm3] úbytok materiálu. Topografia povrchu bola meraná na optickom profilometri MicroProf FRT. Tvar, profil drážok a drsnosť Ra [μm], Rz [μm], Rp [μm], Rv [μm] boli vyhodnotené v programe SPIP.

Tab. 2: Technologické podmienky dezintegrácie

Výsledky experimentu
Pri dopade pulzu na povrch dochádza k narušeniu s následnou deformáciou alebo oddelením častíc z povrchu. Vysokorýchlostné radiálne prúdenie unáša oddelené čiastočky materiálu a tie obrusujú vytlačené časti, alebo vytrhávajú ďalšie časti materiálu. Pri dlhšom pôsobení je erózia výraznejšia. So zvyšujúcou sa rýchlosťou posuvu klesá časové pôsobenie na povrch materiálu a dezintegračná schopnosť PWJ sa znižuje.
Zo skúmania povrchov bolo zistené, že existujú tri oblasti eróznych účinkov PWJ na meď CW004 (obr. 2).

Obr. 2: Oblasti účinkov PWJ na meď CW004A

Oblasť materiálového úbytku v = 0,1 – 7,0 mm.s-1 (obr. 2; drážka: v = 0,3 mm.s-1)
Dochádza k intenzívnej erózii a zmene topografie povrchu. Dopadajúce pulzujúce prúdenie narúša celistvosť, masívne uberá materiál (Δm = 40 – 2 mg.mm-1; Vm = 60 – 2 mm3) a pôsobením s veľkou kinetickou energiou vytláča časti materiálu nad okraje drážky. Následné radiálne prúdenie, zosilnené opakovanými dopadmi kvapaliny, unáša oddelené čiastočky materiálu, a tým vytrháva a obrusuje povrch. V erodovanom povrchu je vytvorená hlboká a výrazná drážka s nerovnomernými priehlbinami (Rp = 500 – 140 μm) a výstupkami (Rv = 900 – 150 μm) s veľkým výškovým rozdielom (Rz = 1 400 – 290 μm). Dochádza k tvorbe eróznych jamiek, ktoré sa spájajú a vytvárajú výrazné erózne krátery. So zvyšujúcou sa rýchlosťou posuvu hodnoty parametrov klesajú a erózia povrchu je menšia. Kvalita povrchu je nízka (Ra = 200 – 50 μm).

Obr. 3: Priebeh eróznych účinkov PWJ z hľadiska zmeny parametrov drsnosti Ra [μm], Rz [μm], Rp [μm], Rv [μm]

Obr. 4: Priebeh eróznych účinkov PWJ z hľadiska zmeny hmotnostného Δm [mg.mm-1] a objemového Vm [mm3] úbytku materiálu

Oblasť zdrsňovania povrchu v = 7,0 – 12,0 mm.s-1 (obr. 2; drážka: v = 10,0 mm.s-1)
Pulzy na povrch dopadajú v kratšom časovom intervale. Radiálne prúdenie kvapaliny nemá dostatok času na vytrhávanie a obrusovanie častí materiálu a v povrchu sa nevytvárajú hlboké erózne krátery. So zvyšujúcou sa hodnotou rýchlosti posuvu dochádza k nízkemu, resp. žiadnemu hmotnostnému (Δm = 0,0 – 0,5 mg.mm-1) a objemovému (Vm = 0,7 – 0,01 mm3) úbytku. Zmena topografie povrchu je na úrovni tvorby menších priehlbín (Rp = 161 – 15 μm) a výstupkov (Rv = 220 – 25 μm). Kvalita povrchu je vyššia (Ra = 35 – 4 μm; Rz = 250 – 40 μm).

Oblasť mechanického spevňovania povrchu – peening v = 12 – 20 a viac mm.s-1 (obr. 2; drážka: v = 20,0 mm.s-1)
Nedochádza k erózii povrchu (Δm = 0 mg.mm-1; Vm = 0,003 mm3). PWJ nemá dostatok času a energie na výraznú dezintegráciu a ovplyvňuje len povrchovú vrstvu. Nedochádza k tvorbe eróznych kráterov, ale len k jemnej deformácii povrchu (Ra = 2,1 – 1,3 μm; Rz = 16,3 – 10,9 μm). (Hodnoty namerané v neovplyvnenej oblasti: Ra = 0,72 μm; Rz = 5,48 μm; Rp = 2,10 μm; Rv = 3,38 μm.)

Záver
Bolo preukázané, že dezintegračná schopnosť akusticky budeného PWJ na meď CW004A sa mení pri zvyšujúcej sa rýchlosti posuvu v [mm.s-1].
Boli definované tri základné oblasti dezintegračných účinkov:
1. Oblasť materiálového úbytku
2. Oblasť zdrsňovania povrchu
3. Oblasť spevňovania povrchu
Každá z týchto oblastí má potenciál využitia v špecifických odvetviach priemyslu. Povrch vytvorený v oblasti materiálového úbytku má potenciál využitia v priemyselných oblastiach, v stavebnom a ťažobnom priemysle pri odstraňovaní objemných vrstiev materiálu, sanáciách betónových konštrukcií, ošetrení a úpravách okrasného kameňa. Zdrsňovanie povrchu je možné využiť pri čistení, alebo pri prípravných úpravách povrchov v automobilovom, strojárskom, stavebnom, leteckom a lodnom priemysle. Spevňovaním povrchu je do povrchovej vrstvy možné vniesť tlakové napätie, čím sa materiál stane odolnejším voči vzniku mikrotrhlín a zvýši sa jeho životnosť pri cyklickom zaťažovaní.
Erózne účinky PWJ závisia od času a sily pôsobenia na materiál. Popisovaný experiment poukazuje na možnosť ovplyvnenia a regulácie dezintegračnej schopnosti PWJ, pri zmene rýchlosti posuvu, ktorá priamo ovplyvňuje časové pôsobenie PWJ, a tým aj počet pulzov dopadajúcich na povrch. Regulácia PWJ je možná aj pri inom nastavení technologickej zostavy a faktorov dezintegrácie. Neustále prebieha skúmanie vplyvu chemického zloženia a fyzikálno-mechanických vlastností materiálu pri použití rôznych typov a priemerov dýz, tlakov, ultrazvukovej frekvencie a výšky zdvihu deliacej hlavice od materiálu.

Poďakovanie
Experimenty boli vykonané vďaka podpore projektov: projekt udržitelnosti, reg. č. LO1406 s podporou RVO: 68145535, VEGA 1/0096/18, KEGA č. 036 TUKE-4/2017, FV10446 a FV30233.

Použitá literatúra:
[1] Foldyna, J., et al. Effects of pulsating water jet impact on aluminium surface. In Journal of material processing technology. 209, 6174-6180, ISSN 0924-0136
[2] Dehkhoda S., et al. An experimental study of surface and sub-surface damage in pulsed water-jet breakage of rocks. In International journal of rock mechanics and mining sciences. 63, 138 – 147, ISSN: 1365-1609
[3] Foldyna J., et al. Rock cutting by pulsing water jets. In EUROCK 2005: Impact of human activity on the geological environment, 129 – 134, Brno, ISBN: 978-0-41538-042-3
[4] Sitek L., et al. Use of pulsating water jet technology for removal of concrete in repair of concrete structures. In Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 6, 235 – 242,
ISSN: 1822-427X
[5] Bortolussi A., et al. Ornamental stones surface finishing by pulsating jet: a project for an industrial application, In Water Jet 2013 – Research, Development, Applications, 17 – 24, Ostrava, ISBN 978-80-86407-43-2.
[6] Hnizdil M., et al. Descaling by pulsating water jet. In METAL 2010 – 19th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings, 209 – 213,
ISBN: 978-808729417-8.
[7] Foldyna J., et al. Erosion of metals by pulsating water jet. In Technical Gazette, 2,
381 – 386, ISSN: 1330-3651.
[8] Klich J., et al. Effects of pulsating water jet on aluminium alloy with variously modifed surface. In Technical Gazette, 24, 341 – 345, ISSN: 1330-3651
[9] Lehocka, D., et al. Copper alloys disintegration using pulsating water jet. In Measurement, 82, pp. 375 – 383, ISSN: 0263-2241
[10] Lehocka, D., et al. Comparison of the influence of acousticaly enhanced pulsating water jet on selected surface integrity characteristics of CW004A copper and CW614N brass. In: Measurement, 110, pp. 230 – 238 (2017).
[11] Lehocka D., et al.: Assessment of Deformation Characteristics on CW004A Copper Influenced by Acoustically Enhanced Water Jet. In MANUFACTURING 2017, 5th International Scientific-Technical Conference on Advances in Manufacturing,
pp. 717 – 724. (2017) ISSN: 2195-4356
[12] Hloch, S., et al. Disintegration of bone cement by continuous and pulsating water jet. In Technical Gazette, 20, 593 – 598, ISSN: 1330-3651

TEXT/FOTO: Dominika Lehocká, Jiří Klich, Vladimír Simkulet; Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove; Ústav geoniky AV ČR, Ostrava