Obrábanie vodným lúčom a jeho aplikácie

 

 

Na základe použitého média rozlišuje­me dve hlavné metódy: 1. WJM – Wa­ter Jet Machining – čistý vodný lúč s pracovným tlakom až 690 MPa. 2. AJM – Ab­rasive Waterjet Machining – vodný lúč s prísa­dou abrazív, kde pracovný tlak dosiahne až 400 MPa.

Technológia WJM je vhodná na delenie mäkších materiálov, ako sú guma, papier, penové ma­teriály, linoleum atď. Pri metóde AJM delíme tvrdšie materiály – sklo, keramika, oceľ, kameň, spekané a vrstvené materiály a iné.

 

Čistý vodný lúč WJM

Delenie materiálov čistým vodným lúčom pra­cuje na princípe úberu materiálu pomocou vy­sokotlakového prúdu vody, ktorá prechádza cez dýzu s priemerom asi 0,3 mm. Tento lúč má 2 až 4-krát vyššiu rýchlosť ako rýchlosť zvuku. Pomocou vysokotlakového čerpadla je voda čerpaná s prietokom 12,7 l.min-1.

Pri zvyšovaní tohto tlaku nad daný limit nastá­va nežiaduci vplyv na účinnosť rezania, vznika­jú vyššie tlakové straty a silnejší zvuk, čo môže spôsobiť zhoršenie prostredia a vznikajú vysoké náklady na filtráciu vody. Proces rezania mate­riálu sa odohráva v dvoch fázach:

1. pôsobením vysokého tlaku kvapaliny, kde vzniká priehlbina, ktorá sa následne mení na dieru,

2. v druhej fáze dochádza k prehlbovaniu a vy­tváraniu reznej medzery.

Abrazívny vodný lúč AJM

Delenie vodným lúčom s prísadou abrazíva pra­cuje na princípe odoberania materiálu mecha­nickým pôsobením prúdu s vysokou rýchlosťou a kinetickou energiou na jednotku plochy. Pri­daním abrazíva sa zvyšuje mechanický účinok úberu materiálu. Poznáme dve metódy pridáva­nia abrazíva:

1. Bočne – vysoký tlak vody v smere osi dýzy je zhora.

2. Centrálne – v smere osi dýzy zhora, kde sa vysokotlakový prúd privádza zboku.

 

Delenie abrazívnym vodným lúčom má mnoho výhod, ako napríklad:

• aplikácia na sústruženie, frézovanie, vŕtanie, dierovanie,

• vysoká rýchlosť,

• možnosť delenia viaczložkových kompozit­ných materiálov,

• nízke tepelné ovplyvnenie povrchu materiálu,

• malé deformačné napätia v opracovanom povrchu.

Ďalšou výhodou je možnosť začínať a kon­čiť delenie materiálov v akomkoľvek mieste a v akomkoľvek čase a pritom dosiahnuť vyso­kú presnosť tvaru.

Materiál abrazíva

Proces materiálu ovplyvňujú hustota, tvrdosť a pevnosť abrazívneho materiálu. Na základe hustoty delíme materiály na tzv. ťažké a ľahké, kde medzi ťažké materiály patrí napríklad gra­nát (ρ = 4 g.cm-3) a oceľové piliny (ρ = 8 g.cm-3). Medzi ľahké materiály patrí kremičitý piesok (ρ = 2,5 g.cm-3) a medené piliny (ρ = 1,5 g.cm-3). Táto hustota vplýva na pohyb častíc a tým aj na deliaci proces. Dôležitý je pomer tvrdosti ab­razívneho materiálu k tvrdosti rezného mate­riálu. Najznámejším druhom abrazív je triede­ný kremičitý piesok, granát, jemný oxid hlinitý alebo čiastočky ľadu , z ktorých je tvorený tzv. kryogénny vodný lúč.

 

DÝZY NA REZANIE VODNÝM LÚČOM

Konštrukcia dýz je dôležitým prvkom zariade­nia na delenie materiálov vodným lúčom, pre­tože ovplyvňuje kvalitu a výkon rezania. Kaž­dá dýza má svoj typický tvar, plní svoju funkciu, rôznu dobu životnosti, rôzny druh materiálu, ale ich spoločným znakom je uloženie v reza­cích hlavách.

Východiskový tvar pracovného povrchu vyso­korýchlostného abrazívneho prúdu sa vytvára v zmiešavacej trubici a závisí od priemeru vod­nej dýzy, hmotnostného toku abrazíva, veľkosti a tvaru abrazívnych častíc.

Pre výber správneho typu dýz je důležitým kritériom životnosť dýz. Na výrobu vodných dýz sa používajú materiály ako zafír, rubín a syntetický diamant. Pred použitím nástroja sa odporúča úprava vody napríklad filtráciou, de­ionizáciou alebo osmózou, čím sa zvyšuje život­nosť dýz.

 

OBRÁBANIE ROTAČNÝCH SÚČIASTOK VODNÝM LÚČOM

Podstatou obrábania vodným lúčom je rotova­nie obrobku a posúvanie lúča v axiálnom sme­re vzhľadom na os obrobku. Radiálnym spô­sobom možno opracovávať ťažko obrábateľné materiály, ako sú laminát, keramika, kompozi­ty, pieskovec a iné.

Hlavné časti zariadenia na obrábanie rotačných súčiastok vodným lúčom:

1 – dýza, 2 – vysokorýchlostný prúd vody, 3 – obrobok, 4 – hĺbka rezu, 5 – udržiavaná vzdialenosť, 6 – smer pohybu dýzy, 7 – priečny smer prúdu, 8 – skľučovadlo, 9 – prevodovka, 10 – poháňaný prevod, 11 – prevodový remeň, 12 – riadiace prevody, 13 – otočný stôl, 14 – platforma, 15 – hladina vody.

Pri obrábaní rotačných súčiastok možno určiť nasledovné závery:

WJM je vhodný najmä pri obrábaní zložitých tvarov rotačných súčiastok (kompozity, sklo, keramika atď.),

je vhodný pre hrubovacie operácie, pretože pri WJM vzniká hrubý povrch (následne je potreb­né dokončenie inou technológiou),

veľkosť abrazíva pôsobí viac na drsnosť ako na vlnitosť obrobenej plochy,

nedochádza k vzniku mikroštruktúrnej preme­ny a zmeny tvrdosti.

 

VŔTANIE AWJ

Pomocou AWJ lú­ča je táto technoló­gia perspektívna pri vŕtaní ťažko obrá­bateľných materiá­lov (keramika, sklo, niklové zliatiny). Poznáme niekoľ­ko spôsobov vŕta­nia otvorov. Najbež­nejším spôsobom je vŕtanie so stacio­nárnym lúčom a ob­robkom, vŕtanie po­mocou rotujúceho alebo vibrujúceho lúča so stacionárnym obrobkom, tzv. vyrezávanie stre­du otvoru (trepanácia).

 

FRÉZOVANIE AWJ

Používa sa pre tvarovo zložité súčiastky. Nej­de o delenie, ale o rezanie materiálu. Frézo­vanie vodným lúčom s prísadou abrazíva je proces, kde lúč niekoľkokrát prechádza po obrábanej ploche, až kým nevznikne požado­vaný tvar. Frézovanie AWJ lúčom nachádza svoje uplatnenie pri výrobe tvárniacich ná­strojov.

PRIEMYSELNÉ APLIKÁCIE VODNÉHO LÚČA

Rezanie materiálu vodným lúčom má v prie­mysle široké uplatnenie. Je výbornou alterna­tívou k tradičným formám delenia materiá­lov v prípadoch, keď nemôže dôjsť k žiadnym deformáciám materiálu spôsobeným rezom. Kombinácia vysokého tlaku vody s abrazívnym materiálom umožňuje rýchle a efektívne dele­nie, vyrezávanie, vŕtanie a vyvŕtavanie všetkých druhov materiálov.

Automobilový priemysel – delenie 3D súčiastok (karosérie, nárazníky, prístrojové dosky, opier­ky hlavy a rúk, čalúnenie a interiérové materi­ály na báze PVC), gumy, kobercov, keramických materiálov, tesnenia a iných mechanických sú­čiastok.

Chemický priemysel – obrábanie výbušných lá­tok, plastických hmôt, ťažko obrábateľných ma­teriálov, kompozitov.

Strojársky priemysel – výroba metalografických vzoriek, obrábanie rotačných súčiastok, čiste­nie povrchov, sústruženie, frézovanie.

Elektrotechnický priemysel – delenie plošných spojov, elektroizolačných materiálov, skla, kera­miky.

Papierenský priemysel – delenie papiera, buniči­ny, novinového papiera.

Mobilné aplikácie – delenie

• delenie železobetónu do hrúbky 600 mm, vrátane oceľovej výstuže

• delenie oceľových nádob a potrubí

• vyrezávanie otvorov do oceľových nádob a betónových konštrukcií

Mobilné aplikácie– úpravy povrchu

• odstraňovanie hrdze a farieb z oceľových konštrukcií

• odstraňovanie farieb a ochranných náterov z betónových konštrukcií

• čistenie povrchov – fasády, omietky, studne, kultúrne pamiatky

Mobilné aplikácie– hydro – demolácie

• odstraňovanie narušeného betónu a očisťo­vanie armatúr od hĺbkovej korózie v rámci prípravných prác pre sanáciu

• odstraňovanie plastbetónu až na zdravý podklad

Mobilné aplikácie– technologické čistenie

• čistenie chladičov a filtrov

• čistenie prevádzok v sladovniach, v mä­sopriemysle

• čistenie lakovní – odstraňovanie nánosov fa­rieb

• čistenie tepelných elektrárenských výmen­níkov

 

TRENDY V OBRÁBANÍ VODNÝM LÚČOM

Obrábanie vodným lúčom poskytuje veľa výhod, a preto je táto technológia predmetom skúma­nia a vývoja nových aplikácií a spôsobov využitia. Najnovšie bola vyvinutá technológia obrábania 3D vodným lúčom, ktorá je schopná rezať mate­riály v trojdimenzionálnom priestore. Tieto stro­je sú schopné rezať materiál vo všetkých smeroch a nie sú obmedzené iba na tradičné, dvojdimen­zionálne vnímanie priestoru (priame rezy zho­ra nadol). Ak sa spojí presnosť a precíznosť stro­jov využívajúcich vodný lúč so spomínanými 3D schopnosťami, výsledkom je jednoduchá a kom­plexná aplikácia bez obmedzení. 3D stroje ponú­kajú rezanie pod uhlom, kde sa nachádzajú trys­kové prúdy. To umožňuje pripraviť širšiu škálu produktov a tiež odstrániť ďalšie kroky, ktoré boli potrebné pri tradičnej úprave okrajov (zra­zenie, zošikmenie). Pokročilé 3D vodné rezacie prístroje obvykle pracujú vo viacerých osiach, čo im umožňuje pohybovať sa do rôznych miest pod príslušným uhlom. Toto umožňuje nie len vyrezávať ploché materiály s požadovaným sko­sením, ale aj vyrezávať materiály s komplikova­ným a členitým tvarom.

Vodný lúč ponúka veľké množstvo výhod v po­rovnaní s inými metódami rezania. Nevzniká tepelné ani chemické poškodenie materiálu, vysoká presnosť a precíznosť, schopnosť rezať akýkoľvek materiál a iné. Spomínané výhody 3D rezania vodnými tryskami predstavujú jas­nú voľbu pre akékoľvek priemyselné alebo ko­merčné použitie.

 

TEXT/FOTO ING. ALENA VAJDOVÁ, PROF. ING. ANNA MIČIETOVÁ, PHD., ŽU V ŽILINE, SJF, KATEDRA OBRÁBANIA A VÝROBNEJ TECHNIKY