Vplyv faktorov pulzujúceho vodného prúdu na dezintegráciu nehrdzavejúcej ocele AISI 304

Z tohto dôvodu vznikli aj modifikácie abrazívneho a pulzujúceho vodného prúdu, ktoré nadväzujú na klasické kontinuálne prúdenie. Pri pulzujúcom vodnom prúde (ďalej len PWJ) je účinnosť prúdu zvyšovaná generáciou pulzov pomocou ultrazvuku. Prúd vody z dýzy vystupuje najprv ako kontinuálny a až neskôr, v určitej dĺžke, sa začína formovať do jednotlivých zhlukov kvapaliny. Materiál následne rozrušujú jednotlivé rázové dopady zhlukov vody s vysokou kinetickou energiou. Oblasť delenia nehrdzavejúcej ocele pulzujúcim vodným prúdom doteraz nie je predmetom takmer žiadnych vedeckých prác, preto cieľom prezentovaného výskumu je hodnotenie vplyvu technologických faktorov na efektívnosť dezintegrácie materiálu pri meniacej sa hodnote tlaku, rýchlosti posuvu, priemere dýzy a hľadanie optimálneho nastavenia všetkých technologických faktorov na dosiahnutie maximálnej eróznej účinnosti PWJ. Hodnotenie eróznych účinkov a hmotnostného materiálového úbytku je významné predovšetkým pri zabezpečovaní požadovanej mikrogeometrie a čistoty povrchu a pri vytváraní vhodných podmienok priľnavosti nových vrstiev. Potenciál využitia týchto poznatkov je v automobilovom a strojárskom priemysle. Experimentálne skúmanie popisované v tomto článku predstavuje prvotný experiment, zameraný na hodnotenie maximálnej eróznej účinnosti PWJ na kovové materiály pri použití kruhovej dýzy. Zvoleným experimentálnym materiálom bola nehrdzavejúca oceľ AISI 304. Experimenty boli vykonané za spolupráce Fakulty výrobných technológií v Prešove s Ústavom geoniky AV ČR, v.v.i., v Ostrave – Porube.

SÚČASNÝ STAV
Technológia delenia PWJ je doposiaľ predmetom malého množstva výskumných prác a neustále sa vyvíja. Ultrazvukovou moduláciou prúdu, vytváraného vibrujúcim hrotom ultrazvukového nástroja umiestneného vo vnútri dýzy, sa venovalo niekoľko autorov. Najvýznamnejšími súčasnými autormi zaoberajúcimi sa ultrazvukovou moduláciou prúdu a účinkami vyvolanými dopadom PWJ na materiál sú Foldyna [6 – 14], Klich [15, 16] a Sitek [17] z Ústavu Geoniky AV ČR, v.v.i., v Ostrave, ktorí intenzívne skúmajú možnosti využitia technológie v rôznych, nielen v premyslených oblastiach. Pozornosť autorov je v experimentálnym skúmaní zameraná hlavne na proces a princíp objemového úbytku materiálu vodným prúdom s generovanými pulzmi.
Doteraz známe možnosti využitia PWJ v praxi sú v strojárskom priemysle pri spevňovaní povrchov, odstraňovaní okují a ako náhrada pieskovania a guľôčkovania (spevňovanie oceľového povrchu oceľovými guľôčkami/ brokmi) materiálov. V automobilovom priemysle sa uvažuje o aplikácii PWJ pri odstraňovaní drsných okrajov po obrábaní vnútorných priestorov blokov valcov motorov. V stavebníctve je možné využívať PWJ na odstraňovanie vrstiev betónu, pri sanáciách betónových konštrukcií a na prípravu povrchov pred nanášaním krycích materiálov. Veľký potenciál má PWJ aj pri čistení a odstraňovaní povrchových vrstiev a nánosov (napríklad v lodeniciach), pri čistení trupov lodí, alebo v potravinárskom priemysle. Pulzujúci prúd môže byť použitý aj na plošnú úpravu povrchu okrasného kameňa, pretože dokáže povrch kameňa zdrsniť a zároveň zachovať jeho estetické vlastnosti.

MATERIÁL A METÓDY PRÁCE, EXPERIMENTÁLNE PODMIENKY
Experimentálnym materiálom bola nehrdzavejúca oceľ s označením AISI 304. Pri tomto type ocele ide o materiál s vysokou odolnosťou voči korózii. Vďaka nízkemu obsahu uhlíka má dobrú obrobiteľnosť a kujnosť. Používa sa v prípadoch, keď je materiál vystavený deformácii s veľkým tepelným zaťažením a svoje využitie nachádza v strojárskom a nukleárnom priemysle, v architektúre, v dopravných zariadeniach, v potravinárskom, farmaceutickom a kozmetickom priemysle, pri stavbe chemických prístrojov a motorových vozidiel, pri výrobe chirurgických nástrojov, umeleckých predmetov a zariadení pre domácnosť Novel, s. r. o.: Materiálové normy [online]. 2011. [cit. 2014-11-14].

Technologická zostava sa skladala z 2D XY stola na delenie s označením PTV WJ2020-2Z-1xPJ, deliacej hlavice (obr. 1), špeciálne pre tento experiment navrhnutého prípravku (obr. 1), kruhových dýz StoneAge so zvolenými ekvivalentnými priemermi, hydraulického vysokotlakového čerpadla Hammelmann HDP 253 (max. prevádzkový tlak 160 MPa, maxi-málny prietok 67 l.min-1), ultrazvukového zariadenia Ecoson WJ-UG 630- 40, pomocou ktorého prebiehalo generovanie pulzácií a robota ABB IRB 6640 – 180//2.55 na manipuláciu s deliacou hlavicou.
Experimentálne skúmanie bolo zamerané na meniace sa faktory tlaku p, priemeru dýzy d a rýchlosti posuvu v. Konštantnými hodnotami bol výkon P a frekvencia f. Amplitúda A a výška zdvihu dýzy od materiálu z boli nastavované v závislosti od hodnoty výkonu a frekvencie s ohľadom na dosiahnutie maximálnej hodnoty hmotnostného úbytku (tab. 1).
Bol vykonaný plánovaný centrálny kompozičný päťúrovňový experiment so zmenou troch faktorov: tlaku p, priemeru dýzy d a rýchlosti posuvu v. Pri tomto type experimentu je možné s menším počtom meraní a vzoriek dosiahnuť výsledky adekvátne úplnému faktoriálovemu experimentu. Hodnoty premenných sa pri centrálnom kompozičnom experimente volia s ohľadom na strednú hodnotu faktora. V tomto prípade bola voľba strednej hodnoty premenných nasledujúca: p = 50 MPa, d = 1,321 mm a v = 0,8 mm/s. Pri tvorbe päťúrovňového centrálneho kompozičného experimentu sa k stredovým hodnotám pripočítali a odpočítali hodnoty v rozmedzí ±1 a ±1,673-krát zvolené rozmedzie. Hodnoty sú uvedené v tab. 1.

Experimentálne vzorky mali obdĺžnikový tvar a dezintegrácia sa uskutočnila spolu na 85 vzorkách, ktoré sa do prípravku upínali v jednotlivých sériách po 5 kusov (obr. 1). Vzorky boli dezintegrované PWJ pri kombinácii zvolených faktorov pre danú sériu. Spolu bolo uskutočnených 17 dezintegračných prechodov PWJ cez materiál. Všetkých 85 vzoriek bolo pred a po dezintegrácii odvážených na stolovej váhe a z výsledných hodnôt v jednotlivých sériách sa vypočítala priemerná hodnota úbytku (obr. 2 ľavý dolný roh vzoriek). Na reprezentatívnu ukážku jednotlivých meraní sa zvolilo 17 vzoriek (obr. 2), pričom každá zobrazená vzorka predstavuje strednú vzorku série.

VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUSIA
Hlavným cieľom experimentálneho skúmania bolo hodnotenie maximálnej eróznej účinnosti PWJ, teda maximálneho hmotnostného materiálového úbytku, zo vzoriek nehrdzavejúcej ocele AISI 304 pri zvolených premenných.

Pri porovnaní hmotností jednotlivých vzoriek uvedených na obr. 2 je možné určiť najvyššie a najnižšie hodnoty hmotnostného materiálového úbytku. Najvyššie hodnoty (obr. 2 – červená farba) boli namerané pri tlaku 67; 60 a 50 MPa, pri priemere dýz 1,575 a 1,321 mm a pri rýchlosti posuvu 1,1; 0,8 a 0,5 mm/s. Naopak, najnižšie hodnoty hmotnostného úbytku (obr. 2 – modrá farba) vykazovali vzorky pri tlaku 33 a 40 MPa, pri priemere dýz 1,067 a 1,321 mm a pri rýchlosti posuvu 0,8 a 1,1 mm/s.
Namerané hodnoty naznačujú, že pri kombinácii sledovaných faktorov sa pri zvyšujúcom sa tlaku, väčšom priemere dýzy a s nižšou hodnotou rýchlosti posuvu, zvyšuje hmotnostný materiálový úbytok nehrdzavejúcej ocele AISI 304. Na overenie tejto skutočnosti slúžia aj obr. 3, 4 a 5, kde sú graficky znázornené hodnoty materiálového úbytku pri interakcii dvoch premenných faktorov a konštantnej strednej hodnote tretieho faktora. Farebná škála zobrazuje meniace sa hodnoty hmotnostného materiálového úbytku.

Grafické znázornenie na obr. 3 ilustruje meniace sa hodnoty pri interakcii tlaku, priemeru dýzy a strednej hodnoty rýchlosti posuvu 0,8 mm/s. Z grafu je jednoznačné, že pri danej kombinácii faktorov sa najvyššie hodnoty materiálového úbytku pohybujú pri tlaku nad 60 MPa a priemere dýzy ± 1,575 mm. Naopak, rozptyl najnižších hodnôt je podľa obr. 3 v oblasti, kde bol pri všetkých dýzach použitý nižší tlak.
Grafické znázornenie na obr. 4 prezentuje hodnoty hmotnostného úbytku pri interakcii rýchlosti posuvu a priemeru dýzy s konštantnou hodnotou tlaku 50 MPa. Podobne, ako v predchádzajúcom grafe (obr. 3), aj tu sa najvyššie namerané hodnoty pohybujú tesne pri najväčšom hodnote priemeru dýzy 1,753 mm/s. Na dezintegráciu väčšej hmotnosti materiálu je však potrebné zvoliť rýchlosť posuvu v nižších hodnotách.
Z posledného znázornenia vzťahu medzi premennými, rýchlosť posuvu a tlak pri konštantnom priemere dýzy 1,321 mm sú najvyššie hodnoty dosiahnuté pri tlaku približne 67 MPa a rýchlosti posuvu 0,3 mm/s, čo potvrdzujú aj predchádzajúce grafické znázornenia na obr. 3 a 4.

ZÁVER
Z prezentovaných zistení vyplýva jednoznačný záver, že pri rastúcej hodnote tlaku, väčšom priemere dýzy a nižšej hodnote rýchlosti posuvu stúpa maximálna hodnota hmotnostného materiálového úbytku pri dezintegrácii nehrdzavejúcej ocele AISI 304 pulzujúcim vodným prúdom.
V ďalšom pokračovaní experimentálneho skúmania bude pozornosť venovaná dezintegrácii ďalších kovových materiálov, pri ktorých bude analyzovaná aj topografia vzniknutých povrchov. Experimentálne podmienky budú totožné s podmienkami prezentovanými v tejto časti štúdie a hodnotená bude maximálna erózna účinnosť PWJ vzhľadom na technologické možnosti dezintegrácie. Z nameraných hodnôt materiálového úbytku sa v poslednej časti experimentálneho skúmania určia regresné koeficienty a vytvorí sa základný matematický model procesu úbytku pri jednotlivých kovových materiáloch. Použiteľnosť vytvoreného modelu bude overená náhodnými opakovanými experimentmi.

TEXT/FOTO ING. DOMINIKA LEHOCKÁ¹⁾ A KOL.
Ďalší spoluautori: Ing, Jiří Klich², Ing. Josef Foldyna², CSc., Doc. Ing. Sergej Hloch^1,2, PhD., Ing. Michal Zeleňák², Ph.D., Ing. Ján Cárach¹, Ing. Matej Šomšák¹
1) Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií v Prešove, Byerova 1, Prešov, SR
2) Ústav geoniky, AV ČR, V. V. I., Studentská 1768, Ostrava-Poruba, ČR

Poďakovanie
Táto práca je podporovaná slovenskou agentúrou pre výskum a vývoj na základe zmluvy č. APVV-207-12.
Uskutočnený experiment, bol vykonaný aj v rámci podpory Institutu čistých technologií těžby a užití energetických surovin reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0082 podporovaného operačným programom pre vedu a výskum, financovaným zo štrukturálnych fondov EU a štátneho rozpočtu Českej Republiky s podporou pre dlhodobý koncepčný rozvoj výskumnej inštitúcie RVO:68145535.

LITERATÚRA
[1] PUCHALA, R. J.; VIJAY, M. M.: Study of an ultrasonically generated cavitating or interupted jet: Aspect of design In: Proceedings of the 7th International Symposium on Jet Cutting Technology. Cranfield, Badford, Anglicko: BHRA, 1984, pp. 69 – 82.
[2] VIJAY, M. M.: Ultrasonically generated cavitating or interrupted jet, 1992. U. S. Patent No. 5, 154, 347.
[3] VIJAY, M. M.; FOLDYNA, J.: Ultrasonically Modulated Pulsed Jets: Basic Study. In: Proceeding of the 12th International Conference on Jet Cutting Technology. Rouen, Francúzsko, 1994.
[4] VIJAY, M. M.; FOLDYNA, J.; REMISZ, J.: Ultrasonic Modulation of High-Speed Water Jets. In. Geomechanics 93 (Proceedings of the In¬ternational Conference Geomechanics 93, Hradec/Ostrava, Česká republika , 28. – 30. September 1993), Rotterdam, Holandsko: Editor A. A. Balkema Publisher, 1994 a, s. 327 – 332.
[5] VIJAY, M. M.; REMISZ, J.; FOLDYNA, J.; GRATTAN-BELLEW, P. E.: Preweakening of Hard Rocks with Ultrasonically Modulated High Speed Pulsed Jets. In. Preceedings of the 12th International Conference on Jet Cutting Technology. Rouen, Francúzsko, 1994 b.
[6] FOLDYNA, J.; SITEK, L.; SVEHLA, B.; SVEHLA, S.: Utilization of ultrasound to enhance high-speed water jet effects. In: Ultrasonics So¬nochemistry, roč. 11, 2004, č. 3 – 4, s. 131 – 137.
[6] FOLDYNA, J.: Ultrazvuková modulace vysokorychlostních vodních paprsků. Dizertačná práca. Ostrava: Akademie věd České republiky Ústav geoniky Ostrava, 1996. 67 s.
[7] FOLDYNA, J.; ŠVEHLA, B.: Method of generation of pressure pulsations and apparatus for implementation of this method, 2008 Czech patent, No 299 412
[8] FOLDYNA, J.; et al.: Effects of pulsating water jet impact on aluminium surface. In: Journal of Material Processing Technology, 2009, 209, 6175-6180.
[9] FOLDYNA, J.; ŘÍHA, Z.; SITEK, L.; ŠVEHLA, B.: Simulace přenosu tlakových pulsací vysokotlakým systémem. In: Sborník Konference ANSYSYS 2007. Část I. – CFD/FSI. Praha – Průhonice: TechSoft Engineering, spol. s r. o., Praha, 2007. s. 157 – 163. ISBN 978-80-239- 9450-6.
[10] FOLDYNA, J.: Use of Acoustic Waves for Pulsating Water Jet Generation [online]. 2011. [cit. 2014-03-05]. Dostupné na internete: .
[1] FOLDYNA, J.; SITEK, L.; HABAN, V.: Acoustic wave propagation in high-pressure system In: Ultrasonics. 2006, č. 44, s. E1457–E1460.
[11] FOLDYNA, J.; et al.: Erosion of metals by pulsating water jet. In: Technical Gazette, roč. 2, 2012, č. 19, s. 381 – 386. ISSN 1330-3651.
[12] FOLDYNA, J.: Pulsující vodní paprsek – technologie budoucnosti? [online]. Vesmír, spol. s. r. o., 2013. [cit. 2014-05-05]. Dostupné na internete:.
[13] KLICH, J.: Účinky pulsujíciho vodního paprsku na materiál s různě modifikovaným povrchem. In: Ph.D. Workshop 2013 Proceedings. Ostrava: Ústav geoniky AV ČR, v. v. i., 2013, s. 11.
[14] KLICH, J.; KLICHOVÁ, D.; HLAVÁČEK, P.: Effects of pulsating water jet on materials with variously modifed surface. In: Sitek, L., et al.: Water Jet 2013 – Research, Development, Applications. Ostrava: Ústav geoniky AV ČR, v. v. i., 2013, s. 103 – 110.
[15] SITEK, L.; FOLDYNA, J.; ŠVEHLA, B.: Vodní parpsek ve strojírenství. Strojárstvo, roč. 8, 2004, č. 5, s. 100 – 101. ISSN 1335-2938.
[16] Novel, s. r. o.: Materiálové normy [online]. 2011. [cit. 2014-11-14]. Dostupné na internete:< http://www.novel.sk/materialove-normy/>