0

Článok približuje technológiu hydroabrazívneho sústruženia obrobku pieskovca. Vizuálne porovnanie obrobeného povrchu bolo vykonané pre spôsob súbežného a protibežného sústruženia. Experiment bol vykonaný na 2D deliacom stole so špeciálnou hlavicou s použitím kontinuálneho abrazívneho vodného prúdu s tlakom 400 MPa a zariadením pre rotáciu obrobku. Frekvencia rotácie obrobku bola nastavená rovnako pre obe metódy, pri postupne zmenšovanej rýchlosti posuvu.

Konkurenčný boj vyvoláva potrebu zavádzania nových technológií v procese výroby, optimalizácie a racionalizácie výrobných postupov. Dôležitú súčasť dnešnej doby predstavuje aj zavádzanie ekologických a ekonomických metód, výhodou ktorých je skrátenie výrobných časov, efektívne využívanie energií a materiálov, ako aj bezpečnosť obsluhy. Obrábanie materiálov so špeciálnymi vlastnosťami, materiálov vysoko pevných a tvrdých, vytvára priestor pre neustály výskum a hľadanie nových spôsobov pre kvalitné, hospodárne a bezpečné opracovanie týchto materiálov bez, alebo so znížením potreby dokončovacích operácií. Technológia abrazívneho sústruženia ponúka alternatívu pre využitie univerzálneho nástroja bez tepelne ovplyvnenej zóny a s relatívne malou reznou silou pre zavedenie tejto metódy do bežnej praxe a nahradenie konvenčných spôsobov obrábania. Je však potrebné skúmať vplyv technologických faktorov vplývajúcich na úber materiálu a na kvalitatívne parametre obrobeného povrchu.

Výskum a využitie technológie hydroabrazívneho sústruženia

Obrábanie abrazívnym vodným prúdom (AWJ) nachádza nové uplatnenie v rôznych oblastiach priemyslu, či už v podobe samostatného univerzálneho nástroja (sústruženie, frézovanie, výroba otvorov, závitov) alebo ako asistenčný člen pre zlepšenie daného procesu obrábania. Autor Axinte et al. [6] skúmal využitie sústruženia abrazívnym vodným prúdom pre obrábanie presných tvarových brúsnych kotúčov v súvislosti s tvarovými charakteristikami a zmenou technologických parametrov vplývajúcich na úber materiálu. Autor Li et al. [7] skúmal vplyv technologických faktorov pri obrábaní vysoko pevnej ocele a spôsobu súbežného sústruženia abrazívnym vodným prúdom pri rôznych uhloch nastavenia fokusačnej trubice. Autori Zhong a Han [5] po štúdiu vplyvu technologických faktorov pri hydroabrazívnom sústružení skla na kvalitu povrchu uvádzajú, že nižšia rýchlosť posuvu abrazívneho vodného prúdu a vyššie otáčky obrobku vykazujú zníženie drsnosti a vlnitosti povrchu obrobenej plochy. Autor Uhlmann et al. [8] skúmal vplyv technologických faktorov na drsnosť povrchu hliníkovej zliatiny v porovnaní s konvenčným spôsobom sústruženia. Technológia hydroabrazívneho delenia predstavuje proces odoberania objemu materiálu pomocou vysokorýchlostného vodného prúdu, v ktorom sú rozptýlené čiastočky abrazíva. Ten sa vytvára v rezacej hlavici, kde sa z vysokotlakového prúdu mení na prúd s veľkou rýchlosťou (1 000 m.s-1). Vysokotlakový prúd prechádza vodnou dýzou cez zmiešavaciu komoru, v ktorej sa doňho pridávajú abrazívne častice usmerňované prechodom fokusačnej trubice – zaostrovacej dýzy. [1] Obrobok upnutý v skľučovadle vykonáva hlavný rotačný pohyb a nástroj vykonáva translačný pohyb. K odstraňovaniu materiálu pri hydroabrazívnom sústružení dochádza pri interakcii pevných abrazívnych zŕn unášaných veľkou rýchlosťou vodným prúdom a otáčajúcim sa povrchom obrobku. Ide o mikroerózny proces, pomocou ktorého dochádza k tvorbe plytkých drážok (obr. 1). [2]

 1
Obr. 1.: Úber materiálu abrazívnou časticou


Metóda súbežného a protibežného sústruženia vodným prúdom

Pri súbežnom sústružení vykonáva obrobok rotačný pohyb v zmysle otáčania v smere abrazívneho vodného prúdu (obr. 2). Naopak, pri protibežnom sústružení obrobok vykonáva rotačný pohyb proti smeru abrazívneho vodného prúdu (obr. 3).

Experiment:

Sústruženie pieskovca súbežným a protibežným spôsobom pri použití kontinuálneho abrazívneho vodného prúdu. Pri realizácii experimentu bol ako obrobok použitý polotovar kruhovej tyče materiálu pieskovca s priemerom 50 mm. Experiment bol vykonaný na 2D X-Y deliacom stole PTV WJ2020-2Z-1xPJ so špeciálnou hlavicou a s použitím kontinuálneho abrazívneho vodného prúdu s tlakom 400 MPa a so zariadením pre rotáciu obrobku. [4]

2 
 Obr. 2.: Princíp súbežného abrazívneho sústruženia


Nastavenie technologických parametrov udáva tabuľka (tab. 1). Hodnoty technologických parametrov sústruženia hydroabrazívnym prúdom boli nastavené pre obidva spôsoby rovnako. Menila sa iba hodnota rýchlosti posuvu nástroja a smer rotácie obrobku pieskovca. Obrobok pieskovca bol upnutý medzi čeľusťami otočného vretena. Ako abrazívum bol použitý prírodný granát.

 3
 Obr. 3.: Princíp protibežného abrazívneho sústruženia


Nastavenie technologických parametrov bolo pre súbežný aj protibežný spôsob sústruženia rovnaké, menila sa iba hodnota rýchlosti posuvu abrazívneho vodného prúdu (tab. 2.).

4 
 Tab. 1.: Technologické nastavenie experimentu

 

5 
 Obr. 4.: Technologické zariadenie (SNOP) pri realizácii experimentu

 

 6
 Obr. 5.: Úber materiálu AWJ sústružením pieskovca

 

 7
 Tab. 2.: Hodnoty technologických faktorov

 

Vizuálne porovnanie povrchu pieskovca pri súbežnom a protibežnom sústružení AWJ

Porovnanie súbežného a protibežného spôsobu sústruženia prebehlo na úsekoch A, B a C s rovnakými hodnotami rýchlostí posuvov (obr. 6).

8 
 Obr. 6.: Úseky pre porovnanie vzoriek súbežného a protibežného sústruženia pomocou AWJ


Pre kvalitnejšie vizuálne porovnanie úsekov rovnakých rýchlostí posuvu nástroja boli vykonané detailné zobrazenia (obr. 7, 8, 9), na ktorých možno vidieť obrobené plochy pieskovca pre súbežné a protibežné sústruženie.

9 
Obr. 7a.: Detail úseku A pri rýchlosti posuvu 60 mm.min-1

 

10 
 Obr. 7b.: Detail úseku B pri rýchlosti posuvu 30 mm.min-1

 

11 
 Obr. 7c.: Detail úseku C pri rýchlosti posuvu 10 mm.min-1

 

Možno vidieť (obr. 7), že pri súbežnom spôsobe rotácie obrobku dochádzalo k pomerne rovnomernému úberu materiálu pieskovca. AWJ vytváral približne rovnobežné línie a vlnitosť obrobeného povrchu; naopak pri protibežnom spôsobe rotácie vznikali nerovnomerné línie rôznej vlnitosti. Pri zmene rýchlosti posuvu zo 60 mm.min-1 na 30 mm.min-1 (obr. 8) vidieť pri súbežnom spôsobe sústruženia rovnomernejšie obrobený povrch pieskovca ako pri protibežnom spôsobe. Zníženie rýchlosti posuvu malo vplyv aj na vlnitosť povrchu. Pri najnižšej rýchlosti posuvu (obr. 9) je kvalita obrobeného povrchu pieskovca na úrovni najmenšej vlnitosti. Súbežný spôsob sústruženia vykazuje miernejšie prechody pri pohybe AWJ ako pri protibežnom spôsobe sústruženia pieskovca.

Vplyv technologických faktorov na proces sústruženia vodným prúdom

Kvalitatívne ukazovatele obrobenej plochy ovplyvňuje veľa faktorov, či už technologických, hydraulických, zmiešavacích alebo abrazívnych. Najčastejšie ide o:

  • Rýchlosť posuvu – čím je jej hodnota vyššia, tým menej abrazívnych častíc prichádza do kontaktu s odrábaným materiálom v danom časovom úseku,
  • uhol sklonu a miesta dopadu AWJ – predstavuje uhol medzi osou AWJ a plochou obrobku, nastavenie uhla vplýva podľa novších štúdií na kvalitu obrobenej plochy,
  • zdvih – vzdialenosť medzi povrchom obrábaného materiálu a ústím zaostrovacej trubice,
  • počet prechodov – s vyšším počtom prechodov za rovnakých podmienok sa dosiahne aj vyššia hĺbka rezu. Prírastok hĺbky rezu sa však znižuje, lebo odpor stien bráni prenikaniu prúdu, a tým eróznej činnosti,
  • tlak – pri vyššej hodnote tlaku je možné použiť vyššie posuvové hodnoty a hĺbky rezu,
  • priemer vodnej dýzy – po prechode AWJ vodnou dýzou je do neho primiešavaný abrazívny materiál, ktoré spolu vstupujú do zaostrovacej trubice. Priemery vodnej a zaostovacej dýzy sú potrebné na určenie vhodnej kombinácie pre požadovanú výstupnú rýchlosť AWJ,
  • dĺžka a priemer zaostrovacej trubice – určujú schopnoť sfokusovať pridané abrazívum a vodný prúd presne do miesta rezu. Pri fokusácii dochádza k úbytku energie pri kontakte abrazívnych častíc a steny trubice,
  • abrazívum – vlastnosti použitého abrazíva vplývajú na rýchlosť úberu materiálu a aj na možnosť opakovateľnosti a recyklácie,
  • hmotnostný tok abrazíva – vyšší objem obsiahnutých častíc vo vodnom prúde dokáže zabezpečiť viac dopadov na obrábanú plochu. S prekročením optimálneho objemu abrazívnych častíc však klesá kinetická energia prúdu, lebo dochádza k vzájomným kolíziám a tým sa znižuje aj hĺbka rezu;
  • materiál obrobku – chemické a mechanické vlastnosti obrobku, [3]
  • rýchlosť a zmysel otáčania obrobku – faktory, ktoré ovplyvňujú vlnitosť a rovnomernosť odoberaného materiálu.

Zhodnotenie a možnosti budúceho výskumu

Vizuálnym porovnaním metód súbežného a protibežného sústruženia obrobku pieskovca s priemerom 50 mm hydroabrazívnym prúdom pri zvolených podmienkach experimentu možno konštatovať, že zmysel rotácie obrobku voči nástroju má vplyv na výslednú kvalitu obrobeného povrchu pieskovca. Vplyv rýchlosti posuvu AWJ ako ďalšieho faktora na výslednú kvalitu bol preukázaný aj vizuálnou metódou porovnania jednotlivých úsekov. Pre ďalší výskum obrábania pomocou hydroabrazívneho sústruženia pieskovca je potrebné skúmať aj vplyv ďalších faktorov, ako napríklad frekvencie rotácie obrobku, uhla nastavenia nástroja voči obrobku, počtu prechodov a rýchlosti posuvu. Sústruženie abrazívnym vodným prúdom predstavuje výhodnú metódu pre oblasť obrábania vysoko pevných, krehkých, ako aj materiálov so špeciálnymi vlastnosťami, z hľadiska efektívnosti procesu úberu materiálu a hospodárnosti technológie. Výskum by sa mal zaoberať aj možnosťami sústruženia nielen materiálu pieskovca, ale aj rôznych zliatin a ťažko obrábateľných materiálov. Je potrebné nastaviť proces tak, aby nepredstavoval iba predbežné opracovanie materiálu, ale aj možnosť obrobiť ho bez potrebného dokončovania inou technológiou, čo by malo kladný vplyv na hospodárnosť sústruženia abrazívnym vodným prúdom.

 

Zoznam použitej literatúry:

[1] HLOCH, S.; VALÍČEK, J.: Vplyv faktorov na topografiu povrchov vytvorených hydroabrazívnym delením, Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, Prešov, 2008, ISBN: 978- 80-553-0091-7
[2] MANU, R.; BABU, R. N.: An erosion-based model for abrasive waterjet turning of ductile materials. In: ScienceDirect, Wear 266 (2009) 1091 – 1097
[3] HLOCH, S.; VALÍČEK, J.; HREHA, P.; BEDNÁR, S.; PERŽEL, V.; LATOVÁ, A.: Online – Identifikácia hydroabrazívneho delenia pomocou akustickej emisie a vibrácií, Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove, Prešov, 2011, ISBN: 978-80-553-0698-8
[4] HLOCH, S. et al.: Disintegration of bone cement by continuous and pulsating water jet. In: Technical Gazette, May 2013, pp. 593 – 598
[5] ZOHOURKARI, I.; ZOHOOR, M.: An Eerosion-based Modeling of Abrasive Waterjet Turning. In: World Academy of Science, Engineering and Technology 38 2010.
[6] AXINTE et al.: Abrasive water jet turning – An efficien tmethod to profile and dress grinding wheels. In: International Journal of Machine Tools & Manufacture 49 (2009), pp. 351 – 356.
[7] LI et al.: An investigation into the radialmode abrasive waterjet turning process on high tensile steels. In: International Journalof Mechanical Sciences. May 2013.

TEXT/FOTO JÁN CÁRACH A KOL.,FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ TUKE SO SÍDLOM V PREŠOVE, ÚSTAV GEONIKY AV ČR, V. V. I., OSTRAVA