0

Použitie abrazívneho vysokotlakového vodného prúdu (AWJ) nachádza stále nové uplatnenie v rôznych aplikáciách delenia, čistenia, otryskávania a obrábania materiálov. Táto technológia sa začala komerčne využívať už v minulom storočí pri ťažení uhlia a rúd. Neskôr aj pri delení materiálov v rôznych oblastiach priemyslu a v poslednej dobe sa využíva pri obrábaní vysoko pevných a tvrdých materiálov a materiálov so špeciálnymi vlastnosťami.

 yužitie AWJ na sústruženie začal skúmať Hashish [1], neskôr prezentoval vplyv technologických faktorov na vzhľad a kvalitu obrobeného povrchu z makroskopického hľadiska [2]. Účinky AWJ na úber materiálov a vhodnosť tejto technológie z pohľadu nahradenia metódy klasického sústruženia riešil rad ďalších autorov [3], [4], [5], [6]. Obrábanie grafitových polotovarov predstavuje úber materiálu v podobe častíc veľmi malých rozmerov. Nedochádza tu k tvorbe triesky ako pri klasickom obrábaní nástrojom s definovanou reznou hranou, ale k tvorbe veľmi jemných prachových častíc. Tvorba prachových častíc a ich rozptyl do ovzdušia sú zapríčinené materiálovými vlastnosťami grafitu a technologickým nastavením pri obrábaní. Grafitové polotovary poskytujú vhodnejšiu alternatívu pri výrobe elektród pre elektroerozívne hĺbičky ako meď, preto sa grafit čoraz viac dostáva do popredia. Obrábanie grafitu však spôsobuje riziko zhoršenia kvality pracovného prostredia a nepriaznivý vplyv na ľudský organizmus. Pre ľudský organizmus je nebezpečný najmä pri vdychovaní respirabilných častíc kremeňa, ktoré spôsobujú silikózu. Samotný grafit je inertný. Dnes sa už na výrobu grafitových obrobkov využíva grafit syntetický, bez obsahu kremeňa. Grafitový prach je veľmi nebezpečný aj z pohľadu možnej výbušnosti a vyradenia elektrických zariadení, nakoľko veľmi jemný prach dokáže prenikať cez malé otvory a usadzovať sa na elektrických kontaktoch. Elektrická vodivosť grafitu môže spôsobiť elektrický skrat, a tým aj veľké problémy na danom zariadení. Na odvádzanie prachových častíc sa využívajú rôzne odsávacie a filtračné systémy, ktoré však nedokážu úplne eliminovať tento nepriaznivý vplyv. V súčasnosti využívanými filtrami sú tzv. HEPA filtre (High Efficiency Particulate Air). Využívajú sa taktiež metódy mokrých systémov odvádzania prachu v podobe pohlcovania prachu do kvapaliny [7]. Najvýznamnejším dôvodom, prečo treba nebezpečný grafitový prach bezpečne a efektívne odvádzať, je jeho výbušnosť. Nahromadený prach môže predstavovať nebezpečenstvo explózie pri určitých prevádzkových podmienkach, preto je dôležité venovať eliminácii prachových častíc veľkú pozornosť [8].

Testovanie

Pre experiment bol navrhnutý 3D model obrobku rotačného tvaru zobrazený na obr. 1. Obrázok znázorňuje orientačné kótovanie pre následné porovnanie s obrobenou vzorkou. Súčiastka obsahuje rotačné plochy s viacerými odstupňovanými priemermi, zrazením, vnútorným a vonkajším zaoblením a kužeľovou plochou.

1 
Obr. 1 3D model obrobku pre zhotovenie trajektórie zaostrovacej trubice sústavy AWJ

 

Na sústruženie bol použitý kontinuálny tangenciálny abrazívny vodný prúd a pneumatické skľučovadlo na upnutie obrobku (obr. 2A). Tabuľka 1 zobrazuje hodnoty technologických faktorov použitých pri experimente. Ich hodnota sa počas realizácie experimentu nemenila.

2 
Tab. 1 Experimentálne nastavenie technologických faktorov AWJ

 

Na experiment bol použitý polotovar kruhovej tyče grafitu EDM-3 s priemerom 20 mm. Do vysokorýchlostného kontinuálneho vodného prúdu boli pridávané abrazívne častice austrálskeho granátu so zrnitosťou 80 MESH. Proces sústruženia prebiehal na zariadení na konvenčné delenie plošných materiálov s využitím 2D X-Y rezacieho stola PTV WJ2020- 2Z-1xPJ. Na rotáciu obrobku bolo použité prídavné zariadenie, zložené z pneumatického skľučovadla od firmy a elektromotora na zabezpečenie požadovaných otáčok skľučovadla. Otáčky obrobku boli nastavené na hodnotu n = 34 rpm. Požadovaný tlak vody bol generovaný pomocou pumpy PTV 75 – 60 s dvoma násobičmi tlaku (pumpa umožňuje operačný tlak 40 ÷ 415 MPa a max. prietok vody 7,8 l/min).

3 
Obr. 2A Proces sústruženia grafitu pomocou AWJ
Obr. 2B Detail úberu materiálu

 

Meranie kruhovitosti

Meranie kruhovitosti a hodnôt priemerov obrobených plôch bolo realizované pomocou dotykovej sondy mechanického meracieho zariadenia (obr. 3A). Kruhovitosť predstavuje geometrickú odchýlku tvaru obrobku, ktorá sa porovnáva s toleranciou kruhovitosti predpísanou na výrobnom výkrese súčiastky. Kruhovitosť teda popisuje profil obrobeného povrchu v danom priereze obrobku (obr. 3B). Zmerané hodnoty priemerov jednotlivých obrobených častí obrobku po AWJ sústružení sú uvedené na obr. 4A. Obr. 4B zobrazuje výsledky merania kruhovitosti prierezu jednotlivých obrobených častí obrobku.

4 
Obr. 3 Meranie kruhovitosti dotykovou sondou obrobených plôch grafitu

 

Zhodnotenie

Na základe dosiahnutých hodnôt priemerov možno usúdiť, že nastavenie počiatočného kontaktu vodného prúdu s povrchom obrobku bolo veľmi presné. Pre prax je však potrebné vykonať prvý prechod sústruženia s materiálovým prídavkom na dokončenie, zmerať požadovaný priemer obrobku, nastaviť potrebnú korekciu trajektórie zaostrovacej trubice sústavy AWJ a sústruženie zopakovať. Veľká hodnota kruhovitosti bola spôsobená nepresnosťami v upínaní dodatočného prípravku skľučovadla, nakoľko vysokú hodnotu vykazuje aj neobrobená časť vzorky – pozícia 5 (obr. 4A). Navyše, hodnoty kruhovitosti obrobených plôch dosahujú vyššie hodnoty ako neobrobená časť, čo bolo spôsobené nerovnomerným úberom materiálu hydroabrazívnym prúdom, pretože so vzrastajúcou výškou od ústia zaostrovacej trubice dochádza k rozširovaniu hydroabrazívneho prúdu.

5 
Obr. 4A Hodnoty priemerov jednotlivých obrobených častí obrobku
Obr. 4B Hodnoty kruhovitosti jednotlivých obrobených častí obrobku

 

Počas sústruženia nevznikal žiadny viditeľný prach, takže možno konštatovať, že abrazívny vodný prúd neplnil iba funkciu „pracovného nástroja“, ale taktiež pohlcoval odoberaný materiál do priestoru pracovnej vane. Namerané hodnoty priemerov v porovnaní s navrhnutým 3D modelom nedosahujú veľké odchýlky, preto by sa tento spôsob mohol aplikovať na obrábanie nebezpečných materiálov v hrubovacích operáciách s následným dokončovaním tvaru. Na obrobok počas experimentu pôsobila pomerne malá pracovná sila, vďaka čomu nedošlo k odlomeniu koncovej časti polotovaru (obr. 2B). V porovnaní s nástrojom s definovaným rezným klinom možno konštatovať, že AWJ sústruženie zatiaľ nedosahuje vysoké presnosti. Výsledky experimentu ale priniesli pozitívne závery z pohľadu eliminácie tvorby a rozptylu nebezpečných prachových častíc do ovzdušia a preto bude výskum v tejto oblasti zaujímavý, nakoľko v súčasnosti už dokážeme vytvárať abrazívny vodný prúd s podstatne nižším priemerom, ako bol použitý pri experimente.

 

Literatúra:
[1] HASHISH, M.: 1987. Turning with Abrasive-Waterjets – A First Investigation, ASME Transactions, Journal of Engineering for Industry, 109 (4), pp. 281 – 296.
[2] HASHISH, M.: 2001. Macro characteristics of AWJ turned surfaces. American Waterjet Conference, Minneapolis, Minnesota, 2001, WJTA, pp. 45 – 58.
[3] ZHONG, Z. W.; HAN, Z. Z.: 2002. Turning of glass with abrasive waterjet. Materials and Manufacturing Processes Vol. 17, No. 3/2002, pp. 339 – 349.
[4] HLAVÁČ, L. M.; PALIČKA, P.: 2006. Testing of parameters for turning by abrasive water jets. 18th Int. Conf. on Water Jetting, Gdansk, Poland, BHR Group, pp. 123 – 128.
[5] SITEK, L. Turning by high-speed abrasive water jet – our experiences (in Czech). In: Sitek (ed.), Proceedings of the Int. Conf. Vodní paprsek/Water Jet 2009, ÚGN 2009, pp. 160 – 169, ISBN 978-80-86407-81-4.
[6] AXINTE, A. D., et al.: Abrasive waterjet turning– An efficient method to profile and dress grinding wheels. In: International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 49, Issues 3-4, March 2009, pp. 351 – 356.
[7] MERCEL, J.: How to Deal with Graphite Dust, Part 1., A review of the characteristics and considerations when handling graphite dust. In: MoldMaking Technology, 2012 (June 1) Available 3. 6. 2014 FTP: http://www.moldmakingtechnology.com/articles/how-to-dealwith-graphite-dust-part-1.
[8] MERCEL, J.: How to Deal with Graphite Dust, Part 2., A review of the explosive potential of graphite dust and how to dispose of remnants that may be accumulating around the shop. In: MoldMaking Technology, 2012 (August 1) Available 3. 6. 2014 FTP: http://www.moldmakingtechnology.com/articles/how-to-dealwith-graphite-dust-part-2.

TEXT/FOTO JÁN CÁRACH1 A KOL.