Technológia delenia rôznych typov materiálov vodným prúdom má viacero modifikácii. Základom je kontinuálny prúd kvapaliny, na ktorý nadväzujú modifikácie abrazívneho a pulzujúceho vodného prúdu. Pri pulzujúcom vodnom prúde (ďalej len PWJ) je účinnosť prúdu zvyšovaná generáciou pulzov.

Prúd vody z dýzy vystupuje najprv ako kontinuálny a až neskôr sa začína formovať do jednotlivých zhlukov kvapaliny. Materi­ál následne rozrušujú jednotlivé kvapky vody s vysokou kine­tickou energiou. Oblasť delenia medi a medených zliatin PWJ doteraz nie je predmetom takmer žiadnych vedeckých prác, preto cieľom prezento­vaného výskumu bolo experimentálne pozorovanie topografie povrchu drážok vytvorených v experimentálnom materiáli dezintegráciou PWJ. Hlavným cieľom výskumu bolo porovnanie priemernej drsnosti drážok Ra, Rq, Rz a hodnotenie vplyvu tvrdosti a pevnosti v ťahu na výslednú priemernú drsnosť jednotlivých drážok v medi, mosadzi a bronze. Hod­notenie topografie povrchu, popisované v tomto článku, je významné hlavne pri zabezpečovaní požadovanej mikrogeometrie a čistoty po­vrchu, pri vytváraní vhodných podmienok priľnavosti nových vrstiev a pri zlepšovaní mechanických vlastností povrchov. Potenciál využitia týchto poznatkov je v automobilovom a strojárskom priemysle. Experimentálne skúmanie bude vykonávané za spolupráce Fakulty výrobných technológií v Prešove a Ústavom geoniky AV ČR, v. v. i., v Ostrave – Porube.

SÚČASNÝ STAV

Technológia delenia vodným prúdom s generovaním pulzov je dopo­siaľ predmetom malého množstva výskumných prác a neustále sa vyvíja. Ultrazvukovou moduláciou prúdu, vytváraného vibrujúcim hrotom ul­trazvukového nástroja umiestneného vo vnútri dýzy, sa zaoberali Puchala 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, s. 69 – 82., Vijay VIJAY, M. M.: Ultrasonically ge­nerated cavitating or interrupted jet, 1992. U. S. Patent No. 5, 154, 347., Vijay & Foldyna [3 – 5]. Podrobný popis generovania vibrácií ultrazvu­kovým meničom, pripojeným k transformátoru rýchlosti, je možné nájsť v prácach autorov Puchala 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, s. 69 – 82. a Vijay VI­JAY, M. M.: Ultrasonically generated cavitating or interrupted jet, 1992. U. S. Patent No. 5, 154, 347. Najvýznamnejšími súčasnými autormi, zao­berajúcimi sa ultrazvukovou moduláciou prúdu a účinkami vyvolanými vplyvom PWJ na materiál, sú Foldyna [6 – 14], Klich [15, 16] a Sitek [17] z Ústavu Geoniky AV ČR, v. v. i. v Ostrave, ktorí sa intenzívne zaobera­jú možnosťami využitia technológie v rôznych, nie len v priemyselných oblastiach. Pozornosť autorov je v experimentálnom skúmaní zameraná hlavne na proces a princíp objemového úberu materiálu vodným prúdom s generovanými pulzmi.

Doteraz známe možnosti využitia PWJ v praxi sú v strojárskom priemysle na spevňovanie povrchov, ako náhrada guľôčkovania (spevňovanie oceľo­vého povrchu oceľovými guľôčkami/brokmi). V automobilovom priemys­le sa uvažuje o aplikácii PWJ pri odstraňovaní drsných okrajov a otrepov 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 na čistenie tru­pov lodí, alebo v potravinárskom priemysle. Pulzujúci prúd môže byť po­užitý aj pri plošnej úprave povrchu okrasného kameňa, pretože doká­že povrch kameňa zdrsniť a zároveň zachovať jeho estetické vlastnosti. FOLDYNA, J. – Pulzující vodní paprsek – technologie budoucnosti? [on­line]. Vesmír, spol. s. r. o., 2013. [cit. 2014-05-05]. Dostupné na interne­te: ..

MATERIÁL A METÓDY PRÁCE

Experimentálny materiál

Prvým experimentálnym materiálom bola mosadz s označením EN 12167 (CW614N alebo Ms.CuZn39Pb3). Vyznačuje sa vysokou odolnosťou proti korózii, vysokou pevnosťou v ťahu a patrí do triedy Afla/Beta (duplex). Af­la/Beta zliatiny majú obmedzenú ťažnosť za studena, sú tvrdšie a silnej­šie. Používajú sa na obrábanie a sú vhodné aj na kovanie. Do zliatiny je pri­dané olovo na zlepšenie obrobiteľnosti. Tento druh materiálu sa obvykle používa na výrobu vysokorýchlostných komponentov obrábania, archi­tektonických výliskov, zámkov a závesov (pántov) Aalco: CW614N Brass Rod [online]. Wales: Aalco Metals Limited, 2014. [cit. 2014-04-08]. Do­stupné na internete: .

Druhým experimentálnym materiálom bol bronz s označením EN 1982 (CuSn7Zn4Pb7-C-GC), ktorý sa používa ako klzný materiál. Patrí medzi cínovo-olovené bronzy a odoláva veľkým merným tlakom a zvýšeným teplotám. Vďaka strednej hodnote pevnosti má dobré charakteristiky v prevádzke na sucho. Pri odstreďovaní alebo priamom liatí sa vyznaču­je dostatočnou odolnosťou voči opotrebovaniu. Materiál má dobrú odol­nosť voči korózii aj v morskej vode. Hlavnou oblasťou jeho použitia je výroba klzných ložísk a ložiskových puzdier pre konštrukcie strojov. MO­RAVČÍK, R. – HAZLINGER, M.: Náuka o materiáloch II. Trnava: Alum­niPress, 2009. 243 s. ISBN 978-80-8096-081-0.Wolf Normalien: Bronze 2.1090 (CuSn7ZnPb7 – C) [online]. [cit. 2014-04-08]. Dostupné na inter­nete: .

Tretím experimentálnym materiálom bola vzorka medi s označením EN 12165 (CuETP alebo ECu-57), ktorá patrí do skupiny elektorovodných medí. Je charakterizovaná vysokou konduktivitou, relatívne vysokou odolnosťou voči erózii a má vysoký teplotný koeficient. Používa sa pre elektrické a elektronické aplikácie, štandardne pri výrobe termočlánkov, kompenzačných káblov a na bimetalové výhrevné články Isabellenhüte Heusler GmbH & Co: E-COOPER [online]. [cit. 2014-04-08]. Dostupné na internete: .

Keďže na výslednú drsnosť povrchu majú podstatný vplyv mechanické vlastnosti materiálov ako sú húževnatosť, modul pružnosti, tvrdosť, pev­nosť v ťahu, ťažnosť, hustota, odpor, tepelná ovplyvniteľnosť a pórovitosť, v tomto experimente boli zvolené dva faktory, a to medza pevnosti v ťahu (Rm) a materiálová tvrdosť podľa Brinella (tab. 1), na hodnotenie vplyvu spomínaných mechanických vlastností na výslednú priemernú drsnosť drážok v materiáloch.

tab1

Experimentálne podmienky

Pri dezintegrácii PWJ (obr. 1) sa technologická zostava skladala z hyd­raulického vysokotlakového čerpadla Hammelmann HDP 253 (max. pre­vádzkový tlak 160 MPa, maximálny prietok 67 l.min-1) a robota ABB IRB 6640 – 180//2.55 na manipuláciu s deliacou hlavou. Pulzácie boli gene­rované ultrazvukovým zariadením Ecoson WJ-UG_630-40. Vysokotlako­vá voda bola privádzaná do akustického generátora tlakových pulzácií cez plochú dýzu s ekvivalentným priemerom 2 mm. Dezintegrácia materiá­lu bola uskutočnená za podmienok uvedených v tab. 2. Povrch dezinteg­rovaných drážok bol vyhodnocovaný optickým profilometrom MicroProf FRT. Dáta sa následne exportovali do programu SPIP 6.2.6, kde boli vy­generované 3D a 2D profily priečneho a pozdĺžneho prierezu dezintegro­vaných drážok (obr. 3, 4, 6, 7, 9, 10). V programe sa vyhodnocovali aj prie­merné hodnoty drsnosti Ra (stredná aritmetická odchýlka drsnosti), Rq (priemerná kvadratická odchýlka profilu) a Rz (výška nerovností), ktorých výsledné priemerné hodnoty boli porovnávané s vplyvom hodnôt pev­nosti v ťahu a tvrdosti materiálu podľa Brinella.

tab2

VÝSLEDKY A DISKUSIA

Hlavným cieľom experimentálneho skúmania bolo porovnanie priemer­nej drsnosti povrchov drážok vytvorených v mosadzi, bronze a medi na základe Ra, Rz a Rq hodnoty a hodnotenie vplyvu tvrdosti a medze pev­nosti materiálu, ako materiálových mechanických vlastností, pri ktorých je predpoklad, že ovplyvňujú tvorbu výsledného tvaru drážky so zodpo­vedajúcou drsnosťou (tab. 3). V experimentoch bol pozorovaný aj menia­ci sa profil vytvorených drážok, pri rýchlosti posuvu 2 a 4 mm/s a vyš­šom počte prechodov. Experiment prebiehal pri pôsobení konštantného tlaku, výkonu, priemeru a zdvihu dýzy, frekvencie a amplitúdy. Zmeno­vými faktormi boli počet prechodov PWJ cez materiál a rýchlosť posuvu (tab. 2). Priemerná hodnota jednotlivých drsnosti bola vyhodnocovaná v programe SPIP 6.2.6.

tab3

Mosadz

Na obr. 2 sa nachádza experimentálna vzorka mosadze s drážkami 1 a 2. Z hodnôt nameraných pomocou optického profilometra MicroProf FRT, boli v programe SPIP 6.2.6 vytvorené profily priečneho a pozdĺžneho rezu drážkami s priblížením okrajových častí drážok, kde dochádza k viditeľ­nému vytlačeniu materiálu nad okraj drážky, a s detailnejším pohľadom na povrch vytvorenej drážky (obr. 3). Pri pozdĺžnom reze celou drážkou je uvedený aj grafický profil drsnosti jednotlivých drážok. Na obr. 4 sa na­chádza priečny prierez drážkami 1 a 2, kde je uvedená aj výsledná prie­merná drsnosť Ra, Rq a Rz.

obr2

Hodnoty drsnosti v tab. 3 ukazujú, že najnižšie priemerné hodnoty Ra, Rq a Rz sú pri vzorke z mosadze. Na obr. 3 sú znázornené priečne a po­zdĺžne profily drážok s priblížením povrchu vytvorenej drážky. Namerané hodnoty drsnosti drážok udávajú, že drsnosť povrchu Ra a Rq vytvorené­ho dvomi prechodmi pri v1 = 2 mm/s je takmer totožná (o málo vyššia) ako drsnosť vytvorená štyrmi prechodmi pri v2 = 4 mm/s. Podobné hodno­ty sú aj pri drsnosti Rz, kde je hodnota drsnosti pri v2 = 4 mm/s a štyroch prechodoch nižšia ako hodnota nameraná pri v1 = 2 mm/s a dvoch pre­chodoch. Z toho vyplýva, že na dosiahnutie približne rovnakej drsnosti Ra a Rq, pri zvolenom mosadznom materiály, je výhodnejšia voľba tech­nologických podmienok s nižšou rýchlosťou posuvu a nižším počtom prechodov. Pri Rz je predpoklad, že nižšiu drsnosť povrchu je možné do­siahnuť viacnásobným prechodom prúdu cez materiál s vyššou rýchlos­ťou posuvu. Drážka vytvorená pri mosadznej vzorke tiež vykazuje ustále­nejší priebeh.

Bronz

Na obr. 5 je experimentálna vzorka bronzu s vytvorenými drážkami 3 a 4 a na obr. 6 a 7 sú 2D a 3D profily vytvorených drážok a ako je možné na obrázkoch vidieť, pri bronze tiež dochádza k vytláčaniu materiálu nad okraj vzorky.

obr5
obr7

Pri hodnotení topografie povrchu drážok bronzu sa dosiahnuté drsnos­ti povrchu Ra, Rq a Rz pohybujú v nižších hodnotách pri dezintegrácii s v4 = 4 mm/s a počte prechodov päť oproti v3 = 2 mm/s a troch precho­doch PWJ. Zo zistenia je možné dospieť k záveru, že s vyššou rýchlosťou posuvu a vyšším počtom prechodov PWJ, je možné dosiahnuť nižšiu drs­nosť povrchu. Keďže maximálna hĺbka drážky sa pri mosadzi a bronze pri rôznom počte prechodov pohybuje približne v rovnakých hodnotách, ne­dá sa za jednoznačný dôvod rôznej výslednej drsnosti povrchu považovať znižujúca sa účinnosť PWJ pri opakovanej penetrácii do väčších hĺbok. Za dôvody rôznej drsnosti a topografie povrchu drážok, nemôžu byť v tom­to prípade považované ani materiálové zloženie a materiálová tvrdosť. Napriek tomu, že v tomto prípade nižšia pevnosť v ťahu vykazuje vyššie hodnoty drsnosti, nedá sa ani táto vlastnosť materiálu považovať za dô­vod rôznej drsnosti.

Meď

Na obr. 8 sa nachádza experimentálna vzorka medi s drážkami 5 a 6. Ob­rázky 9 a 10 znázorňujú profily priečneho a pozdĺžneho rezu drážkami.

obr8
obr10

Z nameraných hodnôt drsnosti povrchu je zjavné, že medená vzorka vy­kazovala najväčší úber materiálu a tak isto aj najvyššie hodnoty drsnos­ti pri viacnásobnom prechode prúdu cez materiál. V tomto prípade sú hodnoty drsnosti vyššie pri v5 = 2 mm/s a počte prechodov dva ako pri v6 = 4 mm/s a počte prechodov tri. Najvyšší rozdiel je v hodnotách Rz. Tieto javy boli pozorované aj pri bronzovej vzorke. Pri hodnotení vplyvu pevnosti v ťahu na výslednú drsnosť sa dá konštatovať, že čím je hodnota pevnosti v ťahu vyššia, tým vyššie je aj zdrsňovanie povrchov skúmaných materiálov. Z tejto časti výskumu však nie je možné určiť jednoznačný dôvod väčšej hĺbky drážky pri medi v porovnaní s bronzom, keďže tvrdosť oboch materiálov je podobná. Na tento jav má zjavne vplyv iný faktor, resp. kombinácia faktorov, týkajúcich sa materiálových vlastností.

ZÁVER

Z prezentovaných zistení vyplýva jednoznačný záver, že so zvyšujúcim počtom prechodov PWJ cez materiál stúpa hĺbka drážok a s tým aj úbe­ru materiálu u všetkých vzoriek. Na dosiahnutie nižšej drsnosti povrchu pri viacnásobnom prechode prúdu cez bronz a meď je výhodnejšia vyššia rýchlosť posuvu, pri technologických podmienkach uvedených v tab. 2. Vzorka mosadze vykazovala výhodnejšie použitie nižšej rýchlosti posuvu a nižšieho počtu prechodov. Všetky vzorky vykazovali aj určité množstvo vytláčania materiálu nad okraj drážky (obr. 3, 6, 9), ako je možne vidieť aj v grafoch (obr. 4, 7, 10), napriek tomu, že dochádzalo k viacnásobnému prechodu PWJ drážkou.

V úvode experimentálneho skúmania sa predpokladalo, že tvrdosť mate­riálu a medza pevnosti majú podstatný vplyv na výslednú drsnosť mate­riálu, ale tento experiment ukázal, že to nie je také jednoznačné. Znač­ný vplyv na penetráciu prúdu má aj tvrdosť materiálu, ale ako dokazuje porovnanie výsledkov pri vzorkách medi a bronzu, nie je to jediný faktor ovplyvňujúci výslednú drsnosť.

V tab. 3, je možné vidieť dosiahnuté priemerné hodnoty drsnosti drážok. Z rozdielnych nameraných hodnôt sa dá usúdiť, že na drsnosť a povrch vytvorených drážok majú podstatný vplyv materiálové vlastnosti vzoriek. Experimenty nepreukázali podstatný vplyv faktorov, ako sú tvrdosť ma­teriálu a pevnosť v ťahu na výslednú drsnosť povrchu, preto v tejto fá­ze výskumu sa ešte nedá jednoznačne určiť, ktoré mechanické vlastnosti materiálu alebo ich kombinácie, priamo ovplyvňujú tvorbu a priebeh pro­filu drážok. Z tohto dôvodu musí byť oblasť vplyvu vlastností materiálu v kombinácii s rôznymi technologickými podmienkami detailnejšie pre­skúmaná, aby bolo možné vyvodiť adekvátne výsledky.

Tieto výsledky prezentujú úvodnú časť výskumu zameraného na hodno­tenie drsnosti povrchov a v budúcnosti sú plánované ďalšie experimenty zamerané na štatistické vyhodnocovanie meraní drsnosti povrchov kovo­vých materiálov pri meniacich sa mechanických vlastnostiach materiálu a technologických podmienok dezintegrácie.

Poďakovanie

Táto práca je podporovaná slovenskou agentúrou pre výskum a vývoj na zá­klade zmluvy č. APVV-207-12.

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, s. 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 International Conference Geomechanics 93, Hradec/ Ostrava, Česká republika, 28. – 30. september 1993). Rotterdam, Holandsko: Editor A. A. Balkema Publisher, 1994a, 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, 1994b.

[6] FOLDYNA, J.; SITEK, L.; SVEHLA, B.; SVEHLA, S.: Utilization of ultrasound to enhance high-speed water jet effects. In: Ultrasonics Sonochemistry, roč. 11, 2004, č. 3 – 4, s. 131 – 137.

[7] FOLDYNA, J.: Ultrazvuková modulace vysokorychlostních vodních paprsků. Dizertačná práca. Ostrava: AV ČR, Ústav geoniky Ostrava, 1996. 67 s.

[8] FOLDYNA, J.; ŠVEHLA, B. Method of generation of pressure pulsations and apparatus for implementation of this method, 2008 Czech patent, No 299 412

[9] FOLDYNA, J., et al.: Effects of pulsating water jet impact on aluminium surface. In: Journal of Material Processing Technology, 2009, 209, 6175- 6180.

[10] 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.

[11] FOLDYNA, J.: Use of Acoustic Waves for Pulsating Water Jet Generation [online]. 2011. [cit. 2014-03-05]. Dostupné na internete: .

[12] FOLDYNA, J.; SITEK, L.; HABAN, V.: Acoustic wave propagation in high-pressure system In: Ultrasonics. 2006, č. 44, s. E1457–E1460.

[13] 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.

[14] FOLDYNA, J.; Pulzující vodní paprsek – technologie budoucnosti? [online]. Vesmír, spol. s. r. o., 2013. [cit. 2014-05-05]. Dostupné na internete: .

[15] KLICH, J.: Účinky pulzujícího 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.

[16] 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.

[17] SITEK, L.; FOLDYNA, J.; ŠVEHLA, B.: Vodní parpsek ve strojúrenství. Strojárstvo, roč. 8, 2004, č. 5, s. 100 – 101. ISSN 1335-2938.

[18] Aalco: CW614N Brass Rod [online]. Wales: Aalco Metals Limited, 2014. [cit. 2014-04-08]. Dostupné na internete:.

[19] MORAVČÍK, R.; HAZLINGER, M.: Náuka o materiáloch II. Trnava: AlumniPress, 2009. 243 s. ISBN 978-80-8096-081-0.

[20] Wolf Normalien: Bronze 2.1090 (CuSn7ZnPb7 – C) [online]. [cit. 2014- 04-08]. Dostupné na internete: .

[21] Isabellenhüte Heusler GmbH & Co: E-COOPER [online]. [cit. 2014-04-08]. Dostupné na internete: .

 

TEXT/FOTO ING. DOMINIKA LEHOCKÁ1 A KOLEKTÍV, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ V PREŠOVE

Ďalší spoluautori: Ing, Jiři Klich2, Ing. Josef Foldyna CSc.2, doc. Ing. Sergej Hloch PhD.1,2, Ing. Michal Zeleňák, PhD.2, Ing. Ján Cárach1, Ing. Matej Šomšák1, Ing. Andrej Andrej1

1 Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií v Prešove

2 Ústav geoniky, AV ČR, v.v.i., Ostrava