MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET SZERSZÁMGÉPEK INTÉZETI TANSZÉKE

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPÉSZETI ÉS MECHATRONIKAI INTÉZET SZERSZÁMGÉPEK INTÉZETI TANSZÉKE SZAKDOLGOZAT Készítette: Gere Márton Pál Bsc szintű, gépészmérnök szakos Szerszámgépészeti és Mechatronikai szakirányos hallgató Feladat címe: CNC vízsugaras vágógép üzemeltetésének elemzése Tervezésvezető: Oláhné Lajtos Julianna mérnöktanár Miskolci Egyetem Szerszámgépek Intézeti Tanszéke konzulens: Simon Gábor mérnöktanár Miskolci Egyetem Szerszámgépek Intézeti Tanszéke Miskolc,

2 2

3 3

4 Tartalom Summary Történeti áttekintés A vízsugaras vágás elméleti alapjai [13]... 7 A gép főbb elemei:... 7 A vízsugaras vágás jellegzetes eljárásai... 9 A vízsugár sajátosságai [13] Az anyagleválasztás Szívós erózió Rideg erózió Vízsugaras vágás a mindennapi gyakorlatban Példák Felhasználási területekre Élelmiszeripar Gumi vágása Gránit vágása Egészségügy Legnagyobb gyártók [5] Dardi International Corporation Flow International Corporation [11,3] További gyártók: Szabadalmak [1] Moduláris abrazív közepes vízsugaras vágófej Abrazív vízsugaras vágóberendezés abrazív szuszpenzió keringetéssel Ferde vágásra képes vágófej [2] A vízsugaras vágáshoz használatos anyag Típusok Fizikai Tulajdonságok: [8] Kémiai összetétel: Az abrazív homok szemcsemérete és ennek hatásai a megmunkálásra [9] Vágófej Felületi minőség Vágási sebesség Eltömődés Költségek

5 Gránáthomokkal vágható anyagok Kiszerelések A gránáthomok egyéb alkalmazása Legnagyobb gránáthomok forgalmazók [18] A vágórés alakja és ferdesége [13] A vágott felület minősége A különböző vágási paraméterek hatása a felületi érdességre [13] A nyomás hatása a felületi érdességre Az előtoló sebesség hatása a felületminőségre Az abrazív mennyiségének a hatása a megmunkált felület minőségére A vágott felületen szükséges ráhagyások Pontosság intelligens szoftverekkel [15] Az átlagos érdesség A partnercégről [4] Cégtörténet Tevékenység A partnercégnél található gép A partnercég vízsugaras vágóberendezése A Számítógépes számjegyvezérlés bemutatása (CNC) [16] A CNC-program felépítése A gumialkatrészhez írt G-kódos CNC program Az abrazív vízsugaras vágás összehasonlítása más vágási technológiákkal [12] Források, felhasznált irodalom: Ábrajegyzék

6 Summary In my thesis I wrote about how the waterjet cutting technology was invented and when. Then I introduced the theoretical basis of this technology including the main parts of the machine and their functions, the characteristics of the cutting jet itself and the mechanism of cutting process. In the industry nowadays the waterjet cutting is widely used for cutting many types of materials and goods. I brought some examples for these fields. I did some market research for the biggest waterjet cutting machine manufacturer companys in the world. I did some patient research aswell in which I introduced some worldwide used patients for some parts of the machine and methods for more economical use of this technology. I analyzed the phisycal and chemical properties of the abrasive powder which is used for waterjet cutting. I presented how it s made and categorized by particle size before using. I examined the properties of the cutting slit including the roughness and obliquity of it. I introduced the basics of the computer numerical controlled technology for these machines then I wrote a CNC program to cut out an actual rubber sealing part of an equipment which is used in cement and mining technology. At the end of my thesis I compared the waterjet cutting technology with other cutting technologies in a big chart according to their technological properties then I made some conclusions. 6

7 1. Történeti áttekintés A víz és a szikla összecsapásából mindig a víz kerül ki győztesen. Nem az erejének, hanem a kitartásának köszönhetően! - H. Jackson Brown Témámban is a víz kerül ki győztesen, a legtöbb anyaggal szemben, viszont jelen esetben az erejének köszönhetően. A víz eróziós hatásaival környezetünkben számtalan helyen találkozhatunk. A természetes vizek (és az általuk szállított hordalékok) koptató hatásának a legkeményebb anyagok sem tudnak ellenállni. Amihez a természetnek hosszú évekre van szüksége, azt ma már, ipari felhasználásra is alkalmas sebességgel, és pontossággal végezhetjük el, az ultra nagy nyomású (UHP-Ultrahigh-pressure, bar) technológia segítségével. Az első UHP kísérletre az 1950-es évekig kell várni. Dr. Norman Franz erdőmérnök elképzelése, hogy a fűrészipari rönkök vágásakor keletkező hulladék csökkentésére új vágástechnológiát extrém nagy nyomású vízsugarat használ. A kísérletek során tiszta vízsugarat használt, ami nem tudta kielégíteni a felmerült igényeket. Az első kereskedelmi forgalomba került rendszert 1971-ben a McCatrney Manufacturing állította üzembe papírcsövek darabolására. Az 1970-as évek elejére a vízsugaras vágás üzemi víznyomása már 3800 bar volt. Ezek a berendezések még tisztán víz alkalmazásával dolgoztak, ami megfelelt papír-, műanyagok, élelmiszerek vágására de alkalmatlan volt nagyobb keménységű anyagokhoz, mint például fémek, kerámiák, üveg vagy kőzetek. Az igazi áttörést azonban az 1970-es években Dr. Mohamed Hashish koptató hatású anyagot kevert a vízhez, ezzel megnyitva a kaput a ma használt abrazív technológiák előtt. 2. A vízsugaras vágás elméleti alapjai [13] A nagynyomású abrazív vízsugaras vágás mára a különböző elveken működő vágási eljárások igen komoly vetélytársa lett. Ennek oka, hogy gyakorlatilag bármilyen anyag vágható vele és a vágható anyagvastagságnak is csak gazdaságossági korlátai vannak. További hatalmas előnye a hőenergiát hasznosító megmunkálásokkal szemben, hogy minimális a hőképződés a művelet folyamán így nem történnek káros anyagszerkezeti változások a vágás környezetében és nem keletkeznek egészségre ártalmas anyagok sem. A gép főbb elemei: A gép természetesen rengeteg alkatrésszel rendelkezik és a gépeknek igen sokféle variációja létezik, ám az alább felsorolt főbb részek mindegyikben megtalálhatók: 7

8 Nagy nyomású vízsugár előállítására szolgáló szivattyú (1) Abrazív por adagoló rendszer (2) Vágófej, amely az abrazív vízsugarat állítja elő (3) CNC vezérlés (4) Kád, a munkadarabból kilépő vízsugár energiájának elnyelésére.(5) 1. ábra CNC vízsugaras vágógép főbb részei 8

9 A vízsugaras vágás jellegzetes eljárásai 2. ábra Víz- és abrazív vízsugár előállítási módjai Tiszta vízsugaras vágásnál az anyagleválasztást a víz eróziós hatása végzi. A vízsugár nyomása akár a 6000 Bar-t is elérheti. Mindezt egy igen kis átmérőjű (0,08-0,4mm) fúvókán vezetjük át. Így egy igen nagy energiasűrűségű és nagysebességű (hangsebesség fölötti m/s) sugarat kapunk. A sugár anyagleválasztó képessége azonban ilyen körülmények között is csak puhább (nemfémes, nem keramikus) anyagok vágására alkalmas. Jellemző vágási területek: műanyagok, gumi, bőr, textil, papír, hab anyagok, valamint az élelmiszeripar. 9

10 3. ábra A vágófej szerkezete vázlaton és fotón Az abrazív vízsugaras vágásnál az előzőhöz képes valamivel nagyobb átmérőjű (0,2-1,0 mm) fúvókát használnak. A port egy keverőkamrában adagoljuk a vízsugárhoz, ami ezután egy másodlagos fúvókában (fókuszáló) gyorsul fel a vízsugárhoz közel azonos sebességre. Abrazív porként általában gránátszemcséket, gránáthomokot alkalmaznak. Az anyagleválasztást a vízsugár eróziós, valamint az abrazív szemcsék koptató hatása végzi. Nagy nyomás nagyon kis felületen keletkezik. A nyomás hatására az anyagot a folyadék szétrombolja, a keletkezett mikro-repedések a változó terhelés miatt gyorsan elmélyülnek és az anyagot vonalszerűen elválasztják. A technológia segítségével szinte bármilyen anyag vágható. Az abrazív szuszpenziós vágásnál előzetesen összekevert víz és abrazív por által alkotott iszapot juttatunk a vízsugárba. A módszer segítségével tiszta kétfázisú sugarat állítunk elő, amely nem tartalmaz levegőt. Ebből következik, hogy a módszer hatékonysága igen jó. A fúvóka rendkívül rideg, nagyon érzékeny a vízben előforduló különböző szennyeződésekre, keményrészecskékre. A technológia során használt vizet előzetesesen többszörösen szűrni, ill. lágyítani kell. A vízsugár sajátosságai [13] A nagy sebességű vízsugár létrehozásának lényege, hogy a kialakított nagy nyomású vízoszlopot egy kis átmérőjű fókuszálón bocsájtjuk keresztül, a nyomást így nagy sebességű mozgássá alakítjuk. 10

11 A vízsugár sebességét a Bernoulli egyenletből számíthatjuk miszerint: +( /2) + h = +( /2) + h ahol: - Légnyomás - Víznyomás - Víz sűrűsége - Kiáramló víz sebessége - Víz sebessége a fúvóka előtt - Nehézségi gyorsulás h - Fúvókába lépés magassága h - Fúvókából történő kilépés magassága. Figyelembe véve a rendszer paramétereit kijelenthetjük: A fúvóka méretei elhanyagolhatóak: h = h. A víz fúvóka előtti sebessége elhanyagolhatóan kicsi a kiáramló sebességhez képest: A légnyomás nagyságrendekkel kisebb a folyadék fúvóka előtti nyomásánál: Így a vízsugár kilépő oldali sebességét a következő egyszerű képlettel fejezhetjük ki: A gyakorlati alkalmazás során azonban ezt kiegészítjük egy =0,83-0,93 közé eső veszteségi tényezővel, amely a víz összenyomhatóságát, a fúvókával való súrlódását és az áramlás divergenciáját fejezi ki. = A kilépő vízsugár sebességét tehát a víznyomás és a víz sűrűsége segítségével egyszerűen leírhatjuk. A sebesség tényleges értékei általában m/s tartományba esnek. A valóságban a sugár sebessége mindig kisebb az elméletileg meghatározott értéknél. Ennek oka a vízrészecskék súrlódása a belső illetve a külső körül vevő közeggel. A vízsugár átmérője szintén kisebb a fúvóka átérőjétől, a fúvóka geometriájától függően. Az áramlás számításakor mindezt egy kísérleti úton meghatározott kiömlési együtthatóval (0,6-0,98) vesszük figyelembe. A fúvókából történő kilépéskor a sugár egy-, két-, vagy háromfázisú lehet. Az egyszerű vízsugár (WJ) egyfázisú, csak vizet tartalmaz kilépéskor. A szuszpenziós abrazív vízsugár (ASJ) kétfázisú, az előzetesen összekevert abrazív por és a víz alkotják. A befecskendezéses abrazív vízsugár (AWJ) háromfázisú, víz, abrazív por, és levegő elegye. A sugárban jelenlévő levegő mennyisége jelentősen csökkenti a vágás hatékonyságát. Amikor a sugár kilép a fúvókából azonnal kölcsönhatásba lép a 11

12 környezetével, ami az alábbi következményeket vonja maga után: A sugár folyamatossága megszakad, mind a tiszta- (WJ) mind a szuszpenziós (ASJ) sugár esetén a vízsugár cseppekre esik szép, azaz a továbbiakban a sugár összetevőjeként kell számolnunk a levegővel is. Ez előbbi jelenség abrazív sugár (AWJ) esetén is jelentkezik, azonban itt a sugár már eleve tartalmaz levegőt, tehát itt koncentráció emelkedéssel kell számolnunk. A sugár cseppekre esése miatt a statikus hatás mechanizmus helyett dinamikussal kell számolnunk. Minden sugárban széttartás jelentkezik, amely azt eredményezi, hogy megnő a sugár által támadott felület, így csökken a bevitt fajlagos energia. A környezettel való kapcsolatba lépés miatt a sugár energiát veszít. 4. ábra A fúvókából kilépő vízsugár szerkezete A sugár tulajdonságait befolyásolják továbbá: a sugár közege, a fúvóka geometriája és vízellátása, a közeg, amelybe a sugár érkezik. A sugár a munkadarabbal kölcsönbe lépéskor minden esetben energiát veszít. Ennek eredményeképp létezik egy optimális behatolási idő, amíg a sugár a munkadarab egy adott pontjával érintkezésben van. Ennek gyakorlati jelentősége, hogy létezik egy optimális előtoló sebesség, melyet alkalmazva elérhetjük a legnagyobb hatásfokot a megmunkálás során. Az anyagleválasztás Az abrazív vízsugaras vágás neve ellenére nem tekinthető abrazív megmunkálási folyamatnak, hanem szilárd eróziós folyamatról beszélhetünk. Ez alatt az erózió alatt a 12

13 szilárd és folyékony részecskékkel való ütközések következtében bekövetkező anyagveszteséget értjük. A folyamat térben és időben erősen koncentrált, a folyadékban lévő részecskék ütközésének es a megmunkálandó munkadarab jellemzőitől függően anyagleválasztáskor különféle jelenségek játszódnak le: Nyírásos alakváltozás, képlékeny deformáció repedések keletkezése és növekedése keményedés rideg törés helyi megolvadás A szilárd részecske erózió anyagleválasztó folyamatai: Ütközéses erózió o Forgácsolás Forgácsoló ék behatolás Képlékeny alakváltozási kifáradás o Kifáradás Ciklikus kifáradás o Rideg törés Nem ciklikus törés o Helyi megolvadás Megömlött anyag eltávozása A megmunkálás során ezen folyamatok kombinációja eredményezi az anyagleválasztást. Egyes folyamatok megvalósulása és jellege különböző tényezőktől függ, úgy mint a támadási szög, a részecske kinetikus energiája, a részecske alakja, a munkadarab tulajdonságai valamint a környezeti hatások. A növekvő vágási mélység során a megmunkáló sugár folyamatosan veszít energiájából, aminek következtében a belépési sebességhez viszonyított haladási sebessége lelassul, lemarad. Ez eredményezi a vízsugár elhajlásának a jelenségét. Ez a jelenség mindhárom korábban említett vízsugaras technológiára (WJ, AWJ, ASJ) egyaránt igaz. A megmunkált felületen ez jól látható deformálódást, és felületi minőségbeli romlást jelent. 5. ábra A vízsugár jellegzetes elhajlása 13

14 Bár a vízsugaras vágás során lejátszódó mikro folyamatok rendkívül összetettek, alapvetően mégis csak két vágási mechanizmust szokás megkülönböztetni. A szívós- és a rideg eróziót. Szívós erózió Mint fentebb láthattuk az abrazív vízsugaras vágáskor többféle folyamat játszódik le, úgy mint mikro forgácsolás, képlékeny deformáció, rideg törés, kifáradás és helyi megolvadás. Amennyiben a munkadarabunk szívós anyag, az előbbi jelenségek aránya a forgácsolás és a képlékeny alakváltozás arányába tolódik el. A sugár részecskéi munkadarabba csapódásakor apró aszimmetrikus kárterek keletkeznek (képlékeny alakváltozás). A becsapódás során a szemcse transzlációs és rotációs mozgást is végez. A rotáció iránya alapján a folyamatot két típusba sorolhatjuk: 6. ábra Anyagleválasztás abrazív részecske és szívós anyag ütközésekor I. típus: előre irányuló rotáció: a szemcse becsapódik a munkadarabba, és egy becsapódási krátert hoz létre. Ennek peremén megjelenik egy a kráter térfogatának megfelelő méretű kitüremkedés, amit többnyire a következő szemcse választ le. II. típus: hátrafelé irányuló rotáció: a szemcse becsapódása egy hosszú keskeny barázdát eredményez a felületen. ezt a típus azonnali anyagleválasztást eredményez. A sugár részecskéi tehát egyenként kismértékű képlékeny alakváltozást okoznak. A növekvő vágási mélység során, ahogy a sugár veszít az energiájából úgy az 14

15 anyagleválasztás a mikro forgácsolásból egyre inkább a deformációs kopásmechanizmusába megy át. Rideg erózió A rideg anyagok eróziójakor a részecskék ütközésekor lejátszódó jelenségek a képlékeny alakváltozástól inkább a repedések keletkezése és a ridegtörés irányába mozdulnak el. Az anyagleválasztás az ütköző felület hatására létrejött repedések keletkezése növekedése ill. összenövése következtében megy végbe. 7. ábra Rideg erózió jellegzetes típusai A rideg erózió összetett folyamat, amely nagymértékben függ az ütközési energiától. A repedések terjedésének területe és mélysége elméletileg meghatározható, de az anyagleválasztást eredményező metsződések csak valószínűségi alapon, statisztikai módszerekkel határozhatóak meg. A sugár támadási szöge fontos paraméter, mivel a rideg erózió akkor maximális, ha a részecskék merőlegesen ütköznek a felületnek, míg a szívós erózió kisebb támadási szögek alatt a legkedvezőbb. A kétféle eróziós mechanizmus teszi lehetővé, hogy gyakorlatilag bármilyen anyag vágható legyen vízsugaras vágással. A kisebb keménységű anyagoknál a szívós erózió, még a kemény anyagoknál a rideg erózió képes beindulni. 15

16 8. ábra A technológia paraméterek hatása a vágórés alakjára A 8. ábrán a technológiai paraméterek a nyilak irányában növekednek a vízsugár pedig felülről érkezik. A nyomás növekedésével a belépő oldalon lévő rés egyre csökken, majd egy magasabb érték elérése után a kilépő oldalon lévő rés növekedni kezd. Az előtoló sebesség növelésének hatására elmondható, hogy a belépő oldali rés kisebb mértékben, míg a kilépő oldali rés intenzívebb mértékben szűkül. A fúvóka munkadarabtól való távolságát növelve a belépő oldali rés és vele együtt a belépő élen lévő lekerekedés nő. A gyakorlatban a 2.54 mm-es magasságot szokás optimális fúvóka magasságnak nevezni. Ahogy a munkadarab anyagának keménysége nő, úgy szűkül a kilépő oldali rés és úgy élesedik a belépési oldalon a vágási él. Vízsugaras vágás a mindennapi gyakorlatban A vízsugaras vágást az iparban ma már a világ minden pontján ismerik és alkalmazzák. Példák Felhasználási területekre Természetes elsősorban kemény fémes anyagok vágására használják, mely több esetben is gazdaságosabb mint a plazma- illetve lézersugaras vágás. A megmunkálandó anyag keménységének függvényében adagolják a vízhez az abrazív anyagot. Élelmiszeripar Bármilyen hihetetlen is de a vízsugaras vágást az élelmiszeriparban is megtalálhatjuk. Gyakran használják élelmiszerek vágására mint például szendvicsek, sütemények és 16

17 torták. Gyors mozgások kivitelezésével hamar elkészül a feldarabolt termék amely csomagolás után már szállításra is kerül. 9. ábra Gyümölcs vágása tiszta vízsugárral Gumi vágása A gumi vágása nehézkes feladat a vastagsága és a szerkezete miatt. Vízsugaras vágással azonban ez is könnyen megoldható és számos üzemben használják is erre a célra. A mindennapi használatban lévő gumiból készült dolgok nagy részét ezzel a technológiával vágták ki. Gránit vágása A gránit egy kemény, rideg anyag és igen nehéz volt megtalálni a módját, hogy pontosan a kívánt geometriára lehessen vágni. Kielégítő megoldást szolgáltatott erre a problémára is a vízsugaras vágás. Példának okául a konyhákban lévő munkafelületek melyek gránitból készültek is ezzel a technológiával lettek kivágva. Egészségügy Ezzel a technológiával történik például betegek orvosi eszközeinek, diagnózis berendezések alkatrészeinek illetve terápiai, műtéti (pl: orvosi szike) eszközök gyártása 17

18 is. Legnagyobb gyártók [5] A világon nagy verseny folyik a vízsugaras vágógépek gyártói között a leghatékonyabb, legmodernebb megoldások kidolgozásában. A továbbiakban a teljesség igénye nélkül bemutatom a legnagyobb gyártókat. Dardi International Corporation 10. ábra Dardi International cég logója Kína vezető vízsugaras vágógép gyártó cége. Igen modern technológiával rendelkező nemzetközileg is elismert cég. Megalapulása óta több mint 40 szabadalmat adott ki a számítógép vezérelt vízsugaras vágás témakörében ban legyártotta az első ultra magas nyomású vágógépet Kínában. Flow International Corporation [11,3] 11. ábra Flow International cég logója 1974-ben alapított amerikai vízsugaras vágógép gyártó cég. Eleinte puha anyagokat vágtak tisztán vízsugárral, majd egy ott kutató PHD hallgató feldobta az ötletet, hogy mi lenne ha a vízhez homokot és hamut adagolnánk. Ez volt Dr. Mohamed Hashish. Továbbra is forgalmaznak abrazív illetve abrazív nélkül müködő gépeket, illetve igen komoly 5D-s CNC vezérlésű, bonyolult és precíz geometria kialakítására alkalmas gépeket is. Ezen cég 2001-es szabadalma az un. dinamikus vízsugár mely nagy 18

19 pontosságú gyors megmunkálást tesz lehetővé az elhajlás és a szöghibák kiküszöbölésével. További gyártók: Waterjet corporation ESAB Cutting Systems Water Jet Sweden Omax corporation Jet Edge WARDJet Inc. 3. Szabadalmak [1] A vízsugaras vágógépek körében megjelenésük óta számtalan szabadalom született. A nagyobb gyártók tucat számra bocsátottak és bocsátanak a mai napig is ki szabadalmakat a legújabb technológiájukról. A gép szinte mindegyik fontosabb alkotóegységére születtek szabadalmak. Szemléltetés céljából kiemeltem néhányat különböző gépegységekre illetve eljárásokra. A fejlesztések, ezáltal a szabadalmak egyik központjában a fúvóka áll. Ezen egység korszerűsítésében látja sok cég a legnagyobb fantáziát. 12. ábra A fúvóka fejlődése 19

20 Moduláris abrazív közepes vízsugaras vágófej 13. ábra (US A) számú szabadalom A képen látható moduláris abrazív vízsugaras vágófej áll egy fúvókából amely előállítja a nagysebességű vízsugarat, egy keverőkamrából, amelyen a vízsugár áthaladva összekeveredik az abrazív porral, illetve egy fókuszáló abrazív fúvókából. A keverőkamrába lépve a vízsugár expandál keveredik a porral majd egy csatorna újra beszűkíti a már összekevert sugarat. Ez a szűkítés éppen hogy nagyobb keresztmetszetű mint a legnagyobb abrazív részecske keresztmetszete. 20

21 Abrazív vízsugaras vágóberendezés abrazív szuszpenzió keringetéssel (Feltalálók: Ulrich Gunther, Lutz Lemmin, Rainer Strehle, Harry Thonig) Ezen szabadalmat a gazdaságossági és környezetvédelmi szempontok hívták életre. A vízsugárhoz nem száraz abrazív port adagolnak hanem már egy előkervert víz-abrazív szuszpenziót. Az abrazív részecskék legnagyobb mérete 100 mikron. Ezt a szuszpenziót a keverőkamrán áthaladó a nagynyomású víz szívóhatása húzza magával. Ez az adagolás módja. 14. ábra A szabadalomhoz készített vágófej A lényegi újdonság a megmunkálás után következik, ugyanis a már felhasznált vízabrazív szuszpenziót visszapumpálják származási helyére, a tartályba ahol korábban összekeverték. Szűrések és a nem kívánatos szennyező anyagok eltávolítása után ismét felhasználják a szuszpenziót munkavégzésre. Természetesen nem végtelenített a folyamat, ugyanis a munkadarabbal és egymással való ütközésük során az abrazív részecskék is törnek, morzsolódnak. Egy bizonyos szemcseméret alatt új abrazív hozzáadása szükséges. 21

22 15. ábra A rendszer vázlata Ferde vágásra képes vágófej [2] ( (EU) (US)) Profilvágó berendezés mely igen bonyolult geometria megvalósítására képes. Két hajtás szükségeltetik, az egyik a vágófej döntésére szolgál, a másik pedig annak körbeforgatására. A Techni Waterjet nevű cég szabadalma, CNC vezérlést igényel. 16. ábra A vágófej fotója és metszeti képe 22

23 4. A vízsugaras vágáshoz használatos anyag A vízsugaras vágáshoz az esetek 95%-ában abrazív anyagot adagolnak, a maradék 5%- ban pedig abrazív hozzáadása nélkül, tiszta vízsugárral történik a megmunkálás. A hozzáadott abrazív anyag nem más mint finomszemcsés gránát homok. A gránáthomok természetes ásványi tisztítóanyag. Fő alkotója az almandit-gránát, mely az egyik legkeményebb ásvány. Az egészségre és a környezetre nem ártalmas. A Gránáthomok kémiailag semleges és nem tartalmaz szabad szilicium dioxidot. Nagy tisztaságú, ferritmentes, ezáltal rozsdamentes anyagok, színes- és nemesfémek vágására is kiválóan alkalmas. Az almadin gránátokat és a vele rokon nehéz ásványokat, amelyek feliszapolt lerakódásokban fordulnak elő, külszíni fejtéssel lefejtik, őrlik majd osztályozzák. A gránátanyagok monokristályos, töretlen szemcsék, amelyek többékevésbé szabálytalanul lekerekített formájúak. [22] 17. ábra A gránáthomok mikroszkópos képe Típusok Az európai piacon megtalálható gránáthomokok főként Ausztrália és India homokbányaiból érkeznek, így minőségükben is, e két típust különböztetjük meg: 23

24 GMA (Ausztrália) Prémium minőség, precíziós vágási éleket és gyors vágási sebességet biztosít. Egyetlen ausztrál bányából származik így minősége állandó és garantált. GMI (India) Jó minőségű, kiváló ár érték arányú termék. Fizikai Tulajdonságok: [8] Alak éles, sarkos Szín mély vörös, rózsaszín Keménység Mohs ( HV) Sűrűség 4.1 kg/dm 3 Ömlesztett tömeg 2.4 kg/dm 3 1. táblázat Az abrazív fizikai tulajdonságai A táblázatban látható hogy a keménységet Mohs keménységben is megadtam. A Mohsféle keménységi skála az ásványok karcolási keménységének jellemzésére használatos 10 fokozatú skála. Lényege, hogy minden nagyobb sorszámú ásvány karcolja az előtte álló, nála kisebb sorszámúakat. Két fokozat közé eső keménységet törtszámmal jelölik. Összeállítója Carl Friedrich Christian Mohs, 1773 és 1839 között élt osztrák mineralógus és fizikus. [17] 2. táblázat A mohs keménységi skála 24

25 Kémiai összetétel: SiO 2 35% kötött formában Fe 2 O 3 33% Al 2 O 3 23% MgO 7% CaO 1% MnO 1% Az abrazív homok szemcsemérete és ennek hatásai a megmunkálásra [9] Az abrazív homok mérete általában 50 mesh és 220 mesh között mozog ( µm), de a legáltalánosabban használt a 80 mesh (177 µm) nagyságú gránáthomok. A mesh értékek nem a konkrét szemcseméreteket jelölik, sokkal inkább egy átlagértéket. A 80 mesh méretű abrazív homok szemcséi között találhatók olyanok, amik nagyobbak vagy kisebbek, mint 80 mesh. A mesh értékeket általában különböző méretű rosták segítségével határozzák meg. Felülről lefelé haladva egyre kisebb méretű szemcséket engednek át. A meghatározás során ezeket a szűrőket meghatározott ideig rezgetik, így az abrazív homok átszitálódik rajta. A kiinduláskor lemért homok különböző méretű szűrőkön fennmaradt részeinek tömegét megmérve, a kiindulásihoz viszonyított aránynak megfelelően kapható meg az az átlag szemcseméret, ami a mesh értéket adja. A gránáthomok szemcseméretének megválasztásakor a következő faktorokat kell figyelembe venni: Vágófej A vágás során az abrazív homok a vágófejben található keverőcsőben keveredik össze a nagynyomású vízsugárral. Éppen ezért a keverőcső belső átmérője határozza meg a maximális szemcseméretet. A keverőcsövek belső átmérője általában 0.76, 1 vagy 1.27 mm. Az átlagos keverőcső átmérőknek megfelelően , vagy mesh méretű abrazív homok használata az ajánlott. Olyan esetekben azonban, mikor a 25

26 keverőcső átmérője mindössze 0.38 és 0.51 mm között van, az abrazív homok méretének is csökkenni kell, ezért 150 és 220 mesh közti homokot alkalmaznak. Felületi minőség Az abrazív vízsugaras vágás során homokfúvott felületet alakítunk ki, hiszen a vízsugárral felgyorsított gránáthomok távolítja el az anyagot a megmunkálandó felületről. A nagyobb méretű homok kevésbé finom felület kialakítására alkalmas, mint a kisebb méretű szemcsékből álló, finomabb homok. Egy 80 mesh méretű abrazív homokkal megmunkált acél felület minősége nagyjából 125 Ra, 40%-os vagy annál alacsonyabb vágási sebesség mellett. Vágási sebesség A vágási sebesség és a szemcsék mérete közti összefüggés alapján minél nagyobb az abrazív homok mérete, annál nagyobbnak kell lenni a vágási sebességnek. Ha a részecskék mérete 50 mesh, akkor a leggyakrabban használt, azaz a 80 mesh méretű homokhoz viszonyítva valamivel gyorsabb (4-8%) vágási sebességet kapunk. A nagyon finom abrazív homokesetében, ami mesh közötti szemcseméretet jelent,a vágási sebesség jelentősen csökken. Általában ezeket az anyagokat a nagyon finom felületek kialakításakor, vagy kisméretű keverőcső használatakor alkalmazzák. Eltömődés A csövek eltömődésének legfőbb okai a következők lehetnek: nedvesség, túl méretes szemcsék, idegen törmelék és a por. Az abrazív homokot minden esetben tisztán és szárazon kell tárolni. Nedvesség hatására a homok összetapad, majd eltömítheti a csöveket. A szemcsék méretének eloszlását úgy kell megválasztani, hogy a legnagyobb méretű szemcse se legyen nagyobb, mint a keverőcső belső átmérőjének 1/3-a. Tehát egy mm átmérőjű cső esetében a legnagyobb szemcse mérete nem haladhatja meg a mm-t, különben a keverőcső eltömődik. A különböző idegen törmelékek leggyakrabban úgy kerülhetnek a homokszemcsék közé, ha figyelmetlenül nyitjuk ki a homokot tartalmazó zsákot, vagy nem használunk szemét szűrőt a homok tárolóban. Ha nem ellenőrizzük az abrazív homok szemétmentességét, a vágógép könnyen leállhat a keverőcső eltömődése miatt. 26

27 Gondot azonban nem csak a nagyobb szennyeződések okozhatnak. Ugyanakkora problémát jelent a por és egyéb kisméretű idegen részecskék jelenléte, melyek növelik a statikus elektromosságot a homokban, így csökkentik a részecskék finom áramlását a vágófej felé. Költségek A milliméterenkénti vágási költségeket az alkalmazott abrazív homok ára mellett a vágási folyamat költségei is befolyásolják. A legjobb megoldás általában az, ha a rendelkezésre álló keverőcső paraméterei által megengedett legnagyobb méretű homokot használjuk, így megfelelő vágási sebességet érhetünk el. Egyes fajták lehetnek szögletesebbek, így magasabb vágási sebességet biztosítanak az anyageltávolítás hatékonyságának köszönhetően. A gránáthomokot minden bányában más és más méretben állítják elő. Ebből kifolyólag a különböző vállalatok árai nagy mértékben eltérhetnek az egyes szemcseméretek esetében. Valamint azt is figyelembe kell venni, hogy nem minden abrazív homok nyújtja ugyanazt a vágási teljesítményt. Egyes homokfajták lehetnek jobban legömbölyítettek, vagy könnyebben roncsolódhatnak a vágás során. A megfelelő abrazív anyagok kiválasztásához mindenképpen szükséges a keverőcső átmérőjének figyelembe vétele, a legoptimálisabb méretű abrazív homok használatával jó minőségű, megbízható vízsugaras vágási folyamatok végezhetők, a megfelelő vágási sebesség mellett. Nagysebességű vágás Precíziós él (Ipari standard) Ultra precíziós él Finom precíziós él GMA Gránát kategória és jellemző szemcseméret 50 mesh mikron 60 mesh mikron 80 mesh mikron 120 mesh mikron 200 mesh mikron fókuszáló cső átmérő 1.27 mm 1.02 mm mm mm mm 3. táblázat A különböző igényekhez ajánlott szemcseméret és fókuszáló cső átmérő [10] 27

28 Gránáthomokkal vágható anyagok Az gránáthomok-víz abrazív keverékkel majdnem minden anyag vágható, amely lemez formájában a gép munkaterébe a sugár alá helyezhető. Az eljárással leggyakrabban vágott anyagok a fémek, legfőképp az alumínium, mert az relatíve puhának mondható és nagy sebességgel vághatók ki a bonyolult geometriájú darabok gazdaságosan. Egyes anyagminőségek vágása, mint például a kő és az üveg, más vágási technológiákkal nem valósítható meg, kizárólag vízsugaras vágással. Vághatók továbbá a hőálló, saválló acélok, szénacélok, színesfémek, műanyagok, kerámiák, márvány, üveg és még a titán is. Igen kevés olyan anyag van amit ne lehetne megmunkálni az eljárással. Ilyen például a gyémánt és az edzett üveg. A gyémánt keménysége sokszorosa a gránáthomokénak így értelemszerűen nem munkálható meg vele. Az edzett üveg arra lett tervezve, hogy azonnal törjön ( pókhálósodjon ) ha bármilyen külső fizikai behatás éri, ezáltal abrazív vízsugárral nem munkálható meg a törés elkerülése nélkül. Kiszerelések Az abrazív gránáthomokot a cégek világszerte 25 kg-os papírzsákokban raklapon csomagolva, vagy 1000 kg-os kiszerelésben Big-Bag zsákban ömlesztve értékesítik. A 25 kg-os zsák nagykereskedelmi ára Ft között mozog. A gránáthomok egyéb alkalmazása Mivel a gránáthomok egy kémiailag inert (semleges) anyag így egészségre és a környezetre sem ártalmas. Szemcsefúvató berendezések abrazív anyagaként koptató tisztításra és nagynyomású vizes tisztításra is használható. Alkalmazható nedves és száraz szóróanyagként. Gyakran használják tartályok, homlokzatok, horganyzott alkatrészek, vas vagy lágyabb fémek, cink, alumínium öntvények tisztításához is. Továbbá vízszűrésre is használják. Legnagyobb gránáthomok forgalmazók [18] Barton Az amerikai cég 1878-ban alakult családi vállalkozásként. A cég tevékenységi körébe tartozik a kibányászás, az őrlés és maga az értékesítés. Saját bányákat és feldolgozó 28

29 egységeket üzemeltet. A cég hamar a világ vezető cégévé nőtte ki magát a szóróanyagok, a vízsugaras abrazív homok és a vízsugaras alkatrészt forgalmazásában. H&X Garnge Henan Hengxin Industrial Mineral Products Co. egy professzionális gránáthomok beszállító Kínában. A cég 1998-ban alakult és saját bányákkal rendelkezik. Kínában vezető szerepet tölt be, de a világ minden pontjáról érkeznek megrendelései. Opta Minerals Inc. A cég gyökerei egészen az 1880-as évekig nyúlnak vissza. Amerikai székhelyű, de vannak leányvállalatai Kanadában és Európában is. Rengeteg termékkel és szolgáltatással foglalkozik a cég, a vízsugaras abrazív megmunkáláshoz használt gránáthomokon túl, golf pálya homokot, szóróanyagot, vízszűrő homokot is forgalmaz. 5. A vágórés alakja és ferdesége [13] Az abrazív vízsugaras vágás egyik legmeghatározóbb problémája a vágórés alakja meg nagymértékben befolyásolja a vágás pontosságát. A vágórés geometriája igen összetett, de a vágott felületek szinte sosem párhuzamosak egymással és a sugár behatolásának irányával szemben minden esetben alapvetően ferdének tekinthetőek. 18. ábra A vágórés jellegzetes metszete 29

30 A vágórés jellemzésére a belépő- és kilépő oldali vágórés szélességét illetve az oldalferdeség szögét szokták használni, amit nagy Thétával jelölnek (Θ). Általánosságban megállapítható, hogy a fémes és egyéb kemény anyagoknál a vágórés a munkadarab felső részénél szélesebb mint az alsó oldalon ahol a vízsugár távozik a megmunkált darabból. Lágyabb anyagoknál mint például szivacsok, habszerű anyagok, gumi stb. széttartó vágórés is kialakulhat. Egyes esetekben az össze- majd széttartó vágórés is megfigyelhető. 19. ábra A vágórés geometriája és az azt jellemző paraméterek A pontossági problémák egyértelmű forrása a vízsugaras megmunkálás során a vágórés ferdesége. Ezen hiba kiküszöbölése rendkívül nehéz, a nagyszámú vágási paraméter miatt, különösen, ha tekintettel kívánunk lenni a megmunkálás gazdaságosságára is. A gyakorlatban tapasztaltak szerint a ferdeség okozta hiba már egy mm vastagságú lemez esetén elérheti a 0,3 mm értéket, ami a vízsugaras vágási technológia gépészeti alkalmazhatóságának egyik korlátja lehet. A vágórés alakját már sokan vizsgálták. A vágórés alakjának szabályozása igen nehéz, mert az számos paramétertől függ. A vágórés alakját és ferdeségét leginkább befolyásoló tényezők a nyomás, az előtoló sebesség, a fúvóka magassága a munkadarabtól és természetesen a munkadarab keménysége. Azonban igen nehéz a technológiai paraméterek komplex hatásáról képet alkotni, ugyanis a szakirodalomban lévő mérési eredmények mindig csak egyetlen technológiai adat függvényében elemzik azt. Egy kínai kutatócsoport a szívós anyagokon végzett vizsgálatokat, és megállapította, hogy a vágórés ferdeséges arányos az előtoló sebességgel és a vágófej magasságával, ami ugyan szinte nincs hatással a kilépő oldal szélességére, de a belépő oldalon változást gyakorol annak szélességére. A nyomás növelése megállapításaik szerint alapvetően csökkenti a vágórés ferdeségét. Ám nem találtak egyértelmű összefüggést a víznyomás, illetve az abrazív anyagáram és a ferdeség között. 30

31 20. ábra A vágórés ferdeségének változása az előtoló sebesség, a nyomás és az abrazív anyagáram függvényében A 20. ábra alapján kijelenthető, hogy az előtolás növelésével a vágórés ferdeségének mértéke egyértelműen növekvő tendenciát mutat. A víznyomás változásának hatását vizsgálva az állapítható meg, hogy a nyomást egy bizonyos mértékig növelve a ferdeség csökken, majd ezen érték átlépése után növekedni kezd. Ezen nyomás érték minden anyagnál más és más. Az abrazív por anyagáramának hatása a ferdeségre igen érdekes eredményt mutat. Egy bizonyos értékig növekszik, majd jelen esetben 3.5 g/s-nál vagy egy törés melynél hirtelen csökken a ferdeség mértéke majd visszatér ahonnan indult. A visszatérés után ismét csökkeni majd nőni kezd. Rendszerszerű összefüggés nem figyelhető meg. Mások (Wang és Wong) megállapításai szerint a nyomás enyhén növeli a ferdeséget, de nagyobb nyomások alkalmazása mellett, amikor is a belépő oldali vágórés csaknem állandó, vagy akár csökken is, ez a tendencia nem egyértelmű. Az előtoló sebesség növelése fokozza a ferdeség nagyságát. Egyesek szerint nagyobb anyagvastagságok esetén az egyes paraméterek hatása nem 31

32 egyértelműsíthető a különböző paraméterek együttes egymásnak akár ellentmondóhatása miatt. Kecskeméti Viktor mérései alapján [14] A kontúrmérések eredményeként a vágott felület jellemzően kétféle alakot vett fel. - egyenesen növekvő görbét, ami a vágórés folyamatos szűkülését jelenti -íves görbét, ahol a görbének van egy emelkedő, majd egy csökkenő szakasza. A maximum a középső rész környékén található A két görbetípus kb. 2/3-1/3 arányban fordult elő. Mivel a mért próbatestek közel 1/3 arányban nem olyan alakúak, hogy Θ szöggel jellemezni lehessen ezért a belépési oldaltól való maximális letéréssel jellemzi a ferdeséget. A következő görbék a maximális eltérést vizsgálják a felületen (függetlenül attól, hogy a középső részen vagy a kimeneti oldalnál található). Egy-egy próbatesten három helyen mérve, a grafikonokon megfigyelhető a 3 mérési ponton vett maximum értékek átlaga, illetve külön görbén a 3 mért értékből a legnagyobb. 21. ábra A nyomás változásának hatása a vágott él ferdeségére 32

33 22. ábra Az előtolási sebesség változásának hatása a vágott él ferdeségére 23. ábra Az előtolási sebesség változásának hatása a vágott él ferdeségére A fenti grafikonok elemzése során mind az abrazív anyag mennyiségének növelése, mind az előtolási sebesség növelése a vágórés ferdeségének növekedésével jár, azaz rontja a méretpontosságot, ami megfelel az irodalmi adatoknak. A nyomás változásának hatásáról nem állapítható meg semmilyen összefüggés, az irodalmi adatok szerint a nyomás növekedésével a kilépési oldalon szélesedik a vágórés ez azonban ennyi mérési eredményből nem állapítható meg. 33

34 A vágórés méretére vonatkozó mérések után viszont azt látjuk, hogy az abrazív anyagáram növekedése a vágórés alakjának változásához is vezet, azaz bár jobb a felületi minőség a pontosság egyre inkább romlik. 6. A vágott felület minősége Az ipari gyakorlatban a megmunkálás hatékonysága mindig hatással van a megmunkált felület minőségére és pontosságára. A költségek csökkentése érdekében minden felhasználó célja a hatékonyságot a lehető legnagyobbra növelni. Ennek legcélszerűbb módja a vágófej előtolásának lehető legnagyobbra választása ám ennek következménye a makro- és mikrogeometriai hibák számának növekedése. A vízsugárral vágott felületeket azok minőségével és pontosságával jellemezzük. A minőség alatt elsősorban felületi érdességet értenek, a pontosságán pedig a vágórés ferdesége miatt kialakuló méreteltéréseket szokták érteni. A vízsugárral vágott felületek képe igen jellegzetes képet mutat. 24. ábra vízsugárral vágott felület Az átvágott vastagság függvényében a vágott felületet legalább két zónára szokták osztani: finom forgácsolás övezete és a durva forgácsolás zónája. A durva forgácsolás zónájában jelennek meg a fenti ábrán látható elhajlási vonalak. A vízsugaras vágás technológiájával megmunkált felületek érdességét sokan vizsgálták. A különböző vágási paraméterek hatása a felületi érdességre [13] A nyomás hatása a felületi érdességre Az eredmények alapján a vágott felület felső részén a nyomás hatása nem mérvadó ám a mélység növekedésével az érdesség általában csökken. Ennek oka igen egyszerű, minél nagyobb a nyomás annál nagyobb a részecskék sebessége ami pozitívan befolyásolja a felület érdességét. Ám nem szabad megfeledkeznünk arról, hogyha a nyomást túlzottan növeljük az azt eredményezi, hogy az abrazív szemcsék túlzottan törni fognak a keverő kamrában, ami viszont már rontja a megmunkáló képességüket és ezáltal a felületi 34

35 érdességet is. Ennek figyelembevételével érdemes megválasztani a nyomást értékét ügyelve arra, hogy a nyomás kellőképpen nagy legyen ahhoz, hogy a vágási front nagyobb mélységeiben is megfelelő kinetikus energiát biztosítson az abrazív szemcsék számára a megfelelő felületminőség biztosításához. Az előtoló sebesség hatása a felületminőségre Az előtoló sebesség hatását vizsgálva a szakemberek arra megállapításra jutottak, hogy annak nagysága a többi paraméterhez képest relatíve csekély hatással bír a felületi érdesség alakulására a vágás felső tartományában. A vágófej előtoló sebességének növelése általában növeli a felületi érdességet, de csökkentése egy bizonyos határ alatt már nem okoz érzékelhető változást. A lassabb előtolás pedig bár jobb felületi minőséget és pontosabb megmunkálást jelent, a gazdaságosságot azonban jelentősen lerontja, hiszen egy-egy termék megmunkálási ideje akár a többszörösére is nőhet. Az abrazív mennyiségének a hatása a megmunkált felület minőségére Az abrazív por anyagáramának felületi érdességre gyakorolt hatását úgy lehetne összegezni, hogy az abrazív anyagáram növelése javítja a felület érdességét, ugyanis a nagyszámú abrazív részecske becsapódása elősegíti az érdességi csúcsok eltávolítását. A vágási mélység növekedésével az abrazív anyagáram nagyságának hatása egyre jelentősebb. Azonban nem ésszerű az abrazív anyagáramot indokolatlanul magasra állítani minden megmunkálásnál, hiszen szem előtt kell tartani a gazdaságossági szempontokat is. A vágott felületen szükséges ráhagyások A felületen szükséges ráhagyások meghatározásakor igen sok tényezőt figyelembe kell vennünk. Függ a vágandó anyag minőségétől, annak vastagságától, a beállított technológiai paraméterektől, a vágógép pontosságától és talán az egyik legfontosabb faktor a további felhasználási terület és a betöltött funkció. Amennyiben a további felhasználás nem gépészeti, vagy nem egy mechanikai mozgást végző alkatrész úgy kevesebb odafigyelést igényel a ráhagyások meghatározása. Viszont ha egy olyan munkadarabról van szó amely a későbbiekben további megmunkálást igényel (pl: kontúrsimító marás) akkor a ráhagyások meghatározásakor kalkulálnunk kell a vágórés ferdeségén túl, a további megmunkálás által eltávolított anyagmennyiséggel is. Az általam meglátogatott partnercégnél dolgozó szakemberek a ráhagyást mivel erre vonatkozólag nincs szabvány- a felhalmozott tapasztalataik alapján határozták meg. A ráhagyás megválasztásakor számolni kell a vízsugár átmérőjével (még ha csekély is), az oldalferdeség okozta hibákkal majd a vágást követő utómegmunkálással is. Puhább anyagok esetében (habok, gumi), melyek általában nem igényelnek utómegmunkálást 10 mm anyagvastagságnál 1.3 mm, 20 mm anyagvastagságnál 1.5 mm és 30 mm anyagvastagságnál 2 mm ráhagyást célszerű hagyni. Kemény anyagok esetén, amelyek 35

36 gépészeti felhasználásra készülnek számolnunk kell utómegmunkáláshoz szükséges ráhagyással is. Ez még plusz legalább mm-t jelent utómegmunkálástól függően. Így egy acél lemez kivágásakor a következő ráhagyásokkal kell számolnunk: 10 mm vastag lemez esetén mm, 20 mm vastagság esetén mm, 30 mm-es anyagvastagság esetén mm. Célszerű mindig biztonsággal megválasztani a ráhagyást, ugyanis ha a megfelelőnél alacsonyabbra választjuk, az az anyag átszakadását eredményezheti. Pontosság intelligens szoftverekkel [15] Számos területen a maximális pontosság az első számú szempont. A vízsugár, mint vágóközeg természetéből fakadóan kúpos formájú, ami elsősorban nagy anyagvastagság esetén okoz szembetűnő problémát: a hagyományos vízsugaras vágóberendezések nagy elválasztási sebesség esetén komoly szöghibákat ejtenek a levágott széleken. Ennek kiküszöbölésére fejlesztették ki a Dynamic-Waterjet eljárást. Ennek során a vágófej aktív tolerancia-ellenőrzés mellett az anyag típusától és vastagságától függően háromdimenziós mozgást végez a szöghibák kiegyenlítése érdekében. A vágófej rézsútos beállításával a vágás lényegesen nagyobb előtolással történhet. Így vastag anyagok esetén is ±0,04 mm-es toleranciaértékek érhetők el. Az eljárás segítségével mindemellett kiküszöbölhetők a sarkokon egyébként gyakran megfigyelhető bevágások is. Azonos vágási minőség mellett a Dynamic-Waterjet technológiával kezelt munkadarabok lényegesen rövidebb idő alatt munkálhatók meg, mint a hagyományos 2D-s vágórendszerekkel. Ennek kihasználására is számos alkalmazási lehetőséget sorolhatunk fel a fémmegmunkálás területén. A szerszámgyártásban például sokszor a maximális pontosság a legfontosabb szempont. Az átlagos érdesség A felületet jellemző érdességi paraméterek közül a gépészetben legáltalánosabban használt mérőszám az átlagos érdesség (R a ). Az átlagos érdesség sajátosan alakul a vízsugaras megmunkálásnál. Az 25. ábra alapján megállapítható, hogy az átlagos érdesség változása különböző nyomásokon és előtoló sebességek mellett nem egyértelmű, bizonyos esetekben növekszik, máskor csökken a rétegmélység függvényében az adott anyagnál. 36

37 25. ábra Alumínium anyag átlagos érdességének változása a rétegmélység függvényében A következő ábra a technológiai paraméterek átlagos érdességre gyakorolt hatását mutatja. 26. ábra Az átlagos érdesség változása a nyomás, az abrazív anyagáram és az előtoló sebesség függvényében A vágott felületet a durva forgácsolás zónájában elsősorban a szemmel is jól látható elhajlási vonalak megjelenése jellemzi. Az elhajlási vonalak annál inkább megjelennek a felületen minél kisebb a becsapódó abrazív szemcse kinetikus energiája az adott mélységben. A víznyomás növelése csökkenti, az előtoló sebesség növelése növeli az elhajlási vonalak méretét. 37

38 7. A partnercégről [4] A partnercéget tanszéki javaslatra választottam és kerestem meg. Miskolci cégről lévén szó ez volt az optimális számomra, illetve Borsod-Abaúj Zemplén megyében tudtommal nincs tobb ilyen gép. Maga a cég Észak-Magyarország egyik meghatározó ipari vállalkozása az egyedi acélszerkezetek, kemencék, kémények tervezése és gyártása terén, melynek neve DINAS Mérnökiroda Kft. Cégtörténet A DINAS Ipari Szolgáltató Betéti Társaság 1990-ben alakult a több évtizedes szakmai tapasztalattal rendelkező dolgozókból, és 1996 óta korlátolt felelősségű társaságként működik. Cégünk kiemelkedő tevékenysége egyedi, nagyméretű és kis darabszámú hegesztett, forgácsolt acélszerkezetek és alkatrészek tervezése gyártása valamint szerelése. Tevékenység DINAS Kft. tevékenységi körébe tartozik: Egyedi, nagyméretű és kis darabszámú hegesztett, forgácsolt acélszerkezetek és alkatrészek tervezése gyártása valamint szerelése. Emelőberendezések, függesztékek, emelőpályák, gerendák tervezése kivitelezése, hatósági engedélyeztetése. Ipari kemencék, kémények, acélszerkezetek tervezése, gyártása, szerelése beüzemeléssel és hatósági engedélyeztetéssel. Kemencék, üstök tűzálló falazatainak beépítése. Vállalja nagy darabszámú alkatrészek gyártását, illetve kivágását CNC láng és plazmavágókon DINAS Kft. főbb megmunkáló gépei és berendezési: CNC horizontál fúró-maróművek: X: mm, Y: 1790 mm, Z: mm CNC marógépek: X: 3300 mm, Y: 900 mm, Z : 800 mm CNC karusszel eszterga: 6000 x 2000 mm, BERTHIEZ Karusszel esztergák: átmérő: 5200mm, magasság: 2000mm Esztergagépek: 1000/1000; 600/1500; 800/3000 mm Szárnyas fúrógép: 100/3000 mm CNC lángvágógép: 300 mm vastagság CNC plazmavágógép: 50 mm vastagság CNC vízsugaras vágóberendezés 1-60 mm, fémek, műanyagok, kerámiák, márvány, titán. Lemez és profilhengerek: 2000 mm szélesség/ 35 mm vastagság 38

39 CNC élhajlító 200: tonna/3000 mm CNC olló: 6/ 3000 mm Fűrészgép: 300/500 mm Hegesztőgépek: Fedőporos1000 A hegesztőautomata, Vízhűtéses MÍG 500 A gépek, Impulzus MÍG gépek, Hegesztőtraktorok A partnercégnél található gép A partnercég vízsugaras vágóberendezése Típus: CORTINA DS 2600-INNOPUMP IP x3000 mm. vágható vastagság acéloknál: 1-10 mm vágható vastagság egyéb anyagoknál: 1-30 mm anyagminőségek: hőálló, saválló, szénacélok, színesfémek, műanyagok, kerámiák,üveg, márvány, titán. számítógép (AUTOCAD) segítségével megrajzolt ábra alapján képes a legbonyolultabb alakzatok kivágására, a rajzok átvitele a gépre CNC programmal történik, több kivágott alkatrész esetén is a méretek azonosak, mivel a vágófejet számítógép vezérli, programozási pontosság: 0,1 mm, a gép vezérlési pontossága: ±0,1 mm, a gép ismétlési visszaállási pontossága: ±0,2 mm 27. ábra A gép 39

40 28. ábra Nyomásfokozó egység 40

41 29. ábra A vezérlő egység 30. ábra Abrazív por zsákban tárolva 41

42 A Számítógépes számjegyvezérlés bemutatása (CNC) [16] A számítógépes számjegyvezérlés (Computer Numerical Control CNC) jellegzetessége, hogy a vezérlés digitális jeleket értelmez. A bemenő információk vezérlőprogram formájában kerülnek a vezérlésbe, ezért a számjegyvezérlések a programvezérlések közé tartoznak. A vezérlésnek geometriai adatokra van szüksége a szerszám és a munkadarab közötti relatív mozgás megvalósításakor. Ezeket útvonaladatoknak nevezzük, de ezen kívül szükség van sebességadatokra és kapcsolási információkra is. A különböző programvezérlések közül a számjegyvezérlés esetében a programkészítés és a programtárolás lehetővé teszi, hogy a kis- és közép sorozatgyártásban is gazdaságosan kihasználjuk a CNC technika előnyeit. A CNC szerszámgépek alkalmazásának főbb előnyei: a szerszámcsere és a szerszámmozgatás automatizálása révén csökken a mellékidő, nincs szükség különleges alakú egyedi szerszámokra és készülékekre, mivel bonyolult szerszámmozgatás valósítható meg, az elektronikus adattárolás következtében csökken a mellékidő, a technológiai fegyelem erősödik, csökken a minőségellenőrzésre fordítandó költség. A CNC-program felépítése A CNC-program, hasonlóan a számítógépes nyelvekhez, mondatokból épül fel. Egy mondat több elemi utasításból áll, ezeket szavaknak nevezzük. A szó címből, jelből, adatból (érték) álló karaktersorozat. Az egyes címek jelentésének a meghatározásakor a vezérlésgyártók az ISO előírásokat tekintik alapul. A típuskódok vagy a címek megjelöléséhez az angol elnevezés kezdőbetűit használják (pl.: Feed=F előtolás). 31. ábra CNC mondat felépítése Feladatom egy abrazív vízsugaras vágógéppel kivágott alkatrész CNC programjának 42

43 megírása. Az általam választott alkatrész egy nagy méretű cementipari berendezés egy alkatrésze. A berendezés egy Osztrák cementipari és bányászati vállalat, a CEMTECH megrendelésére készült. Maga a berendezés egy 6644 mm átmérőjű fogaskerék védőburkolata állvánnyal együtt. A hatalmas átmérő miatt a védőburkolatot kisebbnagyobb részegységekben kell legyártani, továbbá a szállítás is csak darabokban lehetséges, a szerkezet összeszerelése a helyszínen történik oldható kötésekkel. 32. ábra A fogaskerék védőburkolat összeállítási rajza 43

44 33. ábra A védőburkolat egy darabja A szerkezet összeszerelésénél fém-fém felületek találkoznának amely köztudottan hézagos, nem tömít megfelelően. Ezen a csatlakozó fémfelületek tömítést igényelnek. A tömítésre gumi tömítéseket alkalmazunk. Ezeket a gumi tömítéseket célszerűen vízsugaras vágógéppel érdemes kivágni. A gumi vágásakor abrazív gránát homokot nem adagolunk a vízhez, hanem tiszta vízsugárral vágjuk ki azt. A különböző méretű és geometriájú csatlakozó felületekhez azokhoz illeszkedő tömítés szükséges. Ezeket a téglalap alakú gumitömítéseket egy nagyméretű 5 mm vastag gumi táblából vágjuk ki melynek mérete 2586x1200 mm. Igyekezni kell a lehető legjobb mértékben felhasználni a táblát, hogy minél gazdaságosabb legyen a folyamat, minél kevesebb hulladékot hagyjunk magunk után. Vízsugaras vágásnál a szabásterv elkészítésénél mindig ügyelni kell arra, hogy a lemez vagy tábla széleinél keletkezzen pár milliméter ráhagyás. Ennek értéke 5-15 mm és legfőbb oka, hogy ezzel kiküszöböljük azt, hogy egy esetleg pontatlanul elcsúszva vagy szöghibával munkaasztalra helyezett lemez esetén sem csússzon le a szélső darabok egy része a tábláról. Jelen esetben igen nehéz helyzet állt elő, ugyanis téglalap alakú kivágandó tömítésekről lévén szó az egyetlen lehetőség az volt, hogy ha a méretük engedi a tömítéseket egymásba helyezzük ezzel igyekezve a legjobb arányban kihasználni az anyagot. Lemezszél: 8 mm Minőség: gumi (60shore) Anyagkihasználás: 26.5 % Tiszta kontúr vágás: m Vágórés: 0.8 mm 44

45 34. ábra A gumitömítések leggazdaságosabb kiosztása a táblán A fenti rajzon található gumitömítések egyikének műhelyrajza alapján fogom megírni az alkatrész CNC programját szabványos G kódban. Az alkatrészhez általam megírt G kódos CNC programban használt kódok és jelentésük: CNC kód N DWELL PSOCONTROL X ARM PSOCONTROL X OFF G42 G40 G00 G01 G02 F jelentés mondatszám vízsugár átmérőjének megadása vízsugár bekapcsolása vízsugár kikapcsolása szerszámkorrekció a körüljárás irányától jobbra szerszámkorrekció kikapcsolása gyorsjárati mozgás lineáris interpoláció körinterpoláció az óramutató járásával megegyező irányban előtolás 4. táblázat Az általam használt CNC kódok és jelentésük 45

46 35. ábra A gumitömítés műhelyrajza A 35. ábrán világoskék számokkal jelöltem az egyes megmunkálásokat a hozzá tartozó programrészek megírásának sorrendjében. Az alábbi CNC program programrészei mellett jobb oldalon lévő számok hivatkoznak a rajzon lévő részek megmunkálására. A gumialkatrészhez írt G-kódos CNC program N5 DWELL 0.4 N10 PSOCONTROL X OFF N15 G42 F0.015 N20 G00 X20 Y20 N25 PSOCONTROL X ARM N30 G01 X

47 N35 G02 X29 Y20 I-9 N40 G40 N45 PSOCONTROL X OFF N50 G42 F0.015 N55 G00 X20 Y188 N60 PSOCONTROL X ARM N65 G01 X29 N70 G02 X29 Y188 I-9 N75 G40 N80 PSOCONTROL X OFF N85 G42 F0.015 N90 G00 X20 Y356 N95 PSOCONTROL X ARM N100 G01 X29 N110 G02 X29 Y356 I-9 N115 G40 N120 PSOCONTROL X OFF N125 G42 F0.015 N130 G00 X20 Y524 N135 PSOCONTROL X ARM N140 G01 X29 N145 G02 X29 Y524 I-9 N150 G40 N155 PSOCONTROL X OFF N160 G42 F0.015 N165 G00 X20 Y692 N170 PSOCONTROL X ARM N175 G01 X29 N180 G02 X29 Y692 I-9 N185 G40 N190 PSOCONTROL X OFF N195G42 F0.015 N200 G00 X20 Y860 N205 PSOCONTROL X ARM N210 G01 X29 N215 G02 X29 Y860 I-9 N220 G40 N225 PSOCONTROL X OFF N230 G42 F0.015 N235 G00 X180 Y860 N240 PSOCONTROL X ARM N245 G01 X189 N250 G02 X189 Y860 I

48 N255 G40 N260 PSOCONTROL X OFF N265 G42 F0.015 N270 G00 X340 Y860 N275 PSOCONTROL X ARM N280 G01 X349 N285 G02 X349 Y860 I-9 N290 G40 N295 PSOCONTROL X OFF N300 G42 F0.015 N305 G00 X500 Y860 N310 PSOCONTROL X ARM N315 G01 X509 N320 G02 X509 Y860 I-9 N325 G40 N340 PSOCONTROL X OFF N345 G42 F0.015 N350 G00 X500 Y692 N355 PSOCONTROL X ARM N360 G01 X509 N365 G02 X509 Y692 I-9 N370 G40 N375 PSOCONTROL X OFF N380 G42 F0.015 N385 G00 X500 Y524 N390 PSOCONTROL X ARM N395 G01 X509 N400 G02 X509 Y524 I-9 N405 G40 N410 PSOCONTROL X OFF N415 G42 F0.015 N420 G00 X500 Y356 N425 PSOCONTROL X ARM N430 G01 X509 N435 G02 X509 Y356 I-9 N440 G40 N445 PSOCONTROL X OFF N450 G42 F0.015 N455 G00 X500 Y188 N460 PSOCONTROL X ARM N465 G01 X509 N470 G02 X509 Y188 I-9 N475 G40 N480 PSOCONTROL X OFF

49 N485 G42 F0.015 N490 G00 X500 Y20 N495 PSOCONTROL X ARM N500 G01 X509 N505 G02 X509 Y20 I-9 N510 G40 N515 PSOCONTROL X OFF N520 G42 F0.015 N525 G00 X340 Y20 N530 PSOCONTROL X ARM N535 G01 X349 N540 G02 X349 Y I-9 N545 G40 N550 PSOCONTROL X OFF N555 G42 F0.015 N560 G00 X180 Y20 N565 PSOCONTROL X ARM N570 G01 X189 N575 G02 X189 Y20 I-9 N580 G40 N585 PSOCONTROL X OFF N590 G00 X45 Y440 N595 G42 F0.015 N600 PSOCONTROL X ARM N605 G01 X40 Y440 N610 G01 X40 Y830 N615 G02 X50 Y840 I10 N620 G01 X470 N625 G02 X480 Y830 J-10 N630 G01 Y50 N635 G02 X470 Y40 I-10 N640 G01 X50 N645 G02 X40 Y50 J10 N650 G01 Y440 N655 G40 N660 PSOCONTROL X OFF N665 G00 X-5 Y440 N670 PSO CONTROL X ARM N675 G01 X0 Y440 N680 G41 F0.015 N685 G01 Y875 N690 G02 X5 Y880 I5 N695 G01 X 515 N700 G02 X 520 Y875 J-5 N705 G01 Y

50 N710 G02 X515 Y0 I-5 N715 G01 X5 N720 G02 X0 Y5 J5 N725 G01 Y440 N730 G40 N735 PSOCONTROL X OFF N740 G00 X-100 Y-100 M30 A programban ügyeltem arra, amire vízsugaras vágásnál az iparban ügyelni kell, hogy amikor egy lemezből vagy táblából anyagot vágunk ki, akkor nem állhatunk rá közvetlenül a kivágandó kontúrra és kapcsolhatjuk be ott a nagynyomású abrazív vagy abrazív nélküli vízsugarat, mert ilyenkor, ahogy a vízsugár átüti az anyagot még közel sem olyan felületminőséget ad, mint amit már a vágás mentén elvárnánk. Ilyenkor a kontúrt a már bekapcsolt és megmunkáló vízsugárral kell megközelíteni azon oldalról mely később visszamaradó, hulladék anyag lesz. A 36. ábrán szemléltetem a fentebb leírtakat. 36. ábra kontúrra állás különböző munkadaraboknál 50