1.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

1.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája 1.7.1. Az abrazív vízsugaras technológiák történeti áttekintése I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA) 1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar) 1950: vízsugaras tisztítás 1960: a vízsugaras vágás kutatása 1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW) 1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz 1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések

1.7.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve Vízsugaras vágófej Vágófej kialakítások

1.7.3 A vízsugaras rendszerek elemei Megmunkáló gép z y x Nyomásnövelő szivattyú Abrazív adagoló készülék Abrazív vízsugaras vágófej Rezgős adagoló Munkadarab text Vízsugár energiát elnyelő tartály A rendszer vázlata

Nyomásfokozó Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5 1.7.4 CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program

Formátum konverzió MG Converter Program Elhelyezési terv, szimuláció Nesting Program

Különböző alakzatok előállítása Üvegek Fémek Kerámiák Műanyagok Különböző alakzatok előállítása Fa Kompozitok Acél Nagy vastagságban is!! pl. 132 mm

1.7.5 Vágósugarak fajtái Víz Víz Víz Nyomás létrehozása Nyomás létrehozása Abrazív anyag tároló Nyomás létrehozása Abrazív anyag nyomástartó Vízsugaras vágás (WJ) Vízfúvóka Vízfúvóka Abrazív fúvóka Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ) Szívótér (keverőtér) Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ) Szuszpenziós fúvóka Abrazív anyag szuszpenzió 1.7.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei -Szuperszonikus sebesség v=500-1400 m/s Bernoulli törvény: v= 2 p ρ Sebesség és energiaeloszlás a sugárban v: a sugár sebessége p: víznyomás p=150-500 MPa ρ: a közeg sűrűsége

A sugár belső struktúrája Kölcsönhatás a környezettel: Közvetlenül a kilépésnél - a koherens sugár sérül -a levegő mennyisége növekszik célszerű forgácsolni! - megkezdődik a divergencia - a terhelésváltozhat: statikus dinamikus - a környezet elnyli az energia egy részét A sugár becsapódásának iránya - Becsapódási szög: 0-90 o a) merőleges sugár: ~90 o b) ferde sugár: <90 o c) érintő sugár: ~0 o - Kis vízáram 0.5-5 l/min - Kis forgácsoló erők, max. 100 N - Alacsony hőmérséklet 60-90 o C - Nincs károsodás az anyagban v= 2 p ρ

Injektoros sugár alkotóelemei víz, abrazív szemcsék, levegő Tömegarány Térfogatarány 1.7.7 Az anyagleválasztás lányege abrazív vízsugaras vágáskor Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség Nagy energiasűrűség képlékeny alakváltozás nyírással kopás repedések összenövése rideg törés helyi megolvadás (szikrázás) Felgyorsult erózió Megmunkálás

Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor Szívós erózió Rideg erózió Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző: HV Jellegzetes vízsugárral vágott felület - forgácsolási zóna - átmeneti zóna - elhajlási zóna Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: Kc 1.7.8 A vízsugaras vágás paraméterei AWJ Berendezés Anyag Eredmény abrazív anyag abrazív mérete abrazív tömegáram fúvóka hossz és átmér ő nyomás vágási sebesség fúvóka magasság keménység repedési tulajdonság keménység szilárdság lemez vastagság anyagleválasztási sebesség tűrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma

1.7.9 Pontossági kérdések Az irányváltás okozta pontatlanságok Megmunkálási hiba > 0.1 mm A vágórés lehetséges alakjai (anyag: laminált papír) A pontosság növelése a vágófej döntésével Változó vágási font α α 1 2 1 2 α α Vágófej döntése az előtolás síkjában v v v v v v v v β β Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen v v v v

1.7.10 Bevágási mélység értelmezése Átvágott felület 30 mm W top W i W j W e 1 mm 1 mm W b,min Bevágott alumínium ill. üveg W b,max Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető k max Bevágási mélység: k max 1.7.11 A technológiai paraméterek hatása A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható Influence of parameters on the cutting gap

A technológiai paraméterek hatása Bevágási mélység Nyomás Előtolás Bevágási mélység Bevágási mélység Bevágási mélység Fúvóka magasság Abrazív áram A technológiai paraméterek hatása

Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre 20,00 ma=6 g/s ma=5 g/s ma=4 g/s depth of kerf k, mm 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 p=3000 bar 6,00 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 traverse rate f,mm/min X12Cr13 stainless steel Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre depth of kerf k, mm 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 m=400 m=200 m=100 p=300 MPa depth of kerf k, mm 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 m=400 m=200 m=100 p=250 MPa traverse rate f, mm/min traverse rate f, mm/min depth ofkerf k, mm 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 80 280 480 680 880 m=400 m=200 m=100 p=200 MPa AlMgSi0,5 traverse rate f, mm/min

A nyomás és az előtolás hatása a bevágási mélységre depth of kerf k, mm 45 40 f=100 f=300 35 30 f=500 25 f=700 20 15 f=800 10 5 m=400g/min 0 150 200 250 300 350 pressure p, MPa depth ofkerf k, mm f=100 45 40 f=300 35 30 f=500 25 f=700 20 15 f=800 10 5 m=200g/min 0 150 200 250 300 350 pressur p, MPa depth of kerf k, mm 45 40 f=100 f=300 35 30 f=500 25 20 f=700 15 10 f=800 5 m=100g/min 0 150 200 250 300 350 pressure p, MPa AlMgSi0,5 Különböző anyagminőségek bevágási mélységei depth of kerf k, mm AlMgSi0.5, p=2000 bar marble, p=2000 bar Steel X12Cr13, p=2000 bar 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 AlMgSi0,5 traverse rate f, m/min márvány acél Kétféle lehetséges erózió Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium) Acél: Nehézkes szívós erózió Jelentéktelen rideg erózió

1.7.12 A megmunkált felület érdessége (200 mm/min) (250 mm/min) A megmunkált felület átlagos érdessége Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny] surface surface roughness roughness Ra, Ra, um um 77 6,5 6,5 66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3,5 33 00 55 10 10 15 15 20 20 depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium f=127 f=127 mm/min mm/min garnet garnet 80 80 ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm= dm= 0,76 0,76 mm mm p=207 p=207 Mpa Mpa p=345 p=345 Mpa Mpa surface surface roughness Ra, Ra, um um 99 88 77 66 55 44 33 00 55 10 10 15 15 20 20 25 25 depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium p=345 p=345 Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm=0,76 dm=0,76 mm mm garnet garnet 80 80 ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s f=64 f=64 mm/min mm/min f=191 f=191 mm/min mm/min f=254 f=254 mm/min mm/min Bay Zoltán Institute Logistics and Production Systems

A megmunkált felület átlagos érdessége Saját mérések 12 10 p=200, 250, 300 Mpa, m a = 200, 400 g/min Ra, um 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 feed rate, mm/min f=100 mm/min Ra ~ 5 8 μm f=300 mm/min Ra ~ 5 10 μm f=500 mm/min Ra ~ 4 10 μm A megmunkált felület érdessége p=250 MPa,m a =400 g/min,f=100 mm/min p=200 MPa,m a =400 g/min,f=300 mm/min R a = 6.03 μm R z =69.41 μm R a = 6.74 μm R z =68.25 μm R a = 6.21 μm R z =57.51 μm p=200 MPa, m a =200 g/min, f=300 mm/min

A megmunkált felület érdessége W t =10.70 μm P t = 61.52 μm W t = 54.37 μm P t = 101.6 μm W t =57.60 μm P t = 94.36 μm A megmunkált felület egyenetlenségei a kilépő oldalon ma=400 g/min ma=200 g/min upper Wt 140 120 Surface inaccuracy µm ma=400 g/min ma=200 g/min middle 100 ma=400 g/min ma=200 g/min lower 80 60 Ra 40 250 300 200 250 pressure, MPa 300 200 250 300 200 20 0 100 300 500 100 300 500 feed rate, mm/min

35x A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva 17x f=100 170x AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm f=300 mm/min 1.7.13 Abrazív anyagok Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges Gránát homok Olivin Cu salak C salak Kvarc homok Korund Al 2 O 3 SiC Porcelán Szempontok: fizikai tulajdonságok környezeti hatások költséghatékonyság technológiai hatások ár

Gránát homok A gránát azon szilikátok (SiO 4 )összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Pl.: almadin pyrope Mg 3 Al 2 [SiO4] 3 andradit uvarovit Ca3Cr 2 [SiO4] 3 andradit kvarc almadin olivin Új állapotú gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe 25x 100x 150x 250x

Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe 38x 77x 200x 200x 1.7.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága

1.7.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai Előny széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés) nincs megolvadás és füst termelődés Hátrány magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges 1.7.16 Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása hp t2 hw t1 tw

Térbeli alakzatok vágása Többtengelyes robotok alkalmazása Biztonságtechnikai feltételek megoldása 1.7.17 További lehetséges megmunkálások Lehetséges műveletek vágás fúrás esztergálás marás Műveleti sorrend sakkfigura készítés

Esztergálás A befejező megmunkáláshoz: finomabb abrazív anyag Fogásvétel nélküli megmunkálás Fúrás körpályán mozgó sugárral (vágás) álló sugárral a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos Korrekt geometria biztosítása nehéz

Marás Probléma: A bevágási mélység kézbentartása 3D-s megmunkálási kísérletek Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek

Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 1.7.18 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei Üzemi nyomás [MPa] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 7 5 6 8 50 100 150 200 250 Szállított vízmennyiség [l/min] 1. Vízsugaras vágás 2. Falazatok bontása 3. Burkolatok, bevonatok eltávolítása 4. Nagy sík beton felületek gépi eltávolítása 5. Aszfalt érdesítése, eltávolítása 6. Felülettisztítás 7. Bányászat 8. Csatornatisztítás

1.7.19 Munkavédelmi kérdések Azonnali orvosi intézkedés szükséges!! Munkavédelmi kérdések