1.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

1.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék

Dr. Maros Zsolt [email protected]

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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


1.7.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve

Vízsugaras vágófej Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


Vágófej kialakítások



1.7.3 A vízsugaras rendszerek elemei



Megmunkáló gép z

y

Nyomásnövelő szivattyú

x

Abrazív adagoló készülék

Abrazív vízsugaras vágófej Rezgős adagoló

Munkadarab

te x t

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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


Különböző alakzatok előállítása

Fa

Kompozitok


Acél Nagy vastagságban is !! pl. 132 mm


1.7.5 Vágósugarak fajtái Víz

Víz

Víz

Nyomás létrehozása



Abrazív anyag tároló

Abrazív anyag nyomástartó

Vízfúvóka

Vízfúvóka

Vízsugaras vágás (WJ)

Abrazív anyag szuszpenzió

Szívótér (keverőtér)

Abrazív fúvóka

Szuszpenziós fúvóka

Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ)

Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ)



1.7.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei -Szuperszonikus sebesség v=500-1400 m/s

Bernoulli törvény:

v = 2ρp

Sebesség és energiaeloszlás a sugárban Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék

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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


A sugár becsapódásának iránya - Becsapódási szög: 0-90o a) merőleges sugár: ~90o b) ferde sugár: <90o c) érintő sugár: ~0o

- Kis vízáram 0.5-5 l/min - Kis forgácsoló erők, max. 100 N - Alacsony hőmérséklet 60-90 oC - Nincs károsodás az anyagban v = 2ρp



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) Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék

Felgyorsult erózió Megmunkálás


Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor Szívós erózió

Rideg erózió

Jellegzetes vízsugárral vágott felület Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző:

- forgácsolási zóna - átmeneti zóna - elhajlási zóna

Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző:

HV

Kc Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


1.7.8 A vízsugaras vágás paraméterei

AWJ

Berendezés

Anyag

abrazív anyag vágási sebesség keménység abrazív mérete fúvóka magasság repedési tulajdonság abrazív tömegáram keménység fúvóka hossz és szilárdság átmérő lemez vastagság nyomás


Eredmény 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) Dr. Maros Zsolt [email protected]


A pontosság növelése a vágófej döntésével

Változó vágási font

v

v

v

v

Vágófej döntése az előtolás síkjában

α2 α2

α1 α1

v

v

v

v

β

Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen


vv


β

vv

1 mm

1.7.10 Bevágási mélység értelmezése Wtop Wi Wj We

1 mm

30 mm

Átvágott felület

Wb,min Wb,max

Bevágott alumínium ill. üveg Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető Bevágási mélység: kmax Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék

kmax


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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


Bevágási mélység


A technológiai paraméterek hatása

Előtolás



Nyomás

Fúvóka magasság


Abrazív áram


A technológiai paraméterek hatása



Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre ma=6 g/s

ma=5 g/s

ma=4 g/s

depth of kerf k, mm

20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00

p=3000 bar

8,00 6,00 50

60

70

80

90

100

110

120

130

traverse rate f ,mm/min

X12Cr13

140

150

stainless steel Dr. Maros Zsolt [email protected]


depth of kerf k, mm

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

m=400 m=200 m=100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

p=300 MPa

900

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

m=400 m=200 m=100

0

100

traverse rate f, m m /min

depth ofkerf k, mm

depth of kerf k, mm

Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre

200

300

400

500

600

700

800

900

p=250 MPa


45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

m=400 m=200 m=100

80

280

480

680

880

AlMgSi0,5

p=200 MPa




f=100

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150

f=300 f=500 f=700 f=800

m=400g/min 200

250

300

depth ofkerf k, mm

depth of kerf k, mm

A nyomás és az előtolás hatása a bevágási mélységre

350

f=100

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150

f=300 f=500 f=700 f=800

m=200g/min 200

depth of kerf k, mm

pressure p, MPa

250

300

350

pressur p, MPa

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150

f=100 f=300 f=500 f=700 f=800

AlMgSi0,5

m=100g/min 200

250

300

350

pressure p, MPa



Különböző anyagminőségek bevágási mélységei

depth of kerf k, mm

AlMgSi0.5, p=2000 bar

marble, p=2000 bar

Steel X12Cr13, p=2000 bar

Kétféle lehetséges erózió

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium)

0

250

500

750

1000

1250

1500

traverse rate f, m/min

AlMgSi0,5

márvány


acél

Acél: Nehézkes szívós erózió Jelentéktelen rideg erózió Dr. Maros Zsolt [email protected]

1.7.12 A megmunkált felület érdessége (200 mm/min)

(250 mm/min)



A megmunkált felület átlagos érdessége

77 6,5 6,5

aluminium aluminium f=127 f=127mm/min mm/min garnet garnet80 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s dn=0,25 dn=0,25mm mm dm= 0,76 dm= 0,76mm mm

66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3,5 33

p=207 p=207Mpa Mpa p=345 p=345Mpa Mpa 00

55

10 15 10 15 de depth pthof ofke kerf, rf,mm mm

20 20

Miskolci Egyetem Bay Zoltán Gépgyártástechnológiai Tanszék Institute

99 surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface

surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface

Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny] aluminium aluminium p=345 p=345Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25mm mm dm=0,76 dm=0,76mm mm garnet garnet80 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s

88 77 66 55

f=64 f=64mm/min mm/min f=191 f=191mm/min mm/min

44 33

f=254 f=254mm/min mm/min 00

55

10 15 10 15 de rf, mm depth pthof ofke kerf, mm

20 20

25 25

Dr. Maros Zsolt Logistics and [email protected]

Production Systems

A megmunkált felület átlagos érdessége Saját mérések 12

p=200, 250, 300 Mpa, ma= 200, 400 g/min

10

Ra, um

8

f=100 mm/min Ra ~ 5÷8 μm

6


4

2

0 0

100

200

300

400

500

600


feed rate, mm/min



A megmunkált felület érdessége p=250 MPa,ma=400 g/min ,f=100 mm/min

Ra= 6.03 μm Rz=69.41 μm Ra= 6.21 μm Rz=57.51 μm Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék

p=200 MPa,ma=400 g/min ,f=300 mm/min

Ra= 6.74 μm Rz=68.25 μm p=200 MPa, ma=200 g/min , f=300 mm/min


A megmunkált felület érdessége

Wt=10.70 μm Pt= 61.52 μm

Wt=57.60 μm Pt= 94.36 μm

Wt= 54.37 μm Pt= 101.6 μm



A megmunkált felület egyenetlenségei a kilépő oldalon 140 ma=400 g/min ma=200 g/min upper

Wt

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

40


200

250

0 300

300

pressure, MPa

200

200

20 250

250

300

Ra

500 100 300

500 100 300

feed rate, mm/min


A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva 35x AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm

f=100

170x

17x

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 Al2O3 •SiC •Porcelán


Szempontok: •fizikai tulajdonságok •környezeti hatások •költséghatékonyság •technológiai hatások •ár


Gránát homok A gránát azon szilikátok (SiO4)összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Pl.: almadin pyrope Mg3Al2[SiO4]3 andradit uvarovit Ca3Cr2[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

200x


77x

200x


1.7.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága



1.7.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai

Előny

Hátrány

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


magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges


hw

tw

t2

hp

t1

1.7.16 Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása



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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


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 Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék


Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek



Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek



Üzemi nyomás [MPa]

1.7.18 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei 400

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

350 300

1

250

2

200 150

4

3

100 50

6

7

5 8

0 0

50

100

150

200

250

Szállított vízmennyiség [l/min]



1.7.19 Munkavédelmi kérdések Azonnali orvosi intézkedés szükséges !!



Munkavédelmi kérdések



1.7 Az abrazív vízsugaras vágás technológiája

Recommend Documents