Vodní paprsek Popis Řezání materiálu vysokotlakým vodním paprskem Podstatou této metody dělení materiálů je obrušování děleného materiálu tlakem vodního paprsku. Pracovní tlak vody se pohybuje v rozmezí 800 - 4100 Bar. Tlakovým zdrojem jsou speciální vysokotlaká čerpadla, která se liší příkonem (9 - 75 kW) a průtokem vody (1,2 -7,6 l/min). Paprsek vzniká v řezací hlavě zakončené tryskou. Může to být cca 0,150,30 mm široký vodní paprsek schopný řezat měkčí materiály jako plasty, dřevo, gumu, korek, těsnění, potraviny apod. Druhou alternativou využívanou nejčastěji je cca 0,8-1,5 mm široký hydroabrazivní paprsek s příměsí brusného prášku (nejčastěji granátového "písku"). Hydroabrazivní paprsek je díky své vysoké energii schopný řezat kovy, kámen, sklo a jiné materiály v tloušťkách 100 i více mm. Pohyb řezací hlavy a tedy celá dráha řezu je řízena počítačem dle předem sestaveného programu. Je možné provádět i tvarově složité řezy během jedné operace. Standardní přesnost výřezu je ± 0,2 mm/m. Dělený materiál není silově namáhán. Řezná hrana není nijak tepelně ovlivněna, vždy se jedná o studený řez. Tato skutečnost je velmi důležitá a také rozhodujícím způsobem odlišuje vodní paprsek od ostatních technologií na dělení materiálů, zvláště laseru a mikroplazmy. Po provedení řezu se směs vody a abraziva zachycuje v lapači (vaně), umístěné pod řezaným materiálem [9] .
Obr.1 Schéma řezání s abrazivem a bez abraziva [1]
Fyzikální princip Vlastnosti vysokotlakého vodního paprsku [6] Teorie o proudění kapaliny – hydrodynamika vychází při stanovování všech zákonitostí z ideálních podmínek, kdy proudící kapalina má následující vlastnosti: • ztráty energie tření jsou nulové, • nevzniká mezní vrstva a nedochází k uvolňování a směšování molekul mezi jednotlivými proudnicemi – laminární (vrstvové) proudění, • proudění je rovnoměrné po celé délce toku, • proudění je ustálené v celém průtokovém průřezu, • kapalina je nestlačitelná.
Reálné proudění kapaliny musí ale počítat, že: • proudění kapaliny je ztíženo třením, • vznikají hraniční vrstvy a zpětný proud, • proudění je nerovnoměrné, • vznikají turbulence a víření, případně také kavitace, • kapalina je stlačitelná. Při zkoumání vlastností vysokotlakého vodního paprsku vycházíme z teorie proudění kapaliny v ideálních podmínkách. Princip řezání a zvýšení výkonnosti Princip řezání vodním paprskem je založen na tom, že stagnační tlak ps, generovaný dopadem čela sloupce vody na kolmou plochu rychlostí v0. V dnešní době je snaha o dosažení zvýšení výkonnosti vodního paprsku. Jeden z možných přístupů je vytvoření modulovaného pulzního paprsku. Podstatou je skutečnost, že impaktní tlak pi, generovaný dopadem čela sloupce vody na kolmou plochu rychlostí v0, je podstatně vyšší než stagnační tlak ps, generovaný kontinuálním paprskem za jinak stejných podmínek (pro vodu platí zjednodušeně pi/ps = 2954/v0). Také další účinky vyvolané dopadem modulovaného pulzního paprsku, jako jsou např. zvýšená penetrace paprsku a únavové namáhání rozpojovaného materiálu, budou dále zvyšovat výkonnost modulovaných pulzních paprsků [5]. Ultrazvuková modulace vodního paprsku Ultrazvuková modulace vodního paprsku je v podstatě vytvářena podélnými vibracemi ultrazvukového nástroje umístěného v trysce. Tyto podélné vibrace jsou generovány v ultrazvukovém měniči a z měniče do vody v trysce se přenášejí prostřednictvím přenosové linky skládající se z vlnovodu a transformátoru rychlosti (ultrazvukového nástroje). Amplituda vibrací hrotu UZ nástroje závisí na faktoru zesílení přenosové linky, jejích energetických ztrátách a na amplitudě vibrací měniče. Příklady možných konceptů ultrazvukové trysky a jejích uspořádání je na obr.2 [5].
Obr.2 Schematické znázornění konfigurace ultrazvukové trysky [5]
Technologie řezání a její možnosti A kde vlastně vznikl nápad ,,řezat vodou“? V přírodě se síla vody po milióny let projevuje ve formě eroze. Existuje mnoho příkladů této síly při vymílání břehů řek, vytváření kaňonů atd. Technologie využívající sílu vody jsou staré tisíce let. Dříve, ale i dnes, se voda používala na přepravu dřeva, hlíny, štěrku atd. Technologie řezání rozličných materiálů vysokotlakým vodním či hydroabrazivním paprskem byla vyvíjena od přelomu sedmdesátých a osmdesátých let firmou FLOW INTERNATIONAL (USA) v počátku především pro vojenský a kosmický program. Již ve 2. polovině osmdesátých let byla široce uplatňována především v americkém a posléze západoevropském teritoriu. Dnes se celosvětově rozšiřuje do všech oblastí průmyslu. Nejedna firma se přesvědčila o širokých možnostech využití vodního paprsku pro řezání těžko dělitelných materiálů či pro vytváření tvarově složitějších objektů. Vodní paprsek je schopen přesně řezat téměř jakékoli materiály včetně skel, kamene, dlažeb či obkladů, kovů apod. až do tloušťky 100 mm i více [3]. Dané možnosti řezání [3] COKOLIV. Veškeré přírodní či umělé materiály, které nepoškodí přímý kontakt s vodou. • • • • • • • • •
všechny typy ocelí včetně nerezových nástrojových, kalených, pružinových HARDOX, BRINAR, ALTRIX apod., měď, hliník, dural, titan, mosaz, bronz a veškeré další kovy i slitiny, průmyslové, reklamní a jiné plasty včetně vrstvených apod., sklo čiré, barevné, lepené vícevrstvé (neprůstřelné) či jinak upravené, drátosklo s vyjímkou skel kalených, žuly, mramory a jiné přírodní či umělé kameny, brusné kameny na bázi SiC i další, keramiku, porcelán včetně glazovaných či slinutých desek, dřevo, dřevotřísku, lamino, překližku apod., koberce, filc, a jiné textilie, kůži, koženku, apod., pryž, libovolné těsnící materiály, kompozity, sandwiche.
Nejvýhodnější pro řezání jsou plechy, desky či tabule, lze však opracovat i předobrobené polotovary, materiály povrchově upravené (barevné, leštěné...) apod. Díky výškovému senzoru lze řezat i zvlněné či v plynulých křivkách profilované materiály. Řezání skla V oblasti opracování skla má vodní paprsek zcela mimořádné postavení. Potřebujete pouze přiříznout formát běžného floatového skla o 3 či 8 mm, potřebujete do něj vyříznout obdélníkový výřez či dokonce složitější tvar? Kdo něco takového někdy sháněl, jistě ví, o čem mluvím. Pro vodní paprsek žádný problém a POZOR! To vše i ve sklech speciálních barevných, neprůstřelných, lepených, protipožárních či jiných a opět v tloušťce až do 100 mm. Takže lze snadno vyřezat větrací otvory, bankovní přepážky, schodnice či segmenty tanečních parketů nebo dokonce skleněné nápisy či jiné objekty. Samozřejmě mechanickou podstatu skla měnit nelze, a proto i zde vždy hrozí určité riziko prasknutí, odštípnutí růžku či jiné komplikace ale možnosti a úspěšnost jsou nesrovnatelně vyšší než u klasického opracování. Jediné, co skutečně nelze, je řezání kalených skel [1]
Řezání obkladů, dlažeb a kamene Ať se jedná o keramiku a slinuté dlaždice, o přírodní či umělý kámen nebo dokonce o některé atypické moderní materiály (sklokeramika a pod.), lze hydroabrazivním paprskem řezat téměř cokoli. Počínaje prostupy pro potrubí, elektroinstalaci a vypínače přes »soklové pásky« a pouhé přířezy krajových či tvarových formátů až ke složitým mozaikám, mnohabarevným logům nebo nápisům, rozetám či listelám apod. Zákazník si při tom může stanovit šíři spáry a vymýšlet vlastní originální návrhy. Lze tak vytvářet zcela neopakovatelné interiérové doplňky i v kombinaci různých materiálů, které vždy dodávají luxusnější vzhled obytným i komerčním prostorám [1]. Řezání kovů Kovové materiály od konstrukčních ocelí přes nerezové plechy, dále barevné kovy až po ušlechtilé slitiny či litinu lze řezat opět do tloušťky 100 mm. Je možné řezat i kovy povrchově upravené – leštěné, broušené (i s ochrannou fólií) či barvené a povrchová úprava není při řezání poškozena. Chladný řez vodním paprskem, který nenataví ani jinak neporuší materiál, je pro veškeré kovy velice vhodný. Je tak možno řezat různé hrubé prvky těžkých konstrukcí, dílce či polotovary pro další opracování, dekorační prvky i drobné doplňky [1]. Vyřezávání nápisů, log a doplňků Jsou samostatnou kapitolou ve využití vodního paprsku. Lze je realizovat ze všech shora uvedených materiálů, a to buď jako polotovar pro další dopracování (výroba prosvětlovacích písem, »krabicových« písem, podkladů pro polep fólií…) nebo jako finální produkt přímo umístitelný na fasádu či do interiéru (hlavně nápisy z leštěných či jinak povrchově upravených kovů – nerez, mosaz, bronz, případně ze speciálních reklamních plastů, kamene či skla apod.). Rovněž mozaikové vkládání různých materiálů do sebe je bezproblémové [1]. Výhody a nevýhody této technologie: Výhody jsou zřejmé. Vodní paprsek je počítačem řízený stroj jenž pracuje s přesností na 0,1 mm, rychlost řezu je oproti pile téměř trojnásobná. Při řezání nedochází k působení žádného tlaku ani tepla na řezaný materiál, čímž se podstatně eliminuje jeho praskání. Jedna z hlavních výhod je také možnost obloukových výřezů, otvorů pro umyvadla a baterie, vyřezávání firemních log a tak složitých obrazců, jak nám umožní použitý materiál. Další velkou výhodou vodního paprsku je jeho univerzálnost, neboť dokáže řezat papír, látky, plasty, dřevo, sklo, keramiku, cihly, veškeré kovy od hliníku až po speciální pancíře a to vše v tloušťkách od 0,1 mm až do 400 mm. Možnost řezání slinuté keramiky v různých tloušťkách. Díky tomu dnes můžeme provádět složité formátování dlažeb, dělat speciální výřezy a obrazce, nebo řezat rozličné mozaiky. Užití paprsku je téměř neomezené a limitují nás pouze možnosti řezaného materiálu [2].
VÝHODY [3] •
• •
• • • • • • •
řez probíhá bez tepelného působení (max. ohřev cca 40-50°C), takže materiál nevykazuje fyzikální, chemické ani mechanické změny a je snadno následně obrobitelný. Dílce se tepelně nedeformují (nelze vyloučit deformaci díky vlastnímu napětí v materiálu), i u materiálů větších tlouštěk lze klást dílce těsně vedle sebe, což přináší často úsporu materiálu, lze využít i tzv. společný řez, možnost řezu jakýchkoli materiálů včetně kovů a slitin i kalených či jinak modifikovaných, dále těžko opracovatelných materiálů jako sklolaminátů, skel, gumotextitů, měkkých i tvrdých pryží, plastů, těsnění a pod., při řezu se neporuší ani případná povrchová úprava - leštění, broušení, komaxit, možnost nahradit soubor operací (dělení, vrtání, frézování ...) jediným technologickým procesem , možnost volby kvality řezu od nejlepší s drsností Ra pod 3,2 až po hrubý dělící řez výrazně rýhovaný s výraznými rozdíly ceny, v kvalitnějších stupních řezu většinou není nutné již žádné další opracování, tvarové omezení řezu je dáno pouze kruhovitým průřezem paprsku, je možno řezat i velice detailní kontury, možnost tvorby mozaiky či intarzování a to i ze zcela odlišných materiálů (např. kov do kamene či dlažby, sklo do plastů či dřeva, při řezu nevznikají žádné ekologicky nevhodné zplodiny, takže jde o technologii přátelskou k životnímu prostředí.
NEVÝHODY [3] •
• •
nevyhnutelný kontakt s vodou a většinou i s abrazivním materiálem (bez okamžitého vhodného ošetření rychlý nástup povrchové koroze, u nasákavých materiálů delší vysoušení, možnost změny barvy, znečištění apod.), omezená možnost výroby hodně malých dílců (cca pod 3-5 cm) - možno řešit můstky, při horších kvalitativních stupních řezu u silnějších materiálů dochází k deformaci kontury řezu ve spodní hraně vlivem tzv. výběhů paprsku
Možnosti a kvalita řezu Přesné řezání vodním paprskem má značné možnosti využití a při zpracování speciálních slitin a jiných materiálů také zvláštní výhody proti CNC obráběcím strojům. Zvlášť obtížně se dají tradičními metodami zpracovávat tenké, pružné nebo citlivé materiály, jakými jsou pryž, plasty či dokonce papír. Řezání vodním paprskem nabízí v těchto případech řadu výhod. Při procesu řezání je voda hnána tryskou pod tlakem přesahujícím 400 MPa proti řezanému materiálu. Pro určité materiály nebo vysokorychlostní broušení se do vody před řezáním přidává abrazivo [8]. Jaké tvary lze vodním paprskem řezat [3] Lze řezat veškeré tvary, které je možno v konečné podobě převést do počítačového CAD formátu *.dwg a které respektují kruhový průřez paprsku (vodní paprsek d = 0,15 - 0,30 mm, hydroabrazivní paprsek d = 0,8 - 1,5(2,0) mm).
Nákres zvětšeně ilustruje tvarová omezení řezu v ostrých vnitřních úhlech vlivem kruhového průřezu paprsku.
Dílce řezané vodním paprskem z měkkých materiálů - pryže, pěny, těsnění...
Kvalita řezu [3] Ve většině případů při řezání vodním či hydroabrazivním paprskem určitý úkos vzniká, většinou však maximálně 1-1,5 stupně. Při řezání velmi tvrdého, silného materiálu a při vysoké rychlosti řezu paprsek "probrousí" v řezu přirozenou jemnou kuželovitou, téměř kolmou stopu. Jeli optimální rovnováha mezi rychlostí řezu, odolností a tloušťkou materiálu a když je paprsek udržen po celou dobu průchodu materiálem ve válcovitém tvaru, úkos nevzniká.
A. - Velmi pomalý řez nebo řez v měkkém materiálu - paprsek stihne "probrousit" svou přirozenou kuželovitou stopu.
B. - Optimální rovnováha mezi rychlostí řezu, odolností a tloušťkou materiálu - paprsek je udržen po celou dobu průchodu materiálem ve válcovitém tvaru a úkos nevzniká.
C. - Velmi rychlý řez nebo řez v odolnějším materiálu - paprsek nestihne "probrousit" materiál ani ve svém vstupním průměru a řez se směrem dolů uzavírá Vznik a rozsah úkosu ovlivňuje i tvar řezu, množství abraziva a pod.
Můžeme řezat v různých kvalitách řezu od nejlepšího Q5 až po hrubý dělící řez Q1 [7].
ORIENTAČNÍ POPIS UŽÍVANÝCH STUPŇŮ KVALITY ŘEZU [3] Kvalitativní stupeň
Základní charakteristika
Drsnost Ra* v horní kontuře
Drsnost Ra* ve spodní kontuře
Tvarová přesnost (mm)* v horní kontuře
Q5
Nejlepší řez
pod 3,2
cca 3,2
+/- 0,1
Tvarová přesnost (mm)* ve spodní kontuře +/- 0,1
Úkos
Většinou mírný podřez Q4 kvalitní řez cca 3,2 cca 6,3 +/- 0,1 +/- 0,2 Většinou minimální Q3 střední řez cca 4,0 do 12,5 +/Dle typu Dle typu 0,15 a síly a síly materiálu materiálu Q2 Hrubý řez cca 4,0 do 25 +/- 0,2 Dle typu Dle typu a síly a síly materiálu materiálu Q1 Dělící řez 4,0-6,3 do 40 +/- 0,2 Výrazně Výrazný nepřesné úkos do + (*) Hodnoty jsou pouze orientační a dle typu materiálu se mohou lišit
Popis zařízení Základem řezacího systému jsou vysokotlaká čerpadla, která prostřednictvím multiplikátorů generují tlak vody cca 80-380 MPa (800 - 3800 barů) s objemovým výkonem 1,2 až 7,6 l/min při výkonu 9 až 75 kW. Vysokotlakým vedením je voda dopravována k řezací hlavě, kde je systémem trysek vytvořen vlastní "řezací nástroj". Může to být cca 0,15-0,30
mm široký vodní paprsek schopný řezat měkčí materiály jako plasty, dřevo, gumu, korek, těsnění, potraviny apod. Druhou alternativou využívanou nejčastěji je cca 0,8-1,5 mm široký hydroabrazivní paprsek s příměsí brusného prášku (nejčastěji granátového "písku"). Hydroabrazivní paprsek je díky své vysoké energii schopný řezat kovy, kámen, sklo a jiné materiály v tloušťkách 100 i více mm [3].
Obr.3 Hydraulické schéma zařízení [6]
Vysokotlaké zařízení na obrábění vodním paprskem se podle konstrukce skládá z následujících hlavních uzlů [6]: • primární – nízkotlaký olejový okruh multiplikátoru, • sekundární – vysokotlaký vodní okruh multiplikátoru, • okruh filtrace technologické kapaliny, • řídící a manipulační jednotka. a) Primární olejový okruh Maximální tlak v primárním olejovým okruhu multiplikátoru (souvisí přímo s konstrukcí multiplikátoru, přitom závisí na multiplikační konstantě, tj. zesílení vstupního tlaku na požadovaný maximální pracovní tlak) se běžně pohybuje v rozsahu cca. 16 – 35 MPa. V podstatě se jedná o sériově vyráběné hydraulické generátory tlaku od renomovaných světových výrobců [6].
b) Sekundární vysokotlaký vodní okruh Skládá se výhradně z vysokotlakých prvků a armatur (100 – 500 MPa), na které jsou kladené velké požadavky na kvalitu, spolehlivost a bezpečnost. Kvalita je dána vhodným výběrem materiálů a vysokou mezí pevnosti, korozivzdornosti a vysokou mírou bezpečnosti při dimenzování jednotlivých konstrukčních uzlů. Předpokladem kvality jsou také samotní výrobci vysokotlakých zařízení či některých komponentů. V podstatě vždy se jedná o renomované světové výrobce, většinou s dlouhou tradicí výroby [6]. c) Okruh filtrace technologických kapalin Odvod filtrace a úprava napájecí vody (při práci v uzavřeném hydraulickém obvodě se jedná o recyklaci použité technologické kapaliny) zabezpečuje požadovanou čistotu kapaliny, kterou je možné odvádět do odpadní kanalizace, resp. znovu používat při práci vysokotlakého zařízení. Úpravou vody se z vody odstraňují drobné částice z děleného materiálu a eventuálně také abrazivní materiál [6]. d) Řídící a manipulační jednotka Ekonomická efektivnost technologie vodního paprsku v praxi je zvlášť výrazná ve spojení s manipulačními či robotnickými systémy. Zavádění průmyslových robotů jako součásti výrobních systémů ovlivňuje organizaci výroby a také humanizaci a bezpečnost při práci. Přitom se mění také struktura rizik, charakter činnosti lidí a jejich zapojení ve výrobě [6].
Rámcový technologický postup Pro nastavení parametrů pro řezání vodním paprskem je nutné vědět, jaká bude požadovaná kvalita řezu. Podle toho jsou hlavní vstupní a výstupní veličiny upraveny hydraulické parametry, parametry materiálu, tvaru a zrnitosti abraziva a technické parametry proudu a hydro-zařízení tvoří na výstupu energetickou charakteristiku proudu. Materiálové a rozměrové vlastnosti vzorků podmiňují energetické zatížení vzorků ovlivňované dále požadavky na náročnost a kvalitu jejich opracování, materiálové parametry jako jsou pevnost v tlaku, tahu, smyku, modul pružnosti, měrná hmotnost, Poissonovo číslo, rychlost šíření ultrazvukových vln a další, týkající se např. chemického složení, budou vedle hlavních technologických parametrů tvořit základní vstupy. Materiálové konstanty určují mechanické chování materiálu v řezu a charakter vyvolaného silového, napěťového a deformačního pole. Jakost řezných stěn je definovaná drsnosti Ra, zpoždění řezné stopy Yret a deviačním úhlem D [4].
Obr.4 a) Fotografie povrchu řezné stěny, b) Hlavní parametry povrchu profilu [4]
Drsnosti Ra na řezné stěně považujeme za nejdůležitější, protože integrovaně a komplexně vypovídá jak o mechanickém účinku volby technologických parametrů, tak i o interakci řezných sil s materiálem a charakteru reakčních sil materiálových [4]. Technologický postup: Na stůl řezacího stroje se upevní plochá tyč 20 x 8 - 2000, jedná se o ocel ČSN 17 251. Daná plochá tyč se bude řezat v délce 50mm. Délka řezu je 20mm. Parametry pro řezání byly zvoleny takto [4]: rychlost řezu: v = 50mm/min tlak: p = 300 MPa, průměr paprsku: do = 0,25 mm, průměr usměrňovací trubice: da = 0,8 mm, délka usměrňovací trubice: la = 76 mm, hmotnostní průtok abraziva: ma = 250 g/min, zrnitost abraziva: 80 MESH, vzdálenost trysky od povrchu: L = 2 mm.
Výsledná jakost řezu:
obr.5 Naměřená drsnost pro ocel ČSN 17 251 pomocí optického profi lometru [4].
Z obrázku 5 vidíme že se jedná o kvalitní řež. Drsnost v horní kontuře je 3,7 μm a v kontuře spodní kolem 7,2 μm .
Použitá literatura [1] http://si.vega.cz/clanky/nastroje-vrtani-rezani-brouseni/vysokotlaky-vodni-paprsektechnologie-deleni-mate/ [2] http://www.a-keramika.com/komodity.php?xtem=technoart&kokey=9087 [3] http://www.chps.cz/index.php?lang=czech [4] www.strojarstvo.sk/docwww/SK/255/255.pdf [5] www.umt.fme.vutbr.cz/osem/pdf/ean2003/11-Foldyna.pdf [6] www.ssbk.cz/www/data/ssbk2003_5.pdf [7] http://www.elnaservis.cz/voda.htm [8] http://www.strojarstvo.sk/inc/index.php?ln=SK&tl=3&tpl=archiv.php&ids=2&cislo =7/2006&idclan=1297 [9] http://technika.ccb.cz/news/2004/TechnikaNews20040312.htm
