Wycinanie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną elementów konstrukcyjnych naczepy ze stali hardox 400

Transkrypt

1 SPADŁO Sławomir 1 KRAJCARZ Daniel 1 HLAVAC Libor 2 Wycinanie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną elementów konstrukcyjnych naczepy ze stali hardox 400 WSTĘP Coraz większą popularność w przemyśle samochodowym zyskuje wycinanie wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Proces ten polega na erozji materiału, w której nośnikiem materiału ściernego jest woda pod wysokim ciśnieniem. Ze względu na brak strefy wpływu ciepła, technologia nazwana jest,,zimną technologia [3, 5]. Głównie ta cecha obróbki AWJM (Abrasive Water-Jet Machining) spowodowała, że stanowi ona coraz bardziej popularny sposób rozdzielania materiału w stosunku do dotychczas stosowanych, alternatywnych metod cięcia takich jak cięcie wiązką laserową czy łukiem plazmowym [6, 4, 17]. Cięcie hydro-abrazyjne jest skuteczną i atrakcyjną metodą przecinania głównie wprzypadku kształtowania elementów z materiałów, w których niedopuszczalne jest ich nagrzewanie [12]. Znaczenie cięcia strugą wodno-ścierną w przemyśle samochodowym wzrosło wraz z pojawianiem się mniejszych i częściej zmieniających się serii modeli pojazdów, w których produkcja nowych części sprowadza się głównie do zmiany programu sterującego proces obróbki. Za pomocą metody AWJ cięte są głównie elementy konstrukcyjne pojazdów i zewnętrzne części karoserii lub elementów naczep. Do wycinania wyposażenia samochodów z miękkich materiałów używa się technologii cięcia czystą wodą. Energia kinetyczna takiego strumienia jest znacznie mniejsza niż w przypadku cięcia strugą wodną z dodatkiem ścierniwa. Ten rodzaj obróbki służy głównie do wykrawania elementów z tapicerki, wykładzin, gumy lub tworzyw sztucznych. Poza tym w przemyśle motoryzacyjnym technologię cięcia strugą wodno-ścierną wykorzystują zakłady zajmujące się tuningiem i restauracją pojazdów [11]. 1. CHARAKTERYSTYKA OBRABIANEGO MATERIAŁU Stal hardox to potoczna nazwa blach trudnościeralnych produkowanych przez szwedzką hutę SSAB OXELÖSUND. Blachy te cechuje wysoka odporność na ścieranie i obciążenia udarowe [9]. W przemyśle najczęściej wykorzystuje się odmianę stali oznaczaną hardox 400, która służy do produkcji łyżek oraz wykładzin trudnościeralnych zabudów samochodów ciężarowych. Twardość takiej stali oscyluje w granicach HB, natomiast wytrzymałość na rozciąganie dochodzi do 1250 MPa przy granicy plastyczności wynoszącej 1000 MPa [9]. W tabeli 1 podano normatywny skład chemiczny badanego materiału. Tab. 1. Skład chemiczny stali hardox 400 [10]. Skład chemiczny [%] Grubość blachy, mm C Si Mn P S Cr Ni Mo B 3-8 0,15 0,7 1,6 0,025 0,01 0,3 0,25 0,25 0,004 (8)-20 0,15 0,7 1,6 0,025 0,01 0,5 0,25 0,25 0,004 (20)-32 0,18 0,7 1,6 0,025 0,01 1,0 0,25 0,25 0,004 (32)-45 0,22 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 0,50 0,6 0,004 (45)-51 0,22 0,7 1,6 0,025 0,01 1,0 0,50 0,6 0,004 (51)-80 0,27 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1,00 0,6 0,004 (80)-130 0,32 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1,50 0,6 0,004 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, sspadlo@tu.kielce.pl, d.krajcarz@wp.pl. 2 University of Ostrava, HGF - Faculty of Mining and Geology; 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, libor.hlavac@vsb.cz 5765

2 2. WYCINANIE WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ WODNO-ŚCIERNĄ 2.1. Charakterystyka procesu cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną stali hardox Niekonwencjonalna technologia cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną to jeden z najlepszych sposobów obróbki blach typu hardox. Zaletą tej metody jest przede wszystkim brak strefy wpływu ciepła, dzięki czemu w odróżnieniu od metod termicznych nie występuje w opisywanym sposobie obróbki miejscowe odpuszczenie krawędzi, a twardość materiału w pobliżu ciętych krawędzi nie ulega zmianie. Do najważniejszych zalet cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną można zaliczyć [6, 13, 15]: brak oddziaływania cieplnego na materiał poddany obróbce, brak zmian struktur kształtowanego materiału, występowanie małych wartości sił nacisku w trakcie procesu obróbczego, możliwość cięcia różnych materiałów, minimalne straty materiałów ograniczające się do szczeliny cięcia, brak konieczności posiadania specjalistycznego oprzyrządowania narzędziowego, możliwość uzyskania wysokiej jakości powierzchni przecięcia. Oprócz braku strefy wpływu ciepła technologia AWJM charakteryzuje się przede wszystkim brakiem obciążeń mechanicznych czy też oddziaływań chemicznych podczas operacji kształtowania materiału. Ponadto uzyskanie gotowego wyrobu często nie wymaga dodatkowej obróbki, gdyż dokładność kształtowo wymiarowa oraz jakość uzyskanej powierzchni przecięcia może być wysoka. Obróbkę AWJM cechuje duża uniwersalność, ponieważ metoda ta ma zastosowanie w przecinaniu materiałów posiadających różne właściwości fizyczne. Problemu nie stanowi cięcie zarówno metali i ich stopów, szkła, ceramiki, aluminium, czy nawet materiałów organicznych [10]. Kolejną ważną zaletą jest możliwość cięcia zarówno grubych, jak i cienkich elementów. Możliwość przecięcia materiału zależy od ilości skumulowanej energii rozpędzonych ziaren ściernych zawartych w strudze wodno-ściernej [13, 14]. Kolejnym ważnym aspektem, który może mieć decydujący wpływ na wybór technologii cięcia jest możliwość uzyskania wysokiej jakości powierzchni przecięcia. Jakość kształtowanej powierzchni zależy głównie od prędkości posuwowej cięcia [16]. Jakość wykończenia powierzchni określa się stosując liczby od 1 do 5, co przedstawia rysunek 1. Najniższa liczba oznacza powierzchnię obrabianą z największą prędkością, która gwarantuje jedynie rozdzielenie materiału. Taka krawędź cięcia posiada zauważalne błędy kształtu. Widoczna jest tu charakterystyczna dla technologii AWJM struktura równoległych, zakrzywionych bruzd. Chropowatość powierzchni wzrasta wraz z odległością od górnej krawędzi ciętego materiału [1], przy czym im wyższa jakość przecięcia, tym różnica na przekroju obrabianego materiału będzie mniejsza i osiągnie dla najwyższej jakości Q5 stosunkowo niewielkie zmiany [13]. Przykładowe powierzchnie uzyskane w wyniku przecięcia zilustrowano fotografiami przedstawionymi na rys. 1. Rys. 1. Jakość krawędzi po cięciu wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną W procesie cięcia strugą wody ze ścierniwem występują bardzo małe wartości sił nacisku. W związku z tym, w technologii AWJM nie stosuje się specjalnych uchwytów mocujących, a jedynie obciążniki do lekkich elementów. Praktyczny brak sił mogących przemieścić obrabiany przedmiot 5766

3 powoduje, że przygotowanie materiału do obróbki wiąże się jedynie z wyznaczeniem bazy pomiarowej, czyniąc proces cięcia o wiele szybszym. Straty materiału ograniczają się tutaj jedynie do szczeliny cięcia, która zależy głównie od średnicy użytej do obróbki dyszy mieszającej i jej odległości od ciętego materiału. Zasadniczo szczelina cięcia wynosi około 1 mm. Materiał, który wyeroduje z obrabianego obszaru zmieszany z materiałem ściernym trafia do wanny stołu roboczego Charakterystyka ścierniwa stosowanego w procesie cięcia Do wycinania hydroabrazyjnego najczęściej stosuje się materiał ścierny typu garnet, który według polskiej normy zalicza się do granatów almandynowych. Zasadniczo jest to niemetaliczny minerał, składający się przede wszystkim z SiO 2 (31%), Fe 2 O 3 (37%) Al 2 O 3 (21%), MgO (7%) o twardości dochodzącej do 8 w skali Mohsa oraz masie właściwej około 4,2 Mg/m 3. Ziarna granatu charakteryzują się nieregularnymi wielokrawędziowymi kształtami, a rozkład wymiarów dla poszczególnych rodzajów jest szczegółowo określony przez producenta. Rysunek 2 a) przedstawia ścierniwo użyte w procesie cięcia. Fotografia została wykonana na mikroskopie Nikon Eclipse MA2000 w Katedrze Technik Komputerowych i Uzbrojenia w Zakładzie Materiałoznawstwa i Technologii Amunicji Politechniki Świętokrzyskiej. Dla garnetu mesh 80 Eco wymiary charakterystyczne ziaren ściernych powinna, według producenta, mieścić się w przedziale od 88 µm do 300 µm. Na rysunku 2 a) widać, że wymiar wzdłużny ścierniwa jest jednak znacząco większy i dochodzi nawet do 606 µm. Wielkość ziaren ściernych jest bardzo ważna, ponieważ determinuje właściwy dobór dyszy ogniskującej [12]. Rys. 2. Ścierniwo garnet mesh 80 użyte do procesu cięcia strugą wodno-ścierną: a) widok ziaren ściernych, b) właściwości fizyczne [8] 3. METODYKA I WYNIKI BADAŃ 3.1. Przedmiot badań Materiałem użytym do badań była lacha wykonana ze stali hardox 400 o grubości g = 15 mm. Na potrzeby eksperymentu testowano wycinanie haka stanowiącego element konstrukcyjny naczepy. Założenie konstrukcyjne zakładają utrzymanie, na poziomie właściwości materiału wyjściowego, właściwości mechanicznych ukształtowanego w wyniku wycinania haka zachowanie struktura nie struktury metalograficznej warstwy wierzchniej. Dodatkowymi elementami narzuconymi warunkami technicznymi było uzyskanie odpowiedniej dokładności kształtowo-wymiarowej oraz zapewnienie wymaganych parametrów struktury geometrycznej powierzchni. 5767

4 Rys. 3. Model 3D haka wykonanego ze stali hardox 3.2. Parametry procesu przecinania Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone na obrabiarce water-jet A.P.W2010BB, która jest w stanie wytworzyć strugę wodno-ścierną z maksymalnym ciśnieniem roboczym 300 MPa. Urządzenie posiada stół roboczy typu kratownica o wymiarach 2000x1000 mm. Eksperyment został przeprowadzony w Zakładzie Materiałoznawstwa i Technologii Amunicji Politechniki Świętokrzyskiej. W procesie cięcia użyto zestawu dyszy wodnej 0,30 mm i dyszy ogniskującej 1,02 mm o długości l = 75 mm. Materiałem ściernym był garnet # 80 E, którego wydatek wynosił 6 g/s. Odległość wylotu dyszy ogniskującej od ciętego materiału s była równa 2 mm. Czas pracy zestawu dysz w momencie rozpoczęcia badań wynosił 30 roboczogodzin Realizacja i wyniki badań doświadczalnych Element naczepy wykonano przy prędkości posuwu wynoszącej 10 mm/min. Pomiaru zarysu okrągłości wycinanego otworu dokonano w profilu na głębokości 7,5 mm licząc od górnej krawędzi przecinanego materiału. Badanie przeprowadzono na urządzeniu Talyrond 365, które służy do oceny zarysów kształtu i położenia metodą promieniową [7]. Prędkość pomiarowa wynosiła 2 obroty/min. Przyrząd ten posiada wbudowany systemem wibroizolacji i wyposażony jest w stół pomiarowy łożyskowany pneumatycznie. Maksymalny błąd wrzeciona wynosi +/- (0,02 µm+0,0003 µm/mm). Talyrond 365 znajduje się w Pracowni Pomiarów Zarysu Kształtu w Laboratorium Komputerowych Pomiarów Wielkości Geometrycznych Politechniki Świętokrzyskiej. Wyniki pomiaru zarysu okrągłości przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Zarejestrowany pomiar zarysu okrągłości wyciętego otworu Do analizy zarysu okrągłości wykorzystano jedynie 75% całego wyciętego otworu, pomijając ćwiartkę okręgu, w której znajdowało się wejście strugi w cięty materiał. Tak przyjęty tok badań 5768

5 pozwolił na wyeliminowanie znacznego błędu kształtu. W wyniku przeprowadzonego pomiaru stwierdzono, że odchyłka okrągłości RO Nt wyniosła 39,48 µm, największe wgłębienie RO Nv wyniosło 24,12 µm, natomiast najwyższe wzniesienie RO Np 15,36 µm. Zmierzona wartość średnicy otworu wyniosła 20,75 mm Ocenę chropowatości powierzchni wyciętej strugą wodno-ścierną przeprowadzono na urządzeniu TOPO02 L120. Próbki były badane w 3 różnych przekrojach, tj. 2 mm poniżej górnej krawędzi ciętego materiału (P1), po środku grubości obrabianego materiału (P2) oraz 2 mm powyżej wylotu strugi z miejsca przecięcia (P3). Wyniki pomiarów zostały zestawione w tabeli 2. Tab. 2. Parametry wysokościowe profilu chropowatości Parametr profilu, µm Przekrój P1 P2 P3 Rp 7,52 7,46 9,06 Rv 9,96 10,99 10,64 Rz 17,48 18,44 19,70 Rc 5,76 6,93 7,12 Rt 20,77 21,88 22,90 Ra 2,27 2,55 2,94 Rq 2,93 3,19 3,68 Najmniejsze wartości parametrów profilu chropowatości otrzymano dla przekroju P1. Były one jednak zbliżone do wartości dla przekroju P2. Wzrost parametru Ra wyniósł w tym przypadku 12,34%. Największy przyrost o 20,31% zanotowano dla parametru Rc określającego średnią wysokość elementów profilu. Stwierdzono również nieznaczne obniżenie największego wzniesienia profilu Rp. Analizując przebieg profilu chropowatości dla przekroju P3 nie stwierdzono również znacznego wzrostu parametrów w stosunku do profilu P2. Przykładowo wartość parametru Ra wzrosła o 15,3%. Zadanie podczas procesu wycinania relatywnie niskiej wartości prędkości posuwu spowodowało, że parametry chropowatości dla całej powierzchni przecięcia były zbliżone. Rys. 5. Zarejestrowany profil chropowatości powierzchni dla przekroju a) P1, b) P2, c) P3 5769

6 Przykładowe profilogramy chropowatości powierzchni pokazano na rysunku 5. Analiza wyników pomiaru wskazuje, że przy zadanych w eksperymencie parametrach procesu, osiągnięto równomierny rozkład wartości parametrów profilu ocenianych wzdłuż tworzącej wycinanego otworu. Dalsze obniżenie chropowatości może wiązać się na przykład z koniecznością zastosowania ścierniwa o mniejszej granulacji, obniżanie prędkości posuwu w tym celu wiąże się z obniżeniem wskaźników ekonomicznych procesu wycinania. Należy tu zaznaczyć, że przy zadanych parametrach cięcia moc strugi wodno-ściernej jest na tyle duża, że badany materiał zostanie przecięty nawet przy prędkości posuwu wynoszącej 100 mm/min. WNIOSKI Technologia cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną stanowi skuteczną metodę wycinania elementów wykonanych ze stali hardox. Zastosowanie technologii WJM do rozdzielania materiałów eliminuje negatywne skutki oddziaływań cieplnych jakie występują podczas przecinania materiału konwencjonalnymi metodami. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że odchyłka okrągłości wycinanego otworu przy prędkości posuwu wynoszącej 10 mm/min i grubości ciętego materiału 15 mm wyniosła 39,48 µm. Analizując wyniki badań parametrów chropowatości dla różnych przekrojów tego samego otworu stwierdzono, że im większa głębokość cięcia, tym niższa jakość struktury powierzchni. Jednakże przy kształtowaniu materiału z dużym naddatkiem mocy strugi zachodzi ujednolicenie wyników w poszczególnych przekrojach na tyle, że różnice pomiędzy poszczególnymi przekrojami cięcia nie są zasadniczo widoczne i praktycznie zanika podział na strefę podwyższonej i obniżonej jakości cięcia. Uzyskane parametry chropowatości powierzchni dla zastosowanego rodzaju ścierniwa są już parametrami granicznymi, a dalsze ich obniżenie może odbywać się poprzez zastosowanie ścierniwa o mniejszej granulacji. W celu uzyskania wysokiej jakości powierzchni przecięcia strugą wodnościerną dokonano znaczącego zmniejszenia prędkości posuwu w stosunku do możliwości rozdzielania materiału przy założonych parametrach obróbczych. Streszczenie W artykule zaprezentowano możliwości wykorzystania wysokociśnieniowej strugi wodno-ściernej do cięcia elementów naczepy. Dokonano charakterystyki obrabianego materiału oraz przedstawiono zalety obróbki materiałów strugą wodno-ścierną (AWJM). Scharakteryzowano również ścierniwo użyte w procesie cięcia, którym był garnet mesh 80. Wyniki badań przedstawiają jak kształtuje się jakość powierzchni przecięcia dla obrabianego materiału hardox 400. Eksperyment przeprowadzono na obrabiarce APW2010BB o mocy pompy wynoszącej 18,5 kw, która jest w stanie wygenerować maksymalne ciśnienie robocze na poziomie 300 MPa. Badania obejmowały ocenę zarysu okrągłości oraz parametrów profilu chropowatości. W pracy dokonano pomiaru chropowatości powierzchni dla różnych przekrojów powierzchni przecięcia. Słowa kluczowe: wysokociśnieniowa struga wodno-ścierna, stal hardox, cięcie metalu, parametry przecinania, struktura geometryczna powierzchni High-pressure abrasive water jet cutting steel parts of industrial machinery for hardox steel Abstract The article presents the possibility of using high-pressure abrasive water jet cutting steel parts of semitrailer for the automotive industry. It was presented characteristic of material hardox 400 steel and the advantages of high-pressure abrasive water jet cutting (AWJM). Also characterized the abrasive used in the cutting process, which was garnet mesh 80. Cutting abrasive jet was held on the water-jet model number APW2010BB with pump power of 18.5 kw, which is able to generate a imum working pressure of 300 MPa. The study included evaluation of outline roundness and profile roughness parameters. The experimental study focus on variability surface roughness depending on the cutting depth. Keywords: high-pressure abrasive water-jet, hardox steel, material cutting, cutting parameters, surface geometrical structure. 5770

7 BIBLIOGRAFIA 1. Adamczak S., Miko E., Cus F., Strojniski V., A model of surface roughness constitution in the metal cutting process applying tools with defined stereometry, Journal of Mechanical Engineering, nr 55, s , Borkowski J., Borkowski P., Wysokociśnieniowe technologie hydrostrumieniowe, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, ISBN 978-ISSN , Koszalin Borkowski J., Sokołowski A., Termiczne aspekty obróbki wysokociśnieniową strugą wodną o różnej strukturze i zastosowaniu, XXVII Naukowa szkoła obróbki ściernej, nr 36, s , Koszalin-Sarbinowo Harnicarova M., Valicek J., Zajac J, Hloch S., Cep R., Dzubakova I., Tofil S., Hlavacek P., Klich J., Cepova L., Techno-economical comparison of cutting material by laser, plasma and oxygen, Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, nr 19 (4), s , Kovacevic R., Mohan R., Beardsley H., Monitoring of thermal energy distribution in abrasive waterjet cutting using infrared thermography, ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, nr. 118, , Krajcarz D., Comparison Metal Water Jet Cutting with Laser and Plasma Cutting, Procedia Engineering, 24th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation, nr 69, s , Makieła W., Stępień K., Method of evaluation of roundness profiles of machine parts using the wavelet analysis, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 54, s , Materiały informacyjno-techniczne firmy GARNET Polska, dane z Internetu, [dostęp: ]. 9. Materiały informacyjno-techniczne firmy SSAB, dane z Internetu, [dostęp: ]. 10. Materiały informacyjno-techniczne firmy STAL-HURT, dane z Internetu, [dostęp: ]. 11. Materiały informacyjno-techniczne firmy WELES, dane z Internetu, [dostęp: ]. 12. Spadło S., Krajcarz D., Młynarczyk P., Kształtowanie jakości powierzchni przecięcia materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną, Logistyka, nr 6, s , Spadło S., Krajcarz D., Młynarczyk P., Badanie wpływu parametrów przecinania strugą wodnościerną stali S355 na strukturę geometryczną powierzchni, Mechanik, nr 9, s , Sutowska M., Wskaźniki jakości procesu cięcia materiałów strugą wodno-ścierną, PAK nr 57, , Wantuch E., Wskaźniki technologiczne i koszty obróbki stali wysokociśnieniowym strumieniem wodno-ściernym, Szkoła Naukowa Obróbek Erozyjnych, s , Warszawa Zheng H. Y., Han Z. Z., Chen Z. D., Chen W.L., Yeo S., Quality and Cost Comparisons between Laser and Waterjet Cutting, Journal of Material Processing Technology, 2nd International Conference on Production Engineering, nr 62, s , Żórawski W., Chatys R., Radek N., Borowiecka-Jamrozek J., Plasma-sprayed composite coatings with reduced friction coefficient, Surface & Coatings Technology, nr 202, s ,