Ekspansywne rozwiązania konstrukcji maszyn do cięcia wodą DR INŻ. Jacek Mucha, KATEDRA KONSTRUKCJI MASZYN, WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA, POLITECHNIKA RZESZOWSKA Maszyny do cięcia strumieniem wodno-ściernym o konstrukcji ramieniowej charakteryzują się niezwykle kompaktową konstrukcją wymagającą niewielkiej przestrzeni. Dostęp do materiału obrabianego zamocowanego na ruszcie stołu z wanną jest łatwy i możliwy praktycznie z trzech stron. Innym rozwiązaniem o nieco mniejszym dostępie do obrabianych części jest konstrukcja bramowa, tworzona przez słupy, po której prowadzona jest głowica tnąca. Jest to koncepcja pozwalająca na zwiększenie precyzji pozycjonowania, a tym samym cięcia. Cechuje ją także większa sztywność prowadzenia głowicy niż w przypadku konstrukcji ramieniowej. W ciągu ostatnich kilku lat zaszły znaczące zmiany w zakresie możliwości cięcia strumieniem wody, co wpłynęło na podniesienie potencjału technologicznego waterjetów, także w zakresie oprogramowania [1, 3, 4, 5]. Maszyny stały się bardziej dokładne, więcej dostępnych funkcji poszerzyło ich zastosowanie i co najważniejsze dla wielu producentów koszt tej technologii ciągle się obniża. Coraz więcej firm wytwórczych oraz zajmujących się obróbką materiałów kupiło lub rozważa pierwszy zakup urządzenia do cięcia strumieniem wody. Technologia cięcia czystym strumieniem wodnym i w połączeniu ze ścierniwem oferuje wszechstronność wycinania praktycznie każdego rodzaju materiału, począwszy od miękkich pianek i tworzyw sztucznych, po twarde metale, szkło i kamień (tab. 1). Zakres grubości wycinanych materiałów dochodzi nawet do 200 mm, co jest osiągnięciem w zasadzie niedostępnym dla większości innych technologii cięcia. Strumień mieszaniny wodno-ściernej cechuje bardzo mały rozmiar, sięgający nawet poniżej 1 mm, co pozwala na wycinanie dość skomplikowanych kształtów. Ważną kwestią jest także to, że cięcie strumieniem wodno-ściernym nie generuje zmian cieplnych w ciętym materiale [2]. Niektóre twarde, a zarazem kruche materiały, takie jak: szkło, kamień czy ceramika, cechuje skłonność do pękania i odprysków podczas cięcia. Aby zapobiec niepożądanym zjawiskom niszczenia powierzchni ciętych elementów, opracowano i wprowadzono dla urządzeń waterjet możliwość niskociśnieniowego przebijania. Umożliwia to dostosowanie siły uderzenia strumienia podczas przebijania materiału. Odpowiedni dobór parametrów cięcia strumieniem wody i ścierniwa pozwala na efektywne wykorzystanie potencjału technologii i osiągnięcie wysokiej jakości powierzchni elementów [7, 8]. Przyspieszenia ruchów elementów prowadzenia głowicy sięgają średnio ok. 6 m/s 2 i nie są to maksymalne wartości, jakie można uzyskać, natomiast normą są prędkości ok. 3 m/min. Przegląd rozwiązań konstrukcji maszyn waterjet Na rynku dostępne są maszyny o dwóch rozwiązaniach konstrukcyjnych bramowe (rys. 1 oraz jednoramienne (rys. 1. Niestety pozycjonowanie i dokładność prowadzenia oraz zakres przemieszczeń w przypadku rozwiązania z ramieniem wysięgowym są ograniczone. Na bramowej konstrukcji można zainstalować inne elementy systemu cięcia wodą. Sztywne podparcie gwarantuje zachowanie odpowiedniej stałości kształtowej korpusu. W przypadku rozwiązania jednoramiennego nie zainstalujemy więcej niż dwóch niezależnych głowic tnących. Konstrukcja taka pozwala jednak na dostęp do maszyny praktycznie z trzech stron, co zapewnia większy komfort operowania materiałem przy załadunku i rozładunku. Ważne jest to, że maszyna o takiej budowie jest wyposażona w przeciwwagę ramienia maszyny, co zapewnia odpowiednią stabilność całego korpusu. Analizując konstrukcję urządzenia waterjet, należy zwrócić uwagę na skojarzenie bramy ze stołem. Dominują tu dwa rozwiązania: pierwsze, gdy wanna z rusztem jest integralną częścią korpusu maszyny (rys. 2; i drugie, gdy te elementy są odseparowane od siebie (rys. 2b, 2c). Pierwsze rozwiązanie cechuje duża dokładność pozycjonowania, dzięki czemu zapewniona jest większa precyzja cięcia. Jednak podczas długotrwałego cięcia wodą elementy wanny nagrzewają się i mogą wpływać na dokładność wymiarową pozostałych elementów korpusu maszyny. Z kolei stół z rusztem odseparowany od korpusu jest dodatkowo rozwiązaniem gwarantującym bezpieczeństwo. W przypadku uszkodzenia stołu podczas załadunku, niekiedy o dużej masie elementów, może dojść do jego uszkodzenia. Wówczas jednak tylko on jest niesprawny. Korpus ramienia i prowadnice nie zostają przemieszczone w stosunku do powierzchni stołu. Inną odmianą rozwiązania odseparowanych korpusu bramy i stołu jest zastosowanie przestrzennej ramy bramowej (rys. 3). Montowana do podłogi brama (konstrukcja wsporcza przestrzenn z osobnym stołem roboczym jest częstym rozwiązaniem stosowanym przez producentów maszyn do cięcia wodą. Szkielet konstrukcji, który podtrzymuje system ruchu wzdłuż osi, jest zamocowany bezpośrednio do podłogi i stoi nad oddzielnym stołem roboczym oraz zbiornikiem łapacza. Głowica z dyszą jest zamontowana do suportu, który porusza się wzdłuż przechodzącej nad stołem belki bramy. Belka bramy jest podtrzymywana z każdego końca przez system prowadnic. 74 M A J- C Z E R W I E C 2014
Rys. 1. Typowe rozwiązania konstrukcji maszyn do cięcia strumieniem wody: bramowa, jednoramienna [9] Do zalet bramy mocowanej do podłoża z oddzielnym stołem roboczym można zaliczyć [5]: łatwość produkcji i szeroki zakres wielkości przy podejściu modułowym; dobre dostosowanie do użycia dysz wielokrotnych do produkcji na dużą skalę; konstrukcja stół/zbiornik może być prosta pod względem budowy, dobrze dostosowana do specjalnych konfiguracji stołu potrzebnych do szybkiego podawania materiału (np. zmieniacze wahadłowe), typowych dla operacji produkcyjnych. Do wad możemy zaliczyć to, że: wymaga ona niezwykle starannego ustawienia w swoim miejscu pracy przez wykwalifikowanych techników po to, by pracownik miał pewność, że stół roboczy oraz konstrukcja X-Y są prawidłowo ustawione względem siebie; dokładność wykonywanych części jest ograniczona, ponieważ istnieje możliwość względnego ruchu i wibracji pomiędzy stołem roboczym a oddzielną strukturą X-Y (w szczególności problemem może być wibracja podłogi); na ogólną dokładność systemu wpływa dowolny długoterminowy ruch podłogi; ustawienie musi być okresowo sprawdzane. Belka bramy poruszana jest z obydwu stron, co wymusza użycie wysokiej jakości systemu elektronicznego lub mechanicznego, który zapewni prawidłowy i precyzyjny ruch obu końców w przeciwnym razie znacznie spadnie poziom dokładności. Jednym z profesjonalnych dostawców różnych konfiguracji rozwiązań stołu z wanną i korpusu z głowicą tnącą jest firma OMAX Poland. Każde z przedstawionych rozwiązań wymaga wysokiej jakości prowadzenia i łożyskowania elementów ruchomych, od nich zależą bowiem sztywność i dokładność prowadzenia ruchomych elementów maszyny do cięcia, a tym samym dokładność uzyskiwanych elementów. Nowoczesnym, a zarazem prostym rozwiązaniem stosowanym w łożyskowaniu elementów ruchu jest ułożyskowanie liniowe toczne z napięciem wstępnym. Napięcie wstępne prowadzi przede wszystkim do zwiększenia sztywności układu łożyskowego. Rozpatrując zagadnienie sztywności, należy pamiętać, że wpływ na nią ma nie tylko sprężystość powrotna łożyska, ale i odkształcenie sprężyste wszystkich innych elementów w polu działania sił. Wszystkie te czynniki mają duży wpływ na sprężystość całego systemu prowadzenia. Dość często do budowy konstrukcji bramowej przy budowie lekkich maszyn CNC do cięcia wodą lub prostych ploterów stosowane są profile ze stopów aluminium (rys. 4). Konstrukcje takie składają się z trzech głównych elementów stojaków i belki suportowej. Stojaki oparte są na elementach łożyskujących je. Takie rozwiązania są na wystarczająco dobrym poziomie. Inne maszyny, jakimi są obrabiarki do obróbki skrawaniem CNC, budowane są na bazie monolitycznej, stalowej lub żeliwnej o charakterze skrzyniowym, zapewniającym maksymalną sztywność. Tego typu konstrukcje są mniej podatne na utratę stabilności geometrii. Opracowania specjalne konstrukcji maszyn do cięcia Bramowa konstrukcja korpusu ma zastosowanie w różnego rodzaju obrabiarkach, w tym m.in.: c) Rys. 2. Konstrukcje o różnej integralności stołu z korpusem maszyny do cięcia strumieniem wody: klasyczne połączenie bramy ze stołem, brama odseparowana od stołu, c) ramię odseparowane od stołu Rys. 3. Autonomiczna konstrukcja ramowa bramowego prowadzenia głowicy tnącej [10] Rys. 4. Zespół prowadnic oparty na prostokątnym profilu system HDS2 [11] bramowych centrach obróbczych, manipulatorach bramowych, wycinarkach plazmowych, laserowych, wodnych itp. Bramowe konstrukcje korpusów stosowane m.in. w centrach obróbczych i wycinarkach budowane są w celu zapewnienia maksymalnej sztywności korpusu. Innym przykładem wykorzystania takiego rozwiązania jest budowa np. precyzyjnej M A J- C Z E R W I E C 2014 75
Rys. 5. Wielogłowicowe jednobramowe rozwiązanie maszyn do cięcia w technologii waterjet [14] Rys. 6. Specjalizowane centrum obróbcze stosowane w przemyśle lotniczym do obróbki kompozytowych elementów nośnych samolotów [9] tokarki o hybrydowej konstrukcji korpusu obrabiarki z manipulatorem bramowym. W tym przypadku zastosowanie manipulatora bramowego mocowanego do podstawy tokarki eliminuje kłopotliwe fundamentowanie elementów belkowania, a także pozwala na swobodne przestawianie tokarki i ogranicza do minimum liczbę osłon przestrzeni niebezpiecznych dla operatora [12]. W przypadku maszyn do cięcia strumieniem wodnościernym producenci, podejmując się opracowania konstrukcji, biorą pod uwagę szereg czynników, w tym i te, które są uwzględniane podczas projektowania klasycznych obrabiarek. Ciężkie konwencjonalne obrabiarki do obróbki elementów wielkogabarytowych są szczególnie narażone na wpływ dużych nacisków elementów prowadnic. Konstrukcje korpusów w kształcie bramy z racji dużego rozstawu kolumn muszą charakteryzować się dużą wytrzymałością i sztywnością [13]. Cięcie strumieniem ścierniwa i wody nie generuje już takich dużych obciążeń. Stąd maszyny do cięcia elementów o dużych rozmiarach wymagają przede wszystkim stołu o znacznej wielkości. To stół z rusztem przejmuje siły występujące podczas cięcia. Stojaki są połączone w dolnej części z łożem, np. z rolkowymi prowadnicami tocznymi, a w górnej ze stałą belką suportową, po której porusza się głowica tnąca. Układ ten tworzy sztywną bramę maszyny do cięcia. Taka konstrukcja może bezpośrednio spoczywać na łożach prowadnic znajdujących się w konstrukcji wsporczej stołu. Innym rozwiązaniem jest odseparowanie bramy od stołu. W celu zwiększenia wydajności i spełnienia różnorakich wymagań obróbczych maszyny do cięcia wodą MATERIAŁ GRUBOŚĆ [mm] DLA 260 MPa mogą być budowane jako dwugłowicowe dwu- lub jednobramowe (rys. 5). Bramy główna i dodatkowa sterowane są oddzielnie, mogą mieć inny zakres osi i różne głowice tnące. W celu zwielokrotnienia wydajności cięcia wykonywane są nawet czterogłowicowe konstrukcje wykorzystujące jedną belkę. Takie rozwiązanie pozwala również na wykorzystanie całego obszaru roboczego dla niższych zakresów prędkości przemieszczania się pojedynczej głowicy tnącej. Niestety rozwiązania te są droższe od klasycznego, prostego z jedną głowicą tnącą. Wyspecjalizowane firmy oferują urządzenia o konstrukcji hybrydowej przeznaczone dla przemysłu lotniczego do klasycznego wiercenia, a także cięcia strumieniem wody. Systemy przeznaczone do obróbki elementów kompozytowych (Composites DLA 330 MPa DLA 380 MPa MARMUR 20 300 380 410 30 200 300 360 GRANIT 20 250 330 380 30 150 200 250 CERAMIKA 12 800 960 1100 5 1200 1500 1610 SZKŁO 10 500 600 725 20 350 420 330 SZKŁO KLEJONE 10 450 540 630 GĄBKA 50 5000 6000 6500 PIANKA 50 5000 6000 6500 DREWNO 10 1000 1200 1350 50 200 240 270 2 600 720 800 4 400 500 570 6 300 420 520 STAL 8 200 300 360 10 120 200 260 15 75 120 150 20 30 50 60 60 12 20 26 LAMINAT 10 1500 1800 2000 ALUMINIUM 5 350 500 970 MIEDŹ 5 350 420 460 TWORZYWA ZBROJONE WŁÓKNEM 2 1200 1500 1650 SZKLANYM Tab. 1. Orientacyjne zakresy prędkości cięcia dla zalecanych grubości cięcia i odpowiadające im ciśnienia robocze cieczy [6] 76 M A J- C Z E R W I E C 2014
Rys. 7. Laserowy system pomiarowy służący do precyzyjnego pomiaru na dużych odległościach do 60 m [15] Machining Center CMC) buduje firma Flow International Corp. Jednym z nich jest system opracowany dla firmy Royal Engineered Composites oferujący obróbkę strumieniem wody w pięciu osiach. System ten przeznaczony jest do cięcia i wiercenia części kompozytowych produkowanych dla przemysłu lotniczego. Takie rozwiązanie otwiera nowe możliwości produkcji na inną niż dotychczas skalę. Skonstruowane urządzenie klasy B CMC oferuje sterowanie w pięciu osiach, a strumień wody obejmuje swym działaniem obszar o wielkości w osi X od 6 m do 50 m, Y od 2 m do 7,5 m, i w osi Z od 1 m do 2,5 m (rys. 6). Pozycjonowanie i pomiar wykonywane są przy użyciu precyzyjnego interferometru laserowego firmy Renishaw o zakresie pomiarowym do 60 m z dokładnością do 1 μm na 1 m przemieszczenia (rys. 7). Wyposażenie maszyny CNC do obróbki skrawaniem w specjalne stoły obrotowe umożliwia obróbkę w dowolnych płaszczyznach oraz pod dowolnym kątem. Obróbka może być również realizowana przestrzennie w wyniku kojarzenia ruchu cięcia i stołu o osiach sterowanych numerycznie. W przypadku maszyn do cięcia manipulowanie elementami często płaskimi, o dużej powierzchni, przymocowanymi do specjalnego stołu byłoby trudne. Stąd producenci prześcigają się we wprowadzaniu nowych rozwiązań konstrukcji podparcia i prowadzenia głowicy tnącej w systemie waterjet. Głowica specjalnej budowy (rys. 8, o kilku sterowalnych osiach, w połączeniu z możliwościami przemieszczania się bramy pozwala już na znacznie bardziej zaawansowane cięcie 3D (rys. 8. Oferowane rozwiązania gwarantują dokładność od ±0,08 mm, a uzyskiwane prędkości przesuwu do 23 m/min. Urządzenia o pięciu sterowalnych osiach otwierają szeroki zakres zastosowań, które można zrealizować za pomocą strumienia wody i ścierniwa. Jest to wciąż stosunkowo nowa technologia, która pozwala na cięcie 3D. Przykład przedstawiony na rys. 8b świadczy o olbrzymich możliwościach aplikacyjnych. Cięcie 3D może być z powodzeniem zastosowane do wytwarzania wstępnego kół o zębach skośnych (rys. 8c). c) Rys. 8. Aplikacja technologii cięcia 3D strumieniem wody: głowica 5-osiowa, wycięty wirnik, c) koła zębate o zębach skośnych [10] Obróbka z dużymi prędkościami W przypadku technologii waterjet zwiększenie wymagań jakości technologicznej i konstrukcyjnej poszczególnych elementów urządzeń pozwala na zwiększenie dokładności i powtarzalności cięcia. Konsekwencją wymagań stawianych maszynom i urządzeniom pracującym z dużymi prędkościami (HSM) są kryteria doboru geometrii i materiału na odpowiednie fragmenty stałe i ruchome ich korpusów. Do najważniejszych należą [16]: duża sztywność statyczna i dynamiczna, dobra zdolność tłumienia drgań wzbudzanych strugą wodno-ścierną, mała masa korpusów ruchomych, tj. konstrukcji ramienia lub bramy z głowicą tnącą, niewielka odkształcalność termiczna, zwłaszcza stołu z rusztem, wysoka dokładność wykonania elementów prowadzenia części ruchomych, niezmienność kształtów i wymiarów korpusów oraz ich połączeń. HSM w obrabiarkach bramowych stanowi nie lada wyzwanie. Duże prędkości ruchów obróbczych, ale także wysokie przyspieszenia ruchów nastawczych generują wzrost sił bezwładności i związane z tym problemy spowodowane działaniem serwonapędów ruchu. Przy bramowej konstrukcji maszyny do cięcia niezwykle ważnym aspektem jest zapewnienie nie tylko dużej sztywności, ale trwałości napędów oraz układów prowadzenia z racji zwiększonej masy ramy w porównaniu z konstrukcją wysięgową (jednoramienną). Duże wartości parametrów kinematycznych oraz niemała masa wpływają również na wzrost temperatur podzespołów realizujących ruchy główne i posuwowe, co przekłada się na wzrost odkształceń cieplnych, np. węzłów łożyskowych i przekładni śrubowo-tocznych. W przypadku maszyn do cięcia wodą nasilenie tych zjawisk podczas obróbki jest mniejsze, gdyż nie ma bezpośredniego oddziaływania sił cięcia strugą wodno-ścierną na układ bramowy. Siły obciążające układ bramowy to siły związane z masą belki i głowicy, a także siły odrzutu strugi wodnościernej. Trwałość systemów do cięcia wodą zależy od jakości łożyskowania, a wydajność i długie funkcjonowanie od pomp wodnych. Zwiększenie prędkości cięcia wymaga zastosowania zespołu pompy o dużej wydajności i odpowiednim poziomie ciśnienia roboczego strugi tnącej. 78 M A J- C Z E R W I E C 2014
Sercem każdej maszyny w technologii waterjet jest bez wątpienia pompa. To ona doprowadza czynnik tnący do odpowiedniego ciśnienia, nadając strudze wysoką energię kinetyczną, umożliwiającą cięcie. Zespół pompy odpowiada za odpowiednią prędkość cięcia materiałów. Obecnie najczęściej stosowane systemy pomp to pompy korbowodowe i wzmacniaczowe. Ograniczeniem prędkości cięcia przy tych materiałach nie jest sama technologia cięcia wodą, ale zakres działania systemu sterowania i napędów. Współczesne rozwiązania maszyn do cięcia pozwalają na osiąganie prędkości roboczych cięcia do 1 m/s. Przełomowe w procesie cięcia strumieniem wody jest rozwiązanie Active Dynamic Waterjet firmy Flow International Corporation. Jest to system cięcia i kontroli pozwalający na dokładniejszą obróbkę części przy znacznie wyższych prędkościach niż w przypadku konwencjonalnych rozwiązań. Zastosowanie Active Dynamic Waterjet pozwala na zwiększenie wydajności cięcia od 25% do nawet 400% [9]. Podsumowanie Decyzja o zakupie konkretnego typu maszyny do cięcia wodą musi być gruntowanie przemyślana, ponieważ stanowi dla firmy poważną inwestycję. Technologia waterjet jest ciągle rozwijana i udoskonalana w kierunku zwiększenia precyzyjności i powtarzalności cięcia. Oferowane nowe systemy pozwalają na osiąganie niespotykanych dotąd wydajności cięcia, są one jednak droższe od klasycznych. Wybór postaci rozwiązania konstrukcji korpusu jako integralnej części ze stołem lub odseparowanej zależy od wielu czynników, w tym warunków produkcji w firmie. Piśmiennictwo 1. Trzepieciński T.: Głowice do cięcia strumieniem wodno-ściernym. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 3-4/2014, s. 90-92. 2. Wala T.: Sposoby oceny profilu powierzchni po obróbce metodą waterjet. Chropowatość a falistość powierzchni po obróbce strumieniem wodno-ściernym. STAL Metale & Nowe Technologie, nr 9-10/2013, s. 82-88. 3. Trzepieciński T.: Cięcie strumieniem wodno-ściernym cz. I. Technologia i innowacyjne maszyny. STAL, nr 11-12/2013, s. 36-39. 4. Trzepieciński T.: Cięcie strumieniem wodnościernym cz. II. Technologia i innowacyjne maszyny. STAL, nr 1-2/2014, s. 44-47. 5. www.omax.com. 6. www.digima.pl. 7. Wala T.: Cięcie metodą waterjet. Innowacyjne techniki określania warunków cięcia cz. I. STAL, nr 5-6/2013, s. 108-111. 8. Wala T.: Cięcie metodą waterjet. Innowacyjne techniki określania warunków cięcia cz. II. STAL, nr 7-8/2013, s. 60-62. 9. www.flowwaterjet.com. 10. www.wardjet.com. 11. www.hepcomotion.com. 12. Kowalski T., Niedbała M.: Moduł automatyzujący podawanie i magazynowanie przedmiotów obrabianych na centrum tokarskim. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 3/2009, s. 8-10. 13. Lehrich K., Kosmol J.: Optymalizacja korpusu wrzeciennika centrum frezarskiego. Inżynieria Maszyn, z. 3/2012, s. 7-20. 14. www.waterjet.se. 15. www.renishaw.com. 16. Honczarenko J.: Korpusy współczesnych obrabiarek. Mechanik, nr 2/2009, s. 89-92. M A J- C Z E R W I E C 2014 79