KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 JÓZEF BORKOWSKI *, MARZENA BENKOWSKA * * WPŁYW GŁÓWNYCH PARAMETRÓW OBRÓBKI WYSOKOCIŚNIENIOWĄ STRUGĄ WODNO-ŚCIERNĄ NA JAKOŚĆ POWIERZCHNI PRZECIĘCIA W artykule omówiono problemy występujące podczas przecinania materiałów metalowych wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną. Przedstawiono wyniki badań wpływu ciśnienia wody i prędkości przesuwu głowicy tnącej na kształt śladów poobróbkowych na powierzchniach bocznych przedmiotów podczas prostoliniowego cięcia materiałów. Zaprezentowano również rezultaty badań krzywoliniowego przecinania stali odpornej na korozję (0H18N9). Analiza wyników pozwoliła na określenie zależności pomiędzy głównymi parametrami obróbki a jakością powierzchni przecięcia. Słowa kluczowe: struga wodno-ścierna, przecinanie materiałów, jakość powierzchni 1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ a współczynnik funkcji kształtu śladu poobróbkowego, b wykładnik potęgi funkcji kształtu śladu poobróbkowego, e podstawa logarytmu naturalnego, h grubość przecinanego materiału, p max maksymalne ciśnienie wody, p ciśnienie wody, r promień trajektorii głowicy tnącej, v f prędkość posuwu głowicy tnącej, Q max maksymalny wydatek objętościowy wody, Wt maksymalna wysokość profilu falistości, ΔWt różnica falistości w obszarze górnej i dolnej krawędzi cięcia. * Prof. dr hab. inż. Centrum Niekonwencjonalnych Technologii Hydrostrumieniowych Politechniki ** Mgr inż. Koszalińskiej.
12 J. Borkowski, M. Benkowska 2. WPROWADZENIE Obróbka materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną w ostatnim dziesięcioleciu coraz skuteczniej konkuruje z konwencjonalnymi metodami. Możliwość przeniesienia tej technologii do obszarów zarezerwowanych dla tradycyjnych metod wynika w głównej mierze z jej licznych zalet (brak termicznego oddziaływania strugi, bardzo małe naciski podczas procesu cięcia, struga jako jedno uniwersalne narzędzie stosowane do cięcia wszystkich materiałów) oraz z postępu technologicznego, który pozwala na stosowanie znacznie wyższych ciśnień wody [1]. Do słabych stron tej metody można zaliczyć występowanie śladów poobróbkowych na powierzchniach bocznych wycinanych przedmiotów oraz odchylenie zarysu przecięcia od zarysu idealnego [2, 3]. Wady te spowodowane są szczególnego rodzaju oddziaływaniem wysokociśnieniowej strugi wodno-ściernej na materiał obrabiany. W artykule przedstawiono modele, które mogą stanowić wygodne narzędzie do kontroli jakości procesu cięcia. 3. ODDZIAŁYWANIE STRUGI WODNO-ŚCIERNEJ NA MATERIAŁ OBRABIANY Podczas prostoliniowego przecinania materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną zachodzi zjawisko ugięcia strugi w głębi materiału. Polega ono na tym, że część energii strugi jest wytracana na usunięcie górnej warstwy materiału, a pozostała energia nie jest wystarczająca do gładkiego przecięcia [2]. Wzrost głębokości wnikania strugi w materiał powoduje pogarszanie się jakości przecięcia. Kształt, który przyjmuje struga w trakcie przecinania materiałów, odwzorowuje się na bocznych powierzchniach przedmiotów w postaci zwykle równoległych, zakrzywionych rowków (rys. 1). Intensywność występowania śladów poobróbkowych zależy w istotnej mierze od ciśnienia strugi wody i prędkości cięcia, równoznacznej z prędkością posuwu [4]. Ugięcie strugi wodno-ściernej podczas krzywoliniowego przecinania materiałów jest przyczyną błędów wykonania przedmiotów [5] (rys. 2). Technologia przecinania materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną znajduje zastosowanie m.in. do wykonywania przedmiotów o skomlikowanych kształtach. Duża konkurencja na rynku oraz rosnące wymagania użytkowników zmuszają producentów do zapewnienia dużej dokładności wykonania gotowych wyrobów. Z powyższego wynika potrzeba opracowania rozwiązania, które umożliwi dostosowanie jakości powierzchni przecięcia do oczekiwań odbiorców.
Wpływ głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową strugą 13 Rys. 1. Oddziaływanie prędkości posuwu v f na ukształtowanie powierzchni przecięcia Fig. 1. The exert influence of feed rate on cutting surface shape Rys. 2. Schemat procesu cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną o krzywoliniowej trajektorii ruchu Fig. 2. The diagram of AWJ cutting process with curvilinear movement trajectory 4. WARUNKI BADAŃ Wpływ zasadniczych parametrów cięcia na kształt śladów poobróbkowych badano z użyciem maszyny RCT 32 do cięcia wysokociśnieniową strugą wodno- -ścierną firmy Resato. Urządzenie to zapewnia wytwarzanie strugi wodno- -ściernej o następujących parametrach roboczych: p max = 400 MPa, Q max = 3,8 dm 3 /min. Podczas badań wykorzystywano głowicę tnącą firmy Resato wyposażoną w dyszę wodną o średnicy 0,25 mm i ogniskującą ø 0,76 mm. W badaniach stosowano materiał ścierny garnet #80 o stałym wydatku około 3 g/s. Obróbce poddano cztery materiały: stal kotłową (St41K), stal odporną na korozję (0H18N9), stop aluminium (AlMg1Si1Mn) oraz mosiądz (CuZn39Pb2). Wszystkie materiały miały grubość 20 mm i 35 mm. Podczas badań zmieniano wartości głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową strugą wodno- -ścierną: ciśnienie wody oraz prędkość posuwu. Badania były oparte na planie eksperymentu, który opracowano, wykorzystując specjalistyczny program Experyment Planer (wersja 1.0.1). Ze względu na nieliniowy charakter modelu matematycznego obiektu badań i małą liczbę zmiennych w każdym przypadku zastosowano plan trójpoziomowy całkowity. Badania wpływu ciśnienia wody i prędkości posuwu na ukształtowanie powierzchni przecięcia prowadzono w warunkach zbliżonych do wcześniej opisanych. Eksperymenty wykonywano na jednym rodzaju materiału stali 0H18N9. Materiał ten wybrano do badań nieprzypadkowo, gdyż jest on powszechnie stosowany w licznych branżach przemysłowych.
14 J. Borkowski, M. Benkowska 5. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 5.1. Wpływ głównych parametrów cięcia na kształt śladów poobróbkowych (cięcie prostoliniowe) Powierzchnie otrzymane w procesie prostoliniowego cięcia skanowano (rys. 3), a następnie odwzorowywano kształt występujących na nich śladów poobróbkowych za pomocą równań różnych funkcji. Najlepsze dopasowanie uzyskano, stosując funkcję potęgową o postaci: y = a Po zestawieniu równań wyznaczonych dla wszystkich badanych powierzchni zauważono, że wartości współczynników a są bardzo zbliżone, natomiast występuje znaczne zróżnicowanie wartości wykładników potęg b. Pozwala to na określenie zależności pomiędzy wartością wykładnika potęgi b a zmieniającymi się wartościami ciśnienia wody i prędkości przesuwu głowicy tnącej. b x (1) Rys. 3. Struktura śladów poobróbkowych otrzymana w procesie przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną (materiał 0H18N9, v f = 0,52 mm/s, p = 350 MPa, h = 35 mm) Fig. 3. The structure of cutting traces obtained in AWJ cutting process (material 0H18N9, v f = = 0.52 mm/s, p = 350 MPa, h = 35 mm) W wyniku analiz otrzymano osiem równań opisujących wpływ głównych parametrów obróbki na kształt śladów poobróbkowych na czterech różnych materiałach. Przykładowo, dla stopu aluminium AlMg1Si1Mn współczynnik
Wpływ głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową strugą 15 a wartość wykładnika potęgi gdzie a = 7 10 b = e c 1 7 (2) (3) c1 = 4,6496 0,0013 p 0,0653 h + 4,0586 10 p h + 1,936 10 p 5 5 2 (4) 5.2. Wpływ ciśnienia wody i prędkości posuwu na ukształtowanie powierzchni przecięcia (przecinanie krzywoliniowe) Powierzchnie otrzymane w procesie krzywoliniowego cięcia poddano szczegółowej analizie. Z użyciem profilografometru przestrzennego Taly-Scan 150 firmy Taylor-Hobson każdorazowo skanowano po dwa obszary o rozmiarach 2 mm 2 mm znajdujące się przy dwóch przeciwległych krawędziach próbek uzyskanych w procesie cięcia (rys. 4a). Wykorzystując oprogramowanie Taly- -Map Universal, określono wartości parametru Wt dla otrzymanych topografii powierzchni. Takie analizy umożliwiają uzyskanie równań opisujących zależność pomiędzy różnicą falistości ΔWt obszarów znajdujących się przy górnej i dolnej krawędzi cięcia a parametrami procesu przecinania. Przykładowy wpływ ciśnienia wody, promienia trajektorii głowicy tnącej oraz grubości obrabianego materiału na wartość ΔWt ukazuje poniższa zależność: w której ΔWt = e c 2, (5) c2 = 35,3131 0,19778 p + 0,0010 r + 0,1101 h+ 9,1574 10 0,0002 p h 0,0013 r h + 0,0003 p 2 5 p r Powyższe zależności zilustrowano wykresami przedstawionymi na rys. 5 i 6. Rysunek 5 obrazuje wpływ ciśnienia wody i promienia r na wartość różnicy falistości ΔWt, a na rys. 6 pokazano oddziaływanie ciśnienia wody i grubości materiału na ΔWt. Zwiększenie ciśnienia wody podczas przecinania materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną powoduje wzrost energii kinetycznej cząstek ściernych zawartych w strudze, przez co poprawia się jakość otrzymywanych przecięć. Natomiast wzrost grubości przecinanego materiału przy zachowaniu stałych wartości pozostałych parametrów cięcia przyczynia się do występowania znacznych falistości w okolicy dolnej krawędzi przecięcia. Najmniejszy wpływ na jakość powierzchni przecięcia wywiera promień r, którego wzrost wiąże się z niewielkim zmniejszeniem wartości ΔWt. (6)
16 J. Borkowski, M. Benkowska Rys. 4. Przykładowa mikrostruktura powierzchni przecięcia (materiał 0H18N9, v f = 0,4 mm/s, p = = 350 MPa, h = 20 mm): a) obraz topografii, b) uśrednione profile falistości zeskanowanych obszarów Fig. 4. The example of cutting surface microstructure (material 0H18N9, v f = 0.4 mm/s, p = = 350 MPa, h = 20 mm): a) surface topography, b) average profile waviness zones Rys. 5. Wykres funkcji ΔWt = e (p,r,h) według równań (5) i (6) dla h = 27 mm Fig. 5. The chart of function ΔWt = e (p,r,h) according to equations (5) and (6) for h = 27 mm Rys. 6.Wykres funkcji ΔWt = e (p,r,h) według równań (5) i (6) dla r = 20 mm Fig. 6. The chart of function ΔWt = e (p,r,h) according to equations (5) and (6) for r = 20 mm
Wpływ głównych parametrów obróbki wysokociśnieniową strugą 17 Rysunki 7 i 8 sporządzono na podstawie równania funkcji wykładniczej (5) z wykładnikiem o postaci: c = 3,3598+ 0,1282 h 0,0295 r + 16,6635 v f 0, 0002 h r 2 2 0,1013 h v f + 0,0495 r v f 9,9659 v f (7) Rys. 7. Wykres funkcji ΔWt = e (h,r,vf) według równań (5) i (7) dla h = 27 mm Fig. 7. The chart of function ΔWt = e (h,r,vf) according to equations (5) and (7) for h = 27 mm Rys. 8. Wykres funkcji ΔWt = e (h,r,vf) według równań (5) i (7) dla r = 20 mm Fig. 8. The chart of function ΔWt = e (h,r,vf) according to equations (5) and (7) for r = 20 mm Przedstawiony wyżej model opisuje wpływ zmian prędkości posuwu na jakość powierzchni przecięcia. Zwiększanie prędkości posuwu v f z jednoczesnym zachowaniem stałej grubości materiału powoduje zwiększenie różnicy falistości ΔWt. W poprzednim przypadku, przedstawionym na wcześniejszych wykresach (rys. 5, 6), zaobserwowano identyczny wpływ zmian grubości materiału h oraz promienia r na jakość powierzchni przecięcia opisaną przez ΔWt. 6. WNIOSKI Analiza wyników badań dotyczących wpływu głównych parametrów cięcia wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną na jakość powierzchni przecięcia pozwoliła na sformułowanie następujących wniosków: problem przecinania materiałów wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną sprowadza się do tego, że głównym zjawiskiem związanym z tym procesem jest powstawanie śladów poobróbkowych, których kształt jest możliwy do opisania za pomocą równania funkcji potęgowej y=ax b ; zestawiając otrzymane równania krzywych opisujące kształt śladów poobróbkowych, zauważono, że przy zmianie nastaw prędkości posuwu i ciśnienia wody wartości współczynników a są bardzo zbliżone, występują natomiast znaczne różnice pomiędzy wykładnikami potęg b;
18 J. Borkowski, M. Benkowska zmniejszenie prędkości posuwu wpływa w istotny sposób na zwiększenie wykładnika potęgi równania krzywej opisującej kształt śladów poobróbkowych; spadek ciśnienia wody podczas procesu przecinania materiałów strugą wodno-ścierną powoduje zmniejszenie wykładnika potęgi równania krzywej odwzorowującej tor ruchu ziaren ściernych; zwiększenie prędkości przesuwu głowicy roboczej z 0,2 mm/s do 0,4 mm/s (przy zachowaniu stałych wartości nastaw: r = 20 mm, h = 27,5 mm, p = = 350 MPa) powoduje przyrost różnicy falistości ΔWt prawie o 450%; podwyższenie ciśnienia wody równego 250 MPa o 25% (dla r = 20 mm, h = 27,5 mm, v f = 0,122 mm/s) wpływa na zmniejszenie ΔWt o 148 μm. Wyniki dotychczas przeprowadzonych badań pozwalają na stwierdzenie, że przez odpowiedni dobór wartości parametrów obróbki można wpływać na jakość powierzchni przecięcia. LITERATURA [1] Borkowski P.J., Teoretyczne i doświadczalne podstawy hydrostrumieniowej obróbki powierzchni, Koszalin, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej 2004. [2] Chen F.L., Wang J., Lemma E., Siores E., Striation formation mechanisms on the jet cutting surface, Journal of Materials Processing Technology, 2003, 141, s. 213 218. [3] Kulekci M.K., Processes and apparatus developments in industrial waterjet applications, Journal of Materials Tools & Manufacture, 2002, 42, s. 1297 1306. [4] Oczoś K., Łabudzki R., Obróbka strumieniem wodno-ściernym materiałów metalowych i niemetalowych (część I), Mechanik, 1992, 11, s. 349 356. [5] Wantuch E., Kot R., Problem dokładności odwzorowania toru krzywoliniowego przy obróbce wysokociśnieniowym strumieniem wodno-ściernym, in: XXVI Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej, Łódź 2003, s. 329 337. Praca wpłynęła do Redakcji 16.03.2006 Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Wantuch THE INFLUENCE OF PRINCIPAL PARAMETERS WHILE HIGH PRESSURE ABRASIVE WATER JET MACHINING ON CUTTING SURFACE QUALITY S u m m a r y The paper presents the problem connected with cutting process of metal materials with high pressure abrasive water jet (AWJ). The research results of the influence of water pressure and the cutting head s feed rate for the shape of machining trace, are presented. The paper also shows the effect of use of nonlinear cutting process during cutting out of stainless (0H18N9) elements. The analysis allowed to determine the main process parameters-cutting surface quality relation. Key words: abrasive water jet (AWJ), material cutting, surface quality