Tory ruchu ziaren ściernych i wody przy przecinaniu materiału

f w w abs p p v m q m q D E                   ₂ 2 2 1 ) ( (11)

2.3.1. Tory ruchu ziaren ściernych i wody przy przecinaniu materiału wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym

Idealizowany kształt toru ruchu strumienia wodnościernego w materiale obrabianym dla cięcia bez strat energii oraz dla cięcia rzeczywistego przedstawiono na rys. 2.3.14. W przypadku cięcia, bez strat energii, idealizowany tor ruchu strumienia powinien być odcinkiem prostej, a powierzchnia cięcia będzie charakteryzowana przez prostokąt.

Rys. 2.3.14. Kształt toru strumienia wodnościernego w materiale obrabianym [92].

W warunkach rzeczywistych utrata energii strumienia , postępująca wraz z głębokością cięcia h (rys. 2.3.14), powoduje zakrzywienie toru ruchu strumienia wodnościernego w kierunku przeciwnym do ruchu posuwowego głowicy tnącej i zmniejszenie powierzchni cięcia o obszar A0. Z tego względu pole obszaru A0, wg [92] można przyjąć za miarę energii zaabsorbowanej przez materiał przy osiągnięciu maksymalnej głębokości cięcia.

Bazując na obrazach przecinanej powierzchni tworzyw sztucznych, takich jak pleksiglas, Hashish dokonał podziału obszaru oddziaływania wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego wzdłuż kierunku posuwu głowicy tnącej na strefę wejściową, strefę cięcia oraz strefę wyjściową.

Strona 45

Rys. 2.3.15. Struktura procesu cięcia strumieniem wodnościernym według Hashisha [40].

W strefie wejściowej strumień wprowadzany jest do przedmiotu wzdłuż osi y (rys. 2.3.15) powodując zapoczątkowanie procesu usuwania materiału (w niniejszej pracy oś głowicy tnącej przyjęto jako oś Z, zgodnie z oznaczeniem stosowanych w obrabiarkach CNC). Strefa tnąca zaczyna się od momentu osiągnięcia przez strumień maksymalnej głębokości cięcia. Obszar ten charakteryzuje się cyklicznym usuwaniem materiału, podczas którego powstają charakterystyczne ślady na obrabianej powierzchni. Przy wyjściu z przecinanego materiału (strefa wyjściowa) strumień wodnościerny zakrzywia się w kierunku posuwu powodując wytworzenie charakterystycznego trójkątnego niedociętego materiału, określonego mianem strefy wyjściowej.

Na powierzchni cięcia przecinanego materiału Hashish wyodrębnił dwie strefy, różniące się mechanizmem destrukcji materiału. Pierwsza strefa, oznaczona wysokością h_c (rys. 2.3.15) stanowi obszar, w którym usuwanie materiału następuje w wyniku mikroskrawania. W strefie tej mechanizm usuwania materiału jest procesem ustalonym. Drugą strefę określono jako obszar destrukcji odkształceniowej. Obszar ten rozpoczyna się od miejsca zakrzywienia strumienia w materiale w kierunku przeciwnym do posuwu (rys. 2.3.15), oznaczony wielkością h_d. W strefie tej proces niszczenia materiału związany jest z takimi mechanizmami jak uderzenia cząstek ścierniwa, pękanie oraz deformacja plastyczna materiału. Strefa ta charakteryzuje się zakrzywionymi śladami strumienia wodnościernego na powierzchni cięcia rys. 2.3.16 [21][35][119], co jest specyficzną cechą obróbki wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym.

Strona 46

Rys. 2.3.16. Ślady torów ziaren ściernych na przecinanej powierzchni stopu Al.

Charakterystyczne dla przecinania wodnościernego ślady na przecinanej powierzchni spowodowane są rozpraszaniem energii strumienia. Dyssypowana energia strumienia wodnościernego jest różnicą energii kinetycznej strumienia uderzającego w materiał i energii wyjściowej (nadmiarowej), opuszczającej szczelinę cięcia. Rozpatrując przekrój wzdłużny szczeliny roboczej, wysokociśnieniowy strumień wodnościerny ulega odchyleniu o wielkość s, przeciwnie do zwrotu posuwu głowicy tnącej (rys. 2.3.17).

Strona 47

Rys. 2.3.18. Parametry szczeliny cięcia w przekroju poprzecznym [112].

Ocenę parametrów szczeliny roboczej można dokonać na podstawie wytycznych niemieckiej normy VDI 2906 [112]. Wytyczne te określają grupę wskaźników, do których należą (rys. 2.3.18):

 bE – szerokość szczeliny cięcia, mm,

 bEJ – lokalna szerokość szczeliny cięcia, mm,  b_SE – szerokość strefy uszkodzeń wtórnych, mm,

 bAR – szerokość zaokrąglenia w strefie wejścia strumienia, mm,  h_G – wysokość gratu obróbkowego w strefie wyjścia strumienia, mm,  bG - szerokość gratu obróbkowego w strefie wyjścia strumienia, mm,  hA – wysokość ubytku materiału w strefie wyjścia strumienia, mm,  bA - szerokość ubytku materiału w strefie wyjścia strumienia, mm,  φ – kąt zukosowania powierzchni obrobionej, º.

Analiza literatury [2][110][113][123] wykazuje szereg rozbieżności dotyczących odwzorowania kształtu torów ziaren ściernych na powierzchni cięcia materiału za pomocą funkcji matematycznych. Niektóre z prac [2][91][92][130] przyjmują jako najbardziej dokładne odwzorowanie śladów strumienia wodnościernego na powierzchni cięcia materiału przy pomocy funkcji kwadratowej:

y= ax² + bx +c (12)

gdzie:

x- grubość materiału,

Strona 48

a,b,c – parametry równania.

I tak w pracy [2] autor w badaniach przecinania próbek wykonanych z mosiądzu o grubości 10 mm i 20 mm przy ciśnieniu p=400 MPa, wydatku ścierniwa q=250 g/min, aproksymuje wyniki funkcją kwadratową o parametrach przedstawionych na rys. 2.3.19 oraz rys. 2.3.20.

Rys. 2.3.19. Aproksymacja funkcją kwadratową śladów strumienia wodnościernego na powierzchni przecinanej próbki mosiężnej o grubości 10 mm, ciśnieniu p=400 MPa, wydatku ścierniwa

q=250 g/min [2].

Rys. 2.3.20. Aproksymacja funkcją kwadratową śladów strumienia wodnościernego na powierzchni przecinanej próbki mosiężnej o grubości 20 mm, ciśnieniu p=400 MPa, wydatku ścierniwa

Strona 49

Z kolei na rys. 2.3.21 przedstawiono funkcje aproksymacyjne śladów strumienia wodnościernego wraz z parametrami równania kwadratowego uzyskane przez Mombera i Kovacevica [91] podczas przecinania: aluminium o grubości 26 mm, żeliwa o grubości 42 mm oraz stali nierdzewnej o grubości 26 mm przy ciśnieniu p = 276 MPa oraz wydatku ścierniwa q= 3,4 g/s.

Rys. 2.3.21. Funkcje aproksymacyjne śladów strumienia wodnościernego wraz z parametrami równania kwadratowego podczas przecinania: aluminium o grubości 26 mm, żeliwa o grubości 42 mm oraz stali nierdzewnej o grubości 26 mm przy ciśnieniu p = 276 MPa oraz wydatku ścierniwa q= 3,4 g/s

[92].

Podobne wyniki uzyskano w pracy [71] dokonując aproksymacji śladów strumienia wodnościernego funkcją kwadratową przy parametrach równania kwadratowego b i c równych 0, co obrazuje rys. 2.3.22.

Strona 50

Rys. 2.3.22. Aproksymacja śladów strumienia wodnościernego za pomocą funkcji kwadratowej z zerowymi parametrami b i c równania kwadratowego [71].

Tymczasem w pracach [9][11] za najbardziej odpowiednią przyjmuje się aproksymację śladów strumienia wodnościernego za pomocą funkcji wykładniczej:

y=a•e^bx (13) gdzie:

x- grubość materiału,

y- poziome odchylenie zarysu śladów obróbkowych,

a,b – parametry równania, przy czym wg [9] wartość współczynnika a = 7•10^-7, natomiast współczynnik b jest uzależniony od zadanego ciśnienia p oraz głębokości cięcia h i wynosi b=e^c1, gdzie c1=4,65-0,0013•p-0,065•h+4,05•10^-5•p•h+1,93•10^-5•p². Przykładowe tory strumienia wodnościernego wg [9] przedstawiono na rys. 2.3.23.

Strona 51

Rys. 2.3.23. Przykładowe ślady strumienia wodnościernego na powierzchni przecinanego materiału 0H18N9 o grubości 35mm wraz z funkcją wykładniczą uzyskane podczas cięcia przy ciśnieniu wody

p = 350 MPa oraz posuwie głowicy tnącej vf = 0,52 mm/s [9].

Jak wynika z przedstawionych badań dotyczących aproksymacji śladów strumienia wodnościernego na powierzchni przecinanego materiału otrzymane funkcje różnią się znacząco pod względem parametrów funkcji aproksymacyjnej, jak również postacią funkcji aproksymacyjnej. Problem, czy procesom cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym odpowiada stały profil toru ruchu strumienia wodnościernego, a różnice w jego opisach wynikają z różnego rodzaju błędów, czy też w rzeczywistości są to istotnie różne tory jest na bazie zgromadzonych danych badawczych nie do rozstrzygnięcia. W cytowanych badaniach stosuje się różne materiały, różne grubości, jak również różne są przyjęte w badaniach parametry technologiczne. Zagadnienie dotyczące związków toru ruchu strumienia wodnościernego podczas cięcia z jego oddziaływaniem energetycznym na materiał jest na tyle istotne, jak wynika z przeprowadzonej analizy literatury, że problem ten zostanie szczególnie wnikliwie potraktowany w części badawczej niniejszej pracy. Zbiór torów ruchu ziaren ściernych i masy wody w szczelinie przedstawiony na rys. 2.3.23 tworzy topografię powierzchni cięcia, przy tym cechy stereometryczne tej powierzchni są zróżnicowane. W strefie

Strona 52

wejścia strumienie, tam gdzie według [40] występuje mikroskrawanie uzyskuje się najniższą chropowatość powierzchni, która uzależniona jest od parametrów nastaw takich jak posuw, ciśnienie, wydatek ścierniwa. W części dolnej, w strefie wyjścia strumienia chropowatość powierzchni osiąga swoje maksimum przy jednocześnie wysokich wielkościach błędów kształtu powierzchni. Przy jednorodnym strumieniu podawanego ścierniwa cały zbiór torów obserwowanych przy wyjściu powinien być do siebie podobny, natomiast obserwowane różnice krzywizny torów rys. 2.3.23 wskazują na niejednorodność strumienia ścierniwa, co zostało wykazane w pracy Karpińskiego [61]. Wymagania jakościowe odnoszące się do obrabianej powierzchni przedmiotu powodują konieczność doboru odpowiednich parametrów technologicznych, w ten sposób by uzyskać np. wymaganą chropowatość przecinanej powierzchni [25][127] (rys. 2.3.24).

Rys. 2.3.24. Zależność parametru chropowatości Ra (pomiar w odległości: 9mm, 25mm i 41mm od

wejścia strumienia w materiał) od prędkości posuwu [127].

Wyniki przedstawione na rys. 2.3.24, a także wspomniane badania Hashisha [40] dowodzą, że chropowatość powierzchni rośnie wzdłuż drogi strumienia wodnościernego w materiale obrabianym i w przypadku wysokich wymagań jakościowych powierzchni cięcia należy odpowiednio zmniejszyć np. posuw głowicy tnącej, czego następstwem będzie zmniejszenie odchylenia s, a strefa przedmiotu o wysokiej jakości cięcia ulegnie zwiększeniu.

Strona 53

2.3.2. Siły i drgania w procesie obróbki wysokociśnieniowym