Index of /rozprawy2/11142

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Systemów Wytwarzania. ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Rafał Kudelski. Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego w procesach cięcia. Promotor prof. dr hab. inż. Edward Wantuch. Kraków 2016.

(2)

(3) Spis treści STRESZCZENIE ...............................................................................................................3 SUMMARY ......................................................................................................................5 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ ........................................................................7 1.. Wstęp .........................................................................................................................8. 2.. Analiza procesu cięcia materiałów w aspekcie zdolności skrawnej. wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego ........................................................... 11 2.1.. Interakcja wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego z materiałem. obrabianym .................................................................................................................. 11 2.2.. Wpływ ścierniwa na proces cięcia wysokociśnieniowym strumieniem. wodnościernym ............................................................................................................ 19 2.3.. Oddziaływanie energetyczne wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. na materiał ................................................................................................................... 32 2.3.1.. Tory ruchu ziaren ściernych i wody przy przecinaniu materiału. wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym ................................................. 44 2.3.2.. Siły i drgania w procesie obróbki wysokociśnieniowym strumieniem. wodnościernym ........................................................................................................ 53 2.4. 3.. 4.. Podsumowanie analizy literatury........................................................................ 57. Uzasadnienie wyboru tematu, cel i teza pracy........................................................... 60 3.1.. Uzasadnienie wyboru tematu ............................................................................. 60. 3.2.. Cel badań ........................................................................................................... 60. 3.3.. Teza pracy ......................................................................................................... 60. Metodyka badań własnych ....................................................................................... 61 4.1.. Ocena potencjału skrawnego wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego ........................................................................................................... 63 4.2.. Ocena wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego ........................................................................................................... 71 4.2.1.. Metodyka badań wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego. strumienia wodnościernego przy cięciu prostoliniowym ........................................... 71. Strona 1.

(4) 4.2.2.. Metodyka badań wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego. strumienia wodnościernego przy cięciu krzywoliniowym ......................................... 73 4.3.. Metodyka badań dynamiki procesu cięcia wysokociśnieniowym strumieniem. wodnościernym. ........................................................................................................... 76 5.. Badania własne ........................................................................................................ 79 5.1.. Badania wstępne ................................................................................................ 79. 5.2.. Badania potencjału skrawnego wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego ........................................................................................................... 82 5.3.. Badania zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. przy cięciu aluminium ................................................................................................ 120 5.3.1.. Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego przy cięciu prostoliniowym aluminium......................................... 120 5.3.2.. Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego przy cięciu krzywoliniowym aluminium....................................... 132 5.4.. Badania zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. przy cięciu stali .......................................................................................................... 147 5.4.1.. Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego przy cięciu prostoliniowym stali ................................................... 147 5.4.2.. Badania wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia. wodnościernego przy cięciu krzywoliniowym stali ................................................. 156 6.. Podsumowanie i wnioski ........................................................................................ 166 6.1.. Wnioski ogólne ................................................................................................ 168. 6.2.. Wnioski metodologiczne .................................................................................. 169. 6.3.. Wnioski wdrożeniowe oraz wnioski do dalszych badań ................................... 170. LITERATURA .............................................................................................................. 171 ZAŁĄCZNIK Płyta CD. Strona 2.

(5) STRESZCZENIE Praca. doktorska. pt.. „Badania. wskaźników. zdolności. skrawnej. wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego w procesach cięcia” obejmuje swym zakresem badania eksperymentalne zrealizowane z wykorzystaniem formalnych reguł metodyki badań eksperymentalnych na stanowisku badawczym, jakim była wycinarka wodna firmy H. G. RIDDER Automatisierungs-GmbH model HWE-P 1520. Przeprowadzone. badania. eksperymentalne. koncentrowały. się. na. ocenie. właściwości zdolności skrawnej oraz potencjału skrawnego wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. Pojęcia te zostały wypracowane na gruncie teorii obróbki ściernej, głównie do oceny właściwości skrawnych narzędzi ściernych. Na potrzeby tej pracy potencjał skrawny wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego został określony jako zdolność do przecinania danego materiału z maksymalną możliwą wydajnością powierzchniową w danych warunkach. Natomiast zdolność skrawna wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego jest określona jako zdolność do przecinania. danego. materiału. z. określoną. wydajnością. powierzchniową. przy. jednoczesnym zapewnieniu zadanego poziomu jakości technologicznej powierzchni cięcia. Wymienione pojęcia są na gruncie dotychczasowej wiedzy z zakresu obróbki wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym pojęciami nowymi, a ich uzasadnione wprowadzenie w ten obszar wiedzy tworzy wspólne ramy pojęciowe w ramach teorii obróbki ubytkowej. Część wstępna pracy zawiera analizę stanu literaturowego problematyki oddziaływania energetycznego wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego na materiał obrabiany, co wiąże się z zagadnieniami wpływu ścierniwa zawartego w wysokociśnieniowym strumieniu oraz innych czynników decyzyjnych na efekty przecinania. W tej części pracy przedstawiono także werbalny model mechanizmu destrukcji materiału podczas cięcia strumieniem wodnościernym, jak również określono wpływ rodzaju przecinanego materiału oraz parametrów technologicznych na efekty cięcia. Kolejno dokonano podsumowania analizy literatury. Po uzasadnieniu wybory tematu pracy, sformułowaniu tezy pracy oraz celu badań, przedstawiono metodykę badań własnych, które zrealizowano wg programu rotalnouniformalnyego PS/DS.-P:L(L). W badaniach własnych dokonano oceny potencjału Strona 3.

(6) skrawnego strumienia wodnościernego dla materiałów: stal, aluminium, mosiądz, granit. Następnie przeprowadzono analizę statystyczną otrzymanych wyników oraz ich aproksymację za pomocą funkcji regresji w postaci wykładniczej. W tego rodzaju procedurach wykorzystano program CADEX-ESDET oraz pakiet STATISTICA 12. Badania. zdolności. skrawnej. wysokociśnieniowego. strumienia. wodnościernego. prowadzono dla cięcia prostoliniowego oraz cięcia krzywoliniowego. Na podstawie znalezionych. funkcji. regresji. przedstawiono. odpowiednie. zależności. zarówno. w odniesieniu do badań potencjału skrawnego, jak również zdolności skrawnej. Ze względu na podstawowe znaczenie chropowatości powierzchni w ocenie jakości cięcia, uogólnienia niektórych wskaźników zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego dokonano również z wykorzystaniem aproksymacyjnych możliwości sieci neuronowych. Wykorzystanie do tego celu sieci neuronowych ma tę zaletę, że umożliwia stałe. powiększanie. zbioru. uczącego. z. przyrostem. danych. eksperymentalnych.. W rezultacie uzyskuje się wyższą dokładność predykcyjną, mającą znaczenie praktyczne przy cięciu strumieniem wodnościernym. Do modelowania sieci neuronowej i obliczeń wykorzystano program Matlab wraz z dodatkiem nftool (Neural Network Fitting Tool). W badaniach odnoszących się do dynamiki ruchu drgającego głowicy tnącej, jako efektu interakcji wysokociśnieniowego strumienia z przecinanym materiałem, wykazano możliwość. monitorowania. granicznych. stanów. potencjału. skrawnego. wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz identyfikacji miejsc wzdłuż toru cięcia, które charakteryzują się niepełnym przecięciem materiału. Na podstawie badań określono charakterystyczne parametry drgań odpowiadające takim granicznym stanom procesu cięcia, co stanowi podstawę do formułowania wniosków o charakterze wdrożeniowym. W końcowej części pracy dokonano podsumowania i sformułowano wnioski z przeprowadzonych badań własnych.. Strona 4.

(7) SUMMARY Dissertation entitled ”Research cutting capacity indicators of high-pressure abrasive water jet in cutting processes” encompasses experimental studies, that were implemented using formal rules of the methodology of experimental research on the test bench, which was a WaterJet cutting machine, company HG RIDDER GmbH Automatisierungs-model HWE P-1520. Experimental studies were related to assessment of the ability of high-pressure abrasive water jet cutting capacity and cutting potential. These concepts have been developed on the basis of the theory of abrasive machining, mainly to assess the grinding properties of abrasive tools. For the purpose of this dissertation, high-pressure abrasive water jet cutting potential is defined as the ability to cut the material with the maximum possible area efficiency under given conditions. While high-pressure abrasive water jet cutting capacity is defined as the ability to cut the material with the possible area efficiency, while ensuring a certain level of technological quality of the cutting surface. These concepts are new in the field of abrasive water jet machining and their introduction in the area of knowledge creates a common conceptual framework in the theory of machining. Part of the initial dissertation includes analysis of the literature which concerns energy impact of high pressure abrasive water jet on the workpiece that involves the issues of dosage of the abrasive grains on the effects of cutting. In the this part of dissertation also describes the mechanism of destruction of the material during high-pressure abrasive water jet cutting. Sequentially summarized the analysis of the literature. After the justification choosing the theme of dissertation, the formulation of the thesis dissertation and the purpose of research, presented the methodology of own researches, which were proceeding the PS/DS.-P:L(L) program. As basic research and exploratory research was conducted research of high-pressure abrasive water jet cutting potential for materials: steel, aluminium, brass, granite. Then made a statistical analysis of the results and the approximation by using the exponential regression was made. In this type of procedures was using the program CADEX-ESDET and STATISTICA 12. Research of high-pressure abrasive water jet cutting capacity were conducted for straight. Strona 5.

(8) cutting and curved cutting. Based on the results of the regression, the dependences of high-pressure abrasive water jet cutting potential and high-pressure abrasive water jet cutting capacity were presented. Due to the fundamental importance of surface roughness in the evaluation of the quality of the cut, same indicators off high-pressure abrasive water jet cutting were approximated using artificial neural networks. Neural network was modelling and calculations by using Matlab, with the addition nftool (Neural Network Fitting Tool). Suitable studies related to the dynamics of the vibrating movement of the cutting head, as a result of interaction off high-pressure jet with cutting material, demonstrates the ability to monitor limit states of high-pressure abrasive water jet cutting potential. Based on studies, the characteristic parameters of the vibration corresponding to the limit states of the cutting process were presented. This is the basis for conclusions about the feature implementation. In the final part of the study compares the results of the analysis and conclusions drawn.. Strona 6.

(9) WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ A1 - obszar usuniętego materiału w warunkach idealnych, mm2, Ao – obszar nieusuniętego materiału, charakteryzujący wielkość energii zaabsorbowanej przez materiał obrabiany, mm2, bE – szerokość szczeliny obróbkowej, mm, bEJ – lokalna szerokość szczeliny obróbkowej, mm, dk – średnica komory mieszania, mm, do – średnica dyszy mieszającej, mm, dp – średnica ziarna ściernego, mm, dw – średnica dyszy wodnej, mm, Eabs – energia zaabsorbowana przez materiał obrabiany, J, Ep – energia kinetyczna pojedynczego ziarna ściernego, J, ES – energia kinetyczna strumienia wodnościernego opuszczającego dyszę mieszającą, J, ESW– energia kinetyczna strumienia wodnościernego opuszczającego obrabiany materiał, J, Ew – energia kinetyczna strumienia wody, J, Fg – siła grawitacji, N, Fz – siła odporowa działająca na głowicę tnącą, N, h – głębokość cięcia, mm, HMAX – maksymalna głębokość cięcia, mm, hRB – wysokość obszaru o obniżonej jakości cięcia, mm, hRF – wysokość obszaru o podwyższonej jakości cięcia, mm, L – długość dyszy mieszającej, mm, lk – długość komory mieszania, mm, mp – masa pojedynczego ziarna ściernego, g, mw – wydatek wody, l/min, p – ciśnienie robocze wody, MPa, q – wydatek dozowanego ścierniwa, g/s, s – odchylenie toru strumienia wodnościernego w materiale, mm, S - odchylenie toru strumienia wodnościernego w materiale, odpowiadające parametrom technologicznym potencjału skrawnego, mm, vf – prędkość posuwu, mm/min, vw – prędkość strumienia wody, m/s. Strona 7.

(10) 1. Wstęp Rozwój uprzemysłowionej wersji technologii obróbki materiałów stosującej iniekcyjny wysokociśnieniowy strumień wodnościerny obejmuje okres kilkudziesięciu lat. Technologia. ta. znalazła. trwałe. miejsce. w. przemyśle. jako. jedna. z. trzech. komplementarnych metod cięcia materiałów, obok metod laserowych oraz plazmowych. Rozwój badań z tego zakresu znacząco wpłynął na udoskonalenie sprzętu, elementów eksploatacyjnych, jak dysze wodne i dysze mieszające, modernizacji uległy zasilacze wysokociśnieniowe, w ich nowych wersjach uzyskuje się podwyższone ciśnienie rzędu 600 MPa. Pomimo tego, że technologia WaterJet wykorzystuje mechaniczne oddziaływanie narzędzia jakim jest wysokociśnieniowy strumień czystej wody lub wody ze ścierniwem na przedmiot obrabiany, jak dotąd wydaje się rozwijać bez związków z dotychczasową wiedzą z zakresu obróbek mechanicznych, zwłaszcza bez związku z teorią obróbki ściernej. Ze względu na mechaniczne oddziaływania narzędzia ściernego podczas obróbki, zarówno w przypadku szlifowania ściernicowego, jak podczas cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym procesy obróbkowe wykazują pewne podobieństwa, a narzędzie jest ukonstytuowane jako zbiór ziaren ściernych. W przypadku narzędzia ściernego na ziarna nałożone są więzy skleronomiczne, w drugim przypadku takich więzów brak. Klasyczne narzędzie ścierne w czasie interakcji z materiałem obrabianym generuje strumienie ziaren ściernych, których parametry oddziaływania uzależnione są od kinematyki. obróbki.. Narzędzie. w. formie. wysokociśnieniowego. strumienia. wodnościernego generuje podobne strumienie ziaren wchodzących w kontakt z materiałem obrabianym, ich oddziaływanie jest jednak uzależnione od energii kinetycznej i sił masowych działających na ziarna. W obu przypadkach efektem kontaktu ziarna ściernego z materiałem jest wykonanie pracy mikroskrawania, bruzdowanie (oddziaływania przeformowania plastycznego) materiału, względnie powstanie efektu erozji mechanicznej materiału w wyniku wykonania pracy tarcia ziaren. Zarówno przy szlifowaniu ściernicowym oraz cięciu strumieniem wodnościernym współistnieją efekty stowarzyszone z procesem głównym, związane z wodnym. Strona 8.

(11) roztwarzaniem materiałów w postaci mikropęknięć powodowanych zjawiskiem Rebindera, które zachodzi w odpowiednich warunkach hydrodynamicznych. Wymienione przesłanki podobieństwa narzędzi uzasadniają podjęcie pracy mającej wykazać metodologiczną spójność teorii obróbki materiałów, posługując się w swym rozwoju jednolitym systemem pojęć oraz ustalaną interpretacją zjawisk składających się na zróżnicowane jak w tym przypadku procesy obróbkowe. Kluczowe w tego rodzaju syntetycznym ujęciu problematyki badawczej są pojęcia zdolności skrawnej i potencjału skrawnego, które stoją u podstaw teorii obróbki ściernej. Zatem w odniesieniu do cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym zdolność skrawna tego narzędzia będzie definiowana jako zdolność do przecinania danego materiału z określoną wydajnością powierzchniową, przy jednoczesnym zapewnieniu określonego poziomu jakości technologicznej powierzchni cięcia. Potencjał skrawny wysokociśnieniowego strumienia, określony jest w tej pracy jako zdolność do przecinania danego materiału z maksymalną możliwą wydajnością powierzchniową. Proponowane pojęcia zdolności skrawnej i potencjału skrawnego na gruncie teorii obróbki wysokociśnieniowym. strumieniem. wodnościernym. są. pojęciami. nowymi,. nie. znajdującymi odpowiedników w dostępnej literaturze. Nowe pojęcia, bądź też nawet już stosowane, ale w odmiennej interpretacji, są w warstwie metodologicznej rozwoju wiedzy potwierdzeniem tego rozwoju, wymagają jednak swego uzasadnienia. W niniejszej pracy, zrealizowany program badań oraz uzyskane i. wyniki. potencjału. wykazują. skrawnego. w. sens. stosowania. odniesieniu. do. pojęć. zdolności. wysokociśnieniowego. skrawnej strumienia. wodnościernego. Jak wynika z prowadzonych badań, pojęcia te są rozwijalne i umożliwiają formułowanie nowej problematyki badawczej. Wykorzystując pojęcie potencjału skrawnego w niniejszej pracy wykazano, że wielkość ta w przypadku wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego osiąga swoje maksimum dla danego materiału w pewnym zakresie grubości przecinanego materiału, który to przedział jest charakterystyczny dla danego materiału. Umożliwia to tworzenie szeregu materiałów wg rosnącej lub malejącej efektywności cięcia. Tego rodzaju wyniki uzyskane w niniejszej pracy są wg analizy literaturowej wynikami oryginalnymi. W zrealizowanym programie badawczym, który obejmował również badanie dynamiki głowicy tnącej, wykazano, że stany procesu cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym odpowiadające osiąganiu potencjału skrawnego znajdują Strona 9.

(12) charakterystyczne odwzorowanie w obrazie stanu dynamiki głowicy tnącej i ma to szczególne znaczenie w ocenie online jakości technologicznej cięcia. Przeprowadzone badania umożliwiły wprowadzenie użytecznej miary zdolności skrawnej. wysokociśnieniowego. strumienia. wodnościernego,. umożliwiając. wybór. odpowiednich parametrów jakościowych cięcia, zarówno dla cięcia prostoliniowego oraz cięcia wzdłuż torów krzywoliniowych. Mając na względzie wartość wyników badań uzyskanych w niniejszej pracy można stwierdzić, że uzyskana na ich podstawie wiedza jest nowa i oryginalna, a proponowane konwencje. terminologiczne. zdolności. skrawnej. i. potencjału. skrawnego. wysokociśnieniowego strumienia z metodologicznego punktu widzenia są poprawne, a ponadto wykazano ich sens stosowania.. Strona 10.

(13) 2. Analiza procesu cięcia materiałów w aspekcie zdolności skrawnej wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego 2.1. Interakcja wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego z materiałem obrabianym Proces destrukcji. materiału jako wynik oddziaływania wysokociśnieniowego. strumienia wody, nie znajduje podobieństw do procesów destrukcji materiału podczas obróbki narzędziami skrawającymi, ponadto jest od nich bardziej złożony. Na destrukcję materiału w procesie cięcia wpływ ma wiele czynników, w tym zwłaszcza: - ciśnienie wody, - rodzaj cieczy roboczej, - rodzaj i parametry ścierniwa, - sposób podawania ścierniwa do komory mieszania, - rodzaj obrabianego materiału. Technologia cięcia strumieniem wody wykorzystuje dwa rodzaje strumieni, tzw. niskociśnieniowy oraz wysokociśnieniowy. Według H. Louis`a [91] strumień generowany przez pompy nurnikowe powinien być definiowany jako niskociśnieniowy, natomiast strumień generowany przez pompy wzmacniaczowe jako wysokociśnieniowy. Podział ten jest jednak wysoce niejednoznaczny, ponieważ obecne pompy nurnikowe, przy zainstalowanej mocy ok. 30 kW, wytwarzają ciśnienie rzędu 400 MPa, co odpowiada zakresowi ciśnień pomp wzmacniaczowych. W obecnych aplikacjach przemysłowych [13][91] wykorzystujących technologię wysokociśnieniowego strumienia wody stosuje się podział na dwa umowne zakresy ciśnień czynników roboczych p: 1) zakres niskich ciśnień p < 200 MPa, gdzie woda pod ciśnieniem ok. 10 MPa znajduje zastosowanie w budowie tuneli i kopalniach do wspomagania urobku skał, węgla oraz złota [23][26][29][59][66][82][97]. Natomiast ciśnienia wody do 200 MPa są nadal stosowane głównie do czyszczenia powierzchni,. usuwania. zadziorów. i. Strona 11. zużytych. powłok. lakierniczych.

(14) [12][14][49][51][57][58][78[85]. Szczególne zastosowanie tego zakresu ciśnień odnajduje się w inżynierii medycznej [8][10][31][48][52][76][80]. 2) zakres wysokich ciśnień p>200 MPa, obecnie standardem są ciśnienia rzędu 400 MPa, wytwarzane przez pompy pracujące na zasadzie. wzmacniaczy. ciśnienia. [72][73][104].. Pierwsze. takie. pompy. zostały. wyprodukowane przez w połowie lat 70-tych przez firmę Flow, których konstrukcja praktycznie nie uległa zmianie do dzisiaj.. W wyniku doskonalenia techniki. wysokociśnieniowej obecnie do użycia wprowadzane są pompy wytwarzające ciśnienia 600 - 700 MPa [40][64][72][73][77]. Do cięcia materiałów konstrukcyjnych może służyć: - strumień czystej wody, - strumień wodnościerny. W zakresie wysokich ciśnień strumień czystej wody służy do cięcia materiałów miękkich, takich jak: pianka poliuretanowa, sklejka, guma, karton, tworzywa sztuczne, artykuły spożywcze [91]. Natomiast zastosowanie strumienia czystej wody do przecinania materiałów twardych jest albo nieefektywne, albo wręcz całkowicie niemożliwe. Podobnie podczas cięcia materiałów kompozytowych strumień czystej wody jest mało przydatny ze względu na występowanie delaminacji kompozytów przy wyjściu strumienia, co przykładowo dla różnych wielkości posuwu i ustalonych innych parametrów cięcia przedstawiono na rys. 2.1.1 [61][62].. Rys. 2.1.1. Powierzchnie kompozytu włókno szklane/żywica epoksydowa od strony wejścia i wyjścia strumienia po cięciu strumieniem czystej wody z różnymi prędkościami posuwu vf [61].. Strona 12.

(15) Odziaływanie wysokociśnieniowego strumienia czystej wody na obrabiany materiał jest ściśle związane ze strukturą strumienia kształtowaną po wyjściu z dyszy wodnej (rys. 2.1.2). Powszechnie przyjętym kryterium oceny przydatności wysokociśnieniowego strumienia czystej wody do przecinania materiałów jest jego koherentność, przez co rozumie się zdolność strumienia do nierozpadania się podczas ruchu w powietrzu i zachowania stałej energii kinetycznej w określonej odległości od dyszy. Strumień wody o wysokim ciśnieniu i dużej prędkości po wyjściu z dyszy wodnej [102][116][128][131] o kształcie walcowym trafia do powietrza, ośrodka o dużo mniejszej gęstości od wody, tracąc przy tym swój walcowy kształt, nadany kształtem dyszy wodnej i przyjmuje postać stożka. Ponadto wysokociśnieniowy strumień wody poruszający się w powietrzu ulega aeracji, przez co należy rozumieć nasycenie strumienia wody powietrzem, które zaczyna się przy jego powierzchni zewnętrznej i sukcesywnie przenika do wnętrza strumienia. W strukturze wysokociśnieniowego strumienia wody wyróżnia się trzy strefy (rys. 2.1.2): a) strefę początkową, b) strefę główną, c) strefę końcową. W strefie początkowej wyróżnia się tzw. rdzeń strumienia, o stożkowym kształcie, charakteryzujący się stałą prędkością i stałym ciśnieniem. Długość rdzenia strumienia jest funkcją ciśnienia. Im większe ciśnienie, tym dłuższy rdzeń i tym większy kąt zewnętrznego zarysu strumienia.. Rys. 2.1.2. Struktura wysokociśnieniowego strumienia wody: d - średnica dyszy, ap - teoretyczna długość rdzenia strumienia, ac - rzeczywista długość rdzenia strumienia, ab - długość strumienia związanego, av - całkowita długość strumienia [13].. Strona 13.

(16) W literaturze [13][91] podane są dwie zależności, według których można obliczyć rzeczywistą długość rdzenia strumienia wody. Pierwsza jest powiązana z ciśnieniem wody i dotyczy zakresu ciśnień p od 200 MPa do 340 MPa oraz średnicy dyszy wodnej dw z przedziału od 0,1 mm do 0,3mm, dla których parametr ac oblicza się ze wzoru: = −3,545 ∙ 10. ∙. + 2,85 ∙ 10. (1). Druga zależność jest powiązana ze średnicą dyszy wodnej d0 , wtedy ac oblicza się ze wzoru: ac = d0 • A. (2). gdzie: d0 – średnica dyszy wodnej, A – bezwymiarowa wartość zależna od liczby Reynolds’a oraz od geometrii i jakości powierzchni dyszy. Wielkość A wyznaczana jest doświadczalnie na podstawie eksperymentu. Jej wartości szacuje się w przedziale zmienności 20<A<135. W strefie głównej, sąsiadującej ze strefą końcową, strumień jest mieszaniną oddzielnych cząstek cieczy i powietrza. Wartości osiowej prędkości i ciśnienia tego odcinka są już niewielkie, a ze stopniowym zwiększaniem się odległości od dyszy asymptotycznie zbliżają się do zera. Największą efektywność przecinania wysokociśnieniowym strumieniem wody uzyskuje się podczas pracy tzw. strumienia związanego (koherentnego), oznaczonego na rys. 2.1.2 jako ab. Na koherentność strumienia wpływ wykazuje również skład chemiczny cieczy roboczej [96]. Niewielkie dodatki rozpuszczalnych polimerów prowadzą do istotnego zmniejszenia turbulentnego oporu tarcia i przyczyniają się do ograniczenia stopnia rozszerzania się strumienia na skutek powierzchniowych zaburzeń. Najczęściej do wody dodawane są: poliglikole, stężona glukoza, poliakrylamidy, polioksyetyleny oraz siarczkowe polietery [15][87][96][115]. Dodawanie do strumienia wody cząstek stałych pozwoliło rozszerzyć zakres materiałów obrabianych o materiały twarde, jak np.: metale, krzemień, kamień, szkło, materiały ceramiczne i trudnoobrabialne [38][37][67][95]. Najczęściej dodawanym materiałem. do. wysokociśnieniowego. strumienia. wody. jest. ścierniwo. o odpowiednio dostosowanych właściwościach. W celu określenia modelu usuwania materiału przez wysokociśnieniowy strumień wodnościerny przeprowadzono szereg badań na różnych materiałach [1][36][54][55][81][96]. Usuwanie materiału dokonuje się odmiennie niż w przypadku czystego strumienia wody. Podczas obróbki strumieniem wodnościernym cześć pędu naddźwiękowego strumienia wody jest przekazywana Strona 14.

(17) cząstkom ściernym, które uderzają w materiał. W oddziaływaniu wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego na materiał można wyróżnić trzy charakterystyczne obszary oddziaływania strumienia (rys. 2.1.3).. Rys. 2.1.3. Oddziaływanie strumienia wodnościernego na przecinany materiał [96].. Obszar materiału niszczony strumieniem prostopadłym, oznaczono strzałkami 2 i 8, strzałki 1, 4, 5, 7, 9 przedstawiają obszar niszczenia strumieniem ślizgowym, strzałkami 3 oraz 6 wyróżniono obszary niszczenia strumieniem ukośnym. Oddziaływanie strumienia w kierunku prostopadłym do powierzchni obrabianej powoduje powstawanie klinowych pęknięć, przenikających warstwę wierzchnią materiału w różnych kierunkach, co prowadzi również do odłupywania cząstek materiału. Cząsteczki wody dostające się z bardzo dużą prędkością w szczeliny wywołują wzrost ciśnienia na ścianki pęknięcia, powodując propagację tych pęknięć. Wielkość ciśnienia wywieranego na ścianki pęknięcia zależy głównie od prędkości wypływu strumienia z dyszy. H. C. Meng i K. C. Ludema [81] wyodrębnili szereg mechanizmów powodujących oddzielanie materiału, przy czym mechanizmy te nie występują pojedynczo, lecz w różnych kombinacjach (rys. 2.1.4). Strona 15.

(18) Rys. 2.1.4. Mechanizmy usuwania materiału według H. C. Menga i K. C. Ludema [81].. Natomiast I. M. Hutchings [54][55] bazując na mikroskopii elektronowej w obrazach powierzchni materiału obrobionego przez strumień wodnościerny wyodrębnił dwa rodzaje mechanizmu mikroskrawania, usuwanie materiału przez skrawanie oraz usuwanie materiału przez ścieranie (rysowanie). W jego opinii skrawanie powodowane jest przez ziarna ścierniwa o nieregularnych, ostrych krawędziach, natomiast usuwanie materiału w wyniku ścierania, dominuje przy udziale owalnych ziaren. Ślad pozostawiony przez ziarno w przypadku skrawania, dodatkowo zależny jest od kierunku obrotu samego ziarna w czasie jego ruchu, co zostało przedstawione na rys. 2.1.5. Typ I odnosi do przypadku, gdy kierunek rotacji ziaren ściernych jest zgodny z kierunkiem ich ruchu i typ ten jest dominujący, natomiast typ II, gdy ziarna posiadają rotację wsteczną. Powstała po procesie skrawania lub ścierania wypływka usuwana jest przez uderzające w nią kolejne ziarna ścierniwa,. co. prowadzi. do. powstawania. mikrowiórów. w. procesie. wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym.. Rys. 2.1.5. Mechanizmy mikroskrawania według I. M. Hutchingsa [54][55].. Strona 16. cięcia.

(19) Jak wykazano w pracy [54][55] mikroskrawanie zachodzi jedynie przy małych kątach uderzenia cząstek w materiał. W przypadku, gdy kąty te osiągają duże wartości zbliżone do 90˚, uderzające cząstki ścierniwa powodują powstawanie poprzecznych pęknięć, których dalsza propagacja sprzyja destrukcji materiału. Duża liczba pęknięć szczególnie charakterystyczna jest dla materiałów kruchych, natomiast w przypadku materiałów plastycznych dominującą. formą usuwania. materiału. jest. mikroskrawanie.. Idea. powstawania pęknięć poprzecznych według A. Magnee została przedstawiona na rys. 2.1.6.. Rys. 2.1.6. Idea powstawania pęknięć poprzecznych [17].. Realne warunki, w których występuje interakcja ziaren ściernych w otoczeniu napowietrzonego środowiska wodnego, są zdecydowanie bardziej złożone od tych reprezentowanych prostymi modelami fizycznego kontaktu ziarna z materiałem. Rzeczywiste warunki kontaktu ziarna z materiałem są kształtowane przez powstającą szczelinę cięcia. Na rys. 2.1.7 zaprezentowano kształt szczeliny cięcia w przekroju poprzecznym przy cięciu materiału warstwowego (stal – aluminium) [63].. Strona 17.

(20) Rys. 2.1.7. Poprzeczny przekrój szczeliny cięcia w materiale typu „sandwich” Al-stal 45 po cięciu wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym [63].. Różne twardości i gęstości tych materiałów powodują, że w takich przypadkach ujawnia się tendencja do poprzecznej ekspansji strumienia wodnościernego, powodując powstanie szczególnego rodzaju błędów obrabianej powierzchni (rys. 2.1.7). Przy równoległym do osi szczeliny cięcia torze ruchu ścierniwa, można przypisać obserwowane skutki modyfikujące pierwotny kształt szczeliny cięcia odbiciom ziaren od twardej warstwy stali oraz turbulentnemu przepływowi wody w szczelinie [63]. Proces. cięcia,. i. związana. z. nim. dekohezja. materiału,. jako. oddziaływanie. wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego na przedmiot obrabiany ma charakter złożony i nie posiada odpowiedników w innych znanych sposobach obróbki ubytkowej. Stąd też wiele zagadnień dotyczących zachowania się wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego podczas cięcia, nadal pozostaje nie w pełni rozpoznanych i opisanych. Trudności formalnego opisu dekohezji materiału wynikają z wielofazowości strumienia wodnościernego oraz osobliwości zdarzeń fizycznych zachodzących w trakcie kontaktu z materiałem obrabianym przy wysokiej prędkości strumienia, rzędu kilku prędkości dźwięku. Wysokociśnieniowy strumień wodnościerny jest mieszaniną fazy stałej w postaci ziaren ściernych, wody oraz powietrza, którego udział dochodzi do ok. 95% objętości strumienia (rys. 2.1.8) [91]. Udział masowy poszczególnych faz jest z oczywistych powodów inny, co przedstawiono na rys. 2.1.8. W typowych systemach iniekcyjnego Strona 18.

(21) wytwarzania wysokociśnieniowego strumienia, prędkość poruszania się cząstek stałych w strumieniu wodnościernym jest zdecydowanie mniejsza od prędkości strumienia wody [50][98].. a). b) 4% 1%. woda. 3%. woda. 23% ścierniwo. ścierniwo 74%. 95% powietrze. powietrze. Rys. 2.1.8. Objętościowy (a) oraz masowy (b) udział powietrza, ścierniwa i wody w wysokociśnieniowym strumieniu wodnościernym [91].. W przemysłowych systemach cięcia metodą WaterJet, stosuje się zazwyczaj iniekcyjne sposoby wytwarzania mieszanki wodnościernej, w których największą część masy strumienia stanowi woda (74%) oraz powietrze (3%), natomiast udział masowy ścierniwa wynosi ok. 23% masy całkowitej strumienia.. 2.2. Wpływ ścierniwa na proces cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym Ścierniwo w procesie dekohezji twardych, litych materiałów spełnia dominującą rolę w procesie cięcia. Ścierniwo stosowane podczas cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym można podzielić na dwie grupy: a) ścierniwa naturalne, b) ścierniwa syntetyczne. W przemyśle, ze względu na trwałość dyszy mieszającej najczęściej, wykorzystywane są ścierniwa naturalne, pochodne almandynu pochodzenia naturalnego, które charakteryzują Strona 19.

(22) się korzystnymi parametrami, zwłaszcza w odniesieniu do twardości, gęstości, kształtu ziarna, co przedstawiono w tabeli 2.2.1. Analizę sitową handlowego ścierniwa Garnet GMA o dwóch podstawowych ziarnistościach #80 oraz #120 przedstawiono na rys. 2.2.1 [79]. Tabela 2.2.1. Specyfikacja techniczna ścierniwa na bazie almandynu [79].. Właściwości fizyczne Twardość: 8 – 9 Mohs. Skład chemiczny Al2O3 20,36%. Ciężar właściwy: 4,2 g/cm3 Ciężar nasypowy: 2,34 g/cm3 Temperatura topnienia: 1315°C Kształt ziaren ściernych: ostre, nieregularne. FeO 9,72% Fe2O3 12.55% MgO 12,35%. Skład mineralny Granat almandynowy: 97 -98 % Ilmenit: < 2% Krzemionka: <0,5% Kwarc < 1%. CaO 2,97% SiO2 41,34% MnO 0,85%. Rys. 2.2.1. Analiza sitowa ziaren ścierniwa GMA o ziarnistości #80 oraz #120 [100].. Ziarna ścierniwa dostarczane są przewodem transportowym do komory mieszającej głowicy tnącej, na skutek podciśnienia wywołanego efektem Venturiego [97]. W komorze mieszającej następuje przyśpieszanie,. mieszanie i napowietrzanie wytwarzanego. strumienia wodnościernego. Podczas mieszania ścierniwa z wodą, w wyniku zderzenia cząstek ściernych z wysokoprędkościowym strumieniem wody, ścianami dyszy mieszającej oraz zderzeniami pomiędzy samymi ziarnami następuje ich częściowe rozdrabnianie, co wykazano w szeregu badań [46][60][100] (rys. 2.2.2). Strona 20.

(23) a). b). Rys. 2.2.2. a) akumulacja cząstek ścierniwa w stożkowej części dyszy mieszającej, b) trajektoria cząstek ściernych podczas procesu przyśpieszania [56].. Szczególny wpływ na mieszanie i rozdrabnianie mają wymiary komory mieszania, kąt uderzenia ziaren ścierniwa o ściany komory, a także efekt skali odniesiony do wymiaru ziarna ściernego, co wykazano w pracy Martineca [79]. Z prac tych wynika, że ziarna ścierniwa o niewielkim wymiarze są mniej podatne na rozdrabnianie pod wpływem impulsu siły, przez co zachowują swój wymiar i kształt podczas dynamicznego procesu mieszania. W szeregu badań [60][61][100] dokonano oceny rozdrobnienia handlowych gatunków ścierniw typu Garnet Barton, Garnet GMA oraz Indian Garnet o ziarnistości #80 w charakterystycznych stanach (fazach) procesu wytwarzania wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. Uwzględniając początkowy stan ziarna ściernego, w sensie zawartości poszczególnych frakcji ziarna jak na rys. 2.2.1, można wyróżnić kolejne trzy stany ścierniwa, z których dwa: tj. stan 2 po procesie kreacji wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz stan 3 po procesie cięcia wysokociśnieniowym strumieniem, powodują największe zmiany zawartości poszczególnych frakcji ziarna, w stosunku do ziarna w stanie początkowym. Tak więc proces fragmentacji ziarna ściernego daje się przedstawić jako następstwo oddziaływań mechanicznych na ziarno ścierne w procesie cięcia, zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2.2.3. 1. stan początkowy ziarna, 2. stan ścierniwa po wyjściu z komory mieszania, 3. stan ścierniwa po wykonaniu pracy mikroskrawania przy kontakcie z materiałem przedmiotu obrabianego, 4. stan ścierniwa po kontakcie z masą ścierniwa zalegającego w wannie roboczej.. Strona 21.

(24) Rys. 2.2.3. Fazy procesu fragmentacji ziarna.. Ze względu na małą energię kinetyczną, tzw. energię resztkową ziaren ściernych wytracaną w masie wody zalegającej w wannie maszyny, ich rozdrobnienie w kontakcie z masą ziaren pozostającą w wannie należy na podstawie danych literaturowych przyjąć za pomijalnie małe [91]. Badania metodą analizy sitowej stopnia fragmentacji ziarna handlowego Barton Garnet oraz Garnet GMA wykonane przez Karpińskiego [61] jednoznacznie wskazują na dominującą rolę fazy mieszania ścierniwa z wodą na jego rozdrobnienie, co ilustrują wyniki przedstawione na rys. 2.2.4÷ rys. 2.2.9. Strona 22.

(25) WYNIKI ANALIZY SITOWEJ DLA ŚCIRNIWA BARTON GARNET. Rys. 2.2.4. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 3g/s [61].. Rys. 2.2.5. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 6g/s [61].. Strona 23.

(26) Rys. 2.2.6. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa Barton Garnet przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 9g/s [61].. WYNIKI ANALIZY SITOWEJ DLA ŚCIERNIWA GMA. Rys. 2.2.7. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 3g/s [61].. Strona 24.

(27) Rys. 2.2.8. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 6g/s [61].. Rys. 2.2.9. Wyniki analizy sitowej dla ścierniwa GMA przy cięciu stali St 3, grubość 10 mm, ciśnienie p=150 MPa, posuw vf=15 mm/min, ilość dozowanego ścierniwa q = 9g/s [61].. Analiza prezentowanych wyników rozdrobnienia ziaren, dozowanego w zakresie od 3 g/s do 9 g/s, obejmująca trzy charakterystyczne stany ścierniwa (rys. 2.2.3) wykazuje, że skłonność do rozdrobnienia ziaren badanych gatunków ścierniwa w stanie 1 wzrasta wraz z ilością dozowanego ścierniwa, zwłaszcza w zakresie 6 g/s – 9g/s. Strona 25.

(28) Interpretacja tych zmian na podstawie danych literaturowych nie jest oczywista, tym niemniej za główną ich przyczynę można uznać wzrastającą wraz z ilością dozowanego ścierniwa tendencję do blokowania przez ziarna ścierne strefy wejściowej do dyszy mieszającej (rys. 2.2.2a) [56]. Problemy interpretacyjne pogłębiają się, gdy uwzględnić wyniki badań Ohlsena [97], które wskazują, że rozdrobnienie ziaren jeżeli w ogóle zachodzi, to ma miejsce w przypadku dozowania niewielkich ilości ścierniwa w granicach do 4 g/s (rys. 2.2.10).. 0,7. Wielkość rozdrobnienia ziaren. 0,6. 0,5. 0,4 300 MPa 0,3. 0,2. 0,1 0. 2. 4 6 8 10 natężenie dozowanego ścierniwa g/s. 12. 14. Rys. 2.2.10. Rozdrobnienia ścierniwa w zależności od ilości dozowanego ścierniwa wg Ohlsena [97].. Natomiast wyniki podobnych badań uzyskane przez Pereca [100] dowodzą braku podstaw do stwierdzenia o wpływie ilości dozowanego ścierniwa na rozdrobnienie ziaren ściernych, co ilustrują odpowiednio rys. 2.2.11 ÷ rys. 2.2.15. Natomiast potwierdza się teza o rozdrobnieniu ziaren w fazie mieszania, co z kolei ilustruje przebieg krzywej rozkładu początkowego ziaren ściernych (kolor czerwony) w odniesieniu do rozdrobnienia uzyskanego w komorze mieszania (kolor czarny).. Strona 26.

(29) Rys. 2.2.11. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz: dw= 0,25 mm, d0=0,76 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].. Rys. 2.2.12. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz: dw= 0,33 mm, d0=1,02 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].. Strona 27.

(30) Rys. 2.2.13. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #80 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz: dw= 0,33 mm, d0=0,76 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].. Rys. 2.2.14. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #120 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz: dw= 0,25 mm, d0=0,76 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].. Strona 28.

(31) Rys. 2.2.15. Rozdrobnienie ścierniwa GMA #120 po wyjściu z głowicy tnącej o kombinacji dysz: dw= 0,33 mm, d0=1,02 mm, ciśnienie p=390 MPa [100].. Jak sugeruje Perec [100] istnieje korelacja pomiędzy rozkładem ziarnowym na wyjściu z głowicy tnącej dla ścierniwa o wielkości #120 (rys. 2.2.14, rys. 2.2.15), a rozkładem ziarnowym ścierniwa o wielkości. #80 (rys. 2.2.11, rys. 2.2.12,. rys. 2.2.13), co wskazuje na pewną zaletę stosowania ścierniwa o mniejszej ziarnistości w procesie cięcia, polegającą na mniejszym rozdrabnianiu się tej frakcji ziaren w procesie kreacji wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego. Dominująca rola fazy mieszania ziaren na stopień fragmentacji ścierniwa wykazana przez Karpińskiego [61] została potwierdzona w badaniach Babu [60], o czym świadczy liczba rozdrobnienia AFS w uzyskanych wynikach oraz średnia wielkość ziarna a.p.s, co przedstawiono z kolei w tabeli 2.2.2.. Tabela 2.2.2. Liczba AFS oraz a.p.s badanych ścierniw przed mieszaniem, po mieszaniu oraz po cięciu [60].. Strona 29.

(32) Zaprezentowane wyniki wspomnianych autorów [60] [61] [100] są trudne do interpretacji, ze względu na brak odpowiedniej analizy statystycznej dotyczącej istotności różnic stopnia rozdrobnienia, czego przykładem jest zależność przedstawiona na rys. 2.2.10 [97]. W tym przypadku na podstawie zmiany stopnia rozdrobnienia uzyskanego w pojedynczych próbach, dokonano analizy tendencji i oceny tych zmian. Podobnie w pracy [100] nie przeprowadzono metodami formalnymi analizy istotności różnic stopnia rozdrobnienia ścierniwa dla badanych wielkości ziarna. W wyniku tego sugerowana przez autora korelacja stopnia rozdrobnienia ziaren #120 oraz #80 traci na sile wymowy. Istotny wpływ na rozdrobnienie. ziaren ściernych posiada również ciśnienie wody, co wykazano. w badaniach Borkowskiego (rys. 2.2.16) [13]. Badania te odnoszą się jednak do zakresu ciśnień od 10 MPa do 30 MPa, stosowanych w procesach czyszczenia, a nie przecinania wysokociśnieniowego. W cytowanych badaniach wykazano, że podczas procesu czyszczenia powierzchni strumieniem wodnościernym ścierniwo, w tym przypadku piasek kwarcowy, ulega rozdrobnieniu już przy ciśnieniu rzędu 10 MPa, przy czym zwiększenie ciśnienia. Masowy udział ziaren U %. powoduje wzrost stopnia rozdrobnienia.. 80 60 40. 10 MPa. 20. 20 MPa. 0. 30 MPa #30. #36. #40. #46. #54. drobn.. Ziarnistość. Rys. 2.2.16. Rozkład masowego udziału ziaren SiO2 #30 rozdrobnienia podczas czyszczenia powierzchni za pomocą strumienia wodnościernego przy różnym ciśnieniu [13].. Wykorzystując w procesie cięcia specjalnie przygotowane ścierniwo, o dobranej ziarnistości, uzyskuje się większą maksymalną grubość cięcia, w porównaniu z handlowym ścierniwem, co potwierdzono w badaniach [60] (rys. 2.2.17). W prowadzonych badaniach wykorzystano ścierniwo handlowe indyjskie Strona 30. #80 jako.

(33) ścierniwo odniesieniowe oraz próbki specjalnie przygotowanego ścierniwa o dobranej ziarnistości w postaci: 1) 20% ziaren o wielkości od 0,355mm do 0,4 mm, 2) 20% ziaren o wielkości od 0,315mm do 0,355mm, 3) 20% ziaren o wielkości od 0,25mm do 0,315mm, 4) 20% ziaren o wielkości od 0,2mm do 0,25mm, 5) 20% ziaren o wielkości od 0,18mm do 0,2mm. Następnie. w. próbach. przecinania. dokonano. pomiaru. głębokości. cięcia. tak. przygotowanego ścierniwa jako ziarna pierwotnego, ziarna po fazie mieszania, ziarna po pierwszym cięciu oraz ziarna po drugim cięciu odzyskanego z pierwszego cięcia (rys. 2.2.17).. Rys. 2.2.17. Zależność głębokości cięcia od użytego ścierniwa (specjalnie przygotowanej próbki testowej oraz ścierniwa o ziarnistości #80) [60].. Analiza otrzymanych wyników wskazuje na odziaływanie efektu skali w mechanizmie rozdrabniania powodującego, że najmniejszą zdolność do rozdrabniania wykazują ziarna o mniejszym wymiarze. Istotne są również parametry komory mieszania oraz ukształtowanie części wejściowej dyszy mieszającej. Pomimo. dobrych. rezultatów. cięcia. uzyskanych. przy. zastosowaniu. specjalnie. przygotowanego ścierniwa, w badaniach własnych dotyczących niniejszej pracy będzie wykorzystywane ścierniwo handlowe Garnet o ziarnistości #80, ze względu na jego powszechne wykorzystanie w przemyśle oraz stała komora mieszania. Mając na względzie współczesne systemy dozowania ścierniwa oraz ich dokładności nastaw, można przyjąć, że w strumieniu wodnościernym, w zależności od. Strona 31.

(34) parametru dozowania, znajduje się od 300 000 do 1 000 000 ziaren ściernych w czasie minuty (rys. 2.2.18) [91]. 1200000,0 ziarna / min. 1000000,0 800000,0 600000,0 400000,0 200000,0 0,0 200. 250. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600. wydatek ścierniwa g/min Rys. 2.2.18. Intensywność ziaren ściernych biorących udział w procesie mieszania w zależności od wydatku dozowanego ścierniwa [91].. 2.3. Oddziaływanie energetyczne wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego na materiał Proces cięcia z zastosowaniem wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego jest skutkiem przekształcenia energii kinetycznej ziaren na pracę mikroskrawania (rys. 2.3.1), erozji mechanicznej wynikającej z pracy tarcia ziaren w szczelinie roboczej, a także rozklinowującego oddziaływania strumienia [56].. Rys. 2.3.1. Etapy kreacji wysokocisnieniowego strumienia wodnościernego [56].. Strona 32.

(35) W trakcie tworzenia się mieszaniny wodnościernej, strumień wody przechodzący przez dyszę wodną uzyskuje energię kinetyczną, którą określa się wyrażeniem [83][91]: =. ×. ×. (3). gdzie: mw – wydatek wody, kg/s, vw – prędkość strumienia wody, m/s, t – czas, s. Energia kinetyczna strumienia wody przy wejściu do dyszy mieszającej powoduje przyśpieszanie ziaren ścierniwa, nadając im prędkość w przedziale 300-500 m/s w czasie rzędu mikrosekund. Pod wpływem doznanego przyśpieszenia ścierniwo ulega częściowej fragmentacji, a przy kolejnych zderzeniach ze ścianami dyszy mieszającej może ulegać dalszemu rozdrobnieniu. Przyśpieszanie ziaren ściernych wiąże się z ich odbiciami od wysokoprędkościowego strumienia wody. Odbicia te powodują lokalne zaburzenia przepływu strumienia wody, co prowadzi do spadku jego prędkości [91]. Właściwy proces przyśpieszania ziaren ściernych zaczyna się w stożkowej, górnej części dyszy mieszającej, gdzie następuje koncentracja ziaren ściernych (rys. 2.2.2a). W tych warunkach ziarna ścierne pod wpływem energii strumienia wody rozpoczynają ruch po złożonym torze, wykonując równocześnie rotację wokół przypadkowej osi obrotu i doznając wielokrotnych odbić od ścian dyszy mieszającej. Jeden z możliwych torów ruchu ziaren ściernych w przebiegu ziarna ściernego w dyszy mieszającej przedstawiono na rys. 2.2.2b. Przedstawione. wyniki. badań. wskazują,. że. skuteczność. oddziaływania. wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego uzależniona jest od strat energii kinetycznej strumienia wody w komorze mieszania, związanych z przyśpieszaniem ziaren ściernych oraz zdolnością ziarna do przejęcia impulsu siły od poruszającego się strumienia. Z tego punktu widzenia ważne jest by ziarna ścierne w procesie kreacji strumienia wodnościernego nie ulegały nadmiernej fragmentacji. W dostępnej literaturze można znaleźć wiele publikacji dotyczących modelowania różnych aspektów procesu cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym przy pomocy metody elementów skończonych (MES) [3][5][28][42][43][53][75][94][117]. W pracy [118] autor przedstawił model numeryczny uderzenia pojedynczego ziarna ściernego w materiał kompozytowy TSE (rys. 2.3.2).. Strona 33.

(36) Rys. 2.3.2. Model uderzenia pojedynczego ziarna ściernego o powierzchnię materiału TSE [118].. Znając wielkość zagłębienia pojedynczego ziarna ściernego można prognozować całkowitą głębokość cięcia na podstawie wyrażenia : ℎ=. ·. (4). h - całkowita głębokość cięcia, hMES – głębokość cięcia pojedynczego ziarna, n – liczba ziaren ściernych biorących udział w procesie cięcia, e – współczynnik proporcjonalności wyznaczany doświadczalnie. Wyniki tak wyznaczonej całkowitej głębokości cięcia porównano z wartościami otrzymanymi w badaniach eksperymentalnych (rys. 2.3.3). Błąd prognozowanej głębokości cięcia za pomocą tego modelu przekracza 20% dla posuwu vf =1000 mm/min oraz 26% dla posuwu vf =5000mm/min.. Strona 34.

(37) Rys. 2.3.3. Porównanie wyników całkowitej głębokości cięcia h prognozowanej przy pomocy modelu numerycznego z głębokością cięcia uzyskaną w wyniku badań eksperymentalnych [120].. Przedstawiony model numeryczny (rys. 2.3.2) nie uwzględnia fragmentacji ziaren ściernych w komorze mieszania jak i podczas samego procesu cięcia. Analizę ruchu ziaren ściernych można przeprowadzić z wykorzystaniem Metody Elementów Dyskretnych, jednak i ta metody nie rozwiązuje problemów modelowania oddziaływania ziaren ściernych z wodą pod wysokim ciśnieniem w środowisku ponaddźwiękowych prędkości. Mankamentem. w. zasadzie. wszystkich. prac. związanych. z. modelowaniem. wysokociśnieniowego strumienia wody jest założenie jego koherentności po opuszczeniu dyszy wodnej. Badania modelowe Wali [118] wykorzystujące analizę MES, obciążone tym metodologicznym niedociągnięciem wykazują, że przy ciśnieniu p = 330 MPa maksymalna prędkość strumienia wody wynosi vw = 739,4 m/s, natomiast maksymalna wielkość nacisków na ściankach dyszy wodnej nie przekracza 223,4 MPa (rys. 2.3.4). Niezależnie od przyjętych uproszczeń badania te wykazują silne zaburzenia przepływu wody podczas przepływu przez komorę mieszania.. Strona 35.

(38) Rys. 2.3.4. Rozkład prędkości strumienia (a) i nacisków na ściankach (b) w wyniku przepływu wysokociśnieniowego strumienia wody przez dyszę wodną, komorę mieszania oraz dyszę mieszającą przy ciśnieniu wody p = 330 MPa wg [118].. W podobnej pracy [3] przedstawiono wynik symulacji wypływu wysokociśnieniowego strumienia wody z dyszy wodnej przy ciśnieniu wody p = 200MPa, z którego wynika, że maksymalna prędkość strumienia wody przy tak zadanym ciśnieniu roboczym wynosi vw = 634 m/s (rys. 2.3.5). Z kolei w publikacji [114] wykazano, że przy ciśnieniu roboczym p = 248,4MPa, maksymalna prędkość strumienia wody na wyjściu z dyszy wodnej wynosi vw = 800 m/s (rys. 2.3.6). W pracy [94] zaprezentowano rozkład prędkości przy niższych ciśnieniach roboczych p, rzędu 40 MPa (rys. 2.3.7).. Strona 36.

(39) Rys. 2.3.5. Rozkład prędkości wysokociśnieniowego strumienia wody po wyjściu z dyszy wodnej przy ciśnieniu p = 200 MPa [3].. Rys. 2.3.6. Rozkład prędkości wysokociśnieniowego strumienia wody po wyjściu z dyszy wodnej przy ciśnieniu p = 248,4 MPa, kolor czerwony 800 m/s, kolor żółty 500 m/s, kolor zielony 350 m/s, kolor jasnoniebieski 200 m/s [114].. Rys. 2.3.7. Rozkład prędkości (m/s) wysokociśnieniowego strumienia wody po wyjściu z dyszy wodnej przy ciśnieniu p = 40 MPa [94].. Strona 37.

(40) W kolejnej pracy [121] w wyniku zastosowania symulacji Computer Fluid Dynamic uzyskano rozkład prędkości strumienia wody w zależności od odległości od dyszy wodnej oraz w zależności od jej średnicy dw, co zaprezentowano na rys. 2.3.8.. Rys. 2.3.8. Prędkość wysokociśnieniowego strumienia wody w zależności od osiowej odległości od dyszy wodnej dla średnic: dw =0,8 mm, dw = 1,0 mm, dw =1,2mm [121].. Istotne dla opisu rzeczywistych wielkości są wyniki przedstawione w pracy [4], gdzie dokonano porównania obliczeniowych i eksperymentalnych prędkości strumienia wody, dla przedziału ciśnień p = 90-180 MPa. W badaniach eksperymentalnych do pomiarów prędkości strumienia wody stosowano technikę elektrooptyczną (rys. 2.3.9). Dane prezentowane na rys. 2.3.9 wskazują na duże rozbieżności pomiędzy wynikami uzyskanymi na modelu, a wynikami uzyskanymi w przeprowadzonym eksperymencie. Stawia to pod znakiem zapytania celowość stosowania tego rodzaju metod modelowania, w których modelowane środowisko istotnie różni się właściwościami w stosunku do cech ośrodka rzeczywistego. Strona 38.

(41) Rys. 2.3.9. Zestawienie prędkości strumienia wody obliczonych analitycznie z prędkościami uzyskanymi w wyniku eksperymentalnego pomiaru, Vth – prędkość teoretyczna, V1 – prędkość zmierzona eksperymentalnie [4].. Podobne zastrzeżenia można mieć do wyników prezentowanych w pracy [109], w której na podstawie modelu analitycznego, przy ciśnieniu wody p = 400 MPa, uzyskano prędkość strumienia wody przy wyjściu z dyszy wodnej wynoszącą vw = 900 m/s (rys. 2.3.10).. Rys. 2.3.10. Schemat głowicy tnącej wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym wg [109].. Strona 39.

(42) Z punktu widzenia procesu dekohezji materiału, niezależnie od błędów szacowania prędkości strumienia wody bardzo istotne jest określenie prędkości ziaren ściernych w strumieniu wodnościernym.. Analiza stanu literaturowego dotyczącego zależności. prędkości cząstek stałych w strumieniu od prędkości strumienia napotyka na szereg trudności, ze względu na różne zakresy analizowanych ciśnień wody oraz różne zakresy ilości dozowanego ścierniwa do strumienia. Jednak wspólną cechą uzyskanych wyników (tabela 2.3.1) [108] oraz. (rys. 2.3.11) [45] jest obserwowana tendencja do spadku. prędkości cząstek w strumieniu wodnościernym wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu ścierniwa. I tak na przykład w pracy [45] przedstawiono rozkład prędkości ziaren ściernych w zależności od dozowanego ścierniwa, przy ciśnieniach: p= 462,6 MPa, p= 496,8 MPa, p=537,8 MPa, p=578,7 MPa, p=601,5 MPa (rys. 2.3.11), natomiast w pracy [108] przy ciśnieniach: p=91 MPa, p=142 MPa, p=195 MPa, p=297 MPa, p=355 MPa.. Tabela 2.3.1. Zestawienie średniej prędkość ziaren ściernym w zależności od wydatku ścierniwa q oraz ciśnienia roboczego wody p wg [108].. Strona 40.

(43) Rys. 2.3.11. Średnia prędkość ziaren ściernych w zależności od wydatku ścierniwa (100 %=20 g/s) przy ciśnieniu roboczym p = 462,6 MPa, p = 496,8 MPa, p =5 37,8 MPa, p = 578,7 MPa, p = 601,5 MPa [45].. Na podstawie przytoczonych wyników (rys. 2.3.4, rys. 2.3.5, rys. 2.3.6, rys. 2.3.7, rys. 2.3.8, rys. 2.3.9, rys. 2.3.10, rys. 2.3.11), można wnioskować, że wysokociśnieniowy strumień wody osiąga przy ciśnieniu ok. 400 MPa prędkość rzędu 900 m/s i przekazuje masie ziaren ściernych sumaryczny moment pędu, pozwalający im uzyskać (przy prędkości 500 – 700 m/s) dostateczną energię do aktywacji procesów destrukcyjnych materiału. Energię kinetyczną pojedynczej cząstki ściernej po procesie mieszania można wyznaczyć ze wzoru [91]: =. (5). gdzie: α – współczynnik skuteczności mieszania, Np – liczba ziaren ściernych biorących udział w procesie mieszania. Przyjmując, że liczba ziaren ściernych biorących udział w procesie mieszania wynosi: =. (6). gdzie: q – natężenie dozowanego ścierniwa, g/min, mp – masa pojedynczego ziarna ścierniwa, g, otrzymuje się: =. =. (7). gdzie: dp – średnica równoważna wielkości ziarna ściernego, mm, Strona 41.

(44) ρp – gęstość ścierniwa, kg/m3. Wynika stąd, że przy ustalonej intensywności podawanego ścierniwa do głowicy tnącej oraz ustalonych parametrach strumienia wody, energia kinetyczna pojedynczego ziarna ścierniwa wzrasta, gdy rośnie jego średnica oraz gęstość. Wzrost wielkości ziaren oraz ich energii kinetycznej wiąże się jednocześnie ze zmniejszeniem częstotliwości uderzeń ziaren ściernych w materiał obrabiany (rys. 2.3.12).. Rys. 2.3.12. Zależność energii kinetycznej ziaren ściernych w wysokociśnieniowym strumieniu wodnościernym od częstości uderzeń w materiał obrabiany dla różnych mocy pompy wody [91].. Energia kinetyczna wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego w procesie cięcia ulega zatem dyssypacji na postać energii mechanicznej powodującej rozdrabnianie ziaren na etapie kreacji wysokociśnieniowego strumienia wodnościernego oraz ulega dalszym przemianom na inne postaci energii w procesie dekohezji materiału obrabianego. Przy cięciu materiałów szczególne znaczenie posiada przemiana energii kinetycznej ziaren ściernych na pracę mikroskrawania, pracę tarcia ziaren (erozji) oraz straty energii, związane z turbulentnym przepływem wody w powstającej szczelinie cięcia, a także z rozgrzewaniem materiału obrabianego (rys. 2.3.13). W procesie cięcia energia strumienia wodnościernego jest wydatkowana na destrukcję materiału, natomiast jej pozostała część, jako energia resztkowa, jest wytracana w masie wody znajdującej się w wannie maszyny. Strona 42.

(45) Rys. 2.3.13. Bilans energii w szczelinie cięcia [88][89][90].. Różnicę pomiędzy energią początkową oraz wyjściową strumienia można zapisać: Eabs = Es - Esw. (8). gdzie: Eabs - energia absorbowana przez materiał obrabiany, Esw - energia strumienia wodnościernego opuszczającego materiał obrabiany. Wprowadzając względny współczynnik głębokości cięcia wg [91][93]:. . h. (9). hMAX. wielkość energii zaabsorbowanej przez materiał można wyrazić następująco:. Eabs     ( )( Es  Esw ). (10). gdzie wskaźnik absorpcji energii    reprezentuje całość mechanizmów absorpcji energii przez materiał. Tak więc:    = 0 przy  =0;. Eabs = 0 - materiał nie absorbuje energii strumienia,.    = 1 przy  =1;. Eabs = Es - Esw ̶ strumień wodnościerny nie posiada wystarczającej energii do dalszego usuwania materiału.. Do zapoczątkowania procesu erozji materiału i rozpoczęcia procesu cięcia niezbędne jest doprowadzanie do materiału minimalnej, tzw. krytycznej, ilości energii, która odpowiada Strona 43.

(46) wartości tzw. ciśnienia progowego - pp. Wartość ciśnienia progowego jest ustalana eksperymentalnie [84][91]. W efekcie otrzymuje się:. Eabs      .  2 2 D(q  mw ) 2.  q  1   v f  w m w  . p  p . (11). p. 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 44.

(47) 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 hc (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 hd. 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 45.

(48) 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. odchyleniu o wielkość s, przeciwnie do zwrotu posuwu głowicy tnącej (rys. 2.3.17).. Rys. 2.3.17. Sposób ustalania odchylenia strumienia wodnościernego.. Strona 46. ulega.

(49) 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,. . bSE – szerokość strefy uszkodzeń wtórnych, mm,. . bAR – szerokość zaokrąglenia w strefie wejścia strumienia, mm,. . hG – 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, y- poziome odchylenie zarysu śladów obróbkowych, Strona 47.

(50) 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 q=250 g/min [2].. Strona 48.

(51) 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 49.

(52) 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•ebx. (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=ec1, 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 50.

(53) 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.. strumieniem. Problem,. wodnościernym. czy. odpowiada. procesom stały. cięcia. profil. toru. wysokociśnieniowym 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 51.

(54) 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 52.

(55) 2.3.2. Siły i drgania w procesie obróbki wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym. W badaniach [27] (rys. 2.3.25), [61] (rys. 2.3.27), [86] (rys. 2.3.29), [122] (rys. 2.3.26), [124] (rys. 2.3.28), dokonano oceny siły odporowej działającej na głowicę tnącą podczas cięcia oraz emisji akustycznej [18][19][122] jako miar oddziaływania energetycznego strumienia na materiał. Jak wykazano (rys. 2.3.26, rys. 2.3.28) wielkość siły odporowej wzrasta wraz ze wzrostem grubości przecinanego materiału oraz wzrostem prędkości posuwu, co z kolei powoduje wzrost odchylenia strumienia wodnościernego s. Na tej podstawie można wnioskować, że odchylenie toru ruchu strumienia wodnościernego s pozostaje w związku korelacyjnym z siłą odporową, towarzyszącą cięciu, która oddziałuje jako siła reakcji na głowicę tnącą w procesie cięcia. Wielkość tej siły pozostaje w ustalonym związku z zakrzywieniem toru ziaren ściernych i polem resztkowym S, odpowiednio dla dobranych parametrów obróbki.. Rys. 2.3.25. Zależność nacisku siły strumienia wodnościernego na materiał od ciśnienia wody, uzyskana z pomiaru eksperymentalnego oraz analizy numerycznej [27].. Strona 53.

(56) Rys. 2.3.26. Zależność siły odporowej oraz emisji akustycznej od grubości przecinanego materiału [122].. Rys. 2.3.27. Przebieg czasowy siły naporu strumienia Fz podczas cięcia kompozytu włókno szklane/żywica epoksydowa, ciśnienie p= 300 MPa, wydatek ścierniwa q= 6g/s, posuw vf=400 mm/min [61]. 20. f. wykładnicza. Siła [N]. 16. 12. 8. 4. 0 0.1. 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Prędkość posuwu [mm/s]. 0.4. Rys. 2.3.28. Zależność siły odporowej od prędkości posuwu przy cięciu stali 1H18N9T, p=380MPa, ścierniwo: Garnet #80, q=10g/s, vf=0,83mm/s, grubość mat. 140mm [124].. Strona 54.