Konštrukcia zariadení na rezanie a čistenie vodným lúčom v strojárskom a v stavebnom priemysle

Technológia vysokotlakového vodného lúča sa pre svoje unikátne výhody a špecifické prednosti (studený rez, ekológia, efektívnosť a univerzálnosť technológie) právom nazýva technológiou 3-ho milénia. Vysokotlakový vodný lúč (WJM technológia) je inteligentný pracovný nástroj vyznačujúci sa prirodzenou selekciou odstraňovaného materiálu. Vodný lúč je vysoko efektívna technológia bez dynamických rázov a vplyvov na opracovávanú konštrukciu. Vodný lúč je rýchla a vo svojej podstate ekologická technológia. Čistiace médium - voda - je nehorľavá, nespôsobuje explóziu, nie je karcinogénna a je ekologicky nezávadná pre životné prostredie a aj pre pracovnú obsluhu zariadení. Preto jej rozvoj a dynamika sú na jednom z prvých miest v oblasti prípravy a úpravy povrchov.

Dnešná doba je charakteristická využívaním a aplikáciami špeciálnych a ťažko obrobiteľných materiálov jednak v strojárskom, ale aj v stavebníckom priemysle. Na efektívne, ekologické a rýchle spracovanie takýchto materiálov sú potrebné vhodné technológie. Dnes na prahu tretieho tisícročia, máme možnosť pozorovať doslova explóziu nových technológií, ktoré zasahujú do najrôznejších oblastí nášho života. Na obrábanie špeciálnych materiálov sa s výhodou aplikujú tzv. nekonvenčné technológie, ktoré pracujú na odlišných princípoch ako klasické metódy najmä trieskového obrábania. Nekonvenčné technológie využívajú na úber materiálu najmä elektrotepelný, elektrochemický, chemický a mechanický princíp. Najväčší komerčný úspech spomedzi technológií využívajúcich mechanický princíp má najmä technológia obrábania vysokotlakovým vodným lúčom.

Obrábanie vodným lúčom (WJM - Water Jet Machining) patrí medzi najpreferovanejšie a najrozšírenejšie nekonvenčné technológie pracujúce na mechanickom (erozívnom) princípe. Rozsah aplikácií tejto technológie je obzvlášť rozsiahly. Právom sa táto technológia označuje ako „obrábanie vodným lúčom" lebo sa využíva na najrozličnejšie operácie napr.:
- rezanie vodným lúčom,
- čistenie vodným lúčom,
- iné, napr. sústruženie, frézovanie, vŕtanie, hydrodemolácie.

Hlavné výhody WJM technológie:
- vysoká energetická účinnosť cca 85 percent (účinnosť plynového lasera je cca 10 percent);
- možnosť obrábania takmer všetkých materiálov;
- studený rez, nenastane tepelné ovplyvnenie rezných hrán, v materiáli nevznikajú napätia, túto výhodu neposkytuje žiadna iná technológia;
- malá rezná medzera (vodný lúč 0,1¸0,45 mm, abrazívny lúč 0,8¸2 mm);
- možnosť použitia inej pracovnej kvapalina ako vody (mlieko, kakao, lieh a pod.);
- v dôsledku minimálnych rezných síl nie je potrebné upínanie materiálu a preto netreba prípravky na upínanie;
- do obrábaného materiálu nie sú vnášané dynamické rázy, nevznikajú v ňom praskliny, trhliny, nakoľko dynamické účinky sú minimálne;
- vysoká prevádzková spoľahlivosť a jednoduchosť;
- možnosť rezania vo všetkých smeroch, polohách a tvaroch bez obmedzenia;
- pri obrábaní nenastáva odparovanie obrábaného materiálu;
- bezprašnosť technológie;
- možnosť rezania pod vodou, čím dosiahneme napr. zníženie hluku;
- možnosť použitia plne automatizovaného procesu obrábania s využitím softwaru na programovanie pohybu nástroja, jeho optimalizácie s ohľadom na maximálne využitie materiálu;
- ekologické hľadisko;
- vysoká univerzálnosť, a pod.

Pri obrábaní materiálov v baníctve či stavebníctve sa naviac stretávame väčšinou s požiadavkou spracovať tieto materiály priamo v teréne (tzv. outdoor aplikácie), čo je z pohľadu možností alebo hmotnosti „obrobku" jediná alternatíva. Aby sa dokázalo vyhovieť aj týmto požiadavkám, hydraulické zariadenia na obrábanie vodným lúčom sú mobilné a vzhľadom na požiadavku vysokých výkonov (ale i možnosti regulácie parametrov, najmä tlaku) sú poháňané najmä dieselovými motormi. Pre aplikácie v hale či výrobnom závode (tzv. indoor aplikácie) sa zvyčajne používajú zariadenia s pohonným elektromotorom.

Vysokotlakové agretáty na WJM
Generátory vysokého tlaku s malým prietokom sa nazývajú multiplikátory. Pracujú na princípe hydraulického zosilňovača tlaku. Nevýhodou týchto systémov je však relatívne „nízke" množstvo dodávanej kvapaliny. Principiálna hydraulická schéma zariadenia s multiplikátorom je konštrukčne jednoduchá. Pri rezaní materiálov vodným lúčom sa bežne používa pracovný tlak do 400 MPa pri prietoku vody ca. 4 l.min.-1. Paralelným zaradením multiplikátorov (tvoria sa systémy Dual, Triple až Kvatro) možno pri výkone 75 kW dosiahnuť prietoky až 15 l.min.-1.
Na generovanie vysokých tlakov na čistenie a rezanie sa používajú zariadenia na báze troj-piestových hydrogenerátorov. Súčasné svetové maximum z hľadiska týchto vysokotlakových zariadení je 3 200 bar, t.j. 320 MPa.
Takéto zariadenia už môžu úspešne konkurovať klasickým systémom na báze multiplikátorov. Samozrejme, v oblastiach ako stavebníctvo, kde treba používať systémy outdoor (čiže stroj dopravovať k delenému materiálu) a vyžaduje sa nezávislý pohon, získavajú tieto systémy prednosť, ktorá ich tiež vzhľadom k vyšším prietokom predurčuje na delenie veľmi hrubých, pevných materiálov, aké sa používajú najmä v stavebníctve, a to aj pri podstatne väčších rezných rýchlostiach. Uvedené platí, samozrejme, aj na čistenie vysokotlakovým vodným lúčom, lebo systémy s multiplikátormi sa vzhľadom na malý prietok nepoužívajú bežne na aplikácie čistenia.

Vysokotlakové trojpiestové agregáty
Na obrábanie materiálov tlakovou vodou vyrába nemecká fy. URACA zariadenia s pracovnými tlakmi na dlhodobú prevádzku do 320 MPa a to pri dodávanom množstve vody až 38,5 l.min-1, kde hydraulický výkon zariadenia dosahuje viac ako 185 kW. Uvedené zariadenia firmy URACA Pumpenfabrik GmbH & Co.KG. sa s výhodou využívajú na sanáciu betónov, odstraňovanie náterov a pri použití abrazíva tiež na tzv. mokré pieskovanie, ako aj na rezanie ocele, nerezových materiálov, betónu, žuly, mramoru, t.j. materiálov aj v stavebníctve, kamenárskom priemysle a pod.
Konštrukcia vysokotlakového trojpiestového čerpadla s integrovaným prevodom do pomala zaručuje nižšie stredné rýchlosti piesta, t.j. vyššiu životnosť tesnení a piestov.
Zvyšujúca sa kvalita konštrukcie a materiálov zariadení (používajú sa napr. kombinované tesnenia z PTFE, keramické povlaky piestov s kvalitou povrchu pod 0,2 m a tvrdokovové sedlá ventilov; na zabezpečenie dostatočnej kvality vody sa priamo na čerpadlách používajú tzv. spätné preplachovacie filtre s kovovou mriežkou a systémom indikácie zanesenia filtrov na zabránenie chodu naprázdno a následnej kavitácii čerpadla) umožňuje bezpečnú a dlhodobú prácu trojpiestových čerpadiel s extrémne vysokými pracovnými tlakmi.
V každom prípade v dôsledku vysokých pracovných tlakov a extrémneho zaťaženia treba pri exploatácii počítať aj s určitým opotrebením a spotrebou materiálu, najmä toho, ktorý podlieha nadmernému a vysokému stupňu opotrebenia, ako sú napr. vodné či abrazívne trysky. Vyrábané vysokotlakové zariadenia pracujú s kontinuálnym lúčom, ktorý je charakteristický stálou energetickou hladinou počas rezania. Z toho dôvodu sú potrebné relatívne nízke upínacie sily na fixné uchytenie obrobku. Veľakrát postačuje iba vlastná hmotnosť výrobku.

Zariadenia s multiplikátorom
Elektromotor poháňa hydrostatické čerpadlo, ktoré dodáva hydraulickú kvapalinu do hydraulického obvodu. Rozvádzač vedie striedavo kvapalinu do oboch nízkotlakových sekcií multiplikátora. Pri pohybe piesta multiplikátora vpravo je nasávaná kvapalina do ľavého priestoru vysokotlakovej časti multiplikátora. Kvapalina je pred vstupom do multiplikátora vedená cez filter. Pri pohybe piesta multiplikátora vľavo sa uzavrie sací ventil a otvorí sa výtlačný ventil, ktorým je teraz vedená vysokotlaková kvapalina do akumulátora a potom do dýzy (rezacej trysky). Úlohou akumulátora v obvode je vyrovnávať tlakové pulzácie vznikajúce pri zmene orientácie pohybu piesta. Pri pohybe piesta vľavo je kvapalina nasávaná do pravého priestoru vysokotlakovej časti multiplikátora a cyklus sa opakuje.

Parametre vodného lúča
Principiálne možno povedať, že na rezanie materiálov treba vyššie tlaky a menšie prietokové množstvá a na čistenie nižšie tlaky a väčšie množstvá technologickej kvapaliny.
Vzhľadom na to, že požiadavky na rýchlosť a kvalitu obrábania materiálov neustále rastú, dochádza k prelínaniu technologických parametrov generovaných zariadeniami na rezanie a čistenie vodným lúčom, hoci oba druhy zariadení pracujú na odlišných princípoch generovania vysokých tlakov. Dominantnú úlohu pritom hrá množstvo dodávanej kvapaliny, najmä z pohľadu možnosti odtransportovania odobratého materiálu z miesta rezu a výkonu obrábania.
Pri obrábaní materiálov vysokorýchlostným vodným lúčom možno rozlišovať dva pracovné stupne; odrezanie a odtransportovanie materiálu z miesta rezu. Obidve požiadavky musia byť pri rezaní vodným lúčom splnené.
Pri konštrukčne danom výkone zariadenia je výkon rezania vodným lúčom najvyšší pri použití vysokej rýchlosti lúča vL, kde [vL = f(p)] a malom priemere dýzy. Účinné odtransportovanie od rezaného materiálu vyžaduje väčšie množstvo kvapaliny, pričom tlak zohráva relatívne malú úlohu. Obe tieto požiadavky sú protikladné, a tak musia byť pre každý konkrétny prípad osobitne posúdené.
Všeobecne je známe, že statické pôsobenie vodného lúča nevyvoláva v základnom materiáli nežiadúce trhliny, t.j. pôsobí staticky bez dynamických rázov, čím technológia vodného lúča získava neoceniteľné prednosti pred inými technológiami na úpravu povrchu napr. betónu. Betón je po čistení vodným lúčom navyše dostatočne drsný a porézny pre ďalšie ošetrenie. Taktiež kvalita reznej plochy deleného materiálu abrazívnym vodným lúčom býva výborná. Kvalita závisí najmä od veľkosti pracovného tlaku, rýchlosti posuvu a od tiež druhu, množstva a kvality použitého abrazíva.
Je samozrejmosťou, že vysokotlakové čistiace zariadenia a ich základné technické vybavenie (príslušenstvo) sú neustále zlepšované a vyvíjané tak, že dnes prakticky nemôžu chýbať pri žiadnej sanácii objektov, pri ktorých je vyžadovaný perfektný základový povrch.

Záver
Technológia vodného lúča je dnes široko spektrálnou technológiou s mnohými aplikáciami, s množstvom mnohých modifikácií, takže použitie pojmu "obrábanie vodným lúčom-WJM" (Water Jet Machining) je primerané. Široké aplikačné spektrum je dané najmä univerzálnosťou tejto technológie a ekologickými vlastnosťami. Vysokotlakové trojpiestové agregáty s tlakmi 3 200 bar, t.j. 320 MPa, majú široké aplikačné spektrum od čistenia cez hydrodemolácie až po rezanie materiálov.
Vysokotlakový vodný lúč a práce ním vykonávané sú vysoko efektívne a ekologické. V súčasnosti ho vzhľadom na generované pracovné tlaky možno efektívne využiť aj na rezanie všetkých známych technických materiálov. S prísadou abrazíva možno bez problémov deliť ocele, mramor, žulu, sklo či iné technické materiály.

Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.
Strojnícka fakulta, STU, Bratislava

Späť

Aktuálne vydanie

Partnerské periodiká

TriboTechnika


www.tribotechnika.sk

SolarTechnika


www.solartechnika.sk