Využitie vodného lúča na čistenie odliatkov a odstraňovanie otrepov

Obrábanie vysokotlakovým vodným lúčom sa efektívne presadzuje takmer v každom priemyselnom odvetví. Významné uplatnenie má v strojárskom priemysle, kde sa používa na delenie polotovarov a sústruženie (obrábajú sa väčšinou materiály valcového tvaru, obrobok vykonáva rotačný pohyb), frézovanie (prúd vody odstraňuje materiál do požadovanej hĺbky, vŕtanie otvorov a úpravy povrchov (odstraňovanie otrepov po mechanickom obrábaní - nazývané tiež high pressure deburring system, odstraňovanie povlakov, čistenie nežiadúcich nánosov, starých náterov a pod.). Vodný lúč sa používa aj v kombinácii s inými technológiami, napr. vedie laserový lúč pri obrábaní, tzv. assistant Water Jet.

Čistota odliatkov je mimoriadne dôležitá nielen v automobilovom priemysle. Najmä pri výrobe motorov je dôležitým kvalitatívnym faktorom limitujúcim zabudovanie odliatku do celkovej zostavy výrobku. Na zlievárne sú preto kladené vysoké požiadavky na kvalitu dodávaných výrobkov. Prísne kritériá automobilového priemyslu na kvalitu odliatkov sú dané najmä vysokou úrovňou konkurencie. Odrážajú sa v požiadavkách, že exportované odliatky musia byť zbavené zvyškov zlievarenských pieskov a podobných materiálov a taktiež musia byť dodávané odhrotované, t.j. zbavené otrepov po mechanickom obrábaní, náliatkov a pod. Sú vyžadované komponenty, ktoré možno okamžite zabudovať do finálneho výrobku bez akýchkoľvek dodatočných operácií. Z uvedeného vidieť, že požiadavky na zlievárne sú veľmi vysoké. Okrem vlastných technologických aspektov musia riešiť aj kvalitatívne požiadavky odberateľov. Samozrejme, uspieť ako dodávateľ pre automobilový - veľkosériový priemysel je veľkou výzvou pre každého dodávateľa.

Čistenie a odhrotovanie výrobkov v priemyselnej výrobe

Ťažiskový bod priemyselného čistenia výrobkov je v prvotnom, priebežnom i v konečnom čistení odliatkov, ako aj pri mechanickom obrábaní výrobkov s komplexnou geometriou. Na čistenie sa používa neutrálny vodný roztok alebo voda s bázickým charakterom.
Keďže ide o sériovú a veľkosériovú výrobu, zariadenia na čistenie odliatkov museli byť konštruované tak, aby spĺňali faktor opracovania veľkého počtu súčiastok. Pri vývoji automatických čistiacich zariadení bolo veľmi skoro zrejmé, že dosiahnutie cieľa s max. povoleným znečistením s konvenčnou technikou nie je možné. Veľmi tvrdé znečistenia a pevné výronky i otrepy nie je možné efektívne a dostatočne odstrániť.
Mnohonásobne platí, že oveľa väčší čistiaci efekt sa dosiahne vysokotlakovým vodným lúčom pôsobiacim podľa možnosti priamo na znečistenú plochu obrobku. Platí to aj pre očistenie vnútorných plôch a povrchov rôznych otvorov a kanálov od zvyškových nečistôt a zŕn zlievárenských pieskov a pod. (p. obr.1). Obdobne je to aj pri vysokotlakovom odstraňovaní otrepov zo súčiastok po mechanickom obrábaní (obr. 2).



Obr. 1 Nedostatočne očistený odliatok konvenčnou technikou - vľavo, vpravo dôkladne
očistený odliatok vysokotlakovým vodným lúčom




Obr. 2 Čistenie mazacích kanálov a dutín kľukového hriadeľa po mechanickom obrábaní
vysokotlakovým vodným lúčom

Robotizované čistiace pracoviská pracujúce s vysokotlakovým vodným lúčom
Pracoviská vybavené priemyselným robotom spĺňajú všetky požiadavky a umožňujú vloženú energiu efektívne využiť na opracovanie obrobku (obr. 3). Optimálne výsledky možno dosiahnuť vhodným nasmerovaním a parametrami vysokotlakového vodného lúča, požadovanou vzdialenosťou trysky a optimálnym nastavením uhla pôsobenia lúča vzhľadom na geometriu obrobku.
Praktická a konkrétna aplikácia nemeckého výrobcu telies čerpadiel z oblasti Common Rail techniky na odhrotovanie, odihlenie a očistenie výrobku je na obr. 4.
Využívanie klasických vysokotlakových zariadení na čistenie tzv. jednou nástrojovou osou (pohybom nástroja, resp. obrobku) vzhľadom na požadovanú flexibilitu a rôznorodosť obrobkov a požadovaných operácií nie je dostatočné. Hlavné nedostatky klasických vysokotlakových zariadení:
1. Tieto zariadenia umožňujú len obmedzené zasunutie nástroja do dutiny obrobku.
2. Vzdialenosť trysky - jeden z dôležitých parametrov efektívneho využívania technológie WJM - nemožno udržiavať konštantnú.
3. Rôzne uhly pôsobenia vytekajúceho lúča na obrobok, vzhľadom na absentujúce osi nemožno použiť, čím sa značne redukujú možnosti technológie vysokotlakového vodného lúča.



Obr. 3 Aplikácia priemyselného robota na odstraňovanie otrepov technológiou
vysokotlakového vodného lúča

Robotizované pracoviská s vysokotlakovým vodným lúčom sú zmysluplné, ak:
1. Je potrebné čistiť obrobok s úzkymi kanálmi a štrbinami.
2. Na očistenie a odstránenie zvyškov keramických zŕn a výronkov sú potrebné pracovné tlaky od 600 do 2 000 bar, t.j. až do 200 MPa.
3. Na kvalitné očistenie výrobku sú potrebné rôzne a viaceré pracovné pozície.
4. Na očistenie je potrebných viacero za sebou používajúcich sa vysokotlakových nástrojov.
5. Je potrebné zariadením opracovávať - čistiť a pod. rozličné obrobky.




Obr. 4 Praktická aplikácia priemyselného robota pri čistení odliatkov

Moderná koncepcia zariadenia s priemyselným robotom využívajúca vysokotlakový vodný lúč - WJM na čistenie obrobkov je znázornená na obr. 5. Táto koncepcia zariadenia je naviac modulárna, t.j. umožňuje pružné rozmiestnenie a vybavenie pracoviska (obr. 6).





Obr. 5 Robotizované pracovisko pre aplikácie WJM

Prezentovaná koncepcia robotizovaného pracoviska umožňuje manipuláciu buď s obrobkom alebo s pracovným nástrojom - hlavicou, z ktorej vyteká vodný lúč. Princíp manipulácie „obrobku k nástroju" (obr. 3) je zmysluplné využiť, ak na čistenie treba viac ako tri nástroje pri viacerých operáciách. Nástroje sú pevné uchytené a pohyb (priemyselným robotom) je realizovaný samotným obrobkom. Pre obrobky, ktoré sú čistené menej ako troma nástrojmi (rôzne typy trysiek a nádstavcov) je hospodárnejšie obrobok upevniť na transportné zariadenie a vysokotlakový nástroj pomocou priemyselného robota viesť na obrobok (obr. 4).
Pri plne automatizovanom odstraňovaní zvyškov zŕn je pri tvorbe a návrhu zariadenia potrebné vykonať analýzu dôležitých parametrov s dôrazom na nasledovné otázky:
1. Aká je geometria obrobku a aký je prístup k otvorom a kanálom na obrobku?
2. Musí sa zasúvať nástroj, resp. tlaková hlavica s tryskou do kanálov obrobku?
3. Ako musí vyzerať nástroj, resp. hlavica s tryskou?
4. Aká je postupnosť pohybov hlavice alebo obrobku?
5. Akú orientáciu musia mať jednotlivé trysky alebo trysky na hlavici?
6. Aký pracovný tlak sa vyžaduje?
7. Koľko trysiek a s akým priemerom musí pracovať, čiže aké množstvo tlakovej kvapaliny treba?

Automatické čistenie odliatkov musí byť spoľahlivé a opakovateľné. Preto sa pri návrhu konkrétneho zariadenia najčastejšie využíva 3-D simulácia a zároveň praktické odskúšanie na konkrétnom obrobku. Simulácia 3-D je zmysluplná, ak existuje prototyp obrobku, resp. samotného nástroja. Realizácia praktického čistenia (skúšky) je vhodná kvôli určeniu času potrebného na dôkladné očistenie. Vo firme URACA Pumpenfabrik GmbH.& Co.KG. Nemecko možno vykonať ľubovoľné skúšky, pretože je vybavená skúšobným robotizovaným pracoviskom. V konečnom dôsledku skúšky odstraňovania zvyškových zlievárenských pieskov na zariadení vo fabrike slúžia ako základ na neskoršiu optimalizáciu procesu. Okrem toho znižujú čas potrebný na programovanie, ako aj čas na inštaláciu a uvedenie zariadenia do prevádzky pri samotnom zákazníkovi.
Firma URACA vyvinula na odstraňovanie otrepov, náliatkov a čistenie od pieskov modulárny systém pozostávajúci z nasledovných hlavných komponentov: vysokotlakového čistiacieho agregátu (čerpadlo s pohonným elektromotorom a kompletným ovládaním), čistiacej kabíny, dopravníka obrobkov (obr. 5) a zariadenia na recykláciu pracovného média - vody (obr. 6).


Obr. 6 Recyklačné zariadenie s vysokotlakovým agregátom URACA

Modulová stavba umožňuje efektívne rozšírenie pracoviska napr. o zachytávanie, zber a odtransportovanie uvoľnených nečistôt, ako aj o prípadné sušenie obrobkov. Hlavnou výhodou tohto systému je univerzálnosť koncepcie ako pri mechanickom, tak aj pri elektrickom vybavení. Programové vybavenie umožňuje jednoduchú zmenu parametrov všetkých nástrojov, tiež tlaku média pri čistení, ako aj otáčok hlavice s tryskami, rotačných kopií, posuvu i času čistenia. Zmena výrobku a prispôsobenie sa novému typu výrobku je v princípe cenovo prijateľná a časovo veľmi rýchla. Zariadenie je koncipované na efektívne a kvalitné očistenie odliatkov a iných výrobkov.

Hlavné komponenty automatizovaného systému na čistenie otrepov bývajú nasledovné:
· Automatické nakladanie a vykladanie čistených súčiastok,
· Čerpadlo generuje vodný lúč s vysokým tlakom,
· Filtračný systém filtruje a recykluje vodu použitú v procese čistenia,
· Čistiaci systém umýva a odstraňuje nečistoty z obrobkov.

Výhody:

· Predlžuje životnosť súčiastok používaných v automobilových motoroch a prevodovkách,
· Zlepšenie kvality a výkonu motoru a prevodovky,
· Šetrí čas a peniaze pri servisných prehliadkach,
· Zníženie spotreby,
· Znižuje výskyt problémov s palivom, mazaním a výfukových systémom spôsobených špinou, prachom a drsnosťou povrchu.

Funkcie:
· Voda s vysokým tlakom a rýchlosťou umýva súčiastky v krátkom čase, vrátane vyhĺbenín, dutín a kanálov,
· Jednoduchý plne automatický systém zahrňujúci vkladanie, umývanie, sušenie a vykladanie súčiastok,
· Hospodárnosť - je použitá len voda a antikorózna tekutina. Recyklačný systém znižuje spotrebu čistiacej kvapaliny,
· Spoľahlivosť - vždy zabezpečuje bezchybné a kompletné čistenie,
· Ohľaduplný k životnému prostrediu - garancia nulového znečistenia - netoxické a nevýbušné výpary.

Odstraňovanie otrepov a čistenie vysokotlakovým vodným lúčom je doposiaľ najlepšie a najefektívnejšie na zvýšenie produkcie, kvality a spoľahlivosti, špeciálne v automobilovom priemysle. Presne skonštruované súčiastky musia byť na vonkajších a vnútorných plochách bez triesok a drsností. Takýto stav sa nedá dosiahnuť použitím konvenčných metód obrábania, vrátane čistenia pomocou vody s nízkym tlakom. Iba použitie vysokotlakového vodného lúča zaručuje absolútne hladký povrch obrobkov - bez otrepov.

Aplikácie vysokotlakového vodného lúča

Automobilový priemysel - rezanie:
- vnútorný interiér automobilov (koberce, riadiaci panel, ovládacie prvky na dverách)
- izolácie, kapoty, nárazníky, tlmiče, bezpečnostné sklá

Letecký a kozmický priemysel:
- trupy vojenských strojov
- komponenty strojov (hliník, titán, žiarupevné, žiaruvzdorné zliatiny)
- interiér ovládacích kabín
- tepelné štíty raketoplánov

Potravinársky priemysel:
- porcovanie mäsa (rýb, rakov, kurčiat)
- rezanie ovocia (odkôstkovanie)
- krájanie zákuskov a koláčov

Elektrotechnický priemysel:
- dosky elektronických obvodov
- odstraňovanie izolácie z káblov

Textilný priemysel:
- rezanie (strihanie) látok, aj viacerých vrstiev naraz
- hygienické tkaniny, výrobky pre zdravotníctvo (tampóny)
- obuvnícky priemysle (rezanie kože)

Likvidácia zbraní:
- likvidácia nepoužitej a preležanej munície
- likvidácia zastaranej munície a zbraňových systémov (SS-23)
- likvidácia chemických a jadrových zbraní - zbraní hromadného ničenia (programy zamerané na odzbrojovanie)

Umelecký priemysel:
- obklady podláh, stropov, stien
- umelecké diela z kovov (špeciálne osvetlenia, siluety vystavované v múzeách)
- podlahy rezané na mieru (nápisy, logá)
- mozaiky, vitráže historických a kostolných okien

Papierenský priemysel:
- rezanie papiera (denník The New York Times)

Čistenie povrchov obrobkov od farieb, omietok, betónov a iných povlakov:
- odstraňovanie vrstiev farieb výtvorov - Graffiti (vagóny, postriekané budovy)
- odstraňovanie okují, otrepov, čistenie odliatkov a pod.

Medicínske aplikácie:
- odstraňovanie refrakčných chýb
- rezanie tkaniva (vodný skalpel)
- podávanie medikamentov „bez ihly"
- katetrizácia a endoskopia


Technológia vodného lúča disponuje výhodami, aké neposkytuje žiadna iná technológia. Medzi hlavné výhody patrí:
- možnosť obrábania „takmer" všetkých materiálov,
- pri obrábaní nenastáva odparovanie obrábaného materiálu,
- studený rez, t.j. nedochádza k tepelnému ovplyvneniu materiálu, nevznikajú tak v materiály napätia - túto výhodu neposkytuje žiadna iná technológia!!!
- do obrábaného materiálu nie sú vnášané dynamické rázy, nevznikajú v ňom praskliny, trhliny, pretože dynamické účinky sú minimálne,
- v dôsledku minimálnych rezných resp. pôsobiacich síl nie je potrebné upínanie materiálu a prípravky na upínanie,
- bezprašnosť technológie, nakoľko použitým „nástrojom" je voda, resp. kvapalina, možno rezať aj karcinogénne a iné škodlivé materiály,
- možnosť obrábania pod vodou a v explozívnom prostredí,
- ekologické hľadisko,
- možnosť použitia plne automatizovaného procesu obrábania a využitia software pre programovanie dráhy nástroja, jej optimalizácie s ohľadom na maximálne využitie materiálu,
- a mnohé iné (napr.: namiesto vody možno použiť iné médium - lieh, alkohol, riedky olej, mlieko či kakao), čo vytvára predpoklady využitia aj v iných priemyselných odvetviach. Rezanie jatočného dobytka, mrazených rýb, delenie liekov, čokolády, zmrzliny atď.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že pri aplikáciách vodného lúča nemožno hovoriť iba o rezaní a čistení, ako to na prvý pohľad vyzerá. Správne by sa malo hovoriť o obrábaní vodným lúčom. Preto sa podľa normy ISO nazýva WATER JET MACHNINING (WJM), t.j. obrábanie vodným lúčom. Touto technológiou možno vykonávať takmer všetky výrobné postupy známe z obrábania kovov. Pre uvedené aplikácie je potrebné zabezpečiť primerané parametre, ktorými sú najmä: pracovný tlak, priemer lúča, dodávané množstvo pracovnej kvapaliny.
Najrozšírenejšími generátormi vysokotlakového vodného lúča sú piestové čerpadlá. Vzhľadom na fakt, že mnohé z uvedených aplikácií vyžadujú mobilitu zariadení, treba ich koncipovať a vyrábať aj s nezávislým dieselovým pohonným motorom, najlepšie mobilné na podvozku tak, aby mohli vykonávať prácu v teréne, t.j. na moste, veži, komíne a pod. Pre aplikácie v hale a dielni sa vyrábajú zariadenia s pohonným elektrickým motorom.
Zariadenia sú vybavené a riadené najmodernejšími riadiacimi systémami, čím umožňujú plynulé ovládanie parametrov „obrábania", t.j. plynulé nastavenie potrebného pracovného tlaku vodného lúča. Hydraulické parametre stroja umožňujú vykonávanie prác s tzv. ručnými pracovnými nástrojmi, napr. ručná striekacia pištoľ, ale aj s tzv. manipulačnými či robotickými viactryskovými systémami.
Vysokotlakové čistiace zariadenia a ich základné technické vybavenie (príslušenstvo) sú neustále zlepšované a vyvíjané, takže ich aplikačné spektrum sa neustále rozširuje. Vysokotlakový vodný lúč a práce ním vykonávané sú vysoko efektívne a navyše ekologické. Vzhľadom na vysoké generované pracovné tlaky ho možno efektívne využiť aj na rezanie najrozličnejších technických materiálov. S prísadou abrazíva možno rezať nielen gumu, plasty, hliník, meď, ale aj sklo, betón, žulu, oceľ, titán a pod..

Text: Ing. Zdenko Krajný, PhD

AQUACLEAN, s. r. o.

aquaclean@netax.sk

tel.: 02 52 495 312

Späť