CONSIDERAŢII TEHNICO-ECONOMICE LA TĂIEREA … 1/Mistodie... · - debitarea cu plasma; ......

Conferinţa internaţională Tehnologii inovative pentru îmbinarea materialelor avansate

CONSIDERAŢII TEHNICO-ECONOMICE LA TĂIEREA CU JET DE APĂ ABRAZIV

Luigi Renato MISTODIE, Eugen GHIŢĂ, Octavian MIRCEA

Universitatea ”Dunărea de Jos” din Galaţi Rezumat Tăierea cu jet de apă (waterjet sau water cutting) este, fără îndoială, cel mai spectaculos dintre procedeele moderne de tăiere. Această tehnologie, încadrată în rândul tehnologiilor neconvenţionale, este mai puţin utilizată la noi în ţară şi ca urmare, cercetările în domeniu sunt modeste. În lucrarea de faţă se face o sinteză a problematicii implementării procedeului, prezentându-se bazele fizice, echipamentele utilizate, consideraţii asupra parametrilor tehnologici, cât şi aspecte economice în funcţie de tipul şi grosimea materialelor debitate. De asemenea, sunt analizate şi câteva posibile direcţii de cercetare a jetului supersonic, care să valorifice experienţa autorilor şi baza materială, în domeniul filmărilor ultrarapide.

Cuvinte cheie Tăiere cu apă, tăiere cu jet abraziv, filmare ultra-rapidă 1. Consideraţii generale referitoare la

procedeele de debitare a semifabricatelor plate Tăierea (debitarea sau tăierea) materialelor din

semifabricate plate se poate face aplicând mai multe procedee:

- electroeroziunea cu fir; - debitarea cu flacăra oxi-gaz; - debitarea cu plasma; - debitarea cu laser; - debitarea cu jet de apa abraziv. Cele mai spectaculoase evoluţii au avut, în ultimele

decenii, tehnologiile de tăiere cu plasmă, laser şi cu apă. În fig. 1 este redată sintetic o diagramă-ghid pentru alegerea procedeului modern de tăiere, funcţie de grosimea materialului.

Fig. 1. Ghid pentru alegerea procedeului modern de

debitare a materialelor plate

Se poate face constatarea că cele trei procedee de tăiere acoperă o arie extrem de largă de dimensiuni şi materiale. Ca urmare, se poate estima că acestea vor înlocui repede alte procedee clasice de tăiere (stanţarea, tăierea oxi-gaz etc.) [1].

Valoarea medie a tăieturilor este de ordinul 0,25 mm (0.01“). Lăţimea tăieturii determină realizarea colţurilor interioare aproximate cu arce de cerc având raza egală cu jumătatea valorii acesteia.

Se poate observa că acestea se pretează foarte bine la această tehnologie deoarece, pe de o parte, au grosimi ce pot fi decupate prin acest procedeu, şi, pe de altă parte, mai au şi o serie de găuri care se pot realiza în cadrul aceleiaşi operaţii.

Tăierea cu jet de apă (waterjet sau water cutting) este, fără îndoială, cel mai spectaculos dintre procedeele moderne de tăiere. Această tehnologie este mai puţin utilizată la noi în ţară şi ca urmare, cercetările în domeniu sunt în faze incipiente.

2. Tăierea cu jet de apă - waterjet

Cercetările legate de tăierea cu apă au fost începute de prin anii 1970. În mod deosebit acestea au beneficiat de finanţare din fonduri pentru dezvoltarea unor tehnologii de vârf în domeniul militar şi al tehnicilor spaţiale, în SUA. Performanţele excepţionale ce caracterizează acest procedeu au determinat o rapidă răspândire a acestuia în întreaga lume, şi în consecinţă, şi la noi în ţară.

În cazul tăierii cu jet de apă există două tipuri de jeturi:

a) Jet de apă simplu, care este metoda originală de tăiere.

Primele aplicaţii au avut loc in anii 70 şi constau in tăierea pânzei, hârtiei şi a materialelor utilizate pentru finisarea interioarelor automobilelor. Printre avantajele jetului pur putem enumera:

– jet foarte subţire (0.004-0.01 inch-diametru); – foarte puţină pierdere de material datorită tăierii; – tăiere fără degajare de căldură; – tăiere foarte groasă în cazul materialelor groase; b) Jet de apă abraziv, reprezintă un jet de apă

amestecat cu particule abrazive.

ISIM Timişoara, 7-8 iunie 2007 1


În jetul de apă abraziv apa sub presiune accelerează particulele abrazive şi acestea erodează materialul împreună cu apa. Jetul de apă abraziv transferă o energie cinetică mult mai mare decât cel pur şi de aceea acesta este utilizat pentru tăierea materialelor mai dure.

Printre calităţile jetului abraziv putem enumera: – piesa rezultă fără zone afectate termic; – puţin material pierdut datorită tăierii; – forţe de tăiere scăzute; – jet subţire (0.020-0.050 inch-diametru); – geometrie oricât de complicată; – tăiere subţire a materialului; – tăiere în pachete; – tăierea cu mai multe capuri de tăiere; – schimbare uşoară de la jet de apă pur la jet de apă

abraziv Costurile de investiţii în maşini de decupat cu jet

de apă sunt relativ mari, peste 120 mii euro. În legătură cu domeniul de utilizare, conform diagramei din fig. 1, se constată că este procedeul modern cel mai universal, fiind singurul care prelucrează toate materialele şi cu cele mai mari grosimi (maxim de 150 mm).

3. Principiul de prelucrare

Principiul de prelucrare se bazează pe un mod deosebit de comportare a materialelor în condiţii de solicitare cu şoc. În aceste situaţii este esenţial care corp loveşte cu viteză mare alt corp. Apa este trimisă, în acest caz, cu viteză foarte mare asupra materialului şi ea, în momentul impactului, devine un material “rigid”, un “glonţ”, mai “dur” decât materialul asupra căruia este trimis şi poate astfel produce penetrarea lui fig 2.

Fig. 2. Principiul de lucru

Pentru o mărire a productivităţii dislocărilor volumice apa este amestecată cu un praf abraziv. Acesta este adus din lateral, printr-o conductă înclinată, şi amestecat cu apa ca urmare a efectului Venturi. În multe din imaginile ce vor fi prezentate, în continuare, se poate observa modul de concepţie al capului de tăiere, având caracteristicile descrise mai sus. Pentru o mai bună omogenizare a dispersării abrazivului în apă este necesară o lungime suficient de mare între locul unde s-a făcut aducţiunea de abraziv şi locul pe unde amestecul este expulzat. Se obţine astfel o turbionare forţată a amestecului apă - abraziv.

Locul de ieşire a amestecului este îngustat cu o piesă de tip duză care determină creşterea vitezei de

expulzare. Diametrul duzelor poate fi foarte mic, de ordinul 0,1 – 0,2 mm (0.004” – 0.006 “).

Obişnuit diametrul duzelor este ceva mai mare încât rezultă decupări cu lăţimea de 0,8 – 0,9 mm (0.0035”), funcţie şi de natura şi grosimea materialului.

Prin comparaţie cu tăierea laser se poate constata că tăieturile rezultă de două – trei ori mai late dar, totuşi, foarte înguste şi, mai ales, constante ca lăţime. Ca urmare, programând echipamentul de comandă numerică cu o corecţie de rază egală cu jumătatea lăţimii tăieturii, se pot realiza contururi foarte precise.

Se apreciază că, în condiţii obişnuite, precizia este de ± 0,25 mm (± 0.01 “) dar se citează şi valori în domeniul ± 0,07 … ± 0,12 mm (0.003 ”– 0.005 ”) şi o repetabilitate de ± 0,05 mm (± 0.002 “).

Deoarece duzele sunt supuse la solicitări deosebite se uzează prin lărgirea orificiului iniţial. Pentru a avea o durată cât mai mare de utilizare acestea se realizează din carburi metalice.

Presiunea care expulzează apa are valori de extrem de mari în domeniul 2750 – 3800 bari (40.000 – 60.000 PSI), rezultând viteze de sute de metri pe secundă (peste 200 m/s). Acest domeniu de presiuni este cunoscut cu denumirea prescurtată UHP – Ultra High Pressure (presiuni extrem de mari).

4. Componentele instalaţiei de tăiere

Elementele componente ale unei maşini de tăiere cu jet de apă abraziv sunt (fig. 3):

– maşina propriu-zisă cu comandă numerică în coordonate, cap de tăiere, pupitrul de comandă, bazin de apă cu recirculare;

– pompă de înaltă presiune; – buncărul de alimentare cu abraziv; – instalaţia de dezumificare a abrazivului; – colector abraziv uzat.

Fig. 3. Elementele componente ale maşinilor de tăiat cu apă

În continuare se prezintă pe scurt elementele cele mai importante ale instalaţiei.

4.1. Instalaţia hidraulică a utilajului - Pompa cu amplificator de presiune. Într-o astfel de pompă există două circuite lichide

un circuit cu apă şi unul cu ulei hidraulic.



Circuitul hidraulic de ulei este alcătuit din un motor electric cu turaţie variabilă, o pompă hidraulică, un distribuitor hidraulic, rezervor de ulei şi pistonul cu dublă acţiune solidar cu două plunjere aflate în interiorul unităţii de amplificare a presiunii.

Fig. 4. Instalaţia hidraulică

- Motorul electric antrenează pompa hidraulică care furnizează instalaţiei un debit de ulei. Uleiul hidraulic este direcţionat spre una din feţele pistonului de către un distribuitor hidraulic pilotat. - Amplificatorul de presiune livrează apoi, alternativ, un debit de apă cu presiunea de 60000 Psi spre un rezervor-atenuator şi de aici către capul de tăiere.

4.2. Capul de tăiere Capul de tăiere pentru jetul de apă abraziv este mai

complex din punct de vedere constructiv, utilizându-se materiale precum rubinul, safirul şi diamantul la construcţia lor. Safirul este cel mai des folosit la tăierea cu jet de apă pură, datorită preţului redus (15-30$) având o durată de viaţa de 50-100 ore. La tăierea cu jet abraziv se utilizează rubinul, având aceeaşi durată de viaţă însă preţ ceva mai ridicat şi diamantul care are o durata de viaţă de 800 - 2000 ore şi un preţ de 20 de ori mai mare decat in cazul safirului, putându-se utiliza în regim intensiv de 24 ore. Uzura depinde de regimul de lucru dar şi de calitatea apei şi a materialului abraziv. Din acest motiv s-a realizat studii complexe pentru a stabilii corelaţiile între toţi factorii implicaţi.

Abrazivul folosit este un nisip dur şi de o granu-laţie foarte fină.

Sunt folosite diferite mărimi ale acestuia pentru sarcini şi calităţi diferite ale suprafeţelor, după cum urmează (fig 5.a):

- 80 Mesh, cel mai comun folosit în scop general; - 50 Mesh, produce o suprafaţă mai fina, dar taie

mai încet. - 120 Mesh, produce o suprafaţă mai rugoasă decât

80 dar taie mai repede [4].

Fig. 5. Capul de taiere. Duza primară

Fig. 5a. Tipuri de abraziv. Forma granula - 100X

Cel mai comun abraziv folosit este granitul care este dur, rezistent şi ieftin.

5. Calitatea suprafeţelor obţinute prin

debitare cu jet de apă abraziv Calitatea suprafeţelor prelucrate prin acest proces

tehnologic este dată de mai mulţi factori; - grosimea materialului, - proprietăţile fizico-chimice ale acestuia,



- parametrii utilajului din timpul procesului (presiune, viteză de tăiere, corecţia de rază, starea tehnică a utilajului şi în special a duzelor)

În general, prin această metodă, se obţin calităţi foarte bune ale suprafeţei de tăiere comparativ cu alte procedee de debitare. Un aspect foarte important îl reprezintă conicitatea din zona de tăiere care se referă la înclinaţia de la vârfurile materialului în timpul tăierii cu jet de apă sau cu jet de apă abraziv. Deoarece această metodă erodează materialul duce în mod natural la apariţia unei forme conice în zona de tăiere, deoarece vârfurile materialului sunt expuse la jet pentru diferite intervale de timp. Există diferite tipuri de forme conice şi le vom prezenta în continuare (fig..6.) [3]:

Fig. 6. Tipuri de jet. Calitatea suprafeţei tăiate

- Forma conică în V - apare acolo unde vârful tăieturii este mai larg în partea de pătrundere a jetului decât la baza materialului. Acesta este rezultatul faptului că jetul petrece suficient timp într-o zonă pentru a eroda materialul mai mult ca la bază . Jetul are tendinţa să erodeze marginile.

- Forma conică în inversă - apare acolo unde vârful este mai îngust decât baza. Acest lucru tinde să se petreacă cu materialele moi când materialul este erodat rapid sau când tăierea este foarte înceată. Deoarece jetul de apă se extinde cu cât se deplasează mai departe de ajutaj, îndepărtează astfel mai mult material .

- Forma conică butoiaş - este atunci când mijlocul este mai larg decât zona de vârf sau de bază. Această formă tinde să apară la materialele foarte groase.

- Forma conică romboidală sau trapezoidală - este de fapt forma conică în V care a fost înclinată, deoarece ajutajul nu face unghiuri drepte cu materialul. Această formă conică este în realitate foarte mică , fiind foarte puţin vizibilă cu ochiul liber. Apariţia acesteia se face prin mărirea vitezei de tăiere sau în cazul materialelor subţiri, prin stivuirea acestora.

Cele cinci calităţi obţinute prin debitare cu jet de apă sunt următoarele (fig. 6).:

Q5, este calitatea cea mai ridicată piesa este netedă, fără striaţii cu o mare acurateţe;

Q4, reprezintă o calitate foarte bună cu striaţii foarte fine;

Q3, o calitate bună, dar în partea inferioară apar striaţii;

Q2, o calitate slabă cu striaţii care se accentuează în partea inferioară, zona de ieşire a jetului;

Q1, calitate foarte slabă, cu striaţii foarte mari pe toată suprafaţa de tăiere.

Tabelul nr. 1 Clasele de calitate ale suprafeţelor

Grosimematerial

Înclinaţia

Abaterile de la linia dreapta

Q 5 Q 3 Q5 Q 3 0.12 0.002 0.005 +/-0.003 +/-0.005 0.25 0.0035 0.0075 +/-0.005 +/-0.005 0.5 0.003 0.01 +/-0.007 +/-0.005 0.75 0.0035 0.012 +/-0.010 +/-0.020 1 0.004 0.014 +/-0.015 +/-0.030 1.5 0.006 0.016 +/-0.020 +/-0.040 2 0.008 0.018 +/-0.025 +/-0.045 3 0.01 0.02 +/-0.030 +/-0.050

6. Investigarea jetului de apă Din cele prezentate reiese faptul că suprafaţa tăiată

are o calitate variabilă în funcţie de regimul de tăiere ales. În condiţii industriale uzură starea duzelor trebuie atent monitorizată şi trebuie respectate duratele de viaţă a acestora. Ne propunem, pe viitor, să investigăm modul în care uzura modifică forma jetului de apă şi cum aceasta influenţează calitatea suprafeţei tăiate.

Acest studiu presupune filmarea ultrarapidă a jetului abraziv, în paralel cu monitorizarea parame-trilor de regim.

În acest sens vom utiliza un echipament modern de filmare cu o viteză ridicată sincron cu măsurarea mărimilor care intervin în procesul de tăiere.

În figura 7 sunt prezentate diferenţele în ceea ce priveşte uzura duzei după un anumit timp de lucru.

Diferite aspecte ale jetului de apă sunt redate în figura 8., arătându-se totodată şi modul în care jetul îşi pierde focalizarea odată cu uzura duzei de focalizare.



Fig. 7. Uzura duzei în funcţie de material

Fig. 8. Forme ale jetului . Modificarea în funcţie de uzură

7. Aplicaţii

În fig. 9 se pot constata posibilităţile spectaculoase ale acestui procedeu. Materialul de prelucrat este din titan iar reperele realizate se utilizează pentru industria spaţială. În figura 9.a se poate observa, în prim–plan, forma semifabricatului rezultat după tăiere şi, în spate, forma piesei finite, rezultată după celelalte operaţii de prelucrare mecanică. Imaginea 9. b,c detaliază zona de lucru în timpul efectuării prelucrării de tăiere. Se poate observa jetul de apă cu abraziv şi tăietura dublă realizată succesiv de acesta. Se poate observa că procedeul poate realiza şi colţuri interioare aproape perfecte, racordate doar cu o rază egală cu semi-diametrul jetului.

Fig. 9. Tăierea cu apă a unor semifabricate din titan

O particularitate deosebită a acestui procedeu este că prelucrarea se poate iniţia, din orice punct al plăcii de decupat, fără a fi necesar un orificiu iniţial iar locul de unde se începe prelucrarea nu se supralărgeşte faţă de restul tăieturii. Rezultă posibilitatea prelucrării unor decupări “colţuroase” dar şi, cu totul excepţional, a unor reţele de orificii foarte mici.

În fig. 10 se prezintă imaginile zonelor de lucru pe timpul efectuării operaţiei de decupat asupra diferitelor materiale: alamă de 2 mm (a), oţel inoxidabil de 4 mm (b), marmură de 20 mm (c), aliaje de titan de 50 mm (d).

În fig. 10. a şi b se poate remarca execuţia unor contururi “colţuroase” iar în fig. 10. d iniţierea decupării dintr-un punct oarecare al conturului, fără nici un fel de probleme.

Fig. 10. Detalii asupra zonelor de lucru ale maşinilor de decupat cu apă

Fig. 11. Reţele de orificii realizate prin aplicarea procedeului cu jet de apă

În fig. 11 sunt prezentate exemple de reţele de orificii realizate prin procedeul cu jet de apă. Pentru comparaţie imaginile au alăturat o monedă sau un şubler. Se pot remarca dimensiunile reduse ale orificiilor, pe de o parte, şi corectitudinea formei circulare, pe de altă parte. De asemenea facilitatea cu care se realizează atât reţele de orificii dispuse echidistant linear cât şi circular.

În exemplul din fig. 11 dreapta jos este prezentată o piesă din oţel rapid în care au fost practicate 4400 de orificii cu diametrul 0,75 mm (0.031 ”). Se poate remarca şi cât este de complicată forma acestei reţele. Evident că, pentru această prelucrare, maşina trebuie să fie dotată cu un echipament de comandă numerică, cu calculator şi soft adecvat, care să poată efectua mulţimea de calcule pentru determinarea



coordonatelor fiecărui orificiu şi să întocmească automat programul.

Pentru execuţia în serie a pieselor prin tăiere cu jet de apă se poate achiziţiona o maşină cu mai multe capete de lucru, fig. 12 stânga. Obişnuit însă, realizarea pieselor în serie se face pe maşini cu un singur cap de lucru care succesiv debitează piesele din semifabricatul de tip placă, fig.12 dreapta.

Fig. 12. Modalităţi de execuţie în serie a pieselor prin tăiere cu jet de apă

Pentru prelucrări speciale maşinile de decupat cu jet de apă pot fi concepute având mai multe axe controlate numeric. În fig. 13 stânga este prezentată zona de lucru a unei maşini cu cinci axe controlate numeric: două translaţii în plan, două rotaţii cu axele orizontale şi încă o translaţie pe verticală, pentru menţinerea constantă a distanţei dintre capul de lucru şi semifabricat. Pe maşină se taie o piesă cu grosime mare, din titan, după orice direcţie înclinată cu unghiul dorit.

Fig. 13. Tăierea cu jet de apă pe maşini cu cinci axe controlate numeric

În imaginile de mai sus pot fi observate şi alte detalii. Astfel, se poate constata că, pentru reducerea cantităţii de lichid pulverizat în procesul de tăiere, se utilizează metoda imersării parţiale a semifabricatului. În imaginea din dreapta se poate vedea o ruletă alăturată piesei decupate confirmând o grosime de aproximativ 90 mm (3 ½ “). De asemenea, poate fi observat felul în care se deteriorează calitatea tăieturii realizate în materiale groase şi anume, jetul de lichid este deviat de fenomene aleatorii, determinând tăierea după o suprafaţă cutată, cu ondulaţii. Defectele sunt cu atât mai mari cu cât se realizează o tăietură mai în profunzime. La intrarea jetului în material calitatea suprafeţei este mult mai bună decât la ieşire.

8. Avantaje Principalele avantaje ale utilizării decupării cu jet

de apă sunt următoarele: - costul tăierii este mai redus decât dacă s-ar

aplica alte procedee. Se apreciază că aceste costuri scad la jumătate;

- timpul de prelucrare scade foarte mult, până la un sfert din valoarea obţinută cu alte procedee;

- materialul nu este suprasolicitat nici termic, nici mecanic, şi deci nu suferă deteriorări ale structurii sau a stării de tensiuni şi deformaţii;

- calitatea muchiilor rezultate prin tăiere este foarte bună, fără defecte, încât nu mai sunt necesare operaţii ulterioare de ajustare – finisare;

- se poate trece uşor de la prelucrarea unui reper la altul deoarece conducerea procesului se face cu echipamente moderne tip CNC.

Aşa cum s-a mai afirmat, marea calitate a procedeului de tăiere cu apă este universalitatea sa, care permite prelucrarea tuturor materialelor. În anumite cazuri procedeul este singurul care poate realiza, în condiţii tehnice şi economice acceptabile, anumite prelucrări speciale sau asupra unor materiale speciale.

În fig. 14 se prezintă imagini din timpul prelucrării unei piese din sticlă specială stratificată, imposibil de realizat prin alt procedeu.

Fig. 14. Tăierea cu jet de apă a materialelor din sticlă stratificată

Procedeul se utilizează frecvent la prelucrarea marmurei. Acest material şi-a găsit cel mai potrivit procedeu de prelucrare încât, acum, pot fi realizate orice forme de obiecte. Exista posibilitatea realizării unor decupări complicate, pentru alcătuirea unor intarsii din bucăţi de marmura, de diferite culori şi nuanţe, sau a unor litere pentru construcţia unor firme.

Se vor prezenta, în continuare, şi alte cazuri de prelucrări speciale unde tehnologia decupării cu jet de apă oferă condiţii tehnice şi economice superioare faţă de alte procedee.

În cazul unor piese cu contur complex este necesară o pregătire de fabricaţie complicată, trebuind să fie concepute şi executate stanţe specializate. Ca urmare, pentru serii mici de fabricaţie, această tehnologie nu se justifică. Tăierea cu jet de apă rezolvă această problemă chiar şi pentru serii mici de fabricaţie. După tăiere piesa poate fi transferată direct la operaţiile de finisare.

Piesele din oţel inoxidabil se prelucrează extrem de dificil prin aşchiere. Cu atât mai dificile sunt de prelucrat oţelurile inoxidabile speciale, utilizate în



industria chimică, mai ales când au şi o configuraţie complicată. Tăierea cu jet de apă rezolvă în condiţii avantajoase şi această problemă.

Piesele din materiale plastice se realizează, obişnuit, prin injectare în matriţe, cu aceleaşi probleme legate de necesitatea unei pregătiri de fabricaţie costisitoare şi de durată. De aceea se justifică doar pentru serii mari de fabricaţie. Rezultă încă un domeniu important pentru extinderea aplicării acestui procedeu: pentru realizarea unor repere pentru construcţia prototipurilor.

Tăierea cu jet de apă este un procedeu modern, nu numai pentru că este foarte recent pus la punct, ci şi pentru faptul că beneficiază de toate avantajele oferite de extinderea fără precedent a tehnologiilor informatice de vârf. Se va prezenta în acest sens un exemplu edificator.

Pentru configuraţii mai complicate, s-a specificat şi mai înainte, trebuiesc construite maşini cu deplasări controlate numeric, pe mai multe axe. Obişnuit o maşină cu cinci axe este suficientă. Aceasta controlează trei translaţii şi două rotaţii.

Realizarea prelucrării unei reper complicat parcurge, în aceste cazuri, următoarele etape: − definirea în AutoCAD a formei reperului de

executat; − transpunerea formei reperului, cu acelaşi soft

utilitar, pe semifabricatul adoptat pentru realizarea acestuia. Verificarea prin vizualizarea în 2-D şi 3-D a modului de “croire” a semifabricatului, în reprezentare wireframe (cu evidenţierea numai a muchiilor reperului) pentru optimizarea utilizării acestuia şi obţinerea din el a unui număr maxim de piese;

− renderizarea (randarea) în 3-D a formei semifabricatului decupat, văzut după direcţii convenabile;

− iniţierea sistemului CAD & CAM de trecere la proiectarea programului de conducere numerică a maşinii de decupat;

− obţinerea semifabricatului, prin procedee convenţionale sau neconvenţionale. În cazul prezentat semifabricatul este obţinut prin turnare, apoi strunjire sub formă tubulară şi separarea în două, tot cu jet de apă, prin două tăieturi mediane longitudinale;

− poziţionarea semifabricatului pe maşină şi iniţierea prelucrării;

− verificarea reperului obţinut cu mijloace convenţionale sau neconvenţionale (aparate digitizoare, maşini de măsurat în coordonate, etc.), pe baza desenului de execuţie. Cu toate argumentaţiile prezentate anterior se poate

concluziona că procedeul de tăiere cu jet de apă va cunoaşte o mare extindere în viitor. Experienţa industrială a confirmat performanţele sale şi, deja, multe întreprinderi, au investit în asemenea noi maşini-unelte şi realizează o producţie profitabilă.

9. Calculul economic. Costuri Rezultatele obţinute utilizând tehnologia abrazivă

Water Jet se confundă cu cele obţinute prin metodele tradiţionale. Printr-o comparaţie s-a demonstrat că tehnologia cu jet de apă hidroabraziv a rezultat, în condiţii optime de proces, competitivă în raport cu tehnologia tradiţională obţinându-se un produs de calitate superioară în raport cu cerinţele impuse de piaţă.

9.1. Optimizarea parametrilor Optimizarea parametrilor regimului de tăiere este

foarte importantă pentru a obţine un raport cost- calitate bun. Acest lucru se face luând în consideraţie cei mai semificativi factori care influenţează procesul de tăiere. Optimizarea se face astfel încât calitatea suprafeţei să fie cea mai bună , în condiţiile unei viteze de tăiere ridicare, adecvate grosimii pieselor şi materialelor supuse operaţiei şi obţinerii unei lăţimi a cusăturii minime. Analiza rezultatelor se face prin metode statistice sau a planurilor de experienţe. Un exemplu este prezentat in tab. 2[2].

Tabelul nr. 2 Exemplu de plan de experienţe

Factori constanţi Nivel Factori

variabili Nr. nivele Nivele

Presiune [MPa] 350 Rata abraziv

[g/min] 3 300-400-500

Diametru duză primară [mm] 0.30

Viteza de avans mm/min]

3 300-500-750

Diametru focalizator [mm]

1 Reţea abrazivă 2 80 - 120

Tip abraziv garnetDistanţa stand-off [mm]

2

Nr. treceri 1

Fig. 15 Influientele parametriòor asupra deviatiilor la taiere

Din punct de vedere economic tehnologia de tăiere

cu jet de apă este avantajoasă în raport cu tehnologia tradiţională datorită deşeurilor reduse şi timpilor scăzuţi de lucru. În cazul produselor din marmură, viteza de tăiere a crescut de la 150mm/min utilizând tehnologiile tradiţionale la 300mm/min utilizând



tehnologia cu jet de apă, cu o reducere a costurilor de până la 80%.

9.2. Determinarea costurilor. Calculul economic comparativ la tăierea cu jet de apă

Costurile principale sunt repartizate după cum urmează:

Tabel nr. 3 Repartizarea costurilor

Costuri Directe Indirecte Variabile Abraziv Duze Apă Alte consumabile Energie Fixe Pregătire Operatori part-program

Amortizare Mentenanţă

Parametrii procesului, din care presiunea

hidraulică, rata abrazivului dar şi viteza de avans pot fi corelate analitic cu costul variabilelor de producţie prin intermediul formulei de mai jos:

C = CA+CE+CW+CU+CH Unde: CA – Costul consumului de abraziv; CE – Costul energiei electrice; CW – Costul tratamentului şi consumului de apă; CU – Costul legat de uzura duzelor primare şi de

focalizare; CH – Alte costuri indirecte, variabile. Exprimând fiecare cost utilizând relaţiile existente

în literatura de specialitate, la tăiere, funcţia de cost pe unitate de lungime poate fi minimizată cu:

)]k1(cQc

PQcmc[

u1C uww

weaa +++

η+⋅=

⋅

[E/lungime] sau

uP'cP'c)k1(

uc

umcC

23

ewu

.

aa ++++⋅=

[Euro/lungime] unde avem: ca = costul consumului de abraziv, ma = rata de curgere a abrazivului în unitatea de

timp, ce = costul energiei [Euro/oră]

10. Concluzii referitoare la posibilitatea utilizării tehnologiei de debitare cu jet de apă abraziv

Debitarea cu jet de apă abraziv îşi poate găsi largi domenii de aplicaţii.

Industria este unul din domeniile unde aceasta tehnologie poate fi utilizată, cu numeroase avantaje tehnico-economice. Aceasta se justifică în situaţia următoarelor caracteristici de producţie: − realizarea unor piese de complexitate deosebită,

care trebuie să satisfacă o mulţime de cerinţe funcţionale;

− materialele utilizate pentru diferite componente trebuie să fie alese corespunzător condiţiilor extrem de dificile de exploatare;

− producţia sa se încadreze în domeniul unicatelor şi seriilor mici de fabricaţie, deci se impun acele tehnologii ce necesita o flexibilitate mare şi costuri minime legate de pregătirea de fabricaţie. Maşinile de debitat cu jet abraziv satisfac bine

toate aceste condiţii deoarece sunt extrem de versatile. Echipamentul de conducere este cu comandă numerică computerizată iar soft-urile implementate satisfac cerinţele de flexibilitate necesare unei fabricaţii de unicate şi serie mică.

Reglarea regimurilor de lucru se face în limite largi, fără dificultăţi încât se poate face repede trecerea de la un reper la altul, chiar dacă sunt utilizate materiale mult diferite ca şi proprietăţi. − este cel mai versatil proces tehnologic de debitare; − debitează orice tip de material; − poate executa piese de dimensiuni mici şi de

complexităţi ridicate; − are pierderi foarte mici de material rezultat în urma

tăierii; − nu degajă căldură sau praf în timpul tăierii; − nu afectează termic suprafaţa piesei obţinute,

indiferent de gradul de conductibilitate termică al materialului;

− nu afectează structura cristalină a materialului decât pe o grosime foarte mică (8-20 microni);

− viteza de taiere este mai mica decât la debitarea cu plasmă sau laser;

− este mai rapid decât debitarea EDM; − faţă de aceste metode este superior în obţinerea

unor piese cu dimensiuni şi forme foarte exacte cât şi rugozităţi ale suprafeţelor mult mai bune. Rugozităţile obţinute sunt de 2 - 3 microni sau mai

mari, şi reprezintă valori bune având în vedere faptul că la o strunjire se obţin rugozităţi cuprinse între 6,3-3,2 microni, iar la o rectificare se obţin rugozităţi cuprinse între 1,6 - 0,8 microni.

Bibliografie

[1] Ghiţă E.: Teoria şi tehnologia suprafeţelor poliforme, Bucureşti, Editura BREN, 2001 (ISBN 973-8141-07-1) [2] Turchetta, S. Tecnologie di lavorazione delle pietre naturali, Tesi di Dottorato, Università degli studi di Cassino, 2003 [3] Hashish, Abrasive-waterjet (AWJ) studies, 16th International Conference on Water Jetting, Aix-en-Provence, France, 16-18 October 2002 [4] http://www.wjta.org/


CONSIDERAŢII TEHNICO-ECONOMICE LA TĂIEREA … 1/Mistodie... · - debitarea cu plasma; ......

Documents

Transcript of CONSIDERAŢII TEHNICO-ECONOMICE LA TĂIEREA … 1/Mistodie... · - debitarea cu plasma; ......