Găurirea orificiilor mici

Jeturile (sau orice fascicul energetic) nu produc neapărat găuri cu pereți drepti sau găuri cu diametre uniforme, cum ar fi burghiile solide, din cauza naturii unui jet și a mecanicii sale de interacțiune cu materialul. Figura 22 prezintă diferite forme de găuri care pot rezulta din perforarea cu jet de apă.

Pe măsură ce jetul pătrunde prin material, fluxul de retur iese și el din gaură și poate provoca eroziune secundară. Strategia pentru controlul caracteristicilor calitative și cantitative ale unei găuri, precum și reducerea timpului de găurire, include atât tehnici înainte de străpungere cât și după străpungere (Hashish 2002c; Ohlsson et al. 1992). Unele dintre cele mai eficiente tehnici, care pot fi grupate în categorii de parametri dinamici ai jetului și parametri cinematici de găurire, sunt discutate mai jos.

Parametrii dinamici ai jetului sunt cei care pot fi modificați în timpul găuririi, cum ar fi presiunea, debitul abraziv și materialul abraziv (sau dimensiunea particulelor). Parametrii dinamici utili ai jetului includ:

• Creșterea presiunii în timpul găuririi: Aceasta este deosebit de importantă atunci când se găuresc materiale sensibile relativ groase care se pot fisura, cum ar fi sticla; delaminat, cum ar fi compozite; și/sau așchiat, cum ar fi metale acoperite (sau TBC). Acest lucru are ca rezultat o găurire mai rapidă și un control mai bun asupra formei găurii decât utilizarea unei presiuni mai mici „sigure” constantă.

• Asistență în vid: Cu jeturi mici sau la presiuni mai scăzute (de exemplu, în timpul teșirii), asistența în vid îmbunătățește capacitatea de aspirare a jetului prin antrenarea abrazivelor mai fiabil în camera de amestecare și, de asemenea, înainte de scoaterea jetului de apă.

• Spălare: Pentru forarea de găuri cu volum mare (sute și mii), s-a constatat că spălarea periodică a camerei de amestecare cu apă este importantă pentru a menține fiabilitatea procesului. Apa de spălare îndepărtează abrazivul acumulat în camera de amestecare.

Tehnicile dinamice și cinematice suplimentare care ar putea fi utilizate cu forarea găurilor AWJ sunt:

• Teșirea abrazivă în timpul găuririi: Aceasta este pentru a menține debitul de abraziv peste o anumită limită critică (Hashish 2002c).

• Parametru de post-străpungere.

• Schimbarea continuă a unghiului în timpul găuririi: Această metodă este importantă atunci când se forează la unghiuri mici (Hashish 2002c).

• Trepanarea în timpul găuririi: Trepanarea în timpul găuririi poate fi realizată prin rotație sau mișcare orbitală. Traversarea manipulatorului (pe o cale circulară) este o abordare simplă și comună (Hashish 2002c). Acest lucru are ca rezultat o penetrare mai rapidă datorită căii de evacuare lărgite pentru jetul de retur.

• Creșterea sau scăderea distanței de separare după străpungere: Această metodă este utilizată pentru a îmbunătăți conicitatea găurii și, de asemenea, pentru a rotunji marginile găurii dacă este necesar.

• Persistența după străpungere: Aceasta adaugă un parametru de control care afectează forma găurii și, de asemenea, îmbunătățește rotunjimea găurii.

Figura 23 prezintă exemple de găuri forate cu AWJ.

Model de găurire

Au fost efectuate mai multe analize și studii de modelare asupra găuriri cui AWJ (Ohlsson et al. 1992; Guo and Ramulu 1999; Ramulu et al. 2005); o analiză simplă a procesului de găurire de către Hashish (2002c) dă următoarea ecuație pentru timpul de găurire:

Această ecuație arată importanța creșterii densității de putere a particulelor abrazive pentru a reduce timpul de găurire. De asemenea, arată că timpul de găurire este exponențial proporțional cu adâncimea. Pe măsură ce adâncimea crește, energia cinetică abrazivă trebuie mărită și, prin urmare, creșterea presiunii este importantă. Creșterea factorului K2 în ecuația de mai sus va crește și timpul de găurire; astfel, ar trebui depuse eforturi pentru reducerea K2. Factorul K2 din Ec. 21 poate fi reexprimat astfel:

unde S este greutatea specifică a particulei abrazive și dp este diametrul particulei abrazive. Acum, din această ecuație, este evident că reducerea timpului de găurire necesită reducerea coeficientului drag Cd, așa cum poate fi înțeles intuitiv. Acest lucru poate fi realizat prin reducerea debitului de apă afară din gaură (care este egal cu debitul de intrare), la cel puțin înainte de a se produce străpungerea. Trepanarea, deoarece mărește gaura și direcționează fluxul de retur, reduce semnificativ Cd. Acest lucru are ca rezultat o îmbunătățire dramatică a timpului de găurire. Creșterea greutății specifice a abrazivului și a dimensiunii ajută, de asemenea, la reducerea timpului de găurire. Abrazivii denși și mari își vor duce impulsul mai adânc în gaură.

Frezare cu adâncime controlată

Pentru a controla și a limita adâncimea de tăiere cu un jet de apă, sunt necesare treceri repetate și numai cantități mici de material sunt îndepărtate pe trecere. Acest lucru necesită ca jetul să fie slab sau să se deplaseze la viteze de traversare relativ mari (Hashish 1989; Fowler et al. 2005). Ultima abordare implică utilizarea măștilor realizate din materiale mai rezistente, deoarece mișcarea de conturare de mare viteză este dificil de realizat în practică. Trei metode sunt utilizate de obicei pentru frezarea cu adâncime controlată (Hashish 1994):

• Frezarea de linie: În această metodă, mișcarea carteziană este utilizată pentru a scana jetul peste piesa de prelucrat mascată.

• Frezare radială: Jetul se deplasează radial peste piesele de prelucrat mascate montate pe un platou rotativ.

• Frezare cilindrică: Frezarea cu adâncime controlată poate fi realizată atăt pe exteriorul cât și pe interiorul pieselor de prelucrat cilindrice sau ale pieselor de prelucrat montate pe un cilindru rotativ.

Figura 24 prezintă conceptele de frezare radială și cilindrică.

Măștile pot fi tăiate cu AWJ sau laser și montate pe piesa de prelucrat. Această metodă a fost folosită pentru a freza modele isogrid pe interiorul și exteriorul cilindrilor, conurilor și domurilor (Hashish 1994, 1998b). Figura 25 prezintă câteva exemple de forme frezate. A fost demonstrată o acuratețe de control a adâncimii de aproximativ 50 μm.

Frezarea buzunarelor cu adâncime variabilă poate fi realizată și prin controlul timpului de expunere al AWJ asupra diferitelor zone de frezat, ceea ce poate fi realizat prin variarea ratei de traversare și a numărului de treceri. Frezarea poate fi folosită și pentru tăierea cu mai multe modele, cum ar fi găurile care pot fi frezate simultan, folosind o mască care a fost pregăurită cu modelul de găuri. Frezarea fantelor subțiri, strâns distanțate, poate fi realizată cu sau fără mască, așa cum se arată în Fig. 25. Pentru a controla fanta (sau forma canelurii), pot fi utilizate atât unghiuri de avans, cât și unghiuri conice.

Model de frezare

Procesul de frezare implică în general traversarea jetului de mai multe ori peste zona de frezat. În timpul unei singure „treceri” peste o zonă, din cauza lățimii benzii jetului și a suprapunerii la marginea fiecărei benzi, jetul poate tăia peste anumite zone de mai multe ori. Datorită vitezei de traversare mari utilizate la frezare, nu va fi întâlnit niciun mod de uzură prin tăiere, iar adâncimea de frezare pe trecere poate fi determinată din Eq. 7. Adâncimea de frezare va varia de-a lungul direcției de avans încrucișat din cauza acestei diferențe de timp de expunere (sau numărul de treceri) care are ca rezultat „așezare” pe suprafață. Pentru un caz general cu un număr de suprapunere nedimensional (On), numărul de treceri poate fi exprimat matematic ca

Presupunând că distanța standoff nu afectează adâncimea de frezare pe trecere, adâncimea medie de frezare per trecere este derivată ca

Ecuația de mai sus poate fi simplificată în continuare prin neglijarea Vc << Vj pentru materiale moi și setarea Cf = 0, deoarece adâncimea de frezare pe trecere este foarte mică. Ecuația simplificată rezultată este

Rata de avans încrucișat este implicit exprimată în incrementul de avans lateral în ecuația de mai sus.

Strunjirea

Strunjirea cu jet de apă este un proces relativ simplu în care o piesă de prelucrat este rotită în timp ce AWJ este traversată axial și radial pentru a produce suprafața strunjită necesară (Hashish 1987). Figura 26 prezintă metodele de strunjire cu AWJ. Lucrările privind strunjirea cu AWJ au abordat rata de îndepărtare a volumului, controlul finisării suprafeței, vizualizarea și modelarea procesului de strunjire (Ansari et al. 1992; Henning 1999; Zeng et al. 1994; Manu și Babu 2008) și dezvoltarea un hibrid AWJ/strung mecanic (Ansari et al. 1992).

Adâncimea de tăiere, care este determinată din poziția jetului radial, este un parametru critic pentru optimizarea procesului. Spre deosebire de strunjirea convențională, strunjirea AWJ este mai puțin sensibilă la forma originală a piesei. De exemplu, o geometrie foarte neregulată poate fi strunjită într-o singură trecere cu o adâncime de tăiere relativ mare la o suprafață de revoluție. De asemenea, strunjirea AWJ nu este sensibilă la raportul lungime/diametru al piesei de prelucrat. Piesele cu diametrul lung și mic au fost strunjite la dimensiuni precise. S-a demonstrat, de asemenea, că strunjirea subacvatică reduce semnificativ zgomotul pe AWJ.

Un strung hibrid AWJ/mecanic a fost construit prin modificarea unui strung convențional pentru a permite strunjirea simultană cu AWJ și o unealtă solidă, unealta solidă efectuând procesul de finisare. Duza AWJ poate fi montată fie pe un manipulator separat pentru flexibilitate în prelucrarea modelului, fie pe căruciorul sculei atunci când este necesară o sincronizare exactă între mișcarea de rotație și cea axială. AWJ a fost folosit pentru a produce un diametru cu 0,25 mm mai mare decât diametrul necesar. Suprafața prelucrată a fost finisată simultan folosind o unealtă solidă cu un singur punct, imediat în spatele AWJ. Această abordare s-a dovedit a fi cea mai eficientă pentru a obține finisaje de suprafață mai bune de 5 μm.

Model de strunjire

Într-un studiu recent al strunjirii cu AWJ (Ansari et al. 1992), s-au găsit următoarele:

• Îndepărtarea materialului pentru gama vitezelor de traversare și adâncimi întâlnite în mod obișnuit la strunjirea AWJ are loc la „fața”, mai degrabă decât la circumferința piesei de prelucrat (fața se referă la planul transversal pe axa de rotație a piesei de prelucrat).

• Nu apare nicio deflecție semnificativă a AWJ în direcția radială la locul de îndepărtare a materialului.

• Deflecția axială a AWJ se modifică ciclic.

Problema strunjirii este de a determina diametrul final (df) în funcție de AWJ și parametrii de strunjire.

Relația dintre adâncimea de penetrare și raza piesei de prelucrat poate fi exprimată (Ansari et al. 1992) ca

Rata de eliminare a volumului poate fi scrisă și ca

Din ecuațiile de mai sus,

Folosind o formă simplificată a teoriei lui Finnie (Ecuația 18) a eroziunii, rezultă următoarea expresie pentru hc unde α devine zero la sfârșitul zonei de impact cu unghiuri mici:

Această ecuație este pătratică în hc și poate fi rezolvată numeric. Unghiul αt, care este unghiul de deviere din partea superioară a tăieturii, a fost derivat ca

Similar cu tăierea liniară, ar trebui să existe o viteză de traversare critică (uc) dincolo de care nu poate fi realizată nicio strunjire în regim de echilibru. Acest lucru poate fi determinat din ecuația de mai sus prin substituirea αo în loc de αt; αo este un unghi legat de caracteristicile materialului.

În cazul uzurii prin deformare, prin care treptele sunt tăiate, rata de îndepărtare a volumului este

Folosind ecuațiile 31 și 26, rata de îndepărtare a volumului poate fi scrisă în termeni de adâncime de penetrare (h), care la simplificare devine

Pentru particulele abrazive care impactează treapta în tăietură la unghiuri de 90^o, modelul lui Bitter (Ecuația 17) la impact normal este exprimat ca

Cele două ecuații de mai sus pot fi utilizate pentru a obține adâncimea pentru strunjirea cu uzură prin deformare (hd) ca

Pentru a determina raza (sau diametrul) finală a specimenului, se utilizează următoarea ecuație:

Prelucrare multiproces

AWJ-urile pot fi folosite pentru prototipare prin tăierea straturilor din materialul real și stivuirea lor pentru a forma geometria prototipului necesară. Și tehnicile de îmbinare pot fi asistate de procesul de prelucrare cu AWJ prin realizarea de găuri sau suprafețe pregătite pentru lipire.

Figura 27 prezintă secvența de prelucrare utilizată pentru o piesă tridimensională realizată cu un AWJ. Acest exercițiu de prelucrare demonstrează flexibilitatea procesului AWJ pentru tăiere, strunjire și găurire folosind aceeași configurație și aceeași duză. Un program de controler a fost scris pentru a automatiza complet procesul de prelucrare, care include duze automate cu schimbare rapidă. De asemenea, a fost implementat un proces de fabricație inteligent care implică modificări ale parametrilor.

Procese și sisteme hibride

Există două abordări pentru utilizarea jeturilor de apă ca unealtă hibridă cu alte unelte tradiționale sau netradiționale. Aceste abordări sunt un proces hibrid sau un sistem hibrid.

Proces hibrid

În această metodă, îndepărtarea materialului este modificată fie direct, fie indirect de jetul de apă. De exemplu, utilizarea jeturilor de apă pentru a asista drag bits, care a fost investigată de Hood (1977) în uneltele de minerit și echipamentele de tunelare, este un proces hibrid. Jetul de apă poate modifica câmpul de tăiere prin slăbirea rocii sau creând suprafețe libere înaintea vârfului sculei, astfel încât să se consume mai puțină energie totală în excavare. Jetul de apă poate acționa, de asemenea, ca o unealtă de răcire pentru vârful sculei, altfel excesiv de fierbinte, prelungind astfel durata de viață a acestuia și îmbunătățind performanța de tăiere. În prelucrarea asistată cu jet, performanța sculelor de tăiere și a discurilor de șlefuit este îmbunătățită prin utilizarea jeturilor de apă în diferite moduri: răcirea vârfurilor sculelor sau îmbrăcarea discurilor de șlefuit. Câmpul de tăiere în sine este încă controlat în primul rând de procesul cu scule solide. Utilizarea jeturilor de apă de joasă presiune pentru colimarea fasciculelor laser (Iscoff 2003) este un alt exemplu de proces hibrid indirect, deoarece jetul de apă nu este utilizat pentru a ajuta procesul de îndepărtare a materialului, ci mai degrabă ca ghid pentru laser.

Sisteme hibride

În această metodă, două sau mai multe unelte sunt integrate într-un sistem pentru a atinge obiectivele tehnice și/sau de productivitate generală. Unele dintre sistemele hibride disponibile comercial sunt:

• Jet de apă-mecanic: În aceste sisteme, un jet de apă este utilizat pentru a îndeplini anumite funcții, iar sculele mecanice sunt folosite fie pentru a modifica suprafața produsă, fie pentru a efectua alte operații în diferite locații pe piesa de prelucrat. Un centru de prelucrare a compozitelor cu jet de apă este utilizat pentru a tăia structuri compozite cu o unealtă cu jet de apă și pentru a găuri găuri înfundate folosind burghie speciale. Figura 28 prezintă un sistem de ruter hibrid cu jet de apă tipic cu două catarge, utilizat pentru piese precum aripile avionului, aripioarele de coadă și unele secțiuni ale fuselajului. În industria pietrei și țiglei, se folosește o mașină hibridă cu jet de apă-ferăstrău; jetul de apă este folosit pentru tăierea formelor interioare, iar ferăstrăul este folosit la tăierea exterioară în linie dreaptă. Alte mașini pot include unelte de finisare a muchiilor.

• Waterjet-EDM: O tăiere EDM cu sârmă taie mai repede dacă sârma este parțial cuplată cu suprafața. De exemplu, viteza de tăiere se poate dubla sau tripla dacă sârma este folosită pe suprafață pentru a elimina o adâncime egală cu o singură rază a sârmei. Un sistem hibrid cu jet de apă-EDM este utilizat pentru a tăia piesa cu un jet de apă în limitele unei toleranțe de o rază a sârmei. Sârma este apoi folosită pentru a finisa piesa. Figura 29 prezintă o imagine a unei mașini hibride cu jet de apă-EDM.

• Metode termice cu jet de apă: Plasma cu bandă cu jet de apă a fost combinată pe o singură mașină. Plasma este utilizată atunci când acuratețea sau zonele afectate de căldură nu sunt critice. Jeturile de apă sunt folosite pentru a produce muchii de calitate superioară sau când materialul nu poate fi tăiat termic. Cele două procese pot fi utilizate pe aceeași piesă pentru a maximiza productivitatea folosind un software special care selectează jetul de apă sau plasma pe baza specificațiilor muchiei.