Badanie potencjału skrawnego wysokociśnieniowego strumienia wodno-ściernego na przykładzie cięcia granitu

Technologia wysokociśnieniowego strumienia wodno-ściernego stosowana do kształtowania geometrycznie złożonych przedmiotów 2D a także 3D [2], spełniająca również wysokie wymagania dotyczące cech topografii przecinanych powierzchni [1, 3, 5], znajduje w obecnych warunkach ekonomicznych efektywne zastosowanie przy cięciu nowych i  tradycyjnych materiałów zarówno metalowych, jak również niemetalowych. Duża rozmaitość przecinanych materiałów to także problem odpowiedniej oceny i doboru wskaźników jakości technologicznej elementu po obróbce [11], jak również zagadnienie estymacji wskaźników jakości podczas cięcia. Podstawowymi procesami odpowiedzialnymi za kształtowanie szczeliny cięcia dla materiałów twardych są:

• mikroskrawanie ziaren ściernych rozpędzanych energią kinetyczną strumienia wody,
• proces erozji mechanicznej materiału pod wpływem poślizgu ziaren ściernych,
• roztwarzanie materiału typu efektu Rebindera pod wpływem lokalnie wysokiego ciśnienia strumienia wody działającego na materiał.

Tego rodzaju mechanizm usuwania materiału podczas cięcia wysokociśnieniowym strumieniem wody skłania do wykorzystania dotychczasowej terminologii wypracowanej na gruncie teorii obróbki ściernej do opisu relacji pomiędzy zmiennymi decyzyjnymi a także badanymi wskaźnikami niekonwencjonalnego procesu.

Potencjał skrawny i zdolność skrawna

Podstawowymi pojęciami mającymi związek z jakością jak również wydajnością cięcia wysokociśnieniowym strumieniem czystej wody i wysokociśnieniowym strumieniem wodno-ściernym są pojęcia potencjału skrawnego i zdolności skrawnej. Pojęcia te zostały wypracowane na gruncie teorii obróbki ściernej głównie do oceny właściwości skrawnych narzędzi ściernych [6, 10]. Zatem, podobnie jak w przypadku obróbki ściernej, przez potencjał skrawny wysokociś­nieniowego strumienia wodno-ściernego należy rozumieć zdolność do rozdzielania materiału w danych warunkach z maksymalną wydajnością powierzchniową Q_p, przy czym wydajność ta jest uzależniona od: przecinanego materiału, kształtu przedmiotu, orientacji przecinanego przedmiotu względem strumienia wodno-ściernego (rys. 1),
a także od parametrów [4, 8]:

• hydraulicznych, takich jak: ciśnienie strumienia wody – p, natężenia przepływu wody – q_w,
• związanych ze ścierniwem, takich jak: rodzaj materiału ściernego, wielkość ziarna ściernego #, stanu ścierniwa (zbioru cech mechaniczno-fizycznych i stereometrycznych ziarna), natężenia masowego przepływu ścierniwa – q,
• konstrukcyjnych układu mieszającego, czyli: średnicy dyszy mieszającej – d, długości dyszy mieszającej – L, średnicy dyszy wodnej – d_w, wielkości komory mieszającej i stopnia jej zużycia.

Wyznaczanie potencjału skrawnego

Wydajność powierzchniową cięcia strumieniem wodno-ściernym można zdefiniować jako:

Q_p = h • v_f, (1)

gdzie:
– h – głębokość cięcia (m),
– v_f – posuw głowicy tnącej (m/s).

W artykule przedstawiono metodykę wyznaczania potencjału skrawnego wysokociś­nieniowego strumienia wodno-ściernego a także wyniki badań na przykładzie granitu.