Abrasive Wasserstrahlschneidetechnik: Was Sie wissen müssen

Abrasive Wasserstrahlschneidetechnik: Was Sie wissen müssen

1. Einleitung

Die Wasserstrahltechnik ist eine neue Technologie, die in den letzten 20 Jahren entwickelt wurde und deren Anwendungsmöglichkeiten immer weiter zunehmen. Sie wird in Bereichen wie Kohle, Maschinenbau, Erdöl, Metallurgie, Luftfahrt, Bauwesen, Wasserwirtschaft und Leichtindustrie hauptsächlich zum Schneiden, Zerkleinern und Reinigen von Materialien eingesetzt.

Vor allem in den letzten Jahren haben sich mit der rasanten Entwicklung der Hochtechnologie Laserstrahlen, Elektronenstrahlen, Plasma und Wasserstrahlen zu neuen Schneidwerkzeugen entwickelt.

Unter ihnen gehören Laser-, Elektronen- und Plasmastrahlen zu den thermischen Schneidverfahren, während der Wasserstrahl die einzige kalte Bearbeitungsmethode ist. Beim Schneiden, Zerkleinern und bei der Oberflächenvorbehandlung vieler Materialien ist der Wasserstrahl einzigartig überlegen.

Die Entwicklung des Wasserstrahls lässt sich grob in vier Phasen unterteilen:

Explorations- und Versuchsphase: In den frühen 1960er Jahren wurde hauptsächlich der Niederdruck-Wasserstrahlbergbau untersucht.

Entwicklungsphase der Ausrüstung: Von den frühen 1960er bis zu den frühen 1970er Jahren wurden vor allem Hochdruckpumpen, Druckerhöhungsanlagen und Hochdruckarmaturen entwickelt und die Wasserstrahltechnik gefördert.

Phase der industriellen Anwendung: Von den frühen 1970er bis zu den frühen 1980er Jahren erschienen nacheinander eine Vielzahl von Wasserstrahl-Bergbaumaschinen, Schneidmaschinen und Reinigungsmaschinen.

Schnelle Entwicklungsphase: Von den frühen 1980er Jahren bis heute hat sich die Forschung im Bereich der Wasserstrahltechnologie weiter vertieft, und neue Strahlarten wie Abrasivstrahl, Kavitationsstrahl und Selbsterregungs-Vibrationsstrahl haben sich rasch entwickelt. Viele Produkte wurden auf den Markt gebracht.

Die vier Phasen der Entwicklung des Wasserstrahlschneidens.

  • Die vierte Stufe: Die Phase der schnellen Entwicklung.
  • Die dritte Phase: die Phase der industriellen Anwendung
  • Die zweite Stufe: Die Entwicklungsphase der Ausrüstung.
  • Die erste Phase: Die Phase der experimentellen Erkundung.

Konzept des abrasiven Wasserstrahls:

Der abrasive Wasserstrahl ist ein spezielles Bearbeitungsverfahren, bei dem Wasser als Medium verwendet wird, das durch eine Hochdruckerzeugungsvorrichtung eine enorme Energie erhält, dem Hochdruckwasserstrahl durch eine Zuführ- und Mischvorrichtung Schleifmittel zugesetzt werden und ein zweiphasiges Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff entsteht.

Sie beruht auf dem Hochgeschwindigkeitsaufprall und der Erosion des Schleifmittels und des Hochdruckwasserstrahls, um den Materialabtrag zu erreichen.

Bearbeitungsprinzip des abrasiven Wasserstrahls:

Das Verfahren des abrasiven Wasserstrahls basiert auf dem Prinzip des hydraulischen Drucks, bei dem Wasser mit Hilfe eines Hochdruckgenerators oder einer Hochdruckpumpe auf einen sehr hohen Druck gebracht wird.

Die mechanische Leistung des Elektromotors wird in Druckenergie umgewandelt, und das Wasser mit enormer Druckenergie wird dann durch eine Düse mit kleinen Löchern in kinetische Energie umgewandelt. Dadurch entsteht ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl, der in der Mischkammer ein gewisses Vakuum erzeugt.

Durch sein Eigengewicht und den Druckunterschied wird das Strahlmittel in die Mischkammer gesaugt und heftig aufgewirbelt, verteilt und mit dem Wasserstrahl vermischt, so dass ein Hochgeschwindigkeitsstrahl entsteht, der mit extrem hoher Geschwindigkeit durch die Strahlmitteldüse auf das Werkstück trifft.

Nach dem Auftreffen des abrasiven Wasserstrahls auf das Werkstück entsteht auf dem Material ein konzentriertes lokales Spannungsfeld mit hoher Geschwindigkeit, das sich schnell verändert und zu Erosion, Scherung und schließlich zum Materialversagen und -abtrag führt.

Bei der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung wird die Hauptfunktion von den Schleifpartikeln erfüllt, und der Wasserstrahl dient als Träger, um die Schleifpartikel zu beschleunigen.

Im Vergleich zum reinen Wasserstrahl hat der Abrasivwasserstrahl aufgrund der größeren Masse und der höheren Härte der Abrasivpartikel eine größere kinetische Energie, was zu einer stärkeren Bearbeitungswirkung führt.

Abrasiv-Wasserstrahlgerät

Die Abrasiv-Wasserstrahlvorrichtung umfasst ein Wasserversorgungssystem, ein Druckbeaufschlagungssystem, ein Hochdruck-Wasserleitungssystem, ein Abrasiv-Zufuhrsystem, eine Schneidkopfvorrichtung, eine Aufnahmevorrichtung, einen Betätigungsmechanismus und ein Steuersystem, wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt.

Die Aufgabe des Wasserversorgungssystems besteht darin, die Wasserqualität zu verbessern, die durch die Wasserqualität verursachte Korrosion des Hochdruckwasserwegs zu verringern und die Lebensdauer der Gleitringdichtung im Hochdrucksystem zu verlängern.

Das Kernstück des Druckbeaufschlagungssystems ist der Druckübersetzer, der in der Regel hydraulisch betrieben wird.

Das Druckverhältnis des Druckübersetzers wird in der Regel mit 10:1 oder 20:1 gewählt, und der Ausgangswasserdruck des Druckübersetzers kann durch Änderung des Öldrucks des Eingangshydrauliksystems eingestellt werden, wodurch der Wasserdruck auf 100-400 MPa und sogar bis zu 690MPa und 700MPa erhöht werden kann. Das Hochdruck-Wasserwegsystem verbindet das Drucksystem und die Schneidkopfvorrichtung.

Um Wasser unter hohem Druck zu transportieren und die Anforderungen an eine schnelle und flexible Bewegung des Schneidkopfes zu erfüllen, werden für die Hochdruckwasserleitung in der Regel flexible und ultrahochdruckfeste Edelstahlrohre verwendet, die aus mehreren drehbaren Rohrverbindungen bestehen.

Das Strahlmittelzufuhrsystem umfasst einen Trichter, ein Strahlmittel-Durchflussventil und ein Förderrohr. Die reine Wasserstrahlschneiden Kopf umfasst ein Hochdruck-Wasserumschaltventil und eine Juwelendüse. Das Strahlmittel Wasserstrahlschneiden Kopf umfasst auch eine Mischkammer und eine Mischdüse, die den Wasserstrahl mit dem Strahlmittel vermischt.

Die Mischdüse erfordert eine hohe Verschleißfestigkeit und wird im Allgemeinen aus folgenden Materialien hergestellt Sinterkarbid. Die Auffangvorrichtung wird unter dem Werkstück angebracht, um den verbleibenden Strahl aufzufangen, und hat Funktionen wie Energieabsorption, Lärmreduzierung, Spritzschutz und Sicherheit.

Der Betätigungsmechanismus und das Steuersystem steuern die Bewegungsbahn des Schneidkopfs, und die Steuerungsmethoden umfassen manuelle, motorisierte, NC- und CNC-Methoden.

Abbildung 1.1 Schematische Darstellung der Abrasivwasserstrahl-Spezialbearbeitungstechnologie

Abrasiv:

Sie werden im Allgemeinen in drei Kategorien eingeteilt: auf Mineralbasis, auf Metallbasis und künstlich.

Auswahlprinzip:

(1) Gute Schneidwirkung;

(2) Niedriger Preis und ausreichendes Angebot.

Zu den gängigen Schleifmitteln gehören:

Tab.1.2 Einige häufig verwendete Schleifmittel

Abrasivmittel NameMaschenzahlPartikelgröße (um)Zweck
Granat40420Grobe Bearbeitung
Granat50297Die Schnittgeschwindigkeit ist etwas höher als bei 80 mesh, aber die Oberfläche ist etwas rau.
Granat80178Am häufigsten verwendete allgemeine Zwecke
Granat120124Erzeugen einer glatten Oberfläche
Quarzsand  Ideales Sandstrahl- und Entrostungsstrahlmittel für Stahloberflächen
Tonerde  Poliermittel

Düse:

Sie besteht aus einer Wasserstrahldüse, einer Mischkammer und einer Abrasivstrahldüse.

Einstufung:

(1) Je nach Anzahl der Wasserstrahlen: Einstrahldüse, Mehrstrahldüse

(2) Nach der Methode der Strahlmittelzufuhr: Strahlmittel-Seitenvorschubdüse, Strahlmittel-Mittelvorschubdüse, Strahlmittel-Tangentialvorschubdüse.

1. Einstrahlige Strahlmittel-Seiteneinlaufdüse

Einzelne Abrasivstrahl-Seitenzufuhrdüse
  1. Mischkammer
  2. Abrasivstrahl-Düse
  3. Wasserstrahl-Düse

Vorteile: Einfache Struktur, gute Konzentration und Stabilität des Strahls.

Benachteiligungen: Schlechter Mischeffekt zwischen Schleifmittel und Wasser.

2. Tangentiale Einstrahldüse für Schleifmittel

Tangentiale Zuführungsdüse mit einem Abrasivstrahl
  1. Wasserstrahl-Düse
  2. Abrasivstrahl-Düse

Das Abrasivmittel und der Wasserstrahl werden vollständig vermischt, wobei die gegenseitige Kollision zwischen den Abrasivmitteln reduziert wird, was die Schneidfähigkeit des Abrasivstrahls verbessert.

3. Mehrstrahl-Abrasivmittel-Mittelzufuhrdüse

Multi Abrasive Jet Center-Feed Düse.

Es wird meist für die Strahlreinigung oder Rostentfernung verwendet.

4. Abrasivstrahldüse mit einem Richtrohr

Abrasivstrahl-Düse mit Richtrohr
  1. Düsenkörper
  2. Abrasivmittel Einlass
  3. Wasserstrahl-Düse
  4. Düsensockel
  5. Siegel
  6. Kontermutter
  7. Richten von Rohren

Sie hat eine einfache Struktur und ist leicht zu bedienen. Sie ist in der Abrasivstrahlschneideindustrie weit verbreitet.

Einstufung der Technologie der Wasserstrahlbearbeitung:

Je nach der Art der Vermischung von Schleifmittel und Wasser können zwei Arten unterschieden werden:

  • Vorderseite Hybrid-Wasserstrahl.
  • Hinterer hybrider Abrasiv-Wasserstrahl.

Vorderseite Hybrid-Wasserstrahl:

Das Strahlmittel und das Wasser werden in der Hochdruckleitung gleichmäßig zu einer Strahlmittelaufschlämmung gemischt, und der von der Strahlmittel-Düse gebildete Strahl wird als vorderer Mischstrahl bezeichnet. Dieser Mischeffekt ist gut und erfordert einen niedrigen Druck, aber das Gerät ist komplex und die Düse verschleißt stark.

Hinterer hybrider Abrasiv-Wasserstrahl:

Das Hinzufügen von Abrasivmitteln zum Wasserstrahl, nachdem dieser gebildet wurde, wird als rückgemischter Abrasivwasserstrahl bezeichnet. Die Mischwirkung ist etwas schlechter und erfordert einen hohen Druck, aber die Düse verschleißt weniger. Die theoretische Forschung und die Anwendungstechnik des rückseitig gemischten Abrasivwasserstrahls sind relativ ausgereift, und er wird in vielen Industriezweigen eingesetzt.

Klassifizierung der Technologie der Abrasiv-Wasserstrahl-Bearbeitung.

  • Untergetauchter abrasiver Wasserstrahl.
  • Nicht-getauchter abrasiver Wasserstrahl.

Untergetauchter Wasserstrahl bedeutet, dass sich der Strahl vom Auslass bis zum Werkstück im Wasser befindet, was die Merkmale einer schnellen Strahldiffusion, einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung und eines dynamischen Drucks aufweist.

Nicht eingetauchter Wasserstrahl bedeutet, dass sich der Strahl im natürlichen Zustand der Luft vom Auslass zum Werkstück befindet. Im Vergleich zum getauchten Strahl hat er eine größere Reichweite und eine größere Kernlänge, aber die Geschwindigkeitsverteilung ist nicht gleichmäßig.

2. Schneidemechanismus und Schneidgesetz des abrasiven Wasserstrahls.

Schneidmechanismus des abrasiven Wasserstrahls:

Beim Schneiden eines Zielmaterials mit einem Abrasivwasserstrahl mit einer bestimmten Strahlverfahrgeschwindigkeit schießt ein Teil des Wasserstrahls mit konstanter Geschwindigkeit auf das Zielmaterial zu, während ein anderer Teil seine Schneidkraft abschwächt, je tiefer er in das Material eindringt.

Infolgedessen scheint sich die Schnittfläche in die entgegengesetzte Richtung des Strahls zu biegen, wie in Abbildung a unten dargestellt. Der Winkel zwischen der Achse der gekrümmten Schnittfläche und der ursprünglichen Strahlachse vergrößert sich allmählich ab dem Punkt, an dem der Strahl in das Zielmaterial eintritt, und der Strahl wird immer mehr in die entgegengesetzte Richtung des Strahlverlaufs abgelenkt.

Aufgrund der großen Trägheit der Schleifpartikel selbst werden diese jedoch nicht mit dem Wasserstrahlträger ausgelenkt, was zur Ablösung der Schleifpartikel vom Wasserstrahl und zur lokalen Konzentrationserosion der Schleifpartikel führt.

Je größer die Beschleunigung der Schleifpartikel ist, desto größer ist der Brechungswinkel bei der Trennung und desto stärker ist die Konzentrationserosion. Die lokale Konzentrationserosion der Schleifpartikel führt zu einem deutlichen Anstieg der Schleifmenge entlang der Schneidfläche und bildet eine Stufe auf der Schneidfläche.

Daher nimmt während der Erosion, die die Stufe bildet, der Ablenkungswinkel des Wasserstroms oberhalb der Stufe kontinuierlich zu, die Ablenkung des Wasserstrahls von der Schneidfläche nimmt zu, und die Schleifmenge unterhalb der Stufe nimmt ab, bis die obere Stufe senkrecht zur ursprünglichen Strahlrichtung steht, wie in Abbildung b unten dargestellt.

Wenn der Strahl weiterfährt, kehrt die Schnittfläche zum glatten Schneiden und Schleifen zurück, wie in Abbildung c unten dargestellt. Von diesem Punkt an beginnt der Schneidzyklus erneut mit dem Übergang vom Glattschneiden und Schleifen zum Verformungserodieren und Schleifen.

Dabei verwandelt sich die gesamte Schnittfläche weiterhin in ein Fahrintervall, und da die Auslenkung des Abrasivwasserstrahls annähernd einem Bogen entspricht, bildet er einen Schnittquerschnitt mit einem wellenförmigen Intervall entlang der Strahlverfahrrichtung.

Abbildung 9-32 Prozessmodell für das Abrasivstrahlschneiden
  • a- Die Schnittfläche kann sich durch den glatten Schnitt- und Schleifvorgang verbiegen.
  • b- Die Entstehungsphase der Schnittfläche ist hauptsächlich auf Erosion, Verformung und Schleifen zurückzuführen.
  • c- Die Schnittfläche wird entlang der Vorschubrichtung in eine glatte Schnitt- und Schleiffläche zurückverwandelt.

Mathematisches Modell der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung:

M. Hashish schlägt auf der Grundlage der Festkörpererosionstheorie von Finnie und Bitter und einer Reihe von Visualisierungsexperimenten vor, dass der Prozess des Materialabtrags durch einen abrasiven Wasserstrahl aus zwei Bereichen besteht: Schneidverschleiß und Verformungsverschleiß, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Im Bereich des Schneidverschleißes, d. h. bevor die Schnitttiefe hC erreicht, treffen die Abrasivpartikel in einem kleinen Winkel auf das Material auf, und das Material wird im Mikroschnittverfahren abgetragen. Wenn die Schnitttiefe hC erreicht, nimmt die Aufprallgeschwindigkeit der Abrasivpartikel auf das Material ab, und der Materialabtrag ändert sich.

Die Schleifpartikel treffen in einem großen Winkel auf das Material auf, und das Material wird durch Deformationsverschleiß abgetragen.

Auf dieser Grundlage erstellt M. Hashish die mathematischen Modelle für die Schnitttiefe im Schnittverschleißbereich und die Schnitttiefe im Verformungsverschleißbereich:

wobei

  • hc ist die Schnitttiefe (mm) für den Schneidverschleißmodus;
  • hd ist die Schnitttiefe (mm) für den Deformationsverschleißmodus;
  • Ck ist die charakteristische Geschwindigkeit (m/s);
  • dj ist der Strahldurchmesser (mm);
  • m ist der Massendurchsatz der Schleifpartikel (g/s);
  • Ve ist die kritische Geschwindigkeit (m/s) der Schleifmittelteilchen;
  • Vo ist die Anfangsgeschwindigkeit (m/s) der Schleifpartikel;
  • ρp ist die Dichte (g/cm3) der Schleifmittelteilchen;
  • u ist die Verfahrgeschwindigkeit (mm/s) der Düse;
  • Cf ist der Reibungskoeffizient;  
  • σ ist die Scherspannung (MPa).

Dieses Modell umfasst fast alle Parameter, die bei der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung eine Rolle spielen. Einige Parameter, wie Vo und Ve, müssen jedoch experimentell bestimmt werden. Daher können die von verschiedenen Anwendern erzielten Ergebnisse variieren.

Faktoren, die die Schneidleistung des Abrasivwasserstrahls beeinflussen:

Da das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden ein sehr komplexer Prozess ist, gibt es viele Parameter, die seine Schneidleistung beeinflussen können.

Zu diesen Parametern gehören dynamische Parameter (Wasserdüsendurchmesser, Wasserdruck), Abrasivparameter (Abrasivmaterial, Größe, Durchflussmenge) und Abrasivdüsenparameter (Abrasivdüsendurchmesser, Länge, Material), Schnittparameter (Schnittgeschwindigkeit, Sicherheitsabstand, Aufprallwinkel, Anzahl der Schnitte), Werkstückparameter (Härte) usw. Zu den leicht zu kontrollierenden Prozessparametern gehören jedoch vor allem der Wasserdruck, die Abrasivparameter, die Schnittgeschwindigkeit und der Sicherheitsabstand.

Zu den wichtigsten Indikatoren für die Bewertung der Schnittleistung gehören die Schnitttiefe, die Schnittfugenform (Breite des oberen und unteren Teils der Schnittfuge und Schnittfugenkonizität) und die Oberflächenqualität (Rauheit und Welligkeit).

Schneidgesetze des abrasiven Wasserstrahls:

(1) Die Schnitttiefe nimmt mit der Erhöhung des Wasserdrucks, der Abrasivhärte und der Anzahl der Schnitte zu, während sie mit der Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit abnimmt. Es gibt eine optimale Beziehung zwischen Schnitttiefe, Abstand, Abrasivmittelzufuhr und Abrasivpartikelgröße. Mit zunehmender Schnitttiefe nehmen die Spitzenhöhe und der Beugewinkel der Rillen auf dem Schnittbereich allmählich zu, während die Häufigkeit des Auftretens der Rillen abnimmt.

(2) Die Schnittspaltbreite steht in einem optimalen Verhältnis zur Schnittgeschwindigkeit, und die optimale Schnittgeschwindigkeit beträgt etwa 1/5 der maximalen Schnittgeschwindigkeit. Bei einem einzelnen Schnitt wird die Schnittgeschwindigkeit bestimmt durch die Materialeigenschaften, Dicke und Schnittqualität. Wenn die Verfahrgeschwindigkeit konstant ist, ist die Schnittfläche umso glatter, je höher der Druck ist; wenn die Oberflächenrauhigkeit ist gleich, je höher der Druck, desto höher die Verfahrgeschwindigkeit.

(3) Mit der Erhöhung des Strahldrucks oder der Verringerung der Schnittgeschwindigkeit wird die Qualität des Schnittes erheblich verbessert. Im Vergleich zu spröden Materialien ist der Schnittbereich von Kunststoffen glatter, und seine Morphologie wird stärker durch den Strahldruck und die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst.

(4) Die Schnittgeschwindigkeit des Wasserabrasivstrahls sinkt mit der Erhöhung der Bruchenergie des Materials, steigt mit der Erhöhung des Drucks und sinkt mit der Erhöhung des Abstands. Es besteht ein optimales Verhältnis zwischen Schnittgeschwindigkeit und Abrasivmittelzufuhr. Wenn die Verfahrgeschwindigkeit und die Materialstärke konstant sind, gibt es einen optimalen Abstandswert, der die größte Schnitttiefe ergibt. Mit zunehmendem Abstand nimmt die Rillenbreite allmählich zu. Wenn der Druck konstant ist, ist die Schnitttiefe umso größer, je geringer die Verfahrgeschwindigkeit ist.

3. Aktueller Forschungsstand der Technologie der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung.

Abrasives Wasserstrahlschneiden.

M. Hashish gehört zu den ersten Forschern, die sich mit der Bearbeitung mit Abrasivwasserstrahlen befasst haben. Durch Experimente mit dem Abrasiv-Wasserstrahlschneiden fand er heraus, dass damit Filz, Keramik, Metalle, Glas und Graphit-Sinterverbundwerkstoffe ohne Delamination geschnitten werden können.

Außerdem stellte er fest, dass es in der Schneidzone keine thermischen Spannungen oder Verformungsspannungen gibt. Er erörterte auch die Auswirkungen verschiedener Schneidparameter auf die Materialbearbeitungsleistung und die Materialabtragsrate und wies darauf hin, dass die Optimierung der Schneidparameter die Schneidleistung erheblich verbessern kann.

Seitdem hat sich ein Großteil der in- und ausländischen Forschung und Anwendung der Abrasivwasserstrahlbearbeitung hauptsächlich auf das Schneiden konzentriert. Die schematische Darstellung des Abrasivwasserstrahlschneidens und der Querschnitt der Probe nach dem Schneiden sind in Abbildung 3 dargestellt.

Schematische Darstellung und Bearbeitungsschema des Abrasivwasserstrahlschneidens sowie Beispielquerschnitt des Abrasivwasserstrahlschneidens

Aus der Mikro-Perspektive betrachtet, besteht das Wesen des Abrasiv-Wasserstrahlschneidens in der kumulativen Wirkung einer großen Anzahl von Abrasivpartikeln, die das Werkstückmaterial im Mikroschnitt bearbeiten. Das Hauptproblem, das es zu lösen gilt, ist die Kontrolle der Schneidkantenform und der Schnitttiefe.

Die Entwicklung und Verbesserung der Schlüsselausrüstung für das Abrasivwasserstrahlschneiden und das mathematische Modell des präzisen Schneidemechanismus ermöglichen es dieser Technologie, Metallmaterialien mit einer Dicke von 100-200 mm und harte, spröde Materialien mit einer Dicke von etwa 50 mm zu schneiden.

Während des Abrasivwasserstrahlschneidens von dicken Bauteilen erzeugt der Strahl jedoch aufgrund der Energiedämpfung ein "Tailflicking"-Phänomen, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Der glatte Schnittbereich befindet sich an der Oberkante des Einschnitts. Je näher er sich der Unterseite des Werkstücks nähert, desto deutlicher wird das Phänomen des "Schwanzflatterns", das die Oberflächenrauheit, die Form und die Positionsgenauigkeit des geschnittenen Werkstücks stark beeinträchtigt.

Durch die Optimierung des Schneidprozesses und den Einsatz von Schwingschneidköpfen mit Toleranzreglern kann die Schnittgenauigkeit des Einschnitts intelligent kompensiert und damit die Bearbeitungsqualität verbessert werden.

Abrasives Wasserstrahlfräsen

Das Verfahren, bei dem die Parameter der Abrasivwasserstrahl-Bearbeitung so gesteuert werden, dass nur das Oberflächenmaterial des Werkstücks abgetragen wird, ohne es zu durchdringen, wird als Abrasivwasserstrahl-Fräsen bezeichnet. Das Bearbeitungsschema und das Produkt sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Schematische Darstellung des Wasserstrahlfräsens von schlafendem Material und der Probe des abrasiven Wasserstrahlfräsens

Obwohl sich diese Technologie noch in der experimentellen Forschungsphase befindet, haben viele Forscher den Mechanismus und das Verfahren dieser neuen Technologie der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung untersucht.

Im Hinblick auf das Abrasiv-Wasserstrahlfräsen von Kunststoffen schlugen M. Hashish und andere die Durchführbarkeit des Abrasiv-Wasserstrahlfräsens vor und stellten fest, dass die Düsenverfahrgeschwindigkeit ein wichtiger Parameter ist, der die Gleichmäßigkeit des Fräsens beeinflusst.

Hocheng H. untersuchte die Durchführbarkeit des abrasiven Wasserstrahlfräsens von faserverstärkten Kunststoffen. Sie untersuchten den Mechanismus der Trümmerbildung beim Einzelfräsen, Doppelfräsen und Mehrfachfräsen und kamen zu dem Schluss, dass beim Fräsen von faserverstärkten Kunststoffen der Verformungsverschleiß der wichtigste Schneidmechanismus ist. Sie analysierten auch die Auswirkungen des Strahldrucks, des Zielabstands, der Düsenverfahrgeschwindigkeit und des Abrasivdurchsatzes auf die Materialabtragsrate, die Frästiefe und die Fräsbreite.

Fowler und Shipway untersuchten die Oberflächeneigenschaften von Werkstoffen, die mit einem abrasiven Wasserstrahl gefräst wurden, und wiesen darauf hin, dass mit einer hohen Düsengeschwindigkeit, feinkörnigen Abrasivmitteln, einem niedrigen Strahldruck und kleinen Erosionswinkeln Fräsflächen mit geringerer Welligkeit erzielt werden können. Paul et al. untersuchten die Auswirkungen verschiedener Fräsparameter auf die Nuttiefe und die Materialabtragsrate beim Abrasiv-Wasserstrahlfräsen und erstellten ein empirisches Modell unter Verwendung einer Regressionsanalyse.

Über das Abrasiv-Wasserstrahlfräsen von harten und spröden Materialien gibt es weniger Forschungsergebnisse. Zeng JY untersuchte die Auswirkung des Auftreffwinkels des Strahls auf das Abrasiv-Wasserstrahlfräsen von polykristalliner Keramik und stellte fest, dass die optimale Materialabtragsrate erreicht werden kann, wenn der Strahlwinkel während des Auftreffens des Strahls 90 Grad beträgt. Sie erstellten und überprüften auch ein mathematisches Modell der Erosionsrate.

Abrasiver Wasserstrahl Bohren

Beim Abrasiv-Wasserstrahlbohren lassen sich zwei Verfahren unterscheiden: Durchbohren und Bohren. Beim Durchbohren wird das Material entlang einer kreisförmigen Kurve geschnitten, um ein Loch mit größerem Durchmesser zu erhalten. Dieses Verfahren hat sich aus dem Konturschneiden mit dem Abrasivwasserstrahl entwickelt, wie in der folgenden Abbildung gezeigt (Loch #9).

Abbildung 6 Schematische Darstellung des Abrasiv-Wasserstrahlbohrens und Muster des Abrasiv-Wasserstrahlbohrens

Beim Bohren werden Löcher mit kleinerem Durchmesser ohne Löcher bearbeitet, wie in der rechten Abbildung dargestellt (Löcher #3-#8). Guo Z et al. untersuchten den Bearbeitungsmechanismus und das Verfahren des abrasiven Wasserstrahlbohrens von keramischen Werkstoffen wie A12 O3, Si3 N4 und SiC und kamen zu dem Schluss, dass der Materialabtrag hauptsächlich durch Mikrobruch, Mikroschneiden und Erosion erfolgt.

Yong Z et al. ermittelten die Beziehung zwischen der Tiefe des abrasiven Wasserstrahlbohrens und den Prozessparametern auf der Grundlage chaotischer Phänomene bei Erosionsprozessen. Xing Xizhe stellte verschiedene Lochbearbeitungsmethoden für das abrasive Wasserstrahlbohren vor und wies auf die vielen Vorteile des abrasiven Wasserstrahlbohrens hin, darunter das Bohren von Löchern in harte und spröde Materialien und laminierte Verbundwerkstoffe, die tiefe Löcher, kleine Löcher und unregelmäßige Löcher ohne thermische Einwirkungszone bohren können, wobei eine höhere Maßgenauigkeit und eine geringere Oberflächenrauhigkeit erzielt werden und die Lochbearbeitung auf geneigten Flächen leicht möglich ist.

Abrasives Wasserstrahldrehen.

Das Abrasiv-Wasserstrahldrehen ähnelt dem Einpunktschneiden auf einer herkömmlichen Drehmaschine, wobei die Rotation des Werkstücks und die lineare oder kurvenförmige Bewegung des Schneidkopfs zum Abtragen von Material vom Werkstück genutzt werden. Das Bearbeitungsschema und das Produkt sind in Abbildung 7 dargestellt. Zu den Vorteilen des Abrasiv-Wasserstrahl-Drehens gehören die geringe Schnittkraft, keine thermische Schädigung des Werkstücks und feine Späne ohne Spanbruchprobleme.

Abbildung 7 Schematische Darstellung des Abrasivwasserstrahl-Drehens und Muster des Abrasivwasserstrahl-Drehens

M. Hashish schlug das Konzept des Abrasiv-Wasserstrahl-Drehens erstmals 1987 vor und wies darauf hin, dass der Abrasiv-Wasserstrahl zum Drehen spezieller, schwer zu bearbeitender Materialien wie Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffe, Glas und Keramik verwendet werden kann, um komplizierte Formen.

Ansari et al. wiesen nach, dass das Abrasiv-Wasserstrahl-Drehen bei schwer zu bearbeitenden Werkstoffen dem konventionellen Drehen überlegen ist, wobei die Geschwindigkeiten bei der Bearbeitung von SiC-Keramik 5-10 mal höher sind. Zhang ZW untersuchte die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Oberflächenqualität beim Abrasiv-Wasserstrahl-Drehen von Glas und stellte fest, dass eine optimale Oberflächenqualität bei niedrigen Düsenverfahrgeschwindigkeiten erreicht werden kann. Manu et al. untersuchten den Einfluss des Düsenneigungswinkels auf die Produktform beim Abrasiv-Wasserstrahl-Drehen.

Abrasiver Wasserstrahl und andere Bearbeitungsmethoden.

Neben der oben beschriebenen Technologie der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung haben Forscher im In- und Ausland einige Forschungsarbeiten durchgeführt und über Verfahren zur Bearbeitung von Verbundwerkstoffen mit abrasiven Wasserstrahlen berichtet.

So ist beispielsweise die mikroabrasivstrahlgeführte Lasermikrobearbeitung eine kombinierte Bearbeitungstechnologie von Wasserstrahlen und Lasern, die die Eigenschaften der Wasserstrahltechnologie voll ausnutzt und Probleme wie den geringen effektiven Bearbeitungsbereich und die thermischen Effekte bei der herkömmlichen Bearbeitung wirksam löst. LaserbearbeitungDie ultraschallunterstützte abrasive Wasserstrahlbearbeitung ist ein praktikables und effizientes Verfahren zur Bearbeitung spröder Werkstoffe, bei dem Wasserstrahlen mit Ultraschallwellen kombiniert werden. Das Wasserstrahlverfestigungsstrahlen ist ein neuartiges Oberflächenbehandlungsverfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von Metallteilen durch Kaltverformung, das Vorteile wie eine hohe Verfestigungskraft, einen niedrigen Verfestigungsdruck und eine gute Verfestigungswirkung aufweist.

4. Merkmale, Anwendungen und Entwicklung der Technologie der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung.

Zu den Vorteilen der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung gehören:

  • Im Vergleich zu reinen Wasserstrahlen reduzieren Abrasivstrahlen den zum Schneiden erforderlichen Druck bei gleichem Schneidezweck erheblich, was die Vorteile von Sicherheit und Zuverlässigkeit hervorhebt.
  • Wenn Metall schneiden Mit abrasiven Wasserstrahlen werden in der Regel keine Funken erzeugt, so dass eine Entzündung oder Explosion von schädlichen Gasen in der Nähe des Schneidbereichs vermieden wird.
  • Während des Schneidens wird nur wenig oder gar keine Wärme erzeugt, und die erzeugte Wärme kann durch den Wasserstrahl schnell abgeführt werden, so dass fast keine Wärmeeinflusszone auf der Schnittfläche entsteht.
  • Die Schnittkraft auf der Schnittfläche ist gering, so dass selbst beim Schneiden von Dünnblech in Formteile die Schnittkante nicht beschädigt wird.
  • Der Schnitt ist schmal, der Materialverlust ist gering, die Schnittfläche ist glatt und es gibt keine Grate (eine geringe Menge an Graten kann entstehen, wenn die Schnittgeschwindigkeit zu schnell ist).
  • Beim Schneiden entsteht fast kein Staub, und es werden keine giftigen Gase erzeugt, so dass die Arbeitsbedingungen relativ sauber sind.
  • Die Reaktionskraft beim Schneiden ist gering, so dass die Düse leicht mit einem mechanischen Arm bewegt werden kann.
  • Es ist ein Rundumschnitt möglich, und das Schneiden von dreidimensional gekrümmten Oberflächen ist einfach, so dass Werkstücke mit unterschiedlichen Formen geschnitten werden können.
  • Die Schnittbedingungen sind leicht zu kontrollieren, was die automatische Einstellung und Kontrolle durch Computer erleichtert.

Zu den Nachteilen der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung gehören:

  • Die Geräte benötigen eine hohe Leistung.
  • Die Düse nutzt sich schnell ab.
  • Sie eignet sich nicht für die Bearbeitung großer Teile oder zum Entfernen sehr großer Grate.
  • Es fehlt an Software, die speziell für die Wasserstrahlbearbeitung entwickelt wurde.

Zu den Anwendungen der Wasserstrahltechnologie gehören:

  • Luft- und Raumfahrtindustrie: Schneiden von Spezialwerkstoffen wie Aluminiumlegierungen, Wabenstrukturen, Kohlefaserverbundwerkstoffen, Schichtmetallen oder glasfaserverstärktem Kunststoff, Schneiden von Flugzeugflügeln mit Wasserstrahlen ohne Wärmeeinflusszonen und Kaltverfestigung, wodurch eine Nachbearbeitung überflüssig wird.
  • Automobilhersteller und -reparaturindustrie: Schneiden verschiedener nicht-metallisch Werkstoffe und Verbundwerkstoffe wie Armaturenbretter, Teppiche, Asbestbremsbeläge, Türrahmen, Autodachglas, Innenverkleidungen, Gummi, Kunststofftanks und andere interne und externe Komponenten.
  • Rüstungsindustrie: Schneiden von Panzerplatten, Ketten, kugelsicherem Glas, Fahrzeugkarosserien, Geschütztürmen, Kanonen und sichere Demontage von verschiedenen Schrottgranaten.
  • Forstwirtschaft, Landwirtschaft und Kommunaltechnik: Einsatz bei Holzeinschlag, Entrindung, Bewässerung, Futtermittelverarbeitung, Straßeninstandhaltung, Schneidearbeiten und anderen Aufgaben.
  • Elektronik- und Energieindustrie: Zum Formen und Schneiden von Leiterplatten und dünnen Folien, Computerfestplatten, Disketten, elektronischen Bauteilen, amorphen Legierungen, Transformatorkernen und Spezialkabeln, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu schneiden sind.
  • Maschinenbauindustrie: Durch den Einsatz des Hochdruckwasserschneidens anstelle von Stanz- und Scherverfahren können nicht nur Formkosten eingespart, sondern auch Lärm und Vibrationen reduziert und die Materialausnutzung verbessert werden. Darüber hinaus können externe Tonerde auf Werkstücken, Sandkerne auf Gussteilen und Keramikbeschichtungen entfernt werden, SchneidgrateSie können auch Graugussteile schneiden, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind.
  • Andere Industrien: Schneiden von Marmor, Granit, Bodenfliesen, Keramik usw. in der Gebäudedekorationsindustrie, Verarbeitung von fertigen Papierrollen, Toilettenpapier usw. in der Papierindustrie und Verarbeitung von Sperrholz, Holzplatten usw. in der Holzindustrie.

Die Entwicklungsperspektiven für die Technologie der Wasserstrahl-Bearbeitung sind:

Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Wasserstrahlbearbeitung, insbesondere der Lebensdauer von Schlüsselkomponenten wie Hochdruckpumpen, Hochdruckschläuchen, Verbindungen und Düsen.

Optimierung der Prozessparameter zur weiteren Verbesserung der Effizienz, zur Reduzierung des Schleifmittelverbrauchs und zur Senkung des Energieverbrauchs, wodurch die Kosten wettbewerbsfähiger werden.

Entwicklung einer intelligenten Steuerung, die eine adaptive Anpassung der Prozessparameter während der Bearbeitung ermöglicht, die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert und für die Herstellung von Teilen mit bestimmten Präzisionsanforderungen eingesetzt werden kann, um einen technischen und wirtschaftlichen Effekt zu erzielen, der mit der Plasma- und Laserbearbeitung vergleichbar ist.

Entwicklungstrends der Technologie der abrasiven Wasserstrahlbearbeitung:

Kontinuierliche Erweiterung des Anwendungsbereichs der Wasserstrahlbearbeitung, vom 2D-Schneiden und Entgraten bis hin zur Lochbearbeitung und Bearbeitung von 3D-Oberflächen.

Theoretische Forschung zur Wasserstrahlbearbeitung, insbesondere die Erstellung von Modellen für die Wasserstrahlbearbeitung und die Untersuchung der Theorie der Mehrphasenströmung.

Forschung über die Bearbeitung von Miniatur-Präzisionsteilen mit Hilfe der Wasserstrahltechnologie sowie über den Einsatz des Wasserstrahls beim Drehen und Fräsen.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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So wie die Fertigungstechnologie heute in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle spielt, nimmt die Nanofabrikationstechnologie eine Schlüsselposition in der Nanotechnologie ein. Die Nanofabrikationstechnologie umfasst zahlreiche Methoden, darunter mechanische [...]

Ultrapräzisions-Bearbeitung: Arten und Techniken

Unter Ultrapräzisionsbearbeitung versteht man Präzisionsfertigungsverfahren, die ein extrem hohes Maß an Genauigkeit und Oberflächenqualität erreichen. Die Definition ist relativ und ändert sich mit den technologischen Fortschritten. Derzeit kann diese Technik [...]

Die 7 wichtigsten neuen technischen Werkstoffe: Was Sie wissen müssen

Als fortschrittliche Werkstoffe werden Materialien bezeichnet, die in jüngster Zeit erforscht wurden oder sich in der Entwicklung befinden und über außergewöhnliche Leistungen und besondere Funktionen verfügen. Diese Materialien sind für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik von größter Bedeutung, [...]

Methoden der Metallexpansion: Ein umfassender Leitfaden

Die Wulstumformung eignet sich für verschiedene Arten von Rohlingen, z. B. für tiefgezogene Tassen, geschnittene Rohre und gewalzte konische Schweißteile. Klassifizierung nach dem Medium der Wulstumformung Wulstumformverfahren lassen sich in folgende Kategorien einteilen [...]
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