Ujvari Marija

Mašinska obrada:

Nekonvencionalne

metode obrade

Zrenjanin, januar 2011

Sadržaj

Uvod.....................................................................................................1

1. Elektroeroziona obrada (EDM).......................................................21.1. Princip rada EDM metode.......................................................41.2. Prednosti EDM metode...........................................................41.3. Ograničenja EDM metode.......................................................41.4. Dielektrične tečnosti................................................................51.5. Žičana metoda EDM-a............................................................5

2. Hemijska obrada (CM)....................................................................72.1. Hemijsko glodanje....................................................................82.2. Faze u procesu hemijskog glodanja.........................................82.3. Primena hemijskog glodanja.....................................................9

3. Elektrohemijska obrada (ECM)....................................................103.1. Prednosti ECM metode...........................................................113.2. Ograničenja ECM metode......................................................11

4. Ultrasonična mašinska obrada (USM).........................................134.1. Princip rada USM metode.......................................................144.2. Prednosti USM metode...........................................................144.3. Ograničenja USM metode......................................................14

5. Obrada laserom (LBM)..................................................................155.1. Prednosti LBM metode...........................................................165.2. Ograničenja LBM metode.......................................................16

6. Obrada vodenim mlazom (WJM)..................................................176.1. Prednosti WJM metode..........................................................186.2. Ograničenja WJM metode......................................................18

7. Obrada abrazivnim vodenim mlazom (AJM)...............................197.1. Prednosti AJM metode...........................................................207.2. Ograničenja AJM metode.......................................................21

LiteraturaReference

Uvod

Proizvodnja (eng. Manufacturing) je reč izvedena od latinske reči manufactus, što znači napravljen ručno. U modernom kontekstu to znači proizvodnju od sirovih materijala uz pomoć raznih metoda koje uključuju upotrebu alata, mašinerije, pa čak i računara. Smatra se da se proces proizvodnje najbolje oslikava u mašinskoj obradi.

Procesi mašinske obrade se mogu podeliti u dve grupe i tako imamo primarne i sekundarne tj. procese bez i sa skidanjem strugotine. Dok jedni služe da obezbede

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

1

osnovni oblik i veličinu po zahtevu konstruktora, npr. livenje, drugi obezbeđuju finalni oblik i veličinu sa većom kontrolom dimenzija i vođenjem računa o kvalitetu površine. Kako je kompletno razumevanje svih procesa mašinske obrade previše obimno da bi iko mogao da tvrdi da poseduje ekspertizu nad ovom naukom, usko specijalizovani ljudi su razvili metode koje olakšavaju neke od tih procesa. Sekundarani procesi, sa skidanjem strugotine, su oni kojima se ovaj rad bavi, tačnije vrši se pregled nekonvencionalnih metoda mašinske obrade.

Nekonvencionalne metode obrade su definisane kao grupa procesa koji odstranjuju višak materijala raznovrsnim tehnikama koje uključuju mehaničku,

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

2

termalnu, električnu ili hemijsku energiju ili kombinaciju ovih energija, ali ne koriste oštre rezne alate koji se koriste kod tradicionalnih mašinskih obrada.

Nekonvencionalne metode obrade, takođe naprednije metode, se primenjuju tamo gde tradicionalne metode nisu moguće, ne zadovoljavaju ili nisu ekonomične dužno specijalnim razlozima kao npr. krti materijali se ne mogu postaviti na stegu, neki mašinski delovi su suviše kompleksni pa se primenjuju ove metode ili su sami delovi previše elastični, itd.

Razvijeno je par specijalnih metoda kako bi se izašlo u susret posebno zahtevnim uslovima mašinske obrade. Kada se ove metode pravilno primene one

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

3

pružaju mnoge prednosti u odnosu na tradicionalne metode. Ekstremno tvrdi i krti materijali su teški za obradu putem brušenja, struganja, oblikovanja i glodanja i iz tog razloga su razvijene ove metode kako bi se lakše obradili neki zahtevni materijali.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

4

1. Elektroeroziona obrada (EDM)

Elektroeroziona obrada (eng. Electric Discharge Machining – EDM ), je jedna od najrasprostranjenijih netradicionalnih metoda mašinske obrade. Glavni razlog iz kog se ova metoda više bira od tradicionalnih, kao što su sečenje metala korištenjem

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

5

raznih alata, jeste što ona koristi termoelektrične procese da erodira nepoželjan višak materijala iz obratka i to čini serijom diskretnih električnih pražnjenja, tačnije stvaranjem varnica, koje se stvaraju između radnog predmeta (2) i alata (1). Pri odgovarajućem rastojanju alata i predmeta obrade (0,005 - 0,5 mm) uspostavlja se električni luk ili iskra (3). Pojava luka ili iskre dovodi do jonizacije radne tečnosti (dielektrikuma 4), formiranja stuba pražnjenja (jonizujućeg stuba 5), topljenja i isparavanja čestica materijala predmeta obrade. (Slika 1.) Prekidom pražnjenja, tačnije prekidanjem strujnog kola, dolazi do pucanja jonizujućeg stuba, zatim izbacivanja rastopljenog materijala i njegovog odnošenja iz zone obrade. Hlađenje materijala se vrši dielektrikumom (mineralna ulja, dejonizovana voda, petrolej itd.),

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

6

koji cirkuliše. A samo naizmenično impulsno pražnjenje obezbeđuje razaranje materijala, prodiranje alata i formiranje modela koji odgovara profilu alata.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

7

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

8

Slika 1. Osnovni elementi elektroerozione obradei

Ovom metodom mašinske obrade moguće je ostvariti visok stepen proizvodnih operacija korišćenjem profilisanog ili neprofilisanog alata koji se ogleda u punoj ili žičanoj elektrodi. Dužno tome ova metoda obrade se deli na postupke obrade punim i žičanim

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

9

elektrodama. Oblikovanje materijala vrši se kopiranjem alata ili uzajamnim kretanjem predmeta i alata, kao i neprofilisanog alata tj. žičane elektrode.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

10

…….Slika 2. Elektrode za EDM

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

11

obradu1

Elektroeroziona metoda obrade se koristi posebno u onim situacijama kada je mehanička obrada nekog mešinskog elementa nemoguća ili krajnje otežana, ili pri obradi tvrdih materijala (materijala otpornih na visoke temperature, koroziju itd.), takođe se primenjuje u izradi otvora veoma malih prečnika i proizvoda složenih kontura, kao i pri izradi vazdušno-kosmičkih i medicinskih alata. Kako tvrdoća materijala više ne predstavlja problem, ova metoda je postala veoma rasprostranjena i popularna. Na Slici 3. Prikazana je šema EDM procesa gde su alat i radni predmet potopljeni u dielektričnu tečnost.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

12

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

13

1 Slika preuzeta sa sajta http://www.belmont4edm.com/images/static/graphicphoto_211203621757.jpg

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

14

Slika 3. Šema EDM procesa2

Električna energija koja se koristi u EDM procesu se uobičajeno akumulira u tzv. banci kondezatora. Jačina struje koja se koristi je oko 50V do 10A.

1.1. Princip rada EDM metode

Na početku operacije, visoka voltaža se primenjuje preko uskog međuprostora između elektrode i radnog predmeta. Ova voltaža indukuje električno polje u

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

15

izolacionoj dielektričnoj tečnosti koja se takođe nalazi između elektrode i radnog predmeta. Ovo uzrokuje sprovođenje čestica suspendovanih u dielektričnoj tečnosti da se koncentrišu u tačkama najvećeg električnog polja. Kada je potencijalna razlika između elektrode i radnog predmeta dovoljno velika dolazi do pražnjenja stvorene varnice kroz dielektričnu tečnost, i tako se mali deo materijala otklanja sa površine radnog predmeta. Količina materijala koji se otkloni sa radnog predmeta po jednom pražnjenju varnice je uobičajeno oko 10-6 mm3.

Efikasnost otklanjanja materijala (MRR), u EDM procesu se računa preko sledeće formule:

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

16

MRR = 40I /Tm1,23 (cm3/min),

Gde je:

I - trenutna jačina struje Tm – temperatura topljenja radnog predmeta u oC

1.2. Prednosti EDM metode

2 Slika preuzeta iz „Non-traditional machining processes“, Dr. H. N. Dhakal, University of Plymouth, 2007

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

17

Ovom metodom materijal bilo koje čvrstoće može biti obrađivan Nema neravnina koje ostaju na površini radnog predmeta Jedna od glavnih prednosti ove metode jeste da mogu biti obrađivani

lomljivi/krti materijali bez ikakve distrozije Kompleksne unutrašnje površine elemenata mogu biti obrađivane

1.3. Ograničenja EDM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

18

Ovaj proces može biti primenjivan samo kod materijala koji imaju sposobnost sprovođenja električne energije

Efikasnost skidanja materijala je niska, i celukopna metoda je jako spora u odnosu na tradicionalne metode

Može doći do nepoželjne erozije i odsecanja materijala preko željene mere

Sa sve većim stepenom otklanjanja materijala površinska hrapavost je proporcionalano sve veća

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

19

1.4. Dielektrične tečnosti

Dielektrične tečnosti koje se koriste u EDM procesima jesu ugljovodonična ulja, kerozin i dejonizovana voda. Uloga dielektričnih tečnosti jeste:

Deluje kao izolator između alata i radnog predmeta Vrši ulogu rashladne tečnosti

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

20

Ima ulogu tečnosti za ispiranje, tj. uklanja opiljke izrezanog materijala

Elektrode koje se koriste u EDM procesima su uobičajeno napravljene od grafita, mesinga, bakra, i legure bakra i volframa.

Odluke koje moraju biti predmet razmatranja konstruktora pri odluci da se se koristi ovom metodom jesu:

Duboki prorezi i uski otvori se trebaju izbegavati Ne treba zadavati previše zahtevan stepen glatkoće površine

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

21

Gruba odsecanja trebaju prethodno biti odrađena drugim metodama rezanja, samo faze završne obrade se rade EDM metodom usled malog stepena MRR-a

1.5. Žičana metoda EDM-a

EDM metoda postoji, primarno, komercijalno u formi mašine za sečenje žice (eng. Wire EDM). Kocept rada ove metode je

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

22

prikazan na Slici 4. Ova metoda funkcioniše tako što žica koja se malom brzinom kreće, putanjom koja je prethodno propisana, iseca materijal sa radnog predmeta. Metoda koristi elektro-termičke mehanizme za vršenje obrade materijala koji su provodnici električne energije. Materijal se otklanja serijom električnih pražnjenja između zičane elektrode i radnog predmeta, i …..Slika 4. Koncept žičane EDM

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

23

metode3 . sve to u prisustvu dielektrične ………………………………………………………… tečnosti koja kreira put svakom pražnjenju usled toga što tečnost postaje jonizovana u svakom useku. Oblasti u kojima se pražnjenje dešava se zagreva do ekstremno visoke temperature, i dolazi do topljenja materijala i tako njegovog uklanjanja. Uklonjene čestice se ispiraju putem tekuće dielektrične tečnosti.

Žičana EDM metoda se pokazala kao veoma korisnom, do sada već i neizbežnom, metodom za isecanje veoma kompleksnih mašinskih delova za

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

24

električne i vazdušno-kosmičke industrije. Ova nekonvencionalna metoda mašinske obrade je široko rasprostranjena za izradu čeličnih alata u nekim granama proizvodnje.

Žice koje se koriste u ovoj metodi se prave od mesinga, bakra, volframa i molibdena. Cinkom ili mesingom presvučene žice se takođe intenzivno koriste. Ove

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

25

žice moraju da poseduju visoku zateznu čvrstoću* i dobru električnu provodljivost. Žičana EDM metoda se takođe može primeniti na sečenje cilindričnih delova sa visokom preciznošću.

3 Slika preuzeta sa sajta http://www.industrialtool.net/edm.html

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

26

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

27

Slika 5. Primer isecanja žičanom EDM metodom4

** Maksimalan napon kojim se materijal može opteretiti zatezanjem, a da pri tom ne dođe do loma.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

28

2. Hemijska obrada (CM)

Hemijska metoda (eng. ChemicalMachining-CM), obrade metala se bazira na ukljanjanju viška materijala putem međudejstva materijala predmeta obrade i

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

29

radne tečnosti (vodeni rastvori sumporne, fosforne, azotne kiseline i drugih kiselina, baza i soli ), unutar tzv. kupatila.

Površine koje se ne obrađuju (nagrizaju), štite se zaštitnim slojem (razni lakovi, lepljive trake, gumene presvlake itd. ). Zaštićen i očišćen radni predmet se stavlja u kadu sa radnom tečnošću (kupatilo). Na nezaštićenim delovima dolazi do razaranja materijala i tako do njegovog uklanjanja, i zato je izuzetno važno zaštititi površine koje nije potrebno odstraniti kako ne bi došlo do oštećenja istih. CM obrada se koristi za proizvodne operacije kao što su duboko konturno nagrizanje ili hemijsko

4 Slika preuzeta iz Slika preuzeta iz „Non-traditional machining processes“, Dr. H. N. Dhakal, University of Plymouth, 2007

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

30

glodanje, hemijsko poliranje i olakšanje predmeta obrade na neopterećenim ili slabo opterećenim delovima, bez promene mehaničkih karakteristika.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

31

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

32

Slika 6. Principijelna šema hemijske obradeii

Hemijska obrada je po definiciji kontrolisano raspadanje materijala pod uticajem jakog hemijskog reagenta. Materijal se otklanja putem mikroskopskog elektrohemijskog dejstva samih ćelija, nao što je npr. korozija. Stopa penetracije hemijskog reagenta i otklanjanja materijala je mala, i kreće se oko 0.0025 ÷ 0.1 mm/min. Osnovni proces može imati više formi a to su hemijsko glodanje rupa, kontura, sveobuhvatno uklanjanje metala, nagrizanje tankih zidova,

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

33

fotohemijska mašinska obrada (PCM), hemijsko i elektrohemijsko poliranje gde se koriste slabi hemijski reagenti, obrada hemijskim mlazom itd.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

34

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

35

Slika 7. (a) Šema CM procesa (b) Faze procesa5

2.1. Hemijsko glodanje

U procesu hemijskog glodanja, plitke šupljine se prave na pločama, limovima, otkovcima. Dva ključna materijala koja se koriste u procesu hemijskog glodanja su nagrizivači i maskanti. Nagrizivači su rastvori kiselina ili alkana koji se održavaju u kontrolisanom opsegu hemijske kompozicije i temperature. Maskanti su

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

36

specijalno dizajnirani elastomeri koji se mogu deformisati i ručno i hemijski su otporni na grube nagrizivače.

2.2. Faze u procesu hemijskog glodanja

Rešavanje napona: Ako deo koji ide na mašinsku obradu ima neki zaostali napon od neke od prethodnih obrada, ti naponi se moraju razrešiti u cilju sprečavanja savijanja nakon hemijskog glodanja

Priprema: Površine se moraju odmastiti i očistiti temeljno kako bi se obezbedio najbolji učinak trenja između materijala

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

37

Makiranje: Vrši se maskiranje materijala (presvlačenje kako bi se zaštitle površine koje se ne nagrizaju)

Nagrizanje: Preostale površine namenjene obradi se hemijski obrađuju sa nagrizivačima

Demaskiranje: Nakon obrade, svi delovi se moraju temeljno oprati kako bi se izbegle naknadne reakcije. Tada se uklanja maskirni materijali deo se čisti i pregleda

2.3. Primena hemijskog glodanja

5 Slika preuzeta iz Slika preuzeta iz „Non-traditional machining processes“, Dr. H. N. Dhakal, University of Plymouth, 2007

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

38

Proces hemijskog glodanja se primenjuje u vazdušno-kosmičkoj industriji kako bi se uklonili plitki slojevi materijala sa komponenti letelica koje se proizvode. Primena ove metode se može sresti u svakom avionu, kako komercijanom tako i borbenom, bilo da li je bila primenjena u izradi motora ili ramova aviona. Najbolja primena ovog procesa jeste za hemijsko glodanje radi smanjenja težine nekih delova. Čak i veoma kompleksni oblici mogu sa lakoćom i ujednačeno biti obrađeni.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

39

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

40

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

41

Slika 8. Proizvodi dobijeni hemijskim glodanjem6

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

42

3. Elektrohemijska obrada (ECM)

Elektrohemijska obrada materijala (eng. Electrochemical Machining - ECM), funkcioniše na pricipu prolaska jednosmerne struje kroz električno kolo između elektroda pootopljenih u elektrolit. Prilikom prolaska jednosmerne struje na

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

43

anodi (predmetu obrade), dolazi do rastvaranja metala i njegovog prelaska u elektrolit. Metal se uklanja iz zone obrade putem intenzivnog kretanja elektrolita, a predmet obrade poprima oblik alata tj. katode.

Proces obrade sastoji se od lokalnog anodnog rastvaranja pri prolasku jednosmerne struje visoke gustine kroz elektrolit (vodeni rastvori baza, kiselina i soli), koji cirkuliše. Do izmene konfiguracije zazora između elektroda ( 0.05 ÷ 1mm), preraspodele gustine električne struje, izmene hidrodinamičkih i drugih parametara procesa dolazi usled anodnog rastvaranja površinskih slojeva predmeta obrade.

6 Slika preuzeta sa sajta http://www.mastercut.com.au/

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

44

Intenzivnim kretanjem elektrolita obezbeđuje se odnošenje produkata anodnog rastvaranja iz zone obrade, kao i kopiranje profila katode po površini anode.

Ovaj proces mašinske obrade se pretežno koristi za izradu delova složenih konfiguracija i male krutosti, kao i za obradu površina koje su nepristupačne za tradicionalne alate, i za visokokvalitetne materijale sklone obrazovanju pukotina i prskotina. Elektrohemijskim postupcima obrade se realizuju operacije bušenja otvora raznih profila, i izrada složenih alata za npr. kovanje, livenje, probijanje, prosecanje, presvlačenje itd.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

45

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

46

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

47

Slika 9. Šematski prikaz procesa ECM metodeiii

Sllično kao kod EDM metode, tvrdoća radnog predmeta nije važan faktor, ova metoda je osmišljena tako da može da obrađuje i materijale koji su sami po sebi teški za obradu. ECM alati su postavljeni veoma blizu radnog predmeta i male su voltaže, dok visoka jednosmerna struja prolazi između radnog predmeta i elektrode.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

48

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

49

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

50

Slika 10. Mašinski delovi proizvedeni ECM metodom7

3.1. Prednosti ECM metode

Komponente ne podležu termalnom kao ni mehaničkom naprezanju Ne dolazi do habanja alata tokom rada Lomljivi delovi se lako mogu obrađivati dužno nepostojanju naprezanja Može se postići visok stepen površinske glatkosti (25 μm)

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

51

Lako se vrši izrada kompleksnih mašinskih delova posebno u vazdušno-kosmičkoj industriji, kao npr. lopatice turbina, delovi avionskih motora i mlaznica, i proizvodnja može biti sprovedena sa ekstremno visokim stepenom preciznosti

Ovom metodom se mogu proizvoditi duboki useci i rupe

3.2. Ograničenja ECM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

52

Metoda nije pogodna za izradu oštrih četvrtastih oblika usled tendencije elektrolita da erodiraju oštre ivice

Metoda može primenjena na većini metala, ali dužno visokoj ceni same opreme, ona se primenjuje samo za posebno specijalizovane aplikacije

Efikasnost otklanjanja materijala (MRR), u ECM procesu se računa preko sledeće formule:

MRR = C∙I∙h (cm3/min)

7 Slika preuzeta sa sajta http://www.nismo.co.jp/en/products/complete/380RS/engine.html

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

53

Gde je :

C – specifična stopa otklanjanja materijala (0,2052 cm3/A-min)

I – struja (A)

h – strujna efikasnost (90 ÷100%)

Stepen na kome se metal može elektrohemijski otkloniti je u proporciji sa količinom struje koja protekne kroz elektrolit i vremenom

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

54

proteklim tokom te operacije. Postoje i drugi faktori koji utiču na stepen produktivnosti ove mašinske obrade a neki od njih su tip elektrolita, stepen protoka elektrolita i drugih uslova proizvodnje.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

55

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

56

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

57

4. Ultrasonična mašinska obrada (USM)

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

58

Ultrasonična metoda mašinske obrade (eng. UltrasonicMachining - USM) jeste proces otklanjanja materijala bilo abrazivnim sredstvima koja se koriste kako bi se erodirale šupljine i useci na čvrstim (krtim) radnim predmetima ili oštrim alatima, viskofrekventnim mehaničkim pokretima ili abrazivnom šljakom. Prodiranjem zrna abraziva, pod dejstvom ultrazvučnih vibracija, u materijal predmeta obrade dolazi do nastanka i širenja mikro i makropukotina koje se međusobno presecaju formirajući mehanički oslabljen sloj koji se relativno lako razara, uz pojavu produkata obrade.

USM metoda nudi rešenje ekspanzivnoj potrebi za obradom krtih materijala kao što su monokristali, stakla i polikristalne keramike, ali takođe služi za izradu

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

59

veoma kompleksnih oblika i radnih profila. Iz tog razloga upotreba ove metode je zaista obimna u primeni na materijalima koje je teško obraditi tradicionalnim metodama. Tvrde čestice u šljaci ubrzavaju ka površini radnog predmeta pomoću alata za oscilaciju na frekvenciji do 100KHz u više navrata, te čestice takođe prodiru u šupljine pa i one bivaju obrađene. Metoda se može koristiti i kao dodatna obrada pri tradicionalnim metodama obrade.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

60

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

61

Slika 11. Principijelna šema ultrazvučne obradeiv

USM metoda je primarno namenjena mašinskoj obradi tvrdih i krtih materijala (dielektričnih ili provodničkih), kao što su bor-karbid, keramika, titanium-karbid, rubini, kvarc itd. Ova metoda nudi mogućnost efektivne obrade materijala bilo da su provodnici ili izolatori. Za efektivne operacije sečenja, sledeći parametri moraju biti razmotreni:

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

62

Alat za obradu mora biti odabran tako da je visoko otporan na habanje, kao npr. visoko ugljenični čelici

Abrazivi (25 ÷ 60 m u prečniku ) u šljaci sadrže: bor-karbid, silikon-karbid i aluminijum oksid

Jedna od veoma korisnih osobina ultrasonične metode jeste da njome mogu

da se formiraju okrugli tj. obli oblici čak i od tvrdih i krtih materijala.4.1. Princip rada USM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

63

Energija potrebna za proces obrade se formira preko izvora vibracija iprenosi na abrazivna zrna, koja udarom o predmet obrade, postavljen u kadu saabrazivnom suspenzijom (najčešće vodeni rastvor brusnog materijala), dovode dorazaranja površinskih slojeva i formiranja konfiguracije predmeta obrade u skladu sakonfiguracijom alata.

Relativno visok intenzitet procesa obezbeđuje se visokom frekvencijom oscilovanja alata (18 ÷ 25 kHz) i velikom količinom zrna brusnog materijala koja se nalaze u procesu (30000 ÷ 100000 zrna/cm2). Prodiranjem zrna abraziva, pod dejstvom ultrazvučnih vibracija, u materijal

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

64

predmeta obrade dolazi do nastanka i širenja mikro i makropukotina koje se međusobno presecaju formirajući mehaničkioslabljen sloj koji se relativno lako razara, uz pojavu produkata obrade.

4.2. Prednosti USM metode

Ova metoda nema termalne ni hemijske efekte, ne pravi nikakvu promenu u mikrostrukturi materijala, niti menja njegova hemijska i fizička svojstva.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

65

Bilo koji materijal može biti obrađen ovom metodom bez obzira na njegova svojstva električne provodljivosti

Metoda je posebno pogodna za obradu krtih materijala Mašinski delovi obrađeni ovom metodom imaju bolji kvalitet površine i

bolji strukturni integritet Ova metoda ne stvara greške na površinama materijala koje hemijska i

termalna metoda mogu da stvore

4.3. Ograničenja USM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

66

Ova metoda troši velike količine energije i uklanja manje materijala po vremenu obrade nego druge metode

Dolazi do brzoh habanja materijala Površina koja se obrađuje i sama dubina rezanja nekada mogu

predstavljati problem pri radu ovom metodom

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

67

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

68

5. Obrada laserom (LBM)

Mašinska obrada laserom (eng. LaserBeamMachining - LBM), je proces termalnog uklanjanja materijala. Ova metoda koristi visoko-energetski, koherentni snop svetlosti kako bi otopila i vaporizovala čestice na površini materijala metalnih ili nemetalnih mašinskih delova.

Laseri mogu biti korišteni da seku, buše i vare. LBM metoda je posebno pogodna za izradu precizno postavljenih rupa. Razni tipovi lasera stoje na raspolaganju tokom procesa izrade nekog mašinskog dela, a to su:

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

69

CO2 (puslni ili ponavljajući talas): Ovo je gasni laser koji emituje svetlost u infracrvenoj oblasti. Može da obezbedi i do 25kW u modu ponavljajućeg talasa

Nd:Yag: Neodimijum-dopirani itrijum-aluminijum-granat (Y3Al5O12): Laser je u takoreći čvrstom stanju i može da dopremi svetlost kroz optički kabal. Može da obezbedi do 50kW snage u pulsnom modu i 1kW u modu ponavljajućeg talasa.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

70

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

71

Slika 12. Princip rada laserske metode sečenja8

LBM metodom se mogu izrađivati veoma male rupe, od samo 0,005mm u vatrostalnim keramikama i kompozitnim materijalima i to bez savijanja materijala radnog dela. Ovaj proces je u širokoj upotrebi pri obradi metalnih ali i nemetalnih materijala. LBM metoda se najviše koristi u električnoj i automobilskoj industriji.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

72

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

73

8 Slika preuzeta iz „Non-traditional machining processes“, Dr. H. N. Dhakal, University of Plymouth, 2007

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

74

Slika 13. Princip rada LBM sa O2 i N2v

5.1. Prednost LBM metode

Nema ograničenja u vidu komplikovanih putanji sečenja jer laserski snop može ispratiti svaku putanju

Kako tokom primene ove metode ne dolazi do naprezanja radnog dela mogu se obrađivati čak i najkrtiji materijali

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

75

Mogu se obrađivati veoma tvrdi i abrazivni materijali Lepljivi materijali se takođe mogu seći U pitanju je ekonomična i fleksibilna metoda Postiže se visoka preciznost izrade Nisu potrebni lubrikanti za podmazivnje Nema habanja alata

5.2. Ograničenja LBM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

76

Metoda nije ekonomična ako se radi o masovnoj proizvodnji Ograničena je debljina zidova predmeta koji se izradjuju Visoki početni kapital Visoke cene održavanja

6. Obrada vodenim mlazom (WJM)

Obrada vodenim mlazom (eng. WaterJetMachining - WJM), je hidromehanička metoda i ona se koristi za oblikovanje lima i hidromehaničko

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

77

rezanje. To je progresivna metode koja se zasniva na korišćenju energije razaranja koju poseduje mlaz vode pod velikim pritiskom a samim tim i velikom brzinom. Ova snaga se postiže primenom hidrauličnih instalacija koje pruzaju snagu od 8 ÷ 80kW. Ovim postupkom stvaraju se uslovi za sečenje različitih vrsta konfiguracija na predmetima koji mogu biti bilo metalni ili ne.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

78

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

79

Slika 14. Princip rada WJM metodevi

Primena ove metode može znatno da smanji troškove i ubrza samu proizvodnju usled nepotrebnih skupih sekundarnih procesa mašinske obrade. Kako ne postoji primena toplote na materijale, obrađivane površine i ivice su čiste i minimalne hrapavosti. Problemi kao što su defekti nspuklih ivica, kristalizacija, zadebljanja, smanjena zavarljivost i mašinska obradnost su u ovom procesu smanjeni na minimum.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

80

Tehnologija rezanja vodenim mlazom koristi princip vode pod ekstremno visokim pritiskom, omogućavajući protok vode kroz veoma mali otvor koji se zove „rubin“ ili „grlić“. Ova metoda rezanja koristi snop vode koji izlazi iz „grlića“ i seče meke materijale. Ova metoda nije pogodna za sečenje tvrdih materijala. Voda koja se koristi za sečenje se nalazi pod pritiskom od 1300÷4000bar. Ovaj visok pritisak se forsira kroz jako mali otvor („grlić“), koji je dimenzija obično oko 0,18÷0,4mm u prečniku.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

81

Rezanje pod vodenim mlazom se pretežno koristi za sečenje materijala slabe čvrstoće, kao što su drvo, plastika i aluminijum. Kada se doda abraziv (abrazivno rezanje vodenim mlazom - AJM) tada se mogu seći i tvrdi materijali poput raznih vrsta čelika.

6.1. Prednosti WJM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

82

Primenom ove metode ne dolazi do sakupljanja toplote, što je posebno korisno pri sečenju čelika i drugih materijala gde povećane temperature mogu dovesti do promena osobina materijala

Za razliku od sečenja na strugu, glodalici i dr. rezanje vodenim mlazom ne stvara prašinu i čestice koje mogu biti veoma štetne ako se udahnu

Druge prednosti jesu slične prednostima koje ima i rezanje abrazivnim vodenim mlazom

6.2. Ograničenja WJM metode

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

83

Jedno od glavnih ograničenja jeste ograničen broj mateijala koji mogu biti ekonomično sečeni

Debeli delovi ne mogu biti sečeni prezicno niti ekonomično Tzv. zašiljenost je još jedan problem u šečenju debelih materijala.

Zašiljenost je kada mlaz izlađe iz dela koji je sekao pod drugačijim uglom od onog od kojim je započeo sečenje, i tako izaziva dimenzinalnu nepreciznost

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

84

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

85

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

86

7. Obrada abrazivnim vodenim mlazom (AJM)

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

87

Rezanje abrazivnim vodenim mlazom (eng. AbrasiveJetMachining - AJM), je proširena verzija sečenja vodenim mlazom, jer voda u ovom slučaju sadrži abrazivne čestice kao što su sicilijum-karbid ili aluminijum-oksid, u cilju povećanja stepena otklanjanja materijala u odnosu na sečenje bez abrazivnih čestica. Skoro svaka vrsta materijala počevši od čvrstih krtih materijala kao što su keramika, metal i staklo do ekstremno mekih materijala kao što su pena i guma. Usko područje sečenja (mala

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

88

širina oštrice), i kompjuterski kontrolisani pokreti omogućavaju da se ovom metodom proizvedu delovi veoma precizno i ekonomično.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

89

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

90

Slika 15. Princip rada AJM metodevii

Ova metoda obrade je posebno pogodna za sečenje materijala koji ne mogu biti sečeni laserskim ili termalnim metodama. Takođe, najpogodnija je za sečenje metalnih, nemetalnih i naprednih kompozitnih materijala bez osvrta na njihovu debljinu. Još jedna od primena ove metode jeste kod materijala osetljivih na toplotu.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

91

Ova metoda radi tako što sistem pod veoma velikom brzinom ispušta vodu kroz „grlić“ i tako se stvara vakuum koji uvlači abraziv sa abrazivne linije, oni se mešaju u cevi za mešanje i formira se snop abraziva velike brzine.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

92

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

93

Slika 16. Izgled glave AJM aparata9

Primena AJM metode je veoma popularna u aero-kosmičkoj, automobilskoj i elektro industriji. U aero-kosmičkoj industriji delovi kao što su titanijumska tela vojnih aviona, delovi motora (aluminijum, titanijum, legure otporne na toplotu), aluminijumski delovi i delovi kabina, svi se prave pomoću ove metode obrade materijala.

U automobilskoj industriji, delovi kao što su graniri u enterijeru i delovi šasije od fiberglasa, kao i branici prave se takođe ovom metodom. Slično i u elektro industriji, ploče strujnih kola i neki kablovi se prave takođe upotrebom abrazivnog vodenog mlaza.

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

94

7.1. Prednosti AJM metode

U većini slučajeva nije potrebna sekundarna dorada Ne postoji sečivom indukovana distrozija Mala sila sečenja koja utiče na radni predmet Smanjena potreba za alatima Uobičajena finoća obrađene površine je 125÷250 mikrona

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

95

Ne postoji zona zagrevanja Lokalizovane su strukturalne promene Nema zagađenja usled prašine Eliminiše termalnu distroziju Nema otpadaka i opiljaka Precizno, višeravno sečenje kontura, oblika i kosina bilo kog ugla

7.2. Ograničenja AJM metode

9 Slika preuzeta sa sajta http://www.wgsourcing.net/jet-edge.html

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

96

Ne može bušiti ravno dno Ne možgu se obrađivati materijali koji se u kontaktu sa vlagom (vodom),

brzo raspadaju Glavna loša strana ove metode jesu velika kapitalna ulaganja i velike

buke tokom rada ove mašine

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

97

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

98

Slika17. Proizvodi izrađenji AJM metodom10

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

99

Literatura:

1. Serope Kalpakjian and Steven R. Sschmid., “Manufacturing Engineering and Technology, Fifth Edition”, Prentice Hall, 2006.

2. Bogdan Nedić, Miodrag Lazić, Mašinski fakultet Kragujevac, „Proizvodne tehnologije-Obrada metala rezanjem-predavanja“, 2007

3. Dr. H. N. Dhakal, “Non Traditional Manufacturing Processes”, University of Plymouth, 2008

Nek

onve

ncio

naln

e m

etod

e o

brad

e

100