4.1 Ülevaade lehtmetalli vormimise paindlike tehnoloogiate...

48

4. LEHTMETALLI VORMIMISE PAINDLIKUD TEHNOLOOGIAD 4.1 Ülevaade lehtmetalli vormimise paindlike tehnoloogiate arengust Lehtmetalli sammvormimise (incremental forming, järguline vormimine) tehnoloogia pole iseenesest uus. Juba sajandeid on juveelitoodete juures kasutatud analoogilisi tehnoloogiaid. Lehtmaterjali koolutamine, kohrutamine, vormimine kohaliku kuumutamisega jt tehnoloogiad on kasutusel meie ettevõtetes (näiteks Clyde-Bergeman Eesti AS, Juveel AS, Loksa Levaehituse Tehas jt) toodetavate toodete juures ka tänapäeval. Eriti koolutustehnoloogia alal on Eestis pikaajalised traditsioonid ja oskusteave (nn “Pirita tee Instituudi” tööd). Tehnika arengud viimastel aastatel on loonud aga põhimõtteliselt uusi tehnoloogiaid või on olemasolevaid oluliselt arendanud. Uued paindlikud lehtmaterjali vormimise tehnoloogiad on majanduslikult otstarbekad evitamiseks põhiliselt prototüüpide valmistamiseks ja väike ning keskmise seeria tootmise tingimustes (kuni 50 000 detaili aastas). Klassikalisele sügavtõmbamisele jääb peamiselt suurseeria ja masstootmine. NN “uute paindlike lehtmaterjali vormimise tehnoloogiate”gruppi kuuluvad:

• Lehtmaterjali sammvormimise tehnoloogiad (ingl. Incremental Forming), sh Amino tehnoloogiad

• Lehtmaterjali vormimise tehnoloogiad arvjuhtimisega freespinkidel, nn “ilma toeta vormimine” (ingl. Single Point Forming - SPF)

• Lehtmaterjalist pöördkehade paindlikud vormimistehnoloogiad (Koolutamine APJ pinkidel, ingl.: CNC Spinning)

• Hüdrovormimise tehnoloogiad jt . Arvukalt teadusartikleid käsitleb traditsiooniliste lehtmetalli vormimise tehnoloogiate modelleerimise probleeme. Kaasaegsete paindlike (arvutiga juhitavate) inkrementaalse vormimise tehnoloogiate koha võib leida ainult piiratud arv artikleid. Uute tehnoloogiate koondiseloomustus on esitatud järgmises tabelis. Uued (ja moderniseeritud) vormimise tehnoloogiad Seadmed Evitamise faas Kasutusvaldkond

Mehaanilised vormimistehnoloogiad Amino technology

Eripingid (olemas turul) (tootja Jaapan)

Tööstuslik Piiratud kuju, probleeme täpsusega. Prototüüpide ja väikeseeria tootmine

Autotööstus, seadmete korpused, katted, paneelid

Single Point Forming

NC freespingid, eri rakis

Tööstuslik Piiratud kuju ja mõõdud, probleeme täpsusega. Prototüüpide ja väikeseeria tootmine

Seadmete korpused, katted, paneelid

Incremental forming of large parts

Freespingid ja erirakised

Tööstuslik Piiratud kuju, suured detailid

Laevaehitus

Spinning CNC koolutus-pingid

Tööstuslik Pöördkehad Metalltooted (mahutid jms), juveelitööstus,

Hammering Robot ja eri seadmed

Katsefaasis, osalt tööstuslik

Piiratud kuju ja täpsus Juveelitööstus, elektroonika tööstus

Shot peening

49

Hüdrovormimine Fluid forming Hydro forming

Pressid, eriabinõud

Tööstuslik Keeruka kujuga detailid. Ühtlane seinapaksus, parem täpsus: Väiksem läbimite arv. Väikeseeria tootmine

Autotööstus

Water-Jet Forming

Eriseadmed Katsefaasis?? Piiratud tööstuslik evitamine

Õllepurkide tootmine

Vormimine temperatuurilisi deformatsioone kasutades Plasma and laser forming

Katseseadmed Katsefaasis, piiratud tööstuslik kasutamine

Ühtlane seinapaksus, kõrgem täpsus, mehaaniliste jõudude puudumine, hea protsessi juhitavus

Elektroonika tööstus, kosmoseaparaatide valmistamine, laevaehitus

Forming by Local Spot Heating

Puuduvad andmed

Laevaehitus

Majandusandmete võrdlemisel lähtutakse järgmistest suurustest (W. Boel, IVF): Madal hinnatase Keskmine hinnatase Kõrge hinnatase Seade < 100 000 EUR 100 000- 500 000

EUR > 500 000 EUR

Tehnoloogilised abinõud

< 3000 EUR 3000-20 000 EUR > 20 000 EUR

4.2. Mehaanilised sammvormimise tehnoloogiad (Incremental Forming). 4.2.1. Amino tehnoloogia Amino tehnoloogia puhul deformeeritakse lehtmaterjalist toorikut sileda silindrilise tööriista sfäärilise otsaga kiht-kihilt. Tööpingiks on arvjuhtimisega sammvormimise pink (vaata joonis ) kasutatakse erirakist, kas erikujuga või universaalset tuge. Tööriista juhitakse arvuti abil vastavalt varem koostatud juhtprogrammile. See võimaldab valmistada keeruka kujuga lehtmaterjalist tooteid ilma kalleid tööriistu valmistamata. Protsessi aitavad selgitada järgmised pildid: Sammvormimisel vormimise jõud suhteliselt väikesed, mis lihtsustab abinõu konstruktsiooni.

Joonis 4.1. Amino tehnoloogia skeem

50

Joonis 4.2: Amino tehnoloogias kasutatav rakis. Amino tehnoloogia puhul võimalikud kaks varianti:

• Vormimine universaaltoega (õhus). Meetod kasutatav suhteliselt lihtsa kujuga detailde valmistamiseks, täpsus madal.

• Vormimine mudelil. Kasutatakse keeruka kujuga detailide vormimisel , täpsus suurem. Nõuab mudeli valmistamist (plastmassist või alumiiniumist), sellega seoses kasvavad kulutused.

Katseliselt on Amino tehnoloogiat realiseeritud ka tavalisel freespingil kasutades erirakist (Joonis 4.12.)

Joonis 4.3. Töödeldavate detailide näited

51

Joonis 4.4 Amino tehnoloogia seadmed ja abinõud

Amino tehnoloogia seadmete hinnad (Amino Corp, 2002) Tabel Seade Hind, eurodes Vormimise

piirmõõdud Tooriku suurus

DLNC-RA 162.726 300x300 400x400 DLNC-RB 180.318 500x500 600x600 DLNC-PA 316.356 1000x800 1100x900 DLNC-PB 343.044 1500x1200 1600x1300 DLNC-PC 844.416 200x1300 2100x1450 Hinnad sisaldavad koolitust Amino tehases Hinnad ei sisalda transpordi ja seadistuskulusid

Joonis 4.5. Amino pink (500*500)

52

Saaralandi TÜs on Amino pink (500*500) 1,5 aastat. Pink oli esimene Euroopas, seda kasutatakse peamiselt roostevabast terastest toodete prototüüpide valmistamiseks. Praegu müüb Euroopas pinke NEXT Factory. Via Lago di Garda, 130; 36015 Schio-Vicenza, Italy. Kodulehekülg: www.nextfactory.com. Piirangud toodetele ja protsessile Toodetele esitab Amino tehnoloogia järgmised piirangud:

• Raske saada vertikaalseid seinu (seina nurk Θ= 25-35 kraadi sõltuvalt materjalist). Väiksema nurga saamiseks (8-10°) vaja mitu läbimit.

• Materjali õhenemine. Tasapinnalise seina osas deformatsioon lineaarne ja allub siinusreeglile (vaata joonis). Kahjuks kirjeldab siinusreegel ainult piiratud osa külgseinast ja ei kehti nurkades. Tegelikult toimib purunemine just detaili nurkades (vaata joonis ), kus siinusreegel ei kehti. Nurkades on tegemist kahesuunalise deformatsiooniga.

Joonis 4.6. Amino tehnoloogia (külgseina nurga ja seina materjali õhenemise määramise skeem).

Joonis 4.7. Detaili seina õhenemise hindamine Amino tehnoloogia kasutamisel (siinusreegel)

53

Joonis 4.8. Katsedetail seina kaldenurgaga 0°. Näha purunemine nurkades.

• Detaili tagasivedrutusest tingitud kujuhälbed (võib põhimõtteliselt kompenseerida suures ulatuses instrumendi trajektoori ja toe kuju valimisega)

• Partii soovitatavad suurused vahemikus 1-500 detaili/kuus • Pinnakaredus (lainelisus) • Soovitused instrumendi valikuks, • Soovitused ettenihete valikuks • Määrdeaine valik

Põhimõtteliselt peaks olema võimalik hinnata toote parameetreid simuleerides protsessi/tooteid arvutil. Probleemiks on aga kujunenud simuleerimiseks kuluv aeg. Näiteks kasutab Saarlandi TÜ protsessi simuleerimiseks süsteeme ABAQUS ja PamStamp (6000 Shell elementi, vertikaalne samm 0,5-1,0, 60 tsüklit, simuleerimise aeg tööjaamal HP 3000 - 100 tundi).

Joonis 4.9. Deformatsioonide simuleerimine (Saarlandi Ülikool, J. Ames)

Meie oleme kasutanud süsteemi ANSYS ja püüdnud kasutada LsDyna’t. Simuleerimisajad on vähe lühemad, kuid neid tuleks vähendada ligi 100 korda, et saaksime rääkida protsessi optimeerimisest. Simuleerimise probleeme ja tulemusi tutvustab oma ettekandes M. Pohlak.

54

Joonis 4.10. Soovitused protsessi parameetrite/režiimide valikuks

Tüüpilised töörežiimid: Ettenihked : X ja Y suunas 30 m/min (reaalselt kasutavad 15 m/min) Z suunas 10 m/min Programmeerimine: Amino pingiga kaasas 2.5 koordinaatne CAM (ei rahulda tarbijaid). Saarlandi Ülikool üritab evitada 3 koordinaatset süsteemi (näiteks CATIA). Protsessi parameetrite juhtimine ja mõju hindamine kirjanduse andmetel ning eksperimentaalse modelleerimisega ja simuleerimisega:

• Vertikaalne ettenihe. Vormimise tingimused paranevad ettenihke vähenedes. • Instrumendi trajektoor. Instrumendi liikumise trajektoori optimeerimine (locus

optimization, liikumine väiksema jäikusega detaili osast suurem jäikuse poole), mitme läbimiga vormimine, ettenihete suuna valik.

• Instrumendi mõõdud. Instrumendi diameetri kasvades kasvab deformeeritav ala, suhtelised deformatsioonid vähenevad. Seina paksuse erinevused vähenevad instrumendi diameetri kasvades.

• Määrdeaine kasutamine. Töötlemisel ilma määrdeaineta kasvavad instrumendi ja detaili vahelised hõõrdejõud, kuid vähenevad pinged töödeldavas materjalis ?? Sellest sõltuvalt väheneb oht puruneda, paraneb deformeeritavus. Hõõrdejõudude ülemäärasel suurenemisel suureneb purunemise oht.

4.2.2. Toeta sammvormimine (Single Point Forming (SPF)) Selle tehnoloogia puhul deformeeritakse lehtmaterjalist toorikut sileda silindrilise tööriista sfäärilise otsaga kiht-kihilt Tööpingiks on tavaliselt arvjuhtimisega freespink, kasutatakse erirakist. Tööriista juhitakse arvuti abil vastavalt varem koostatud juhtprogrammile. See võimaldab valmistada keeruka kujuga lehtmaterjalist tooteid ilma kalleid tööriistu valmistamata. Protsessi aitavad selgitada järgmised pildid:

55

Joonis 4.11. SPF töötlemise skeemid.

Joonis 4.12. Abinõu SPF protsessi uurimiseks

SPF protsessi mehaanika ja parameetrid ning probleemid analoogilised Amino tehnoloogiaga. Suurte detailide (laevaehitus) vormimiseks kasutatakse rullimist (SINTEF , Norra). Sageli lisatakse rullimisele venitamine

Joonis 4.13. Suurte detailide vormimine

56

4.2.3. Mitme läbimiga vormimine Peamine probleem: detalidel vertikaalse seina saamine. Iseki & Nagawa uurisid mitmeläbimiga vormimist kasutades erienevaid instrumente (skeem esitatud järgneval joonisel).

Joonis 4.14. Vertikaalseina (a) ja põhja (b) vormimine

Saarlandi TÜ kasutab mitme läbimiga vormimist (Multistage Forming), vormides järk-järgul kasvava nurgaga :45°, 60°, 81º (saadud ka 90º), ja kasutades vaheldumisi vertikaalseid (mõlemas suunas) ja horisontaalseid ettenihkeid (joonis) .

Joonis 4.15. Vormimine kolme käiguga (Saarlandi Ülikool; Ames) Kuna detaili vertikaalse seina saamini on üheks protsessi peamiseks piiranguks, töötavad selle probleemi lahendamise kallal mitmed kollektiivid .

57

4.2.4. Samm-sammuline haamerdamine/kohrutamine (Hammering) Kasutades tööstusrobotit on Frauenhoferi Instituut IPA (Saksamaal) realiseerinud nn ROBOSHAPING tehnoloogia, kus samm/sammuline vormimine saadakse haamerdamisega (vasardamisega) eriabinõuga, mis teeb 50 lööki sekundis (vaata järgnev joonis). Vasarat juhitakse robotiga. Horisontaalne ettenihe on mitu mm sekundis. Kirjanduse andmetel saadakse kõrge pinna kvaliteet ,kuid praktilistel katsetel (külastasin IPAd) jättis pinnakvaliteet küll soovida.

Joonis 4.16. Robotiga haamerdamine (ROBOSHAPING)

Töödeldavate detailede mõõtmed muutuvad suures piires. Kirjanduses näide mikrodetaili töötlemisest (Y. Saotome, T. Okamoto, Jaapan. 3 mõõtmeline mikroaouto mudel mõõtmetega: 0,6X0,5X0,17 mm. Vormiti 0,01 mm paksust alumiinium lehte. “Haamri tipu läbimõõt 0,01 mm, löökide sagedus 300Hz. 4.2.5. Koolutamine (Spinning) Koolutamine on tuntud tehnoloogia ja selle alal on Eestis olemas ka vastav oskusteave. Koolutamise areng on seotud peamiselt CNC koolutuspinkide kasutuselevõtuga, mis võimaldab suurendada otstarbekate partiide suurust. Spinning (koolutamine) Shear forming

(trugimine) Reducing (Spinning on air). Ahendamine

Joonis.4.17. Koolutamisprotsesid

58

Joonis 4.18. Koolutatud detailide näited näited

Arengud on seotud muuhulgas ka koolutamise kiiruse olulise suurendamisega. Eripinkidel on uuritud 50 korda suuremate kiiruste (võrreldes CNC treipingi kasutamisega) kasutamist, keskmise detaili koolutusajaks saadakse ~10 sekundit (prof Danckert, info W. Boel, IVF). Koolutamist iseloomustavad koondandmed on toodud tabelis (W. Boel , IVF) Töötlemise hind Aeg Eelised Puudused Seadmed: keskmine hinnatase

Tsükli aeg: 1-150 minutit

Abinõud: Madal hinnatase, vaja ainult ühte instrumenti

CAD-ist tooteni: 1-2 nädalat

• Suuregabariidiliste detailide valmistamine , kuni 2 meetrit

• Võimalik vormida paksu lehte

• Täpsus hea • Suured jõud

• Kasutatavd ainult põõrdkehadele

4.3. Hüdrovormimine, Hydroforming/Fluid-cell Forming Selle tehnoloogia puhul deformeeritakse lehtmaterjalist toorikut surudes vedelikus (sh ka vee joaga) jms. Hüdrovormimise peamiseks eeliseks on suurem materjali deformeerimise võimalus (võrreldes sügavtõmbamisega). Viimane võimaldab vähendada oluliselt läbimite arvu (kirjanduse andmetel võimaldab võrreldes sügavtõmbamisega vähendada protsessi kolmelt läbimilt ühele). Seina õhenemine on ühtlasem (võrreldes Amino tehnoloogiaga) , võimaldab saada praktiliselt vertikaalseid külgpindasid. Nõuab aga templi valmistamist ja suurte presside kasutamist (suured jõud). Kasutusel laialdaselt sh autotööstuses.

59

Joonis 4.19. Vedelikuga vormimise skeem

Joonis 4.20. Vedelikuga vormimise skeemi Joonis4.21. Vormimine veejoaga Koostisosad: 1- tempel, 2- materjali suruja, 3-materjal, 4- matriits, 5-vee anum. Veejoaga vormimist iseloomustavad koondandmed on toodud tabelis (W. Boel , IVF) Töötlemise hind Aeg Eelised Puudused Seadmed: keskmine hinnatase


Abinõud: Madal hinnatase, vaja ainult detaili kinnitusrakis

CAD-ist tooteni: 5 päeva

• Ei vaja instrumenti

• Hea pinna kvaliteet

• Keeruka kuju saamine keerukas, kasutatavad ainult

• Tsükli aeg pikk • Raske prognoosida

täpsust

60

Joonis 4.22. Hüdrovormimisega saadud detailide näited

Hüdrovormimist iseloomustavad koondandmed on toodud tabelis (W. Boel , IVF) Töötlemise hind Aeg Eelised Puudused Seadmed: kõrge hinnatase


Abinõud: Keskmine hinnatase

CAD-ist tooteni: 2 nädalat

• Suur täpsus • Keeruka kujuga

detailed • Võimalik töödelda

raskesti deformeeritavaid materjale

• Hea pinna kvaliteet

• Väikeste raadiuste saamine sügavatel detailidel keerukas

• Raadiuse suurus sõltub materjalist

• Nõuab templit

61

4.4. Termo-mehaaniline vormimine (Thermo-mechanical Forming) 4.4.1. Plasmajoaga ja laserkiirega vormimine Nimetatud tehnoloogiate juures saavutatakse lehtmetalli kuju muutus mitte mehaaniliste deformatsioonide, vaid defokuseeritud laserkiire või plasmakiire mõjutusel tekkinud temperatuuriliste deformatsioonide tulemusena. Sellest tingituna puuduvad praktiliselt protsessi mõjutavad jõud ning mehaaniline kontakt instrumendi ja detaili vahel, suureneb täpsus (puudub tagasivedrutus). Oluline on , et protsess on hästi juhitav, juhitakse nii materjali mikrostruktuuri muutust, kui ka deformatsioone. Kasutusala on prototüüpide valmistamine ja väikeseeria tootmine. Kasutatakse keerukate paneelide ja mahutite valmistamisel, sh kosmoseaparaatide valmistamisel, laevaehituses ja elektroonikatööstuses. Võib kasutada ka remonditehnoloogiana (enne keevitust keevitatavate detailide kuju sobitamiseks, kuju taastamiseks peale keevitamist). Eripäraks on , et võimalik vormida (pool) suletud ruumis (kasutades valgusjuhti).

Joonis 4.23. Plasmakiirega vormimine

Joonis 4.24. Laservormimisega saadud detailid, protsessi pilt

Joonis4.25. Laservormimise temperatuursete deformatsioonide modelleerimine LEM

mudelitega

62

Termomehaanilist vormimist iseloomustavad koondandmed on toodud tabelis (W. Boel , IVF) Töötlemise hind Aeg Eelised Puudused Seadmed: kõrge hinnatase


Abinõud: Madal hinnatase, vajalik ainult detaili kinnitusrakis

CAD-ist tooteni: 2 tundi- 2 päeva

• Ei vaja instrumenti • Puudub kontakt ja

mehaanilised jõud • Mitmeotstarbelised

seadmed: vormimine lõikamine, keevitamine

• Kasutatav õhukese materjali puhul

• Keeruka kuju saamine keerukas, kasutatavad ainult suured raadiused

• Materjali omadused muutuvad

• Raske prognoosida täpsust

Kokkuvõte 1. Toimub kiire tehnoloogiate areng. Arvestades meie piiratud ressursse peab otsustama,

millistes valdkondades, millises mahus ja milliste jõududega soovime nende arengutega seotud projektides osaleda? Lehtmetalli paindlikud vormimistehnoloogiad on üks tehnoloogia masina- ja aparaadiehituse arengusuundasi. Kas ja kuidas selles osaleda? Kas see võiks /peaks olema üks meie konkurentsivõime nish (unikaalsete seadmete soetamine ühiste jõududega)? Kuidas tagada juurdepääs uusimale tehnilisele infole? Osalemiseks rahvusvahelises koostööks on vaja jõud ühendada ja TTÜ ootab ettevõtete “tellimust”

2. Uued lehtmetalli vormimise tehnoloogiad on esmajoones mõeldud prototüüpide tootmiseks ja tootmiseks väikeseeria (keskmise seeria) tingimustes, mis on iseloomulikud enamikule Eesti masina- ja aparaadiehituse ettevõtetele. Millistele tehnoloogiatele orienteeruda?

3. Tehnoloogiate ja toodete areng on omavahel tihedas seoses. Uued tehnoloogiad avardavad toodete nomenklatuuri. Lehtmetalli vormimistehnoloogiad on otseselt seotud teiste tehnoloogiatega, nagu laser- ja vesilõikamisega, keevitusega (sh laserkeevitusega), pinnaviimistlustehnoloogiatega jt tehnoloogiatega. Tehnoloogilist keskkonda tuleb käsitleda komplektselt, st hinnata tuleb kogu tehnoloogilist ahelat (omavahel seotud protsesse).

4. Kaasajal on eelnevalt (enne seadmete soetamist) võimalik uurida uusi tehnoloogiad simuleerimise teel arvutil, mida täiendavad eksperimentaalsed uuringud. TTÜ on huvitatud jätkama protsesside simuleerimise ettevalmistamist ja laiendama simuleeritavate protsesside nimistut, arendades välja oskused sügavtõmbamise, hüdrovormimise, sammvormimise jms tehnoloogiate alal. Üldiselt vajame selleks ettevõtetepoolset koostööd ja toetust, nii moraalset kui ka materiaalset.

5. Uute vormimistehnoloogiate kasutamise võimalusi miniatuursete detailide

valmistamiseks (elektroonika tööstus, meditsiiniaparatuuri tootmine jms) ning suurte detailide tootmiseks (laevaehitus, suured mahutid jms) tuleb täiendavalt uurida.

Täpsemat infot saab Rein Küttner, TTÜ GSM: 050 11 896 telef: 620 3265 [email protected]

5. TÖÖTLEMINE REVOLVERPRESSIDEL

5.1. Elementide järgi stantsimine

Kaasaegses masina- ja aparaadiehituses kohtab hulgi erineva suuruse ja konstruktsiooniga detaile. Enamlevinud on mitmesugused paneelid ja alused (joonis 5.1), need on küllaltki suurte gabariitmõõtmetega ja paljude erineva kuju ja mõõtmetega avadega detailid. Traditsiooniline lõikestants selliste detailide stantsimiseks maksab küllaltki palju. Kui sellele lisaks ei ole nende detailide valmistamispartiid eriti suured, kujuneb traditsiooniliste stantside projekteerimine ja valmistamine sellistele detailidele majanduslikult täiesti ebaotstarbekaks. Seetõttu on juba ammu välja töötatud mitmesugused meetodid selliste detailide valmistamiseks. Enamlevinud neist on elementide järgi stantsimine ja suhteliselt uus - laserlõikamine. Käesolevas õppematerjalis viimast ei vaatle.

Joonis 5.1

Nagu teada, on iga detaili kontuur kujundatud lihtsatest elementidest - sirg- ja kõverjoontest ning ringidest. Neid elemente kombineerides saadakse mitmesuguse kuju ja mõõtmetega detaile. Ühe universaalse stantsikomplektiga, millest iga stantsiga stantsitakse ainult üks kontuuri element, on võimalik tükk-toorikust stantsida väga palju mitmesuguse kujuga detaile - see ongi elementide järgi stantsimise põhimõte. Joonisel 5.2 on toodud kolme erineva detaili elementide järgi stantsimise järjekord.

Joonis 5.2

Elementide järgi stantsimiseks detailid grupeeritakse. Grupeerimise aluseks on geomeetriline kuju ja mõõtmed. Ühte gruppi kuuluvad erineva kuju ja mõõtmetega, kuid samade elementidega detailid, näiteks detailid, millel on ühesuguse

63

läbimõõduga avad. Oluline on tehnoloogiliste lähtepindade (baaside) õige valik. Lähtepinnad valitakse detaili joonise ja stantsi konstruktsiooni alusel. Tähtis on säilitada lähtepindade muutumatus kogu stantsimisprotsessi ulatuses. Joonisel 5.3 on toodud näited tehnoloogiliste lähtepindade valikuks.

Joonis 5.3

Joonisel 5.4 on näidatud detaili väliskontuuri nurkade stants erineva suurusega raadiustega ümardamiseks.

Joonis 5.4

Selle meetodi esimeseks puuduseks on protsessi aeglus, kuna iga elemendi stantsimiseks on vaja detail eraldi paigaldada ja sooritada eraldi löök. Teiseks on protsess suhteliselt vähe täpne, kuna kõik paigaldushälved kanduvad otseselt detaili täpsusesse. Seetõttu on otsitud võimalusi protsessi kiirendamiseks ja täpsuse tõstmiseks. Üheks selliseks võimaluseks on revolverpresside kasutamine. Algselt olid need šablooni abil käsitsi juhitavad pressid, kaasajal arvjuhtimisega.

64

5.2. Stantsimine revolverpressidel

5.2.1. Revolverpresside kasutamine Revolverpressid on eriti efektiivsed paljude erineva kuju ja mõõtmetega avade ja piludega lehtmaterjalist detailide valmistamisel. CNC revolverpress täidab samu peamisi funktsioone kui tavaline press, välja arvatud sügavtõmbamine, kuid ta on palju võimasam. Ta tagab suurema töötlemistäpsuse, pakub rohkem stantse erinevate kujuelementide stantsimiseks ja võimalusi oluliselt keerukamate kujude stantsimiseks. Arvjuhtimisega (CNC) töötlemine pakub võimalusi paindlikuks tootmiseks ilma suurte kulutusteta stantside valmistamiseks. Selliste seadmete kasutamise õigustamiseks ei ole vaja suuri tootmismahtusid. Stantsid monteeritakse sünkroniseeritult pöörlevatesse, täpselt positsioneerita-vatesse ketastesse (joonis 5.5) - ülemisse ketasse templid ja alumisse matriitsid. Uuemates pressides on ka stantsid pesades pöörlevad. Mõnedes pressides on pöörlevad üksikud positsioonid, mõnedes kõik. Revolverpea võib sisaldada sõltuvalt pressi tüübist 10 kuni 100 stantsikomplekti. Presside võimsuseks on 10 kuni 100 tonni.

Stantsitav leht

Templid

Klambrid Joonis 5.5

Pressil on üks templit käivitav liugur. Töötlemiseks pööratakse ja indekseeritakse vajalik stants töötlemispositsioonis. Arvjuhtimisseade liigutab käigukruvide abil tooriku ettenähtud asendisse ja seejärel aktiveeritakse tempel stantsimiseks. Seejärel stantsitakse selle stantsiga kõik avad lehes, misjärel pööratakse revolverpea uude positsiooni ning protsess kordub. Protsess kestab seni kuni kõik ettenähtud operatsioonid on sooritatud. Toodetakse ka presse, millistel liigub revolverpea liikumatu tooriku suhtes. Tänu kasutatavate stantside moodulstruktuurile on protsess väga paindlik ja võimaldab töödelda palju erineva kuju ja mõõtmetega detaile. Tavaliselt on valdav enamus stantsidest juba eelnevalt kasutamisvalmis, et neid kombineerides valmistada erinevaid detailide. Kuna stantsid on juba olemas jääb ära traditsioonilise stantsimise juures nii pikk ja kulukas stantside projekteerimine ja valmistamine. Kõik, mida on vaja teha on programmeerida CNC töötlemisprogramm. Detailide kogused, milliseid on majanduslikult otstarbekas stantsida spetsiaalstantsides ulatuvad tuhandetesse. Lihtsate väliskontuuride ja normaalsuurusega avadega detailide spetsiaalstantsides stantsimine on renbtaabel, kui partiide suurus ulatub mitmesse tuhandesse. Siiski kui detaili kontuuris on

65

keerulisi elemente või suuri sisemisi avasid, mille töötlemine nõuab pikki tsükliaegu, kasutatakse eristantse ka väiksemte partiide töötlemisel. Tihedalt asetsevate avadega või piludega detailid, mille töötlemine nõuab kalleid eristantse on kergelt töödeldavad CNC revolverpressidel. Materjali maksimaalse kasutamise huvides tuleb detailid paigutada üksteisele nii lähedale kui võimalik. Detailide vahele jäävad kitsad ribad, mis hoiavad detaile koos kogu stantsimisprotsessi käigus. Peale stantsimise lõppu detailid eraldatakse üksteisest raputil vibreerides. See on majanduslikult efektiivne, kuna detailide eraldamiseks ei ole vaja mingit spetsiaalrakistust. Kraatide tekkimine stantsimisprotsessis on paratamatu. Kraat tekib väljalõigatava detaili templipoolsele pinnale. Õige templi ja matriitsi vahelise lõtku ja teravate lõikeservade puhul on kraat alla 10% lehe paksusest. Stantside kuludes kraat suureneb. Seda tuleb arvestada nii detaili konstrueerimisel kui tehnoloogilise protsessi projekteerimisel. Detaili paindumise põhjuseks võivad olla nii väga tihedalt asetsevad avad kui suure koguse liigse materjali väljastantsimine. See vabastab materjalis jääkpinged, mis põhjustabki detaili paindumise ja väändumise. Klambrite ja ühendusribade õige kasutamine võib seda vähendada nagu ka hilisemad rihtimisoperatsioonid. Sageli töödeldakse kõverad stantsides neist väikesid sektsioone korraga. Seda protsessi nimetatakse inglise keeles „nibbling“. Eesti keele tõlkides näksimine. Selle tulemusena moodustub hulknurkne kontuur. See annab kontuurile sälgulise väljanägemise. See sälgulisus on eriti silmatorkav suure stantsimise sammu puhul. Aksepteeritava sälgulise suurus on määratud rakistuse ja toote maksumusega. Pressi klambrite poolt jäetavad jäljed on kosmeetilised defektid ja tavaliselt on neid võimalik paigutada nii, et nad protsessi hilisemas osas stantsitakse välja. Keevitamisele kuuluvad detailid saab väga täpselt positsioneerida kasutades lahtilõikamise nuppe. Need on detilide üksteisest eraldamisel väiskontuurile jäävad nupukesed. Teise detaili pinnale stantsitakse avad. See lubab detailide hilisemal koostamisel neid täpselt paigutada ilma rakisteta. Nagu konstrueerimisel alati, konstruktor peab olema teadlik detaili valmistamise protsessi tugevatest ja nõrkadest külgedest. Sii tuleks baasideks määrat avade teljed, mitte servad. Seda seepärast, et servapinnad võivad olla koonilised, mis moonutavad mõõtmeid. Seepärast on otstarbekohane siin määrata eraldi mõõdu tolerants ja kujuhälve. Tavaliselt on tolerants piires ±0,12 kuni ±0,40.

5.2.2. Tehnoloogilise protsessi projekteerimise kirjeldus Projekteerimisprotsessi kujutav skeem on toodud joonisel 5.6. Nagu iga tehnoloogilise protsessi puhul on ka siin lähtealuseks toote (detaili) mudel. Toote mudel koos tooriku mudeliga moodustab töötlemismudeli. Seejärel antakse operatsiooni üldine kirjeldus – operatsiooni nimetus, press, stantsid jne. Edasi defineeritakse pingi juhtimiseks vajalikud liikumiskäsud (laused). Nendest lausetest moodustatakse CL Data (Cutter Location Data) fail. See on standardile ISO-4343 1978 vastav tööriista järjestikuste asendite (liikumiste) kirjeldus. Selle standardse vahekeele alusel genereerib postprotsessor konkreetse pingi sisendkeeles juhtprogrammi, mille alusel toimub töötlemine.

66

67

Sele 5.5 FINN-POWER revolverpressi ütdvaade

Sele 5.6 Indekspesad on pööratavad

Sele 5.7 Kõverjoone stantsimine näksimisega

68

Sele 5.8 Revolverpressil ümara templiga töödeldud toorikud ja mõned venitustööriista kujundid

Sele 5.9 Vasakul näide positsioonjuhtimisest (kasutatakse avade jt elementide töötlemisel) ja paremal kontuurjuhtimine (kasutatakse kõverjooneliste kontuuride töötlemisel).

Toote mudel

Töötlemismudel PressidTöötlemiskeskused

Operatsioonikirjeldamine

NC lausetedefineerimine

CL Data faililoomine

Postprotsessor

NC pressijuhtsüsteem

StantsidLehtmaterjalitöötlemine

Joonis 5.6

5.2.3. Töötlemismudel Raalkonstrueerimissüsteemide terminoloogias kujutab töötlemismudel endast väljstantsitavatest detailidest ning toorikust (lehest) koosnevat koostu (joonis 5.8). Tehnoloogilise protsessi projekteerimisel on aluseks detaili mudel. Projekteerimisel revolverpressidele peavad kõik töötlemismudelisse paigutatavad detailid olema sirgestatud olekus (tasapinnalised). Kui on tegemist painutatud detailidega tuleb nad enne sirgestada (joonis 5.7). Selleks on igas CAD süsteemi lehtmetallist detailide projekteerimise moodulis vastavad vahendid.

Joonis 5.7

Lisaks sellele tuleb töötlemismudelis kindlalt määrata koordinaatsüsteem. Seda on vaja pingi liikumiskäskude genereerimiseks. Töötlemismudel moodustatakse kas kasutades standardseid CAD süsteemi koostude modelleerimise tööriistu või spesiaalsete programmide abil. Reeglina müüakse koos pingiga ka mingi tarkvara selleks otstarbeks.

Joonis 5.8

Ühte töötlemismudelisse võib paigutada erinevaid detaile. Suures osas sõltub see

69

töötlemisprogrammist, kuid tavaliselt annab eri suuruses detailide kasutamine ühes töötlemismudelis üsna tuntava materjali kokkuhoiu (joonis 5.9). Selle kinnituseks võrrelge jooniseid 5.8 ja 5.9.

Lähtemudel 1 Lähtemudel 2 Joonis 5.9

Toote (lähte-) mudel, kujutab endast lõpetatud toodet ja see on aluseks kõigi NC lausete moodustamisel. Projekteerimisel valitakse elemendid, pinnad, elementide orientatsioon ja toote mudeli servad kui baasid iga NC lause moodustamiseks. Kui kasutada siin programmeerimiseks integreeritud CAD/CAM süsteemi, näiteks Unigraphics või Pro/ENGINEER kaasneb sellega eelis, mis eraldiseisvate süsteemide puhul puudub. Toote mudeli geomeetria kasutamine integreeritud süsteemis loob parameetrilised suhted toote mudeli ja töödeldava tooriku vahel. See tähendab, et kui toote mudelit muudetakse muutuvad automaatselt ka kõik nende muutustega seotud NC laused. Töötlemismudeli koostamist (detailide paigutamist lehele väljalõikamiseks) tähistatakse ingliskeelse terminiga nesting. Kaasajal kasutatav tarkvara võimaldab seda operatsiooni teostada käsitsi või automaatselt. Mõlemal juhul tuleb arvestada, et detailid tuleb paigutada lehele teatud vahekaugustega. Paigutamisel võib ette anda kas detailide sammu või nende vahekauguse.

Kasutades sammu Kasutades vahekaugust Joonis5.10

Üheks võtteks nestingu kiirendamisel on gruppide või rakkude kasutamine. Väikeseid detaile suurele lehele paigutades hakkavad tavaliselt detailide asetuse teatud konfiguratsioonid korduma. Näiteks joonisel 5.9 alumises reas kujutatud 4 detaili moodustavad sellise raku. Nestimise süsteemid lubavad need 4 detaili ühendada ühte ristkülikukujulisse rakku ja edasises protsessis paigutada lehele neid ristkülikukujulisi detailide gruppe. Paljudes CAM süsteemides on ka automaatse nestimise moodulid. Nende kasutamisel tuleb süsteemile ette anda rida parameetreid ja tingimusi, mille alusel toimub nestimine. Esimeseks parameetriks on detailide arv (partii suurus). Edasi moodustatakse igale detailile ümbris ja seotakse detail sellega. Seega autonestingus süsteem ei opereeri mitte detailide vaid ümbristega. Antakse ette kas detaili võib nestimisel pöörata või mitte. Seejuures kas on lubatud kõik nurgad või toimub detailide pööramine etteantud sammudega. Vaikimisi

70

võetavaks pööramise sammuks on 90°. Valitakse detilidevaheline kaugus. Seejuures määratakse vaikimisi võetav profileerimistempli laius. Seda edaldi nii välistele profiilidele kui sisemistele. Programmistil on võimalus määrata kas nestimisel kasutatakse gruppe või mitte. Gruppide kasutamisel määratakse maksimaalne grupi pikkus ja laius. Vaikimisi on grupi mõõtmeteks töötlemistsooni mõõtmed, mis tähendab, et gruppe ei kasutata. Operaator määrab mitu korda süsteem optimeerib detailide paigutust grupis. Määratakse prioriteetide kaalud. Kui lubatakse detaile paigutada üksteise sisse, siis määratakse ka minimaalse ava suurus millistesse võib proovida teist detaili asetada. Automaatsel nestimisel on üheks oluliseks funktsiooniks detailide järjekorra juhtimise funktsioon. Selle funktsiooni kasutamisel määratakse teatud detailidele nestimise järjekorra prioriteedid. Selle funktsiooni kasutamine on eriti otstarbekas suurte ja mitmekesiste tootmismahtude puhul. Teatud prioriteetidega detailide hulgad juhivad kogu nestimise protsessi. Tavaliselt kasutatakse süsteemides prioriteetide skaalat 0 kuni 100-ni.

5.2.4. Presside andmebaas Tavaliselt sisaldab presside andmebaas järgmisi kirjeid: Pressi (töötlemiskeskuse) tüüp. Kaasaegses masinaehituses kasutatakse presse, mis täidavad serva näksimise (nibbling), pinna näksimise, avade stantsimise, vormimise ja lõikamise lauseid. Lehtmaterjali töötlemises on olulise koha haaranud laserlõikepingid. Küllalt palju on viimastel aastatel kasutust leidnud töötlemiskeskused, mis ühendavad endas revolverpressi ja laserlõikuse. Siin väiksed standardse kujuga avad stantsitakse ja suured ebakorrapärase kujuga avad lõigatakse laseriga. Peale töötlemiskeskuse tüübi määramist valitakse: pressi nimetus, parameetrid, revolverpea seadistuse tähis ja kirjutatakse vajalikud kommentaarid.

5.2.5. Revolverpeade andmebaas Revolverpea seadistamisel valitakse igasse revolverpea positsiooni stantsi kuju ja defineeritakse selle mõõtmed. Samas määratakse ka kas stants on revolverpea pesas indetseeritav. Kuna revolverpressi stantsid on väga täpsed tooted, siis neid reeglina ettevõtetes kohapeal ei valmistata. Revolverpea komplekteerimisel tuleb meeles pidada, et revolverpead reeglina ei komplekteerita ühe detaili stantsimiseks vaid detailide grupi jaoks.

Tabel 1 Standardsed stantside kujud

Ümar

Ristkülik

Ümarotstega ristkülik

Ümardatud nurkadega ristkülik

71

Banaan

Kuusnurk

Kaheksanurk

Trapetsoid

Nurk 1r

Nurk 4r

Kolmnurk

5.2.6. Operatsiooni defineerimine Töötlemisprotsessi koostamine algab operatsiooni defineerimisega. Esmalt defineeritakse operatsiooni nimi. Seejärel valitakse andmebaasist töötlemiskeskus. Kui vajalikku töötlemiskeskust andmebaasist ei leia, siis enamus CAM süsteeme võimaldab kirjeldada pressi operatsiooni defineerimise käigus ja seejärel viia need andmed andmebaasi hilisemaks kasutamiseks. Sama kehtib ka revolverpea kohta. Kui töötlemismudeli koostamise käigus jäi määramata selle asend koordinaatsüsteemis (koordinaadistiku alguspunkt ja telgede orientatsioon töötlemismudeli suhtes) tuleb see määrata siin, sest ilma selleta ei ole süsteem võimeline genereerida CLData faili. Sisestatakse programmi paremaks mõistmiseks vajalikud kommentaarid. Määratakse operatsiooni parameetrid. Milliseid parameetreid on kasutatavale süsteemile vaja määrata selgub töö käigus.

5.2.7. Töötlemisradade genereerimine Revolverpressile genereeritud töötlemisrada kujutab endast omavahel sirgetega ühendatud templi löögipositsioone. Seega võime töötlemisraja võib tinglikult jagada väiksemateks elementideks – käikudeks ja löökideks. Löök tähistab kohta kus tempel on materjali eraldamiseks kontaktis töödeldava materjaliga. Käik aga tööriista liikumine järgmisse löögipositsiooni. Süsteem, toetudes operaatori poolt valitud NC lause tüübile (avade stantsimine, serva näkitsemine, pinna näkitsemine vormimine jne), alusgeomeetriale ja töötlemisparameetritele genereerib automaatselt töötlemisraja. Kõige lihtsamini genereeritav on avade stantsimine, see töötlemine kus kogu geomeetriline element stantsitakse ühe löögiga. Süsteem skaneerib töötlemismudelit töötlemisala ulatuses ja leiab järjestikku kõik antud stantsi kujule ja mõõtmetele vastavad avad. Töötlemisrajaks on liikumine ühest avast teise jne. Ka serva näkitsemise funktsioon genereerib tööriista töötlemisraja punktist-punkti. Kuid siin genereeritakse töötlemisrada piki programmisti poolt valitud detaili servi. See töötlemisrada koosneb üksikutest käikudest, mille otstes on löögid. Löökide vahekauguse (käigu pikkus) arvutab süsteem tööriista tegelike mõõtmete alusel.

72

Vaikimisi võetult on mööda igat detaili serva genereeritud töötlemisrada võrdne selle servaga. Kuid siin on programmistil võimalus määrata kontuuril punktid, kuhu süsteem jätab raputusliistud või projekteerib ülekatted – kus töötlemisrada on trimmitud või venitatud spetsifitseeritud suuruse võrra vastavalt. Kui NC lausesse valitakse tempel-matriits, mis on liiga pikad, et ilma sisselõikamiseta stantsida mõnda kontuuri elementi, siis töötlemisrada sellele kontuuri elemendile ei projekteerita. See peegeldub NC Data failis ja materjali eraldamise simulatsioonis. Programmist peab siin modifitseerima NC lause, et kasutada väiksemat templit, või programmeerida eraldi laused nendele servadele.

Tempel Tempel Tempel

Tempel

Raputusliist

Raputusliist

Ülekate/2

Baasservad Baasservad Baasservad

Baasserv

a) vaikimisi

b) raputusliistuga

c) ülekattega

Joonis 5.11

Ülekatte suurust võib mõnedes CAM süsteemides kasutada ka templi järgmise asendi juhtimiseks (joonis 5.12) kõverate stantsimisel. Samaks otstarbeks on on kasutatav ka suurus konaruste kõrgus. Lähtudes programmisti antud suurusest arvutab süsteem järgmise templi asendi. Seda funktsiooni saab kasutada ainulr nendes revolverpea positsioonides, millised on indekseeritavad.

Tempel

Ülekate

Konaruste kõrgus Baaskontuur

Joonis 5.12

Üks lause võib sisaldada mitu erinevat tööriista. Neid riistu võib kas automaatselt või käsitsi suunata servale, aasale või ahelale. Nurkade stantsimiseks kasutatakse tavaliselt eritööriistu. Analoogne on pinna näkitsemine (joonis 5.13). Siin süsteem genereerib töötlemisraja, mis katab kogu detaili kinnise kontuuriga ümbritsetud pinna.

Lähtedetail

Toorik Stantsitav ala

Joonis 5.13

73

Reeglina tuleb CAM süsteemides projekteerida töötlemisrajad vaid igale originaaldetailile. Samadele detailidele saab töötlemisrajad lihtsalt kopeerida. Süsteem juba ise leiab, kas detaili on võrreldes originaaliga pööratud või ei ja vastavalt sellele modifitseerib töötlemisrajad.

5.2.8. NC lausete loomine Iga NC lause kirjeldab seeria tööriista liikumisi koos teatud postprotsessori sõnadega. Need sõnad juhivad pingi tööd – nende alusel postprotsessor genereerib abi- kui ettevalmistusfunktsioonide käske. Loomulikult on operaatoril võimalik vajaduse korral laskuda madalamale tasemele nagu näiteks käsitsi korrigeerida süsteemi poolt genereeritud töötlemisradasid jne. NC lauseid ei ole vaja luua eraldi kõigile töötlemismudelis olevatele detailidele. Piisab kui igale esindajale see luuakse. Samadele detailidele saab olemasolevad NC laused lihtsalt kopeerida.

5.2.9. Töötlemisalad ja klambrid. Töötlemise ajal on toorik kinnitatud pinki klambrite abil. Kuna tooriku liigutamine toimub väga kiirelt, siis peab kinnitus olema tugev. Seetõttu on tooriku kinnitusklambrid detaili servas küllaltki massivsed ja nad ei või liikuda väga lähedale stantsi tööpositsioonile. Kogu töötlemise aja paigal seisvad klambrid põhjustavad küllaltki suure materjali kao. Et seda vältida tuleb töötlemise käigus klambrid ümber asetada. Süsteemi häälestamise ajal defineeritakse masinaalad ja paigutatakse klambrid lehtmaterjalist töötlemismudelile. Süsteem genereerib töötlemisrajad ainult defineeritud masinaalas. Selles alas töödeldakse elemendid ilma klambreid ümber paigutamata. Klambri ümberpaigutamiseks nihutatakse töötlemisala ja viiakse klamber töödeldud alasse (joonis 5.14).

Klamber Töötlemisala piir Joonis 5.14

Töötlemisalade kasutamisega on võimalik juhtida ka töötlemise järjekorda, sest nagu juba nimetatud toimub töötlemine ainult defineeritud töötlemisalas. Joonisel 5.15 on näidatud avade stantsimise järjekord ilma töötlemisalata stantsimisel (kui töötlemisala ei ole defineeritud on töötlemisalaks kogu pressi tööulatus) ja defineeritud töötlemisala korral. Kui näksimisele kuuluv detaili serv lõikub töötlemisala piiriga genereeritakse CL Data ainult kuni selle piirini ja ülejäänud serva töötlemiseks siis kui töötlemisala on nihutataud.

74

Ilma töötlemis-alata

Töötlemis-alaga

Töötlemisala piirid

Joonis 5.15

Lisaks töötlemisaladega juhtimisele on tavaliselt CAM süsteemides veel teisigi töötlemise järjekorra juhtimise võimalusi. Üheks esmaseks võimaluseks on detailidekaupa töötlemine. Siin töödeldakse detail algusest lõpuni, enne kui algab järgmise detaili töötlemine. Seda viisi võib kasutada kui detailis ei ole eriti palju erineva kõõduga avasid. Vastasel juhul kulub liiga palju aega pidevale stantside vahetamisele. Teiseks on skaneerimise suuna etteandmine (joonised 5.16 ja 5.17). Koordinaattelje suunaliste liikumiste minimiseerimine X-telje suunas (joonis 5.16a) ja Y-telje suunas (joonis 5.16b).

a) b)

Joonis 5.16

Joonisel 5.17 on näidatud skaneerimise skeem ühesuunalisel skaneerimisel (joonis 5.17a) ja kahesuunalisel skaneerimisel (joonis 5.17b).

a) b)

Joonis 5.17

75

6. KOOLUTAMINE

pärineb juba ste jõul kiiresti lmistas pinna

rohkem kui 75 laua (spindli)

ul, kasutades e töö. Hiljem, ga juhitavaid

. Need pingid vabastasid töölise küll raskest füüsilisest tööst, kuid nende pinkide ettevalmistamine teatud toote vormimiseks oli pikk ja üsna keeruline protsess. Tänapäeval, nagu ka muudes tootmisviisides kasutatakse arvjuhtimisega koolutuspinke.

6.1. Pingid

Tänapäeval koolutamiseks nimetatav materjalide kujumuutmismeetodvanas Egiptuses kasutatud savinõude voolimisest pöörleval laual. Lihapöörlev potikeder, mida kasutati juba 3000 aastat enne kristust vakaasaegsele metallikoolutamisele. Metallikoolutuspinke valmistatakse aastat. Esimestes pinkides oli mehaanilisele ajamile viidud ainult tööpöörlemine. Metalli vormimine - koolutamine toimus inimlihaste jõspetsiaalseid koolutusrulle (joonis 6.1). See oli füüsiliselt küllaltki raskeelmise sajandi 60-ndatel hakati kasutama hüdraulilisi, šabloonidekopeerpinke (joonis 6.2)

Joonis 6.1

Koolutuspinkide areng jatkub. Pingid on programmeeritavad nii eeskujuga kui numbriliselt CNC koodis või kombineeritult – eeskujuga koos CNC koodis kirjutatud alamprogrammidega (Joonis 9.3)

Joonis 6.2

76

Eeskujuga programmeerimisel valmistab operaator esimese detaili käpinki juhtkangi abil. Kuna operaator reageerib suhteliselt aeglaselt stöödeldakse ka suhteliselt aeglastel kiirustel. Pingi juhtsüsteem salvetöötlemisel kõik pingi liikumised koo

sitsi, juhtides iis see detail

stab detaili s täiendavate funktsioonidega nagu

profileerimine, mehaaniline töötlemine, lõikamine jne.

Joonis 6.3

Kui esimene detail on edukalt töödeldud ja kõik nõuded seejuures täidetud võib programmi.

rus antud metalli vormimisel lubatud maksimumini. õi väljaspool

esemeid kui

iseks olema rgekaaluliste de suheliselt

ntsid. Selliste nõuete rahuldamiseks peavad koolutuspinkidel olema kiirekäigulised spindlid, koolutava rulli nii piki- kui ristiajamid peavad arendama

ejõudu ning olema pika käiguga. Lisaks sellele peab selline pink olema kergesti käsitletav ja kiiresti ümberhäälestatav. Koolutuspinkidel valmistatakse

umuskindlast meetrise läbimõõduga mahutite ja rakettide osasid.

4 500 000

6.2. Meetodid

Koolutamisel kasutatakse kahte põhilist meetodit: mitmeülekäiguline koolutamine ja vormimine (koolutamine) nihkega.

Mitmeülekäigulisel koolutamisel surutakse kettakujuline toorik tagapuki ja torni vahele kinni kus see pöörleb koos spindliga. Koolutusrull on tasapinnalises (kahekoordinaatses) koordinaadistikus programmeeritud rea koolutusliikumiste sooritamiseks - samm-sammuliseks metalllehe tornile vormimiseks (joonis 6.4).

alustada detailipartii vormimist, kasutades selleks seda salvestatudNüüd tõstetakse töötlemiskiiVajaduse korral korrigeeritakse salvestatud programmi kas otse pingil vseda – büroos vastava tarkvara abil.

Need pingid on võimelised efektiivselt tootma nii plaatinast üksikhiigelkoguse alumiiniumreflektoreid.

Töökindlal tänapäevasel koolutuspingil peab stabiilsuse garanteerimkindel minimaalne mass. See mass tagab vibratsioonivaba töö kedetailide töötlemisel suurtel kiirustel ja seega õhukeseseinaliste detailiväiksed tolera

küllaldast surv

näiteks 40 mm paksusest süsinikterasest ja 25 mm paksusest kuroostevaba terasest kuni 4Selliste detailide valmistamisel peab koolutusrull arendama kuni njuutonilist survet.

77

Kasutades lisasuportites olevaid tööriistu või vahetades neid koolutusooritatakse lõppoperatsioo

srulli asemele nid nagu profileerimine, mehaaniline töötlemine, serva

trimmimine, lokkimine, ääristamine.

Joonis 6.4

nagu sügavtõmbamisel

toorik detail ,

iste metallide e.

Mitmeülekäigulise koolutamise üheks alaliigiks on päitmine. Sageli nimetatakse seda töötlemisviisi ka "koolutamiseks õhus" kuna see operatsioon ei nõua tooriku sisemist toestamist. Kasutatakse seda viisi eelnevalt sügavtõmmatud või koolutatud detailide seinte osaliseks vormimiseks, näiteks suuava läbimõõdu vähendamiseks (joonis 6.5,a). Detaili kvaliteedi tõstmiseks kasutatakse ka sisemisi segmenteeritud torne (joonis 6.5,b) või sisemisi eksentriliselt asetatud rulle (joonis 6.5,c).

Lähtetooriku mõõtmed arvutatakse siin

S = (0,9...0,93) S

Kus Stoorik - tooriku pind ja Sdetail – detaili pind.

Valem arvestab koolutatava materjali pinna suurenemist 7...10%.

Pöörete arv terase koolutamisel on 400 - 600 pööret/min, värvilkoolutamisel 800 - 1200 pööret/min, rulli etteanne 0,1 - 0,8 mm/pöördel

a) b) c)

Joonis 6.5

agu juba nimetatud on teiseks põhiliseks koolutamise viisiks vormimine nihkega. Selle töötlemisvariandi puhul nihutatakse vormitav metall telje suunas. Koonilised, kumerad ja nõgusad tooted vormitakse rulli ühe käiguga (joonis 6.6, joonis 6.7). Erinevalt mitmekäigulisest koolutamisest võetakse siin kettakujulise tooriku läbimõõt võrdseks toote lahtise otsa läbimõõduga. Siin on tootmisprotsess oluliselt kiirem kui mitmekäiguline koolutamine. Toote seinapaksuse vähenemine on tahtlik ja sõltub koonuse nurgast (joonis 6.8). Toote seinapaksus määratakse:

N

αsin01 ss = , kus

78

s1 – toote seinapaksus, sus,

α – koonuse nurk. s0 – tooriku pak

Joonis 6.6 Joonis 6.7

Vormimine nihkega on sobiv kooniliste, nõgusate ja kumerate õõneskehade valmistamiseks, mille kontuuride kaldenurk on piires 12 kuni 80°.

s1 s0

s0 β P′

s0

s0

P P′

P

Joonis 6.8

beteguriga m mitmel tornil,

gmisel siirdel

ega on tegemist küllalt suurte plastiliste deformatsioonidega ne plastilise

rne nõue nihkevormimise projekteerimisel. Materjali tugevnemist plastilise deformatsiooni tulemusena vaadeldakse sageli kui konstruktsiooni parandamist. Näiteks 30° nurgaga koonilise detaili külmal deformeerimisel on on materjali kalestumisel selline, et tugevusnäitajate poolest on võrdsed 1,6 mm paksune pehme teras ja 1,1 mm paksune kalestunud materjal. See näitab, et kasutades vormimist nihkega on võimalik kokku hoida ligi 50 protsenti materjalist.

Lisaks materjali kokkuhoiule, on koolutamisel nihkega eeliseks lühike töötlemistsükkel ja saadava toote ideaalne pind.

Ühe rulli läbimiga on võimalik saada silindrilisi õõneskehasid sügavtõm= 0,70 - 0,80. Suurema kõrgusega silindrite saamiseks tuleb koolutada sügavtõmbeteguriga igal operatsioonil mn-1 = 0,80 - 0,90.

Väiksema kaldenurgaga kooniliste detailide saamiseks tuleb igal järvähendada kaldenurka 5 - 10° võrra.

Kuna vormimisel nihkkaasneb sellega oluline materjali kalestumine. Materjali käitumise tundmideformatsiooni käigus on elementaa

79

6.3. Majanduslik otstarbekus

koolutusviise lus realiseerida ühes

ne.

mine nõuab ka seadmed

e, milleks on tavaliselt vaid lõpptoote sisemise kujuga tornid, 10-15 korda väiksem vastavate

15-20 korda

kujuga tooteid, e loomisel. Nagu kõigi

d silma kõrge tailide täpsus mm.

Töös tehtavad muudatused sooritatakse tavaliselt kas pingil või väljaspool seda töötlemisprogrammi

isaks sellele kaasaegse koolutusmeetodi seadmed ja rakised ja kiirelt minimaalsete kulutustega muuta.

egsete koolutusseadmete eeliseid:

,

• Optimaalne kiudude asend tootes,

Toote kõrge mehaaniline tugevus ja kõvadus,

tsükliajad.

a keskmise

i mineraalõli ja msed rasvad

ti, seepärast tuleb pooltooteid vahepeal lõõmutada.

Viimase kolme aastakümne jooksul on koolutamine tänu järgimisega ja arvuliselt programmeeritavatele pinkidele muutunud täiesti konkurentsivõimeliseks pressimisele ja sügavtõmbamisele. Koolutamise eelisteks on protsessi paindlikkus ja rakiste madal hind. Koolutustornid valmistatakse puidust, malmist, terasest või alumiiniumist. Pingi häälestamine uue toote valmistamiseks on suhteliselt lihtne ja kiire. Võimalus valida tervest reast abiseadmete hulgast on viimase aja koolutuspingid muutnud mitmeotstarbelisteks koolutuskeskusteks.

Koolutamise muudab eriti efektiivseks võimalus kombineerida erinevaid(mitmeülekäigulist ja nihkega vormimist) aga samuti võimaseadistuses täiendavaid vormimise ja mehaanilise töötlemise operatsioo

Võrreldes selliste meetoditega nagu pressimine ja sügavtõmbakoolutamine oluliselt väiksemaid jõude ja võimsusi. Selletõttu on tunduvalt odavamad. Vastupidiselt stantsidele on koolutusabinõud

stantside maksumusest. Seetõttu on ka pooltoodete juurutamise aegvõiksem.

Koolutusmeetoditega on võimalik valmistada väga erineva keerulise mis pakuvad piiramatuid võimalusi konstruktoritele uute toodetrullimismeetodite puhul, nii ka koolutamisel saadud tooted paistavapinnasiledusega, pinnakonaruste kõrgus võib olla 1-6 µm. Toodetud deon tavaliselt 11 – 13 täpsusastme piires, suurte läbimõõtude puhul ±0,5

Koolutusprotsess torkab silma ka oma paindlikkusega.

korrigeerides. Lvõimaldavad operaatoril neid lihtsalt

Kokkuvõtteks võib loetleda kaasa

• Paindlikkus,

• Kõrgendatud automatiseerimise tase

• Väga madal pragude levimise risk,

•

• võimalus ühes seadistuses läbi viia mitut erinevat operatsiooni,

• Lühikesed

Meetod on efektiivne nii pototüüpide valmistamisel kui ka võike- jseerialises tootmises kui ka teatud juhtudel suurseeriatootmises.

Koolutamisel tuleb kasutada määrdeõlisid, terase puhul mineraalõli võgrafiidi segu; värviliste metallide puhul annavad paremaid tulemusi looja taimeõlid. Koolutamisel materjal kalestub tugevas

80

81

klis teostada ine, profileerimine, ääristamine, vormimine,

Uute toodete projekteerimisel tuleb meeles pidada erinevate koolutusmeetodite

eskehasid pehmest terastest paksusega kuni 3,5 mm, alumiiniumist ja vasest paksusega kuni 6 mm.

Koolutamisega on võimalik toota ka välis- ja siseribidega detaile.

Kaasaegsed pingid on lihtsalt käsitletavad ja võimaldavad ühes tsümitmeid operatsioone kaasa arvatud silumvaltsimine, trimmimine, ja mehaaniline töötlemine.

võimalusi ja neid toote konstrueerimisel kasutada.

Valmistatakse silindrilisi, sfäärilisi ja koonilisi õõn

7. HÜDROVORMIMINE

7.1. Hüdrovormimise protsess

Hüdrovormimine (hydroforming), mida mõnikord nimetatakse ka vedelikvormimiseks (fluid forming) või kummidiafragmaga vormimiseks (rubber diaphragm forming) võeti kasutusele möödunud sajandi 40-ndate aastate lõpus ja 50-ndate alguses, kuna oli tekkinud terav vajadus leida odav meetod sügavtõmmatavate detailide tootmiseks väikeste partiidena.

Tänaseks on vormimise protsess oluliselt täiustunud. On välja töötatud spetsiaalsed seadmed ning täiustunud tehnoloogia, on oluliselt suurenenud protsessi kiirus ja avardunud tehnoloogilised võimalused. Praeguseks on hüdrovormimine muutunud ahvatlevaks alternatiiviks traditsioonilisele stantsides vormimisele, seda just assümeetriliste ja ebakorrapäraste kontuuridega detailide valmistamisel eriti individuaal- ja väikeseeria tootmise hinnatundlikes tingimustes.

Lehtmaterjali hüdrovormimise põhimõtet illustreerib joonis 7.1. Toorikuhoidja 2 on varustatud tihenditega. Konteiner 5 täidetakse mingi vedelikuga, milleks tavaliselt on mineraalõli vesiemulsioon. Peale seda kui toorik on asetatud stantsipoolte vahele pressib toorikuhoidja lehe kinni. Kuna vedelik ei ole kokkusurutav tekitab alla liikuv tempel vedelikus rõhu, mille toimel vormitav leht mähitakse ümber templi.

3 2 2 11

5 4 4 3

7 7

6 65

FN FST FNFNFN

PQ

1 – Tempel 2 – Tooriku hoidja 3 – Toorik 4 – Surve vedelik 5 – Konteiner 6 – Tihend 7 – Pressi laud

Joonis 7.1

Kuna templi alla liikudes vedeliku kambri maht väheneb, tuleb vedelikku kambrist välja lasta hoides kindlat vedeliku survet PQ. Kui vedelik on ainult ühes kambris nagu kujutatud joonisel 6.1 ja protsessi käigus hoitakse konstantset vedeliku survet, tekib toestamata deformeeritava materjali läbivajumine (joonis 6.2)

Tempel

Tempel

Joonis 6.2

82

Selleks, et vältida tooriku läbivajumist ei hoita tavaliselt vedeliku rõhku protsessi käigus konstantsena, vaid selle suurus muutub vastavalt templi asendile. Rõhu reguleerimiseks kasutatakse küllaltki keerukat juhtimissüsteemi (joonis 7.3).

Arvuti

Tempel

Vedelikukamber

Täiteava

TermopaarRõhuandur

Rõhuregulaator

Joonis 7.3

Hüdrovormimisel kasutatakse kahte peamist meetodit: vormimist venitamisega ja sügavtõmbamist. Esimesel juhul on materjal äärtest kinni surutud nii, et see ei saa libiseda stantsiõõnsusesse. Toote ruumiline kuju moodustatakse täielikult materjali venimise arvelt, mis tähendab, et toote vormimisel lehe venimine ei tohi ületada materjali suhtelist pikenemist. Teisel juhul, sügavtõmbamisel, tõmmatakse toorikut stantsi õõnsusse samal ajal teda vormides.

Lisaks nimetatutele kasutatakse mitmeid täiendavaid protsessi variatsioone:

Aktiivne hüdrovormimine (Active hydroforming) – see on protsess, kus vedelik pressib tooriku matriitsi seinte vastu, ehk teiste sõnadega toode vormitakse matriitsi õõnsusesse;

•

•

•

Viskoosne pressvormimine (Viscous pressure forming) – vedeliku asemel kasutatakse mingit viskoosset materjali, näiteks kummi;

Paindlik vormimine (Flex forming) – vedelik surub elastsele polümeermembraanile, mis mähkub ümber lehe ja templi.

Hüdrovormimist kasutatakse ka kahe lehe üheaegseks vormimiseks (joonis 7.4). Sel puhul on toorikuks kaks serva pidi kokku keevitatud lehte. Selleks jäetud ava kaudu surutakse lehtede vahele pressimiseks vajalik vedelik. Selle tehnikaga on võimalik pressi ühe käiguga vormida näiteks transpordivahendite kütusepaake.

Joonis 7.4

83

7.2. Protsessi analüüs

Uue toote optimaalse valmistamismeetodi määramine nõuab rakendatava tootmisprotsessi põhjalikku tundmist. Lehtmaterjali vormimise projekteeriminel on vaja üsna põhjalikult mõista deformatsiooniprotsessi aluseid. Poolsfääriliste ja muude sellelaadsete (autolaternad) alumiiniumsulamist või terasest lehtmaterjalist toodete sügavtõmbamine ja vormimine kujutab endast küllaltki keerukat tehnilist probleemi.

Joonisel 7.5 on kujutatud detaili vormimist pookerakujulise templiga. Protsessi alguses paigutatakse toorik stantsi alumisele poolele nagu näidatud asendis 1. Seejärel liigub stantsi ülemine pool (vedeliku kamber) alla ja surub tooriku tihedalt stantsipoolte vahele (asend 2). Nii nagu hüdrovormimisel nii ka sügavtõmbamisel on protsessi algul (asend 2) lehtmaterjal suures ulatuses lahti. Seetõttu on suur oht voltide tekkimiseks. Nüüd täidetakse kamber vedelikuga. Protsessi sellest punktist alates hakkab tempel liikuma ülesse sundides lehte võtma poolsfääri kuju (asend 3). Voltide tekkimise ohu vähendamiseks tuleks materjal servadest kõvemini kinni suruda, kuid kuna templi poolt arendatav jõud rakendub suhteliselt väikesele pinnale, tekib materjali rebenemise oht. Kui tempel alustab liikumist ülesse, kambri maht väheneb ja kuna vedelik ei ole kokku surutav, siis vedelik hakkab vormima toorikut. Kambris oleval vedelikul on kaks ülesannet. Esiteks lükkab vedeliku vastusurve oluliselt edasi materjali purunemise alguse, kuna materjal kalestub oluliselt vähem kui sügavtõmbamisel ja teiseks surub surve all olev vedelik materjali tihedalt vastu templit, tõstes sellega oluliselt toodete täpsust.

Vedeliku kamber

Surve-rõngas

Tempel Toorik 1

2

3 4

Joonis 7.5

Kuna vedelik ei ole kokkusurutav, nagu juba märgitud, siis templi ülesliikumisel kolmandas etapis surub vedelik toorikule ja püüab teda mähkida ümber templi (joonis 7.5 ). Kui nüüd mitte alandada vedeliku rõhku, siis vedelik purustab toote. Liigsel rõhu alandamisel aga ei mähku toorik ümber templi ja tekkivad voldid (joonis 7.6).

84

Rebendite ohu ala

Kortsude ohu alaOptimaalne vedeliku

rõhkja

templi käik

Templi käik

Vede

liku

rõhk

Joonis 7.6

Seega võib hüdrovormimisega stantsides protsessi oluliselt mõjutavad tegurid jagada kahte suurde kategooriasse: töödeldava materjali omadused ja vedeliku rõhk ja selle sõltuvus templi asendist. Materjali puhul on vaja teada materjali käitumist ja vastavalt sellele ta ka valida. Teiseks ülesandeks on leida see tundlik tasakaal vedeliku rõhu ja hüdrovormimiseks valitud materjali plastsuse vahel. Vedeliku rõhk peab olema küllaldane selleks, et materjalile templi kuju andmiseks seda venitada ja painutada, seejuures peab materjal olema küllaldaselt plastiline, et see toimuks ilma purunemiseta. Et viia miinimumini nii voltide tekkimise kui ka materjali rebenemise oht on peamiseks ülesandeks määrata vedeliku surve sõltuvalt templi asendist protsessi käigus.

Lisaks sellele mängib oma osa materjalide anisotroopsus.

Eeltoodut illustreerib Michigani ülikooli mehaanika osakonna tedurite N. Abedrabbo ja F. Pourboghrat'i poolt läbi viidud hüdrovormimise protsessi arvutuslik ja eksperimentaalne uurimus.

Lähtemudelid loodi süsteemi Unigraphics abil ja imporditi lõplike elementide süsteemi IGES failidena. Lõplike elementide võrgu loomisel ja ääretingimuste määramisel kasutati Hypermesh'i ning analüüsi sooritamiseks ehitati LS-Dyna pealisehitus. Selle pealusehituse loomisel oli vajalik ka mõningane käsitsi korrigeerimine. Joonisel 7.7 kujutatud mudel sisaldas ligikaudu 10500 four-node pinnaelementi. Tahkekeha mudel sisaldas 40500 ruumilist elementi.

Joonis 7.7

85

Joonisel 7.8 on näidatud isotroopse materjali arvutuslikul simuleerimisel LS-Dyna mudelis vedeliku rõhul 70 psi tekkivad voldid.

Joonis 7.8

Joonisel 7.9 on näidatud samadel parameetritel reaalses katses tekkinud voldid. Erinevalt eelnevast on siin voldid ainult kahel pool templit. See on põhjustatud materjali anisotroopsusest.

Joonis 7.9

Selle väite õigsust kinnitab järgmine arvutuslik eksperiment, kus kasutatakse anisotroopset materjali R00=0.5; R45=0.55; R90=0.65.

Tulemus on kujutatud joonisel 7.10.

Joonis 7.10

86

Arvatakse, et lähema kümneaastaku jooksul kasvab lehtmaterjali hüdrovormimine oluliselt. Vaatamata sellele, et protsess on suhteliselt aeglane, pakub ta siiski teatud olukordades rea eeliseid võrreldes traditsioonilise sügavtõmbamisega. Kokkuvõttes võib lugeda hüdrovormimise eelisteks:

Odav rakistus – üldiselt on ainsateks nõutavateks stantsielementideks tempel ja surverõngas. Kummidiafragma on hüdrovormimispressidel kasutusel kui universaalne matriits. Hüdrovormimise stantsid maksavad normaalselt vähem kui 50% tavalisest sügavtõmbestantsist.

Mitmekülgsus keeruliste pindade ja kontuuride vormimisel – ebaregulaarsed kontuurpinnad on kergesti vormitavad kuna puudub vajadus keeruliste stantside järgi.

Minimaalne materjali õhenemine – hüdrovormimisel venib materjal vähem kui sügavtõmbamisel. Seetõttu on materjali õhenemine ka minimaalne – tavaliselt vähem kui 10%. Toote seina paksus avatud otsa juures on võrdne või natukene suurem kui tooriku paksus (see on suureks eeliseks trimmimise, keevitamise ja koostamise puhul). See on annab materjali kokkuhoidu, kuna on võimalik kasutada õhemaid toorikuid – eriti oluline on see kui kasutatakse kalleid sulameid või on tegemist suurte partiidega.

Nõutav on vähem operatsioone – paljud detailid mille valmistamiseks sügavtõmbamisega on nõutav kaks või kolm operatsiooni on hüdrovormimisel tehtavad ühe operatsiooniga. Hüdrovormimisel on esimene operatsioon võimalik sügavtõmbeteguriga 0,60 kuni 0,70 – võrdluseks sügavtõmbamisel on see 0,35 kuni 0,45.

Kokkuhoid stantsimaterjalide arvelt – harva on siin vajalikud kõvad tööriistaterased. Enamik templeid ja surverõngaid valmistatakse tavaliselt malmist – odavast, kergesti töödeldavast ja samas erakordselt kestvast materjalist. Väikeste partiide töötlemiseks valmistatakse templeid ka plastmassist.

Rakistuse kiire vahetus – Vormid on kiiresti paigaldatavad ja nad on isetsentreeruvad iseseadistuvad.

Kokkuhoid viimistlustööde arvel – Sügavtõmbamisel stantsides libiseb toote välispind üle matriitsi ümardusraadiuse, mille tagajärjel selle väliskiht kriimustub. Eriti kulunud stantside puhul. Hüdrovormimise puhul mässitakse toorik paindliku diafragma abil ümber templi, mille tulemusena kriimustusi ei saa tekkida. Viimistluse arvelt võib saavutada kuni 90% kokkuhoiu.

Töödeldavate materjalide mitmekesisus – Praktiliselt on hüdrovormimisel võimalik külmalt deformeerida kõiki lehtmaterjale – süsinikteraseid, alumiiniumi, roostevaba terast, vaske, pronksi, väärismetalle, raskesti töödeldavaid sulameid ja muid materjale. Materjalide paksus võib varieteeruda pressi poolt lubatavates piirides ilma, et oleks vaja vahetada stantse.

Täpsus – Hüdrovormimisega vormitakse äärmiselt keeruka ja raske kujuga detaile, samal ajal tagades nende väga väiksed tolerantsid. Tavaliselt ei esine vormitaval materjalil ebanormaalset tagasivetrumist, sisemised mõõtmed on sõtuvalt töödeldavast materjalist piires ± 0,05 ... ± 0,125 mm.

Kerge muuta toote konstruktsiooni – Traditsioonilisel sügavtõmbamisel moodustab tootearenduse maksumusest suure osa rakistuse maksumus.

87

Hüdrovormimisel on materjali paksuse muutmine tavaliselt võimalik ilma, et oleks vaja teha mingeid rakistuse muudatusi. Hüdrovormimine võib elimineerida või minimiseerida hulga sügavtõmbamise operatsioone, sellega kaasneb ka toote maksumuse vähenemine.

Suhteliselt väike materjali kalestumine – Hüdrovormimisel ei kalestu deformeeritav materjal samal määral kui traditsioonilisel sügavtõmbe operatsioonidel. Järelikult, peaaegu täielikult puudub vajadus operatsioonidevahelise lõõmutamise järgi.

7.3. Stantsimine kummiga

7.3.1. Väliskontuuri ja avade stantsimine

Üheks esimeseks elastse elemendiga stantsimise mooduseks oli stantsimine kummiga. Kasutatakse seda meetodit väiksemate detailide valmistamisel väikeste partiidena. Kaasajal kasutatakse kummi asemel tihti elastseid polümeere, näiteks polüuretaani.

Väliskontuuri kummiga lõikamise skeemid on toodud joonistel 7.11 ja 7.12. Lõigatakse harilikult hüdropressidel. Šabloonid valmistatakse terasest ning töödeldakse termiliselt kõvaduseni HRC 52-56. Šablooni paksus H võetakse 5-6s, lehe ulatuvus üle šablooni B 4-6 H. Matriitsiks on konteinerisse asetatud kummi (kummilehed). Kummi paksus Hk=(4-5)H. Täpsemad andmed on toodud joonisel 6.13. Lõikamiseks kasutatava kummi mehaanilised omadused:

tõmbetugevus 3 - 3,6 N/mm2

suhteline pikenemine 300-400%,

kõvadus Sh A 80.


Võib kasutada ka toorikule vabalt asetatud kummilehti, kuid siis on vastava erisurve saamiseks vajalik kummi deformatsiooniaste ja kulumine palju suuremad kui konteineris.

88


Vajalik survejõud

P=Fq (191)

kus F - kummi pind,

q - erisurve;

q = 15 N/mm2, mis vastab kummi kokkusurutavusele 20-25%.

Antud viisil on võimalik stantsida alumiiniumi paksusega kuni 3 mm,

duralumiiniumi " " 2 mm,

pehmet terast " " 1 mm.

Avade ja pilude stantsimisel võib tekkida vaid osaline lõige, kui ava läbimõõt või pilu laius on väiksem šablooni kahekordsest kõrgusest (joonis 7.14). Lõike tagamiseks kogu perimeetri ulatuses tuleb šablooni avadesse asetada kummipuhvrid teraslapiga vastavalt ava profiilile või kasutada rihveldatud alusplaati.

Selle meetodi puuduseks on suurem materjali kulu ja lõigatud pinna mitteküllaldane puhtus.

7.3.2. Sügavtõmbamine jäiga templi ja elastse matriitsiga

Sügavtõmbamist kummimatriitsiga kasutatakse väikeseeria- ja seeriatootmises õhukesest materjalist (S < 3 mm) silindriliste, kooniliste ning ristkülikuliste detailide tootmiseks. Stantsitakse harilikult hüdropressidel.

Madalaid detaile stantsitakse, kasutades kummiplaate ja erisurveid 6,0 - 8,5 N/mm2. Sügavate detailide tõmbamiseks kasutatakse konteinerisse asetatud ja reguleeritava surve 0 - 60 N/mm2 all olevat kummi. See on lihtsustatud hüdrovormimine.

89

Joonisel 7.16a on toodud kummiga sügavtõmbamise esimene operatsioon, kus 1 - konteiner, 2 - kumm, 3 - suruti, 4 - tempel, 5 - hüdropadja vardad, 6 - toorik.

Joonis 7.16

Joonisel 7.16b on toodud kummiga sügavtõmbamise järgmised operatsioonid, kus 1 - sisemine ja 2 - väline suruti.

Kummi erisurvet reguleeritakse automaatselt hüdropadjaga. Tõmbamise alguses võrdub erisurve nulliga, tõmbesugavuse suurenemisega erisurve suureneb, alumiiniumi puhul kuni 40-50 N/mm2, vase ja terase puhul kuni 50-60 N/mm2.

Sügavtõmbamisel kummiga on rida eeliseid, võrreldes tõmbamisega metallstantsides: puudub kahjulik hõõrdumine kummi ja tooriku vahel, sest kumm liigub ühes toorikuga; hüdrostaatiline surve mõjub toorikule ühtlaselt, mistõttu tooriku ja templi vahel tekivad kasulikud hõõrdejõud; matriitsi ümardusraadius on alguses maksimaalne ja väheneb pidevalt koos erisurve suurenemisega. Kõik see vähendab tõmbepingeid ohtlikus lõikes ja võimaldab saavutada suuremaid deformatsiooniastmeid.

Sügavtõmbamiseks kasutatavale kummile esitatakse järgmised nõuded:

tõmbetugevus 5,0-5,5 N/mm2, kokkusurutavus survel 10 N/mm2 %,

suhteline pikenemine % 600 - 700, jääv pikenemine % 25-30,

kõvadus Sh A (Šori) järgi 50-70.

Matriitsiks võib peale kummi kasutada viskoosset vedelikku (õli, glütseriini) kummikotis.

91

92

8. LASERLÕIKUS Laserlõikus on füüsikalis-keemiline lõikemeetod, mida DIN 8590 töötlemismeetodite süsteemis liigitatakse kiirguse mõjul toimuvaks termolõikamiseks. Laserlõikuse kiire levik tööstuses on tingitud meetodi mitmetest eelistest, võrreldes seniste tehnoloogiatega. Laserkiir, kui tööriist ei kulu ega tekita töödeldavas materjalis märkimisväärseid ebasoovitavaid muutusi. Laserkiire eeliseks on ka hea geomeetriline juhitavus. Mistahes kahe- või kolmemõõtmeline lõige on teostatav NC-juhitava seadme abil nii, et lõikepinnad ei vaja enamasti järeltöötlust, kusjuures töötlemiskiirus on suur. Meetodi puuduseks majanduslikust küljest on suhteliselt suur alginvesteering.

8.1 Lõikeprotsess Laserist lähtuv laserkiir suunatakse spetsiaalse peeglite süsteemi abil seadme tööpeasse, kus see fokuseeritakse töödeldavale detailile (vt. Sele 8.1). Võimsuse tiheduse ~106 W/cm2 juures laseri fookustäpis materjal sulab ja/või aurustub. Lõikesuudmikust lähtuva gaasijoa abil eemaldatakse liigne materjal ja lõigatava materjali liikudes lõikesuuudmiku suhtes tekib lõige.

Sele 8.1 Laserlõikuse skeem Hapnik-laserlõikamist kasutatakse metallide lõikamisel. Sulametalli eemaldamiseks lõikest kasutatakse hapnikku. Hapniku eksotermiline keemiline reaktsioon metalliga lisab lõiketsooni energiat. Meetodiga on võimalik saavutada lõikekiirusi, mis ületavad kuni kümnekordselt gaas-laserlõikuse omi. Sama võimsuse juures on võimalik lõigata tunduvalt paksemaid materjale. Gaas-laserlõikusega võrreldes on põhiliseks puuduseks tugevalt oksüdeerunud lõikepinnad, mis tekitavad probleeme järgneval keevitamisel ja värvimisel. Temperatuurist mõjutatud ala lõike servadel on laiem kui gaas-laserlõikamisel ja lõikepind on ebatasane. Gaas-laserlõikamise puhul eemaldatakse üleliigne materjal lõikest gaasijoa (enamasti lämmastiku, argooni või õhu) abil. Gaas-laserlõikamisel lõikepinnad ei oksüdeeru. Ei teki intensiivset põlemist, mis muudab protsessi sageli raskesti juhitavaks. Lõigatud detailide järgneva kasutamise seisukohalt on need asjaolud olulised. Lõikekiiruse tunduvast langusest hoolimata on järeltöötlemisvajaduse puudumine enamasti otsustavaks selle meetodi valikul. Sublimatsioonlõikamisel materjal eemaldatakse lõikest tema gaasilises faasis. See ei puuduta ainult materjale, millel ei ole selget vedelat faasi (keraamika, puu, paber ja plastid), vaid ka metalle, kui energiatihedus fookustäpis on piisavalt suur. Meetodi eelisteks on eriti hea kvaliteediga lõikepind ja vähene temperatuurimõju ala lõike servadel. Puudusteks on suurem

93

võimsuse vajadus, ehk teisest küljest madalam lõikekiirus. Sublimatsioonlõikamist võib kasutada ka õhukeste teraslehtede kvaliteetseks lõikamiseks Nd:YAG laseriga. Sulatuslõikamise puhul materjal eemaldatakse lõikest vedelas olekus. Meetodit kasutatakse metallide, klaasi või plasti lõikamisel pidev- või impulssreziimil CO2- ja Nd:YAG laseritega. Sublimatsioonlõikamisega võrreldes lõikekiirus on tunduvalt suurem, kuid lõikepind on ebatasasem ja temperatuurist mõjutatud ala laiem.

8.2 Laseri ja lõikeprotsessi parameetrid Resonaatori ja laseraktiivse aine poolt toodetud laserkiir mõjutab lõiketulemust järgmiste parameetrite kaudu: võimsus, lainepikkus, kiire hajumine, moodi kuju, polarisatsioon. Laseraktiivne aine määrab ära lainepikkuse. Lainepikkuse alanedes paraneb näiteks metallide absorbtsioon ja kiir on paremini fokuseeritav. Sellest võiks järeldada, et Nd:YAG laser, mille lainepikkus on 1,06 um on eelistatav CO2 laserile lainepikkusega 10,6 µm, kuid piiratud võimsuse tõttu ei ole see alati nii. Resonaatori ehituse ja laseraktiivse aine poolt määratud mood seob endas laserkiire jagunemise ja fokuseeritavuse. Mõju lõikeprotsessile ei ole väga suur. Laserkiire fokuseeritavuse mõju iseloomustatakse võimsuse tiheduse, fookustäpi läbimõõdu, sügavusteravuse ja fookus-kaugusega. Laserid toodavad kas lineaarselt või ringpolariseeritud kiirt. Lineaarselt polariseeritud kiirega laserseadmed annavad lõikesuunast olenevalt erineva lõike kvaliteedi. Parema lõike kvaliteedi saavutamiseks tuleb eelistada ringpolariseeritud kiirega seadet. Laseri võimsus määrab lõigatava materjali paksuse ja lõikekiiruse. Lõikeprotsessi tähtsamad parameetrid, mis mõjutavad materjalide laserlõigatavust ja lõike-tulemusi: - fookustäpi asend lõigatava materjali pinna suhtes; - lõikekiirus; - lõigatava materjali paksus; - lõikesuudmiku kuju ja asend lõigatava materjali suhtes; - lõikegaasi suunamine lõikesse ja selle rõhk.

8.3 Materjalide laserlõigatavus Lasertöödeldavuse eelduseks on, et laserkiire energia suudaks tungida materjali ja seal absorbeeruda. Erinevate materjalide lasertöödeldavusest saab hinnata tundma õppides nende optilisi ja termilisi omadusi. Mida tugevamalt materjali pind peegeldab laserikiirt, seda vähem jääb absorbeerunud energiat lõikeprotsessi jaoks. Materjali soojusjuhtivus määrab ära, kui efektiivselt absorbeerunud energia muutub lõikeprotsessi energiaks. Järgnevalt käsitlen metallide ja mittemetalsete materjalide laserlõigatavust.

8.3.1 Metallide laserlõikamine ja –lõigatavus Lõikesse tungiv elektromagneetiline kiirgus tabab lõikepinda (vt. sele 8.2). Kiirgus absorbee-

rub lõigatavasse materjali olenevalt kiirguse langemisnurgast lõikepinna suhtes. Absorb-tsioonile mõjuvad veel lõikepinna siledus ja temperatuur lõiketsoonis. Ülejäänud osa kiirgusest peegeldub ja hajub. Lõikepind kaldub materjali paksusest ja lõikekiirusest olenevalt 2 kuni 10 kraadi ristasendist. Gaasivool viib liigse materjali lõikest välja. Kuna sula materjal on en lõikest väljumist veel laserkiire mõju piirkonnas, kuumeneb see üle sulamistemperatuuri. Allapool lõike laius kasvab. Pindpinevuse mõjul moodustub lõike alaserva sulast materjalist tilku, mis

Sele 8.2 Lõiketsooni skeem

94

gaasijoa mõjul kas eemaldatakse või tahkestuvad ja moodustavad drossi. Metallide laserlõigatavust hinnates tuleb olulisteks näitajateks lugeda nende peegeldamisvõimet, soojus- ja temperatuuri-juhtivust. Metallidel on üldiselt väga kõrge peegeldamis-võime, mis väheneb laserkiirguse lainepikkuse vähenedes. Ka lõigatava materjali pinna karedus on oluline. Äärmistel juhtudel võib kiirguse eriti tugev peegeldumine vigastada laserseadme optikat. Suurema pinnakareduse puhul võib kasutada suuremaid lõikekiirusi. Materjali soojusjuhtivuse tõustes töödeldavus halveneb. Mida väikesem on materjali soojusjuhtivus, seda parem on energia kontsentratsioon protsessipiirkonnas. Tabelis 8.1 on näidatud metallide optilised ja termilised omadused ning parameeter S, mille kasvades halveneb töödeldavus. Võrdlusmomendi loob aeg, mida on vaja lõikeks vajalike temperatuuride saavutamiseks. Saadud tulemuse põhjal võib järeldada, et vask, alumiinium ja väärismetallid on raskesti töödeldavad, kuna nende peegeldamisvõime ja soojusjuhtivus on kõrged. Raud, nikkel ja tina on hästi töödeldavad. Metallide lasertöödeldavus Tabel 8.1

Materjal Absorb-tsiooni Võime

Soojus- Juhtivus Tihedus

Soojus- Mahtu-vus

Sulamis- temp. Töödeldavus

R A (W/cmK)

K (g/cm3)

P (cm2/s)

Ts (K)

S (106W2s/cm4K)

Alumiinium 0,02 2,2 2,7 0,905 933 12,5

Raud 0,04 0,8 7,86 0,226 1808 3,19 Kuld 0,015 3,1 19,3 1,236 1336 46,18 Vask 0,015 3,9 8,92 1,151 1356 7,96

Molübdeen 0,03 1,3 10,2 0,510 2893 10,6 Nikkel 0,03 0,81 8,9 0,202 1726 6,2 Hõbe 0,01 4,2 10,5 1,739 1234 125,1 Tantaal 0,05 0,56 16,6 0,241 3273 1,7 Titaan 0,08 0,22 4,5 0,094 1943 0,15 Tsink 0,03 1,1 7,14 0,405 693 2,29

Metallide hapnik-laserlõikamine Hapnik-laserlõikamine on enimkasutatud laserlõikemeetod, kuna hapniku abil saadav lisaenergia võimaldab oluliselt tõsta lõikekiirust. Madalaltlegeeritud teraste lõikamisel on oluline, et oksüdeerunud sulametall on väikesema viskoossusega kui lihtsalt sulas faasis teras. See võimaldab lõigata ilma drossita vähese materjalikaoga. Niklit ja kroomi sisaldavaid teraseid lõigates seda efekti ei ole, kuna nikli ja kroomi oksüüdid on terasest kõrgema sulamistemperatuuriga. Sellepärast on raske lõigata neid teraseid ilma drossita, kui materjali paksus ületab 3 mm. Lisaks on nendel terastel kalduvus ülekuumenemisele (põlemisele), mis halvendab lõikepinna kvaliteeti. Kvaliteetset lõikepinda on siis võimalik saavutada impulssrežiimi kasutades. Impulsside vahel materjali temperatuur langeb ja põlemisefekt väheneb. Lõikekvaliteet halveneb terase süsinikusisalduse suurenedes. Malmi ei saa laseriga kvaliteetselt lõigata. Terase tööstuslikul lõikamisel võib laseri võimsustarvet iseloomustada järgmiste näidetega: 750W võimsuse juures võime lõigata 6mm teraslehte, 12mm lehtterase lõikamiseks on vaja 1500W ja 15mm. lehtede puhul 2000W.

95

Lehtterase paksuse kasvades muutub tähtsamaks materjali pind ja puhtus. Kuumvaltslehtede tagikihi paksus mõjutab lõikekvaliteeti. Selel 8.3 on näidatud teraslehe paksuse ja lõikekiiruse ligikaudne suhe 2500W võimsuse puhul. Hapniku puhtusel on suur mõju lõike kvaliteedile. Tavaline lisand hapnikus on lämmastik. Kui lämmastikusisaldus on üle 0,2%, põhjustab see tugevat drossi moodustumist, mida ei saa vältida isegi lõikekiiruse alandamisega. Soovitav on kasutada 99,95% puhtusega hapnikku. Madalaltlegeeritud terased on hästi lõigatavad. Mehaanilised omadused ei oma lõigatavusele olulist mõju. Tööriistateraste puhul kuni 8 mm paksuseni on lõikepind hea. Roostevabadel terastel on kalduvust drossi moodustumiseks ja põlemiseks. Lõikepinnale moodustunud oksüüdikiht vähendab korrosioonikindlust lõikepinna vahetus läheduses. Impulssrežiimil töötavale 2000W võimsusega laserkiirele on lõikepaksuse ülempiiriks 10 mm.

Sele 8.3 Materjali paksuse ja lõikekiiruse sõltuvus

Alumiinium on hapnikuga halvasti lõigatav. Eriti kõva oksüüdikiht kinnitub lõikepindadele ja kriimustab detaile nende käsitlemisel. Lõikepinnal on suuri ebatasasusi. Ainult kõrge hapniku rõhuga üle 10 bar on võimalik lõigata kuni 6 mm lehti 2 kW võimsuse juures rahuldava kvaliteediga. Vaske saab 2 kW võimsuse juures lõigata ainult hapnikuga. Oksüdeerumine vähendab peegeldumist. Ilma selleta peegeldab vask tagasi suurema osa energiast ja on oht läätse vigastamiseks. Vase kõrge soojusjuhtivuse tõttu suurim lõigatav paksus on 2 mm.

Metallide gaas-laserlõikamine Gaas-laserlõikamisel puhutakse üleliigne materjal lõikest välja lämmastiku,argooni,heeliumi või õhu abil. Meetodi tootlikkus jääb tunduvalt alla hapnik-lõikamisele, kuid lõikepinnad ei oksüdeeru ja lõikepind on tunduvalt siledam. Roostevaba terase lõikamisel on see eriti oluline. Kui hapnikuga lõigatud roostevabast terasest detaile ilma täiendava töötlemiseta keevitada, saame poorse ja mittekvaliteetse keevise. Lõikeservade happega puhastamine oksüüdidest on suhteliselt keeruline ja kallis. Sellistel juhtudel on gaas-laserlõikemeetod ka majanduslikult õigustatud. Paksemate materjalide puhul on olnud probleemiks drossi tekkimine. Lahenduseks on gaasirõhu tõstmine (kuni 20 bar), mis võimaldab sulametalli lõikest välja puhuda ilma selle kinnitumiseta lõike alaossa. Piiravateks saavad siin läätse mehhaaniline vastupidavus (kuna lõikesuudmiku nö. laeks ongi lääts) ja majanduslikud aspektid. Lõikegaasi kulu kasvab mitmekordseks. Hapnikuga lõigates kulub 1 mm läbimööduga suudmiku ja 6 bar rõhu puhul lõikegaasi umbes 3 m3/h. Kuna gaasi kulu kasvab lineaarselt rõhu ja suudmiku läbimõõduga, on kulu 14 bar ja 1,4 mm suudmikuga 15 m3/h. Probleemi lahendamiseks on uuritud lõikesuudmiku kuju ja selle kauguse täpsema reguleemi-sega võimalusi gaasikulu vähendamiseks. Oluline on fookustäpi õige asend lõigatava materjali suhtes. Katsed on kinnitanud, et materjali paksuse suurenedes, peab fookustäpp asetuma vastavalt sügavamale lõikesse. Vale fookustäpi asend võimendab drossi tekkimist. Liiga madalal asetseva fookustäpi korral tekib madal dross,

96

millel on metalne pind. Liiga kõrge fookustäpi puhul on dross pikk ja selle pind on oksüdeerunud. Kuna lõikekiirus on majanduslikult oluline näitaja, siis kasutatakse gaas-laserlõikamisel suuremaid võimsusi. Roostevaba terase puhul on 2,5 kW laseri puhul materjali paksuse piiriks 8 mm. Selel 2.4 on toodud roostevaba terase lõikekiirused sõltuvalt materjali paksusest.

Sele 8.4 Lõikekiirused roostevaba terase lõikamisel Meetodit kasutatakse edukalt tsingitud lehtede lõikamisel. Hapniku ja tsingi intensiivse reageerimise tõttu ei ole võimalik seda teha hapnik-laserlõikusega. Alumiiniumi lõikamisel on lõikepind hea, kui kasutatakse suurt gaasi rõhku. Lõikeservad on puhtad kuni 2 mm materjali paksuseni. Lehe paksuse 2 kuni 5 mm juures tekib madal dross, mis on kergesti eemaldatav. Tähtsad on võimsus ja alumiiniumisulami koostis: 3 mm paksust Al 99,5-t ei saa lõigata 1 kW võimsusega, aga AlMg3-e puhul on see veel võimalik. Alumiiniumi lõikamisel on alati olemas oht, et lõikeprotsess katkeb ja laserkiire energia peegeldub tagasi optikasse, sellepärast soovitatakse 2,5 kW võimsuse puhul suurimaks materjali paksuseks 5 mm. Suurem osa enamkasutatavaid metalle on hästi gaas-laserlõigatavad, näiteks messing kuni 4 mm ja titaan kuni 5 mm 2500 W võimsuse juures

8.3.2 Mittemetalsete materjalide laserlõkamine Mittemetallidel on enamasti madalam soojusjuhtivus kui metallidel. Mittemetallid võib jagada orgaanilisteks ja anorgaanilisteks. Peaaegu kõik orgaanilised ained sulavad või lagunevad kõrgetel temperatuuridel. Anorgaaniliste ainete vastavad temperatuurinäitajad on tunduvalt kõrgemad. Enamikul mittemetalsetel ainetel on lainepkkusel 10,6 µm (CO2-laser) suur absorbtsioonivõime. Anorgaanilisi materjale tuleb laserlõigatavuse seisukohalt liigitada ka nende soojuspaisumise järgi. Sellest olenevad lõikamisel tekkivad pinged. Kvartsil ja keraamilistel materjalidel on madal soojuspaisumistegur. Need materjalid on hästilõigatavad CO2 laseriga. Klaasi lõikamine on problemaatiline. Suure soojuspaisumise tõttu tekivad sisepinged, mis põhjustavad pragunemist.

Keraamiliste materjalide laserlõikamine Keraamilised materjalid on traditsiooniliste meetoditega üldiselt raskesti töödeldavad nende kõvaduse ja hapruse tõttu. Nende materjalide lasertöötlemisel on eelisteks muude meetodite ees töötlemiskulude vähenemine, eriti kitsas lõige ja hea pinnakvaliteet. Laseriga lõigates võib esineda termilisi ja mehaanilisi ülekoormusi, mis põhjustavad pragunemist. Laseri võimsuse alandamisel väheneb pragude tekkimine. Parimaks loetakse eriti lühikeste, kuid võimste impulssidega töörež,iimi. Mikropragude tekkimist võib vältida ka materjali ettekuumutamisel 10000C. Ainult kõikide protsessiparameetrite täpne optimeerimine võimaldab saavutada kvalteetset lõiketulemust.

97

Lõigates CO2 laseriga peab fookustäpp olema materjali pinnal. Paksude materjalide lõikamisel on siiski osutunud kasulikuks laiendada lõiget, muutes fookustäpi asendit sissepoole. Lõikegaas pääseb nii paremini lõikesse ja puhub üleliigse materjali välja. Keraamiliste ainete lõikamisel CO2 laseriga esineb nii kõrgeid temperatuure, et materjal laguneb algaineteks. Kui lõigata oksiide inertse gaasiga, moodustub lõikepinnale tume kiht, mis koosneb keraami metallilisest osast, ehk Al2O3 puhul alumiiniumist ja ZrO2 puhul tsirkooniumist. Hapniku kasutamine vähendab lagunemist. Pinnale tekib sel juhul oksiidikiht. Enimkasutatud keraami Al2O3 lõikamisel kasutatakse CO2 laserit materjalipaksustel 0,25 kuni 1 mm. Paksema materjali või eriti kõrgete kvaliteedinõuete puhul on eelistatav Nd:YAG laser. ZrO2 lõikamiseks sobivad mõlemad laseritüübid, kuid CO2 laseriga pidevrežiimil võib saavutada kõrgemaid lõikekiirusi. Kvaliteetse lõikepinna saavutamise teeb raskeks selle materjali suures temperatuurivahemikus kestev sula faas. Keraamil Si3N4 on lasertõõtlemiseks head omadused: madal lagunemistemperatuur, ei ole vedelat faasi ja see ei ole liiga habras. Seda materjali võib lõigata CO2 laseri pidevreziimil suurte kiirustega ilma mikropragude tekkimise ohuta. Lõikepinna kvaliteet on siiski parem Nd:YAG laseri puhul. Täielikuks vastandiks on materjal SiC, mis on nii habras, et seda võib töödelda ainult Nd:YAG või Eximer laseriga madalatel kiirustel. Saavutatavad lõikekiirused sõltuvad suuresti keraami koostisest ja valmistamistehnoloogiast. Suurusjärguks võib esitada 2 kuni 12 mm /min.

Plastide laserlõikamine Plastid on orgaanilised ained. Keemiatööstus toodab palju erinevaid plaste. Laserlõikamisega tegelevate allhankefirmade kogukäibes on plastide osakaal 10-20%. Laseriga enimtöödeldud plastid on polümetüülmetakrülaat, polüstüreen, polüpropeen, polüetüleen ja polüamiid. Laserit on laialdaselt kasutatud plastide märkimiseks ja graveerimiseks. Lõikamisel on mehaanilised meetodid enamasti majanduslikult otstarbekamad. Laserit kasutatakse sellistel juhtudel, kui tavaliste tehnoloogiatega ei ole võimalik saavutada nõutavat tulemust. Plastidel on hea absorbtsioonivõime spektri ultravioletil ja infrapunasel alal. Spektri osas pikalainelisest ultravioletist kuni lühilanelise infrapunaseni on absorbtsioon suhteliselt halb. Sellepärast sobivad plastide töötlemiseks enam CO2 ja Excimer laserid, kui Nd:YAG. Enimkasutatud on CO2 laser oma lõikekiiruse tõttu. Plastide töötlemisel on küllalt palju sarnast keraamide töötlemisega. Sula faasi praktilisel puudumisel ei teki lõike allservale drossi Ka plastide töötlemisel on olemas pragude tekkimise oht. Olenevalt plasti tüübist võib see olla põhjustatud lõikepindade nn. karastumisest. Kõige olulisem on, millisesse plastide rühma konkreetne materjal kuulub. Termoplastid on polümeerühendid, mis toatemperatuuril on kõvad ja muutuvad soojendades pehmeks. Jahtudes muutuvad nad jälle kõvaks ja sealjuures mitte hapraks. Termoreaktiivplastid on toatemperatuuril pehmed, kuid kuumutades muutuvad kõvaks ja hapraks ning jäävad selliseks ka uuesti jahtudes.Termoplastid on oma omaduste tõttu paremini laseriga töödeldavad. Plastide lõikamisel toimivad samaaegselt kolm protsessi- sulamine, aurustumine ja materjali keemilised muutused. Lõikuse kvaliteet sõltub põhiliselt liigse materjali eemaldamisest. Pleksiklaas on laseriga enimlõigatud plast. Sel ei ole sula faasi ja see on termoplastina tüüpiline sublimatsioonlõigatav materjal. Lõikegaasi rõhku muutes võb saada kas läbipaistva või mati lõikepinna. Tihti on pleksiklaas lõikamise ajal kaetud kaitsekilega, mis ei takista kvaliteetset lõikamist, kuid vähendab lõikekiirust 10-20%. Lõikepinnad on tüüpilselt hea kvaliteediga ja paiknevad täisnurkselt materjali pinnaga. Lõike laius on materjalist ja selle paksusest sõltuvalt 0,3 kuni 0,8 mm. Termoreaktiivplastide lõikamine nõuab tunduvalt suuremat energiat. Selle tõttu on lõikekiirused madalamad. Termoreaktiivplastide lõiketemperatuur on 30000C, kuid termoplastidel on see 10000C.

98

Sele 8.5 Lõikekiirused plastide lõikamisel

Selel 8.5 on näidatud lõikekiirused materjali paksuse funktsioonina tüüpiliste plastide lõikamisel, kui lõigatakse 400 W juures CO2 laseriga. (PMMA-polümetüülakrülaat, PS-polü-stüreen, PP-polüpropüleen, PE- polüetüleen). Plastide lõikamisel peab arvesse võtma paljude keemiliste ainete lendumist töötsoonist, mis võib kujutada ohtu ruumis töötajate tervisele.

Puidu laserlõikamine Laserit kasutatakse puidu lõikamisel nagu plastidegi puhul juhul, kui on vaja saavutada eriti suurt täpsust väikeseeriate puhul või kui detailid on eriti õhukesed ja keerulise kujuga. Puidu laerlõikamisel toimivad protsessid on aurustumine ja keemiline lagunemine. Suurel määral sõltub lõikepindade kvaliteet ja lõike laius puidu liigist ja tihedusest. Lõike laius kasvab ja pinnakvaliteet langeb puidu tiheduse vähenedes. Puitu lõigatakse tavaliselt CO2 laseriga suure tootlikkuse töttu. Lõikegaasi ülesandeks on vähendada lõikeservade söestumist ja selleks sobivad õhk, lämmastik, argoon või heelium. Lõikekiirused on lähedased plastide lõikamisel saavutavatega.

Laserlõikamise majandusliku aspektid Arenenud tööstusriikides on laserid endile materjalide tööstuslikus lõikamises koha kindlustanud. Näiteks Soomes töötab ligi 180 erinevat tööstuslaserit. Tänapäevane tootearenduse tempo nõuab tootmiselt suurt paindlikkust ja samas kõrget kvaliteeti. Need on aga just laseri tugevad küljed. Eestis takistab laserite laiemat kasutuselevõttu suhteliselt suur alginvesteeering, kuigi tasuvusarvestused peaksid juba olema positiivsed nii mõneski tööstusharus.

8.4 Laserlõikuse eelised ja puudused Võrreldes teiste mehhaaniliste ja termiliste lõikamismeetoditega, on laserlõikusel suurel hulgal eeliseid, mis teevad ta paljudel juhtudel konkurentsivõimeliseks, kuna ta on meetodina suhteli-selt lihtne. Puudusteks on tal mitmed piirangud. Eelised: Suur lõigatavate materjalide valik. Laserlõikusega suudetakse lõigata pea kõiki materjale, ka kiudarmeeritud materjale. Põhiliseks piiranguks on lõigatava materjali paksus, mis otseselt sõltub laseri võimsusest;

- Lõikeprotsess ei mõjuta materjale termiliselt. See on laserlõikuse suur eelis, võrreldes teiste traditsiooniliste töötlemismeetoditega (gaasi- ja plasmalõikus). Lõiketsoonis tekkivate soojuslike deformatsioonide mõjuala on väike( kuni 0,1mm), struktuurimuutust (karastumist) materjalis praktiliselt ei teki;

- Instrumendi kulu: Pole, kuna puudub vahetatav ja kuluv lõikeriist; - Kiire seadistavus ja programmeeritavus. Kuna instrumendiks on vaid üks laserkiir, siis

ei ole vaja programmeerida lõikeriista vahetust. Juhtradade programm valmistatakse detaili joonise järgi, mille aluseks saab võtta hariliku AutoCAD’i formaadis valmistatud joonise;

- Detaili piiranguteta lõikejooned. Tänu laserkiire väikesele diameetrile saab lõigata teravaid nurki. Detaili lõikamist saab alustada ja lõpetada suvalises punktis;

99

- Suur lõikekiirus. Lõikekiirus sõltub otseselt materjali paksusest. Võrreldes gaasi- ja plasmalõikusega on kiirused oluliselt suuremad, seda eriti juhul, kui on tegu õhemate materjalidega ja keeruliste lõikejoontega. Vanade meetodite puhul võtaks selline lõikamine tunduvalt rohkem aega või osutuks hoopis teostamatuks;

- Hea pinnakvaliteet. Õigete lõikerežiimide kasutamise tulemusena saadakse enamike lõigatavate materjalide puhul hea pinnakvaliteet, mis sageli ei vaja järeltöötlust ja on piisav lõplikuks tulemuseks. Mida paksemat materjali lõigata, seda halvemaks kvaliteet muutub. Lõigatava pinna kvaliteet sõltub kasutatavast gaasist: hapnikuga(O2) lõigates toimub täiendav oksüdeerimine, mis teatud vääral halvendab pinnakvaliteeti, lämmastikuga (N2) lõigates on kvaliteet parem, seda eriti roostevaba teraste lõikamisel;

- Väikesed lõikejõud. Kuna laserkiir on küllalt väikese läbimõõduga (0,1-0,4 mm) ja materjal läiketsoonis aurustub-sulab kiiresti, siis ei mõju lõigatavale materjalile suurt lõikejõudu ega külgjõude. Seega saab lõigatava materjali laserseadme töölauale paigaldada kinnitamiseta;

- Väikene materjalikulu. Kuna laserkiir on väga peenikene, siis on ka lõiketsoonist eraldatav materjalikulu väike. Lõikepea ühest punktist teise viimiseks puudub vajadus teha täiendavaid liigseid lõikeid;

- Keskkonnasõbralik. Laserlõikus ei kujuta endast ohtu ümbritsevale keskkonnale . Puudused:

- Piiratud materjali paksus. Laserkiire läbilõikevõime on piiratud seadme võimsusega, lõikekiirus- ja sügavus kahanevad eksponentaalselt materjali paksuse kasvades;

- Materjalide süttivus. Plastide, puidu, kartongi jne. materjalide lõikamisel eritub küllalt palju mürgiseid gaase, mistõttu sellist materjalide lõigatakse vähe;

- Hind. Laserlõikust kasutusele võttes tuleb teha suur alginvesteering seadmetesse. Seadmete hinnad on suurusjärgus 3 miljonist kroonist kuni 7 miljoni kroonini

-

Sele 8.6 Laserlõikusseade LaserLab Pentagon 1,7 kW

100

Sele 8.7 Avade töötlemine 5-koordinaadilise laserlõikepeaga

Sele 8.8 Lõikemeetodite võrdlus

Sele 8.9 Lay-out-i projekteerimise näide

101

Sele 8.10 Näide detailide võimalikust paiknemisest suurl lehel

Sele 8.11 Näited detaili kuju muutustest seoses tooriku lõikamisega laserlõikusega. Kuju keerulisus ei oma enam endist tähtsust. Võib teha mistahes keerulisi avasid: kitsad lõhed detaili painutamise hõlbustamiseks, avad detaili massi vähendamiseks jne.

102

9. LASER- JA ELEKTRONKEEVITUS Laser- ja elektronkeevitus on kaks suhteliselt uut keevitusliiki, mille põhiolemuseks on, et energia viiakse töötlustsooni peene elektron- või valguskiirena. Teatanasti on lasertöötlemisega võimalik kasutada mitmesuguseid eri meetodeid ja saavutada äärmiselt huvitavaid/kasulikke tulemusi.

Joonis 9.1. Lasertöötlemise kasutamise erinevad variandid ja võimalused

Enamus elektron- ja laserkeevituse eelistest ja puudustest muude keevitusliikidega võrreldes tulenevadki otseselt kiire väikesest läbimõõdust. Suur energiatihedus tekitab sügava ja kitsa sula tsooni (joon.9.2), võimaldades keevitada ka paksu materjali ühe läbimisega ja kiiresti.

Joonis 9.2. Elektron- ja laserkeevituse (b) eripära teiste keevitusliikidega (a) võrreldes. Teatud võimsustihedusel (ca l MW/cm2) tekib auru rõhu tõttu materjali sügavusse ulatuv kapillaar, mille

läbimõõt võrdub umbes kiire läbimõõduga (0,3... l nim)

Joonis 9.3. Suhteline energiaülekanne liite pinnaühiku kohta eri keevitusmeetodite puhul

103

Selle tulemusena on materjali viidav koguenergia väike (joonis 9.3), mistõttu on väikesed ka ülekuumutatud tsoonid (joonis 9.4), jääkpinged ja deformatsioonid ning puudub järeltöötluse vajadus või see on minimaalne.

Joonis 9.4. Räbustiga kaarkeevituse (a), laser- (b) ja elektronkeevituse (c) võrdlus,

keevitatav teras St 52-3, paksus 10 mm

Keevitus võib olla detaili valmistamise viimaseks operatsiooniks. Kuumutatud materjali kiire jahtumine (0,1... 10 s - oluliselt kiirem kui muude keevitusliikide puhul) võib soodustada nii tugevate peente mikrostruktuuride (nagu martensiit), kui ka ebasoovitavate mittetasakaaluliste faaside tekkimist. Kiire väike läbimõõt võimaldab tema täpset positsioneerimist, kuid nõuab ka hoolikamalt valmendatud pindu ja kiire täpset juhtimist. Ka liitepindade ja keevitusatmosfääri puhtus peab olema kõrgem kui muidu. Nii elektron- kui laserkeevitus on hästi juhitavad, protsessi automatiseerimine on hõlbus. Sügavkeevitus on juba oma hüdro-ja aerodünaamikalt küllaltki komplitseeritud protsess, lisaks ka üsna tundlik materjalide omadustele ja pinna olekule, atmosfäärile ja kiire parameetritele.

Joonis 9.5. Keevitussügavuse sõltuvalt keevitamise kiirusest

Joonis 9.6. Keevituskiiruse sõltuvus võimsusest

Joonis 9.7. Näide laserkeevituse omahinna kujunemisest.

104

On arvestatud nii laseri (CO2, 6 kW) kui ka jahutuse ja robotitega seotud kulusid. Suuri investeerimiskulusid tasakaalustavad suurem tootlikkus, kvaliteet ja tootmise paindlikkus. Laserid on end kindlalt õigustanud näit. autokerede plekkdetailide a utomaatkeevitusel, elektronkeevitus on tasuvaim paksude ja ebatavalisest materjalist detailide liitmisel

Joonis 9.8. Näited auto kere detailidest, mis valmistatud laserlõikuse ja –keevitusega

Elektron- ja laserkeevitus võimaldavad sootuks uue konstruktsiooniga toodete valmistamist - on ju kiirt võimalik juhtida süvistesse; õõnsuste pealt kinnikeevitusel jääb ka allapoole kvaliteetne õmblus ilma järeltöötluseta; funktsionaalsete elementide tihedus koostus võib olla suurem jne. Et elektron/laserkeevituse eeliseid ara käsutada, tuleb tooted juba algusest peale konstrueerida nendele tehnoloogiatele. Konstruktoril on elektron/laserkeevituses keskne roll. Elektron- ja laserkeevitus nõuavad ka kõrge kvalifikatsiooniga insenere, kellede spetsialiseerumisaega hinnatakse samuti 2-3 aastale.

Joonis 9.9. Näiteid erinevatest keevisõmbluste variantidest

Elektron- ja laserkeevituse käsutamine tööstuses laieneb lähitulevikus kindlasti tänu seadmete hinna langusele ja töökindluse kasvule. Meie naabermaal Soomes töötas juba 1995 aasta algul 9 suure võimsusega elektron- ja 50 lasertehnoloogilist seadet. Väikese vahemaa tõttu oleks juba praegu mõeldav tööde tellimine Soomest. Tootmisvõimsused Helsingis, Riihimäel, Jyväskyläs, Lappeenrannas jm. võimaldavad tellimuste kiiret täitmist. Seadmete ekspluatatsiooniiga võib olla küllaltki suur, küündides näit. elektronseadmete puhul 10...20 aastani. Lasertehnoloogia, kui noorema puhu,l selliseid andmeid veel esitada ei ole.

105

10. VESILÕIKUS Vesilõikustehnoloogia areng sai alguse 1970-ndates koos kõrgsurvepumba tekkimisega, abrasiivlõikus on on välja arendatud kümmekond aastat hiljem. Vesilõikus jõudis tööstusliku kasutuseni USA-s aastal 1968, kus patendeeriti esimene kõrgsurvevee joal põhinev lõikemasin. Esimesed tootmisse jõudnud vesilõikusmasinad müüdi sealsamas 1971. aastal. Abrasiivne vesilõikus arendati välja samuti USA-s ja patendeeriti aastal 1984 firmas 'Flow Systems'. Vesilõikus arenes 80-ndatel aastatel mitmekülgseks ja tõhusaks töötlemismeetodiks, seda eriti paljude mehaaniliselt raskelt lõigatavate materjalide töötlemisel. Suurimad vesilõikuse kasutajad on lennuki-, auto- ja paberitööstus. Abrasiivse vesilõikuse arenedes on seda meetodit hakatud üha rohkem kasutama ka metalli-, klaasi-, ehitusmaterjalide tööstuses ja kivitöötlusel. Vesilõikus sobib hästi olukordades, kus lõigatav detail ei talu kuumenemisest tekkivaid pingeid ja struktuuri muutusi või juhtudel, kus tuleb lõigata keerulisi vorme, aga ka siis, kui nõutakse head lõikepinda. Meetodi eelisteks on väike energiakulu, vähene tolmueritus ja vähene keskkonna saasteohtlikus, väikesed kasutuskulud ja lihtne automatiseeritavus. Mitmed ainulaadsed rakendusvõimalused teevad vesi- ja abrasiivlõikuse peamiseks nende valituks osutumise põhjuseks. Vesi/abrasiivlõikusega on võimalik lõigata igas suunas. Süsteem sisaldab endas paindlikke mitmesuunalisi lõikamisvõimalusi ja automati-seeritud lõikeprogrammide kordamist. Abrasiivse vesilõikuse kasutust piirab mõnedel juhtudel suhteliselt väike lõikekiirus, düüsi kulumine, küllalt suured investeeringud ja teatud töökaitse põhimõtted. 10.1 Protsess ja meetodid Vesilõikus põhineb kõrgsurvevee ainet purustaval omadusel kui veejoa rõhk ületab lõigatava materjali survetugevuse. Kõrge rõhu all olev vesi (70 - 400 MPa) juhitakse läbi safiirdüüsi, mille diameeter on 0,1 -0,4 mm. Tekkiva peenikese veejoaga, mille kiirus on 2…3 korda suurem helikiirusest, saab lõigata pehmeid materjale nagu näiteks paber, papp, kummi, klaasvill, plastmassid, süsinik, klaaskiud, toiduained ja palju muud. Meetodil võib eristada kahte etappi: materjali eraldamine ja välja kandmine. Materjali eraldamine on võimalik siis, kui veejoa rõhk ületab materjali survetugevuse. Lõplik eraldumine toimub erosiooni, lõhenemise või kohalike pingete kiirete muutuste tulemusena, sõltuvalt lõigatava materjali omadustest. Veejuga tekitab materjalis mikropragusid, millest vesi eemaldab väikeseid aineosakesi. Kui veejoale lisada lõikavaid tükikesi (abrasiivi), võib lõigata ka kõvasid materjale, nagu metalle ja keraamikat. Abrasiivlõikus põhineb abrasiiviosakeste lihvival mõjul. Lõikamise valdavaks mehhanismiks sel puhul on osakeste löökidest põhjustatud erosioon. Erinevate materjalide puhul kasutatakse väga erinevaid lõikerežiime. Tähtsaimateks lõiketulemust mõjutavateks teguriteks on: vee rõhk, vee kvaliteet, vooluhulk, düüsi mõõt ja kvaliteet, abrasiivi omadused (hulk, tera suurus, kõvadus, kuju), abrasiivi doseerimise viis, lõikekiirus, düüsi kaugus detailist, veejoa ning detaili vaheline nurk.

Sele 10.1 Veejuga lihtsustatuna. Eristada saab veejoa südamikku ja seda ümbritsevat veepilve.

106

Kõrgrõhu vesilõikusseadme põhisõlmed on: veefiltrid, kõrgsurvepump, torustik ventiilide ja liigenditega, lõikepea, düüsid ning abrasiivi etteande- ja korjamisseade (sele 3.2). Temperatuuri ja rõhu jälgimiseks võib seadmestikku kuuluda veel erinevaid andureid, mõõtureid ja vee eelsurvesüsteem (booster). Tavaliselt kuulub süsteemi ka polümeeride sööteseade. Polümeeride abil parandatakse veejoa laminaarsust ja vähendatakse düüsi kulumist.

Sele 10.2 Abrasiivse vesilõikusseadme komponendid ja töö põhimõte Materjali lõikamiseks vajaliku surve saavutamiseks juhitakse vesi filtritest ja eelsurveseadmest koosnevasse süsteemi. Lõikamiseks kasutatava vee võib võtta tavalisest veevõrgust. Filtreerimine on väga tähtis, kuna kõrgsurveseadmesse suubuv vesi peab olema puhas. Sellega kaitstakse seadme osi ja saavutatakse konstantne lõikejuga. Olenevalt ettevõtte asukohast ja kasutatava vee üldisest olukorrast, teostatakse vee puhastamise ka kahjulike mineraalide eemaldamiseks. Elektrimootoriga käitatava hüdropumba jõul töötav hüdrauliline veepump tekitab veerõhu tõusu. Veesüsteemi paigutatud rõhuaku kompenseerib vee kokkusurumist ja veepumba edasi-tagasi liikumisest tekitatud rõhulööke. Survestatud vesi juhitakse torustiku kaudu lõikepeasse, kus sõltuvalt vajadusest toimub abrasiivi lisamine. Abrasiivi lisatakse joasse kõvemate materjalide lõikamisel. Enamkasutatavad neist on oliviin, kranaat ja korund, mille osakese läbimõõdud on vahemikus 0,2 kuni 0,5 mm. Abrasiivi kasutamisel kuuluvad lõikeseadme koostisse veel abrasiivi lehter, abrasiivi toitesüsteem, pneumaatiliselt juhitav etteandeventiil ja spetsiaalne abrasiivdüüs koos segamiskambriga. Etteandeventiili ülesanneteks on abrasiivi voolu sisse-välja lülitamine ja doseerimine. Kui lõikepea on aktiveeritud, avaneb ka etteandeventiil, võimaldades abrasiivil veega liituda. Abrasiivi doseerimine toimub läbi täpse avaga plaadi, mille põhimõte sarnaneb liivakella omale, et kindlustada täpne ja konstantne voog. Abrasiivaine söötmine vette toimub tavaliselt lõikepeas, kus ta segatakse veega enamikel juhtudel segamiskambris. On ka vähem levinud meetod, kus abrasiiv on erilises anumas rõhu all koos veega. Edasi juhitakse osakesed vette, kus kiirelt liikuv juga imeb nad kaasa.

10.1.1 Abrasiivne vesilõikus Abrasiivse vesilõikuse põhimõte võrrelduna hariliku vesilõikusega on kujutatud selel 10.3. Abrasiivainet saab segada veega erinevatel viisidel: kas düüsiga ühenduses olevas segamis-kambris või erilises nõus, kus ta on rõhu all koos veega. Segamine vahetult enne düüsi on levinuim viis ja selleks kasutatavaid meetodeid esitatakse selel 10.4. Kiirelt liikuv veejuga kas imeb abrasiivi kõrvalt ejektorpõhimõttel nagu selel 10.3 ja 10.4a või juhitakse abrasiivi keskelt (sele 10.4b), kus kaks või enam veejuga tulevad kõrvalt ja samas kaitsevad segudüüsi kulumast.

107

Sele 10.3 Abrasiivse vesilõikuse põhimõte (paremal) võrrelduna hariliku vesilõikusega. Safiirdüüsist (diameeter dn) väljuvale veejoale lisatakse abrasiiv, segu kiirendatakse kõvasulamdüüsis (diameeter dm)

Sele 10.4 Valik erinevaid ejektorpõhimõttel töötavaid segamiskambreid. Selel 10.4c söödetakse abrasiiv keskelt ja veejuga tuleb torukujuliselt selle ümber kaitstes samuti düüsi kulumast. Ejektortüüpi abrasiivi söötmisel on selle kiirus teoreetiliselt umbes 50% vee kiirusest. Suurematel rõhkudel (suur vee kiirus) abrasiivi suhteline kiirus siiski väheneb. Lisaks võivad kavitatsioonimullid rikkuda abrasiivi osakesi juba segamisstaadiumis. Eelpool nimetatud nähtused kahandavad lõikamisvõimsust. Juuksekarvajämedune veejuga tekitab minimaalse lõikesoone, mis vähendab materjali kadu ja võimaldab saada suure täpsusega lõigates väikseid avasid, kitsaid pilusid ja kinnise lõikejoonega mustreid. Kui näiteks saag jätab detailile lõikepiirkonda kareda pinna, mida on tarvis hiljem töödelda, ei vaja vesi/abrasiivlõikuriga lõigatud detail järeltöötlust. Lõikeoperatsiooni madala temperatuuri tõttu ei teki räbu, nagu laser- ja plasmalõikusel, seega ei ole vaja lõplike mõõtmete saamiseks ka kallist lihvimist, kuumtöötlust või kuumusest mõjutatud pindade töötlemist. Lõikeprotsessi käigus mõjuvad detailile minimaalsed külg- ja vertikaaljõud, mis muudab ebavajalikeks kallite detaili kinnitusrakiste olemasolu. Isegi õhukese või ebastabiilse detaili lõikamisel hoiab töölaud tooriku paigal. Samuti on töölaud varustatud mahutiga, mis kogub vett, abrasiivi ja detaili materjali lõikejääke. Vesi/abrasiivlõikus on tihti kiirem, kui traditsionaalsed meetodid, mis oleneb materjali paksusest ja nõutavast kvaliteedist. Järskude pöörete ja nurkkade lõikamisel tuleb lõikekiirust suurel määral muuta. Vesilõikuse puhul kehtib reegel, et mida suurema on lõikekiirus ja paksem lõigatav materjal, seda enam juga kaardub. Seega, mida teravam on nurk, millele protsessi käigus lähenetakse, seda enam peab kiirust aeglustama, et püsida tolerantsi piires. Vastasel korral ei suudaks juga teravikest kogu materjali eemaldada. Kõik teravad nurgad detailil aeglustavad lõikeprotsessi. Märgatavalt suuremat mõju avaldab see paksude materjalide korral. Raskusi tekitab sisemiste teravate nurkade tolerantsi piires hoidmine. Eriti just mass- või seeriatootmise puhul on detaili valmistamise kiiruse ja tootmiskulude minimiseerimise seisukohalt otstarbekas vältida teravaid nurki ja võimaluse korral maksimaliseerida kõiki ümardusraadiusi.

108

Suurim ülesanne, millega abrasiivse vesilõikuse pingi juhtseade peab toime tulema, on abrasiivi etteanne ja kiiruste muutmine mittelineaarse lõiketrajektoori korral. Mida paremini seda saavutatakse, seda suurem on saadavate detailide täpsus ja parem pinnakvaliteet. Lõikepea lineaarse liikumissuuna korral tekib joa viivitus ehk kaardumine, nagu illustreerib sele 10.5.

Sele 10.5 Liiga suurest etteande kiirusest põhjustatud joa viivitus Sellest tulenevalt jäävad pinnale liikumise suunast tahapoole kaldus vaod, tekib laineline pind. See on tingitud joa pinnalt pinnale hüppamise tagajärjel. Etteande kiiruse aeglustamine võimaldab joale taas vertikaalse suuna anda. Mida kiiremini püütakse materjali lõigata, seda suurem on jao kaardumine. Ka siin mängib olulist rolli materjali paksus. Maksimumi lähedase kiiruse juures muutub raskendab sise-nurkade töötlemise, mille tulemusena jääb lõigatava detaili sisenurkadesse raadius, mis suureneb materjali paksuse kasvades. [3] Samasuguse pinnakvaliteedi ja defektid võivad anda ka äkilised muudatused kiiruses või järsud kiirendused normi piires oleva lõikekiiruse juures. Liigsest kiirusest tingitud erinevad lõikesoone kujumuutused on illustreeritud selel 10.6.

Sele 10.6 Erinevate lõikekiiruste korral tekkivad kujumuutused a) Liiga suurest lõikekiirusest põhjustatud V-kujuline koonuselisus (sele10.7). Sellises olukorras lõikab juga detaili küll läbi, kuid ei jõua kogu materjali eemaldada. V-kujuliste servade minimiseerimiseks või eemaldamiseks on vajalik kas vähendada lõikekiirust või suurendada lõikevõimsust. Koonusnurk ei ületa tavaliselt 0.04" külje kohta [3];

Sele 10.7 V-koonuselisus b) Koonuselisus puudub. Lõikekiirus on õige, mistõttu ei teki kujumuutusi; c) Liiga aeglasest lõikekiirusest põhjustatud koonuselisus, mis on tingitud veejoa hajumisest. Seda juhtub suhteliselt harva; d) Tünja kujuga lõikesoon, esineb paksemate materjalide lõikamisel. Selle tingib asjaolu, et lõikejoa intensiivsus kahaneb düüsi otsa kaugenemisega lõikepunktist, materjali läbistamiseks on vajalik lõikejõud veel vaid kaare tsentris[2].

109

Peamisteks lõikesoonte kujumuutusi põhjustavateks teguriteks on: - düüsi otsa kaugus materjali pinnast (mida lähemal düüs materjalile asub, seda väiksem

kujumuutus tekib); - materjali kõvadus; - lõikekiirus: - düüsist väljuva lõikejoa kvaliteet ja fokuseeritus; - abrasiivi kvaliteet; - materjali paksus.

Erinevalt enamikest teistest lõikemeetoditest, muutub lõigatud pinna kvaliteet detaili pinnast kaugenedes. Üldjuhul on lõikepind ülaosast tasane, kuid tungides sügavamale, kaotab veejuga energiat ja hajub ning pinna kvaliteet halveneb. Joa hajumise mõjusid saab vähendada hoides pihustit võimalikult lõigatava detaili pinna lähedal. Veejoa hajumist saab vähendada lisades veele glütseriini või pikaahelalisi polümeere või siis vähendades lõikekiirust. Abrasiivlõikusel on joa hajumine tunduvalt suurem.

Sele 10.8 Lõikepea kauguse mõju materjalist Vahetult pihustist väljuva veejoa kiirust saab arvutada kasutades Bernoulli valemit mitte kokku surutava vedeliku kohta:

πPv 2= ,

kus: v - vee kiirus (m/s); P - vee rõhk (Mpa); π - vee tihedus (kg/ m³). Düüsi kaudu väljuva vooluhulga ja kiiruse vahel on seos:

ππ PD

vACQ d

24 2⋅

⋅⋅= ,

kus: Q - vooluhulk (m³/s); Cd - väljumise kasutegur; A - joa ristlõikepindala (m³); D - joa läbimõõt (m). Väljumise kasutegur on otseses sõltuv düüsi geomeetriast ja selle väärtus on suurusjärgus 0,7. Võrreldes teiste traditsiooniliste lõikemeetoditega, on abrasiivlõikuri lõikeoperatsiooni hind suhteliselt kõrge. Kulutust nõuavad abrasiivikulu ning düüside ventiilide ja pumba tihendite vahetamine. Isegi kui lõikeprotsessi läbiviimine on teiste meetoditega võrreldes kallim, tuleb kokkuvõttes lõpliku detaili saamine abrasiivlõikuril ikkagi odavam, kuna jääb ära täiendav töötlus detailile täpsuse ja viimistletud pinna andmiseks.

110

10.2 Lõikeparameetrid Veejoa lõikevõimsust saab muuta seades lõikeparameetreid. Abrasiivlõikust mõjutavateks tähtsamateks parameetriteks on:

- Hüdraulilised parameetrid: veerõhk, düüsi ava läbimõõt, vee mahtvool, veejoa laminaarsus;

- Abrasiivi parameetrid: hulk, kvaliteet, tera suurus, kuju, olek (kuiv/segu); - Abrasiivi söötmisviis: ejektortüüpi, surveline söötmine; - Segamiskambri omadused: kambri kuju, abrasiividüüsi pikkus, abrasiividüüsi ava

diameeter; - Lõikamise parameetrid: lõikekiirus, düüsi kaugus detailist, joa ja detaili vaheline nurk,

lõigatava materjali omadused Lõikevõimsust hinnatakse lõike sügavuse, lõikejoone laiuse ja lõigatud pinna kvaliteedi alusel (lainelisus ja pinna karedus). Sele 10.10 on näidatud abrasiivlõikuse skeem ja lõikeparameetrid.

Sele 10.10 Abrasiivse vesilõikuse põhimõte ja lõikeparameetrid Enamus parameetreid sõltuvad seadmest s.t., et valmistaja on üritanud optimeerida näiteks segamiskambri mõõtmeid ja söötmisviisi. Tabelis 1 on toodud ühe masinatootja soovitused düüside ja abrasiivide teralisuse valimiseks lõigatava materjali paksuse järgi, kui abrasiivi söötmine toimub sele 4 a näidatud skeemi järgi. Tabel 10.1 Otsiku ja abrasiivi tera suuruse valik lõigatava materjali tugevuse järgi

Materjali paksus

(mm)

Safiirdüüsi diameeter

(mm)

Abrasiividüüsi diameeter (mm)

Abrasiivi tera suurus

(mm) 3…5 0,25 0,8 0,06 – 0,15

6…10 0,33 1,2 0,10 – 0,25 11…60 0,45 1,6 0,20 – 0,55

Peamine lõikevõimsuse mõjutaja on vee rõhk. Rõhu lisamine kasvatab läbi safiirdüüsi voolava vee kiirust ja koos sellega saab ka abrasiiv teatud määral suurema kiiruse enne kokkupuudet lõigatava materjaliga. Kiiruse lisandudes võib vesi kaasa kanda rohkem abrasiivi ning veejoa energia ja lõikamisevõimsus kasvab. Sellest lähtuvalt tuleks kasutada suurimat võimalikku

111

veerõhku ja abrasiivikogust. Arvesse tuleb võtta ka teisi mõjusid, mille rõhu kasvamine endaga kaasa toob.

- Abrasiividüüsi kulumine kiireneb (sele10.11); - Joa laminaarsus halveneb; - Vee kokku pressimisest tekkivad energiakaod kahanevad; - Väljumise kasutegur Cd kahaneb; - Saavutatav lõikesügavus kasvab (sele 10.12); - Pinna kvaliteet ja lõikepind paranevad (sele 10.13); - Kulutused lõikamisele suurenevad; - Energia vajadused kasvavad; - Veelt abrasiivile ülekantava energia kasutegur paraneb kuni teatud optimumini; - Rõhuallika(pumba) hooldekulud kasvavad - Painduvate voolikute kasutamine piiratud (max rõhk 250 MPa)

Sele 10.11 Vee rõhu mõju abrasiividüüsi kulumisele

Veedüüsi ava diameeter 0,229 mm; abrasiividüüsi pikkus 51 mm, wolframkarbiid, abrasiivi voolukiirus 3,78 g/s,abrasiivi liik Garnet, Mesh 100

Sele10.12 Vee rõhu mõju lõikesügavusele hallmalmi lõikamisel erinevate voolukiiruste juures.

Veedüüsi ava diameeter 0,254 mm, abrasiividüüsi ava diameeter 0,813 mm, abrasiividüüsi pikkus 51 mm abrasiivi liik Garnet, Mesh 80,lõikekiirus 2,5 mm/s

112

Sele 10.14 Lõikekiiruse mõju lõikesügavusele alumiiniumi lõikamisel. Abrasiivina kasutatakse granaati ja alumiiniumoksiidi (kuiva ja suspensiooni). Tera suurus Mesh 280.Vee rõhk 196 Mpa, abrasiividüüsi ava diameeter 1,5 mm, abrasiivi voolukiirus 6,7 g/s, düüsi kaugus detailist 2mm. Abrasiivid: 1. Alumiiniumoksiid, kuiv 2. alumiiniumoksiid, suspensioon 3. granaat, suspensioon

Sele 10.15 Düüsi ja detaili vahekauguse mõju lõikesügavusele.

Vee rõhk 196 Mpa,a brasiividüüsi ava diameeter 1,5 mm,a brasiivi voolukiirus 6,7 g/s, abrasiivi liik alumiiniumoksiid, suspensioon,l õikekiirus 100 mm/min

Tolerantsid ja pinnakvaliteet Vesilõikusega saavutatavad tolerantsid sõltuvad lõigatavast materjalist, selle paksusest, düüsi ja seadme jäikusest ja abrasiivist. Tavaliselt kõigub detaili mõõtude täpsus ± 0,06...0,25 mm vahel. Saavutatavad pinna karedused vahelduvad väga laiades piirides. Tavalised Ra väärtused metallide abrasiivlõikusel on vahemikus 1,6...6,3 µm. Erinevalt enamikest teistest lõikemeetoditest, muutub lõigatud pinna kvaliteet detaili pinnast kaugenedes. Üldjuhul on lõikepind ülaosast tasane, kuid tungides sügavamale, kaotab veejuga energiat ja hajub ning pinna kvaliteet halveneb. Joa hajumise mõjusid saab vähendada hoides pihustit võimalikult lõigatava detaili pinna lähedal. Veejoa hajumist saab vähendada lisades veele glütseriini või pikaahelalisi polümeere või siis vähendades lõikekiirust. Tavaliselt kasutatakse polümeere harilikul vesilõikusel, kus joa hajumine on tavaliselt alla 10 %. Abrasiivlõikusel on joa hajumine tunduvalt suurem. Detaili või düüsi liigutamiseks kasutatava seadme täpsusaste mõjutab lõigatud pinna kvaliteeti ja tolerantsi astet: ALIKO positsioneerimistäpsus ± 0,1 mm/m²; Laserle tolerants 0,2-0,5 mm;

113

Savira OY/Prolaser OY lubavad vesilõikusele 0,1-0,2 ja abrasiivsele ±0,5 mm. Kaheteljelised NC-seadmed on suhteliselt lihtsalt programmeeritavad, kuid hea lõiketulemuse saavutamiseks tuleb arvestada veel paljude parameetritega. Näiteks täpsuse ja pinna kvaliteeedi säilitamiseks järskudes pööretes tuleb etteande kiirust parajal määral aeglustada.

1. 10.3 Düüsid 10.3.1 Düüside omadused Safiirdüüs on vesilõikussüsteemis tähtsal kohal, kuna tema ülesanne on tekitada laminaarne veejuga. Mõõtmetelt on ta väike: läbimõõduga umbes 2 mm ja kõrgusega 1 mm. Safiiris on ava diameetriga 0,075 kuni 0,50 mm, mida on nii täies pikkuses silindrilisi kui ka koonilise otsaga. Safiirdüüsi eluiga ulatub kuni 200 tunnini ja seda saab pikendada vee töötlemisega. Abrasiivdüüsi ülesanne on vee- ja abrasiivisegust moodustunud joa suunamine. Seda valmistatakse kõvasulamitest, tavaliselt volframkarbiidist. Düüside siseava diameeter on vahemikus 0,8 kuni 1,6 mm. [1] Düüsi sisediameeter määrab kindlaks selle, kui kiiresti ta kulub ning kui täpselt ja millise kiirusega saab lõigata. Väikese diameetriga düüsi omadused: Veidi parem lõiketulemus:pikem eluiga, parem täpsus, kitsam lõikesoon; Suure diameetriga düüsi omadused: lõiketulemus on langenud, lühem eluiga, väiksem täpsus, laiem lõikesoon. Vesilõikusseadmel on võimalik rakendada korraga mitu lõikepead. See on lihtne ja odav viis tootlikkuse tõstmiseks. Nad monteeritakse üksteise kõrvale ja samale kõrgusele. On vaja vaid suure võimsusega pumpa või siis mitut pumpa, mis suudaksid düüsid ära toita. Kuid sellega kaasneb ka teatud risk: kui kasvõi üks düüs ummistub või rikneb ootamatult, saavad ka teiste düüsidega lõigatavad detailid rikutud. Düüsi pikkus mõjutab otseselt selle võimet püsida fookuses. Tavaliselt on pikemad düüsid täpsemini fokuseeritud ja nendest väljuv juga väikesema hajuvusega. Selle tulemusena on võimalik saada veidi suurem täpsus, mis on tingitud ka lõikejoa kaardumine vähenemisest. Hinnavõrdlus. Vesilõokuse düüsi komplekt maksab 500 kuni 1000 dollarit (USD), samal ajal on abrasiivdüüsi komplekti hind 80 kuni 200 dollari piires. Abrasiivdüüs vajab veel abrasiivi toitesüsteemile täiendavat riistvara, mille hinnad on 500-st 20000 dollarini. Seega on abrasiivlõikuse kasutamine düüsi kulumise tõttu tunduvalt kulukam, sest hinnale lisandub ka veel abrasiivi kulu. [2]

10.3.2 Düüside puudused Safiirdüüsi puudused. Palja veega lõikamisel võib vesilõikuse ainukeseks probleemiks pidada safiirdüüsi kulumist. Lisaks sellele võib ette tulla ka düüsi purunemist, ummistumist ja sadestumist. Purunemise ja ummistumise põhjuseks on ebapuhas vesi, mida on võimalik parandada läbisurutava vee filtreerimise teel. Sade koguneb düüsile järk-järgult vees sisalduvate mineraalainete tagajärjel, teiste sõnadega on selle põhjuseks kare vesi. Sellegi puuduse kõrvaldamiseks on soovitav vett eelnevalt erinevate meetoditega töödelda (iooni eraldus, vee pehmendamine ja pööratud osmoosi reaktsioon). Safiirdüüsi vahetamine võtab aega umbes 2 - 10 minutit ja nende hind on suhteliselt madal (40 - 50 USD). Safiirdüüsi eluiga on abrasiivdüüsist keskmiselt 3 kuni 5 korda pikem. Kuid on ka müügil rubiin- ja teemantdüüse, mille hind küündib 1000 dollarini ning kõrgemalegi. Safiir ja rubiindüüs on virtuaalselt identsed, kui välja arvata nende värv. Põhjus, miks rubiin on punakat värvi, tuleneb tema kroomisisaldusest. Safiir on seevastu kõrge rauasisaldusega. Eluea poolest ületab teemant nii rubiini kui safiiri. Paratamatult et ole teemantdüüs hinnalt kõrge tema headuse poolest, vaid tema väikeste mõõtmete tõttu tööstuslikult keeruka valmistamise poolest.

114

Abrasiivdüüsi puudused: Abrasiivdüüse on nii disainilt kui materjalilt väga erinevaid. Sellegi poolest on neil kõigil ühelaadsed puudused: Düüsi lühike eluiga. Abrasiivlõikus on võimeline lõikama pea kõiki materjale - kaasa arvatud enda düüsi materjal. Võimalik on düüsi ummistumine: Tavaliselt põhjustavad seda abrasiivis olevad suuremad terakesed. Kunagi oli see suureks probleemiks, kuid tänapäeval tuleb seda tänu abrasiivi kvaliteedi paranemisele ja düüsi materjali kvaliteetsuse tõusule ette harvemini. Abrasiivdüüsi kasutusiga sõltub kasutatavast abrasiivist ja selle omadustest (tera suurus, kõvadus). Kõvasulamitest valmistatud düüside eluiga on kuni 10 tundi. Uute keraamiliste materjalide kasutuselevõtuga on suudetud düüsi eluiga tõsta kuni 50 tunnini. Üheselt on raske paika panna, millal abrasiivdüüs on lõplikult kulunud, aga mida rohkem ta kulub, seda ebaefektiivsemaks muutub lõikamine. Lisaks hakkab ka kulumine kiirenema. Kulunud düüsi võib väga edukalt kasutada näiteks väikest täpsust nõudvate detailide lõikamisel. Seetõttu ei ole alati otstarbekas kasutada uut kulumata düüsi [2].

2. 10.4 Abrasiivid Põhilised abrasiivid, mida tänapäeval kasutatakse, on granaat (garnet), kvarts või oliviin. Abrasiivina võib kasutada ka alumiiniumoksiidi, pliikarbiidi, terasliiva, vasesulatusräbu või klaaskuule. Populaarseim abrasiiv on tänapäeval granaat. Tema hind võrreldes teiste levinud abrasiividega on mõnevõrra kõrgem, kuid vastukaaluks on ta parema lõikekarakteristikaga. Granaadi abrasiiviteral on teravad nurgad ja ta on suhteliselt tugev, mis annab võimaluse lõigata 20 kuni 50 % kiiremini. Oma kõva ja tugeva tera tõttu on granaati võimalik kasutada mitmekordselt, kuid selleks on vaja spetsiaalset seadet, mis abrasiivi muust lõikejäägist eraldab. Üheks selliseks on WARD 24 (Waterjet Abrasive Recycling Dispenser), mis peseb, puhastab ja kuivatab abrasiivi, et seda uuesti kasutada. See seade ei aita vähendada ainuüksi abrasiivi kogumismahuti tühjendamisega seotud kulusid, vaid radikaalselt vähendab uue abrasiivi ostu kulusid. Granaat on inertne abrasiiv, mis tähendab, et ta ei reageeri teiste mineraalide, ühendite ega kemikaalidega. Granaadiga lõikamisel tekib vähem tolmu. Abrasiivitera suurus on tavaliselt 0,2 kuni 0,6 mm vahel ja kõvadus 5,5 kuni 8 Mohsi skaala järgi. Tera suurust tähistatakse keskmise terana. See on suurus, mis oleks abrasiiviteral, kui nad kõik oleksid kerakujulised, ühesuurused ja nende kogu pindala oleks sama suur kui tõelistel teradel. Abrasiivid juhitakse veejoasse kas kuivana või vee ja abrasiivi seguna ehk suspensioonina. Suspensiooni kasutamisest võib kasu olla eriti kõvade materjalide nagu keraamiliste ja komposiitmaterjalide lõikamisel. Suspensioonis kasutatakse abrasiivina alumiiniumoksiidi, mis on väga peeneteraline (0,04 mm). Suspensiooni kasutades võib abrasiivi kasutada uuesti vahekorras: 50% uut ja 50% kasutatut. Peenema abrasiiviga saavutatakse parem pinna kvaliteet, mis võib mõnel juhul olla omaette eesmärgiks. Maksimaalse lõikekiiruse korral tuleb valida võimalikult jämedateraline abrasiiv, nagu näiteks 60 mesh või 80 mesh. Kui aga soovitakse siledat pinda, tuleb valida peeneteraline abrasiiv (100, 120, või 150 mesh). Loomulikult tuleb arvestada ka düüsi omadusi. 80 mesh on abrasiivide seast populaarseim ja tema järele on suur nõudlus. Et teha kindlaks abrasiivide sobivust, on lõigatud erinevate abrasiividega samadel lõikekiirustel ning võrreldud saavutatud lõikesügavusi (sele 3.15). Materjali lõikamisel on lõikepind ülaosast tasane ja parima kvaliteediga. Üldjuhul kaotav veejuga sügavuse kasvades energiat ja hajub, mistõttu pinna kvaliteet halveneb, kusjuures abrasiivijoa hajumine on veejoaga võrreldes tunduvalt suurem. Joa hajumise vähendamiseks on võimalik vette lisada glütseriini, pikaahelalisi polümeere või siis vähendada lõikekiirust ning viia juga võimalikult lähedale lõigatava detaili pinnale. Polümeere enamjaolt abrasiivlõikuse puhul ei kasutata. [1]

115

Üldiselt on granaat selline abrasiiv, mis sobib paljude materjalide lõikamiseks. Kõige populaarsem on ta just oma mitmekülgsuse poolest. Suurem hulk teisi abrasiive on kasutatavad ühespetsiifiliste materjalide lõikamisel. Näiteks alumiiniumi lõikamisel on otstarbekam kasutada pehmemat abrasiivi. Selline strateegia võimaldab lõigata veidi aeglasema kiirusega, samas saab sellega vähendada düüsi kulumist. Seetõttu ei ole vajalik kasutada kallist abrasiivi. Abrasiivi ostmisel ei tohiks siiski lähtuda vaid hinnast. Eri kaubamärkidega tooted on ka väga erinevate hindadega. Abrasiivi kvaliteetsuse määravad paljud faktorid. Kallimate abrasiivide puhul on võimalik saada parem pinnakvaliteet, lõikekiirus on suurem ning esineb vähem düüsi kulumist ja ummistumist. Inimtervise seisukohalt ei ole soovitav kasutada kvartsil baseeruvaid abrasiive. Need loovad lõikamisel tekkiva tolmu tõttu soodsad eeltingimused kopsuvähi tekkeks. Ohtu on võimalik mõningal määral vältida separaatorite kasutamisega. Sellise abrasiivi hulka kuulub näiteks ka harilik rannaliiv, mille kasutamise pealt ei ole otstarbekas raha kokku hoida. Abrasiive iseloomustab rida tegureid, mida tuleks nende hankimisel silmas pidada:

- Topeltsõelutud abrasiiv: See tähendab, et abrasiivist on eemaldatud nii liiga suured kui ka väikesed osakesed. Tulemuseks on kindla tera suurusega abrasiiv, düüsi pikem eluiga, ja paremad lõiketulemused.

- Teravus: Mida teravam on abrasiivosake, seda paremini ta materjali lõikab. - Puhtus: Eelistada tuleks puhast abrasiivi. Tihti pakutakse granaati, millesse on segatud

ka teisi abrasiive. Kindlasti kannatab selle all lõiketulemus. - Kõvadus: Abrasiivi kõvaduse kasvades kasvab ka lõikekiirus. Loomulikult tuleb

pehmemate materjalide lõikamisel kasutada siiski pehmemaid abrasiive. - Hind: Kallimad abrasiivid on puhtamad ja seega vähendavad tunde kestvaid

lõikeprotsesse. Abrasiivi pealt võib küll kokku hoida, kuid siis tuleb arvestada ka teatava tootlikkuse langusega.

3. 10.5 Vesilõikuse eelised ja puudused Võrreldes teiste mehhaaniliste ja termiliste lõikamismeetoditega, on abrasiivsel vesilõikusel suurel hulgal eeliseid, mis teevad ta paljudes juhtudel konkurentsivõimeliseks, kuna ta on meetodina suhteliselt lihtne. Puudusteks on tal mitmed piirangud. Eelised:

- Suur lõigatavate materjalide valik. Abrasiivese vesilõikusega suudetakse lõigata pea kõiki materjale, ka kiudarmeeritud materjale. Erandiks on karastatud klaas, mis puruneb lõikamisel tekkivate sisepingete tagajärjel. Samuti ei sobi veega lõikamiseks mõningad kõvad keraamilised materjalid, sest nende materjalide kõvadus peab olema väiksem kasutatava abrasiivi omast.

- Lõikeprotsess ei mõjuta materjale termiliselt. See on vesilõikuse suurim eelis võrreldes teiste töötlemismeetoditega. Vesilõikuse kasutamine on eriti sobiv temperatuuritundlike metallide lõikamiseks, nagu näiteks titaan ja kõrglegeeritud terased. Lõiketsoonis ei teki mingeid soojuslikke deformatsioone, struktuurimuutust (karastumist) ega eraldu mürgiseid aure. Detaili temperatuur ei tõuse tavaliselt üle 70°C, mis mõjub ka detaili täpsusele. Põhiliseks temperatuuri tõusmise põhjuseks on abrasiivosakeste põrkumine vastu lõigatavat materjali.

- Kiire seadistavus ja programmeeritavus. Vesilõikuspead on lihtne liita erinevat automaatseadmetega nagu näiteks koordinaatlaud ja robot. Kuna on vaid üks lõikeriist, siis ei ole vaja programmeerida lõikeriista vahetust. Mõnes süsteemis koosneb programm vaid detaili joonisest, mille aluseks saab võtta hariliku AutoCAD’is valmistatud joonise.

- Detaili piiranguteta lõikejooned. Tänu veejoa väikesele diameetrile saab tekitada teravaid nurki. Detaili lõikamist saab alustada ja lõpetada suvalises punktis.

116

- Suur lõikekiirus. Seda võib väita sel juhul, kui on tegu pehmete materjalidega ja keeruliste lõikejoontega. Teiste meetodite puhul võtaks selline lõikamine tunduvalt rohkem aega või osutuks hoopis teostamatuks.

- Hea pinnakvaliteet. Õigete lõikerežiimide kasutamise tulemusena saadakse enamike lõigatavate materjalide puhul pinnakvaliteet (kohati peegelsile), mis ei vaja järeltöötlust ja on piisav lõplikuks tulemuseks. Kuid mida paksemat ja kõvemat materjali lõigata, siis seda halvemaks kvaliteet muutub. Seda ennekõike seetõttu, et veejuga aeglustub, hajub ja kaardub.

- Väikesed lõikejõud. Kuna veejuga on peenike, ei mõju lõigatavale materjalile suurt lõikejõudu ega külgjõude. Seega saab detaili kahekoordinaatse pingi töölauale kinnitada suuremate kinnitamisteta.

- Väikene materjalikulu. Kuna veejuga on väga peenike (palja veega 0,1 - 0,4 mm ja abrasiivjoal 0,5 – 1,5 mm), on ka materjalikulu väike. Lõikepea ühest punktist teise viimiseks puudub vajadus teha liigseid lõikeid.

- Lihtne hooldada. Seda seadme lihtsuse tõttu. - Keskkonnasõbralik. Vesilõikus ei kujuta endast ümbritsevale keskkonnale mingisugust

ohtu. Lõikejääkideks on abrasiiv, lõigatav materjal ja vesi. Enamasti võib tekkinud vee ja abrasiivijäägi vabalt loodusse paisata. Kui on tegu suurel hulgal toksilise ainega nagu näiteks seatina, tuleb vesi filtreerida ja lõikejäägid vastavalt olukorrale töödelda.

Puudused:

- Piiratud materjali paksus. Abrasiivse veejoa läbitungimisvõime on piiratud, kuna lõikekiirus- ja sügavus kahanevad eksponentaalselt materjali paksuse kasvades.

- Düüsi kulumine. Kõrgsulamist valmistatavate düüside eluiga ulatub vaid mõne kasutus tunnini. Uute keraamiliste düüsidega on suudetud seda arvu tõsta kümneid kordi, ulatudes 50 kuni 100 tunnini. Selline düüs maksab 2000 kuni 3500 krooni. Düüsi kulumine moodustab suure osa kõikidest kulutustest.

- Materjal märgub. See võib olla probleemiks poorsete materjalide lõikamisel. Õigete lõikerežiimide korral on märgumist võimalik vähendada.

- Suur müratase. Suurimateks müraallikateks on tekitatav veejuga, surveseade ja veejoa sumbumine töölaual. Vesilõikuse puhul ulatub see 85 kuni 95 dB-ni, abrasiivse vesilõikuse korral isegi 120 dB-ni. Suurimat müra tekitab lahtine veejuga. Mürataset on võimalik vähendada düüsi isoleerimisega, düüsi ja detaili vahe vähendamisega ning veejoa summutamisega peale detaili läbimist.

- Abrasiivtolm. Abrasiivliiva käsitlemine ja liiva jäämine lõigatud detailide pinnale ning tööruumidesse tekitab riski tööohutuse seisukohalt. Kvartsliivas sisalduv pliioksiid võib tekitada raske kopsuhaiguse (silikoos). Kvartsliiva kasutamine tehnilistel otstarvetel on paljudes riikides keelatud.

- Ohutus. Vesilõikuse teeb ohtlikuks eelkõike tema näilik ohutus. Paljas veejuga muutub inimesele ohtlikuks umbes 0,5 meetri kaugusel düüsist, kuid abrasiivjuga ei kaota oma jõudu isegi 6 meetri kaugusel allikast. Sellised ohud varitsevad enamasti 3D vesilõikuse puhul, kuna kahekoordinaatse pingi puhul on tavaliselt juga suunatud alla ja ei kujuta endast sellist ohtu.

- Hind. Vesilõikust kasutusele võttes tuleb teha suur investeering seadmetesse. Seadmete hinnad on suurusjärgus 1,5 miljonist kroonist kuni 3 miljoni kroonini. [1]

Abrasiivse vesilõikuse rakendused Vesilõikust on õnnestunult rakendatud sadades tehastes kümnetes eri maades. Tüüpilisemad tööstusalad, kus vesilõikust rakendatakse on:

- Autotööstus; - lennuki- ja kaitsetööstus; - ehitusmaterjalidetööstus;

117

- elektroonikatööstus; - klaasi- ja keraamikatööstus; - pakkimistööstus; - toiduainetetööstus; - laevatööstus; - kummi-ja tihenditööstus.

Sirge lõikuse puhul ei ole abrasiivne vesilõikus tavaliselt konkurentsivõimeline meetod võrreldes mehhaaniliste või termiliste lõikemeetoditega. Õhukeste plaatide lõikamisel saavutatakse näiteks laser- ja plasmalõikusega suuremad lõikekiirused kui vesilõikust kasutatades. Eriti kõvasid ja kuumakartlikke aineid töödeldes või keerulisi kujundeid lõigates võib vesilõikus osutuda majanduslikult tasuvaks lahenduseks.

Sele 10.16. Vesilõikuse põhimõtteskeem

Sele 10.17. Vesilõikusseadme üldvaade

118

Sele 10.18 Näited vee- ja abrasiivse joaga lõigatud detailide

4.1 Ülevaade lehtmetalli vormimise paindlike tehnoloogiate...

Documents