Progresivní technologie porušování materiálů

Proč se zabývat fyzikálními problémy netradičních technologií obrábění? Protože jsou již dnes nepostradatelné a mají budoucnost. Dnes stále ve větší míře uplatňované technologie využívající jako nástroj laserové záření, abrazivní/čistý vodní paprsek, plazma či elektroerozivní působení na materiál mají mnohé limity. Studium fyzikálních principů působení těchto nástrojů na materiály může zvýšit jejich účinnost, zlepšit kvalitu a posunout hranice jejich aplikovatelnosti v biomedicíně, letectví, v kosmickém výzkumu.

Studujeme zejména tyto nástroje:

ABRAZIVNÍ VODNÍ PAPRSEK

– vysokou rychlostí proudící směs vody, vzduchu a abrazivních částic, nejčastěji minerálů:

• vliv technologických parametrů na kvalitu obrobku
• vliv materiálových vlastností na kvalitu obrobku
• způsoby identifikace fyzikální podstaty procesů probíhajících při směšování abraziva s vodním proudem nebo při působení paprsku na obráběný materiál

ČISTÝ VODNÍ PAPRSEK

– vysokou rychlostí proudící čistá voda:

• vliv transportní cesty na účinnost paprsku
• způsoby zvyšování destrukční účinnosti vodního proudu při dopadu na materiál bez použití aditiv
• specifické fyzikální jevy při uplatnění paprsků kapaliny bez aditiv v extrémních podmínkách

Nedílnou součástí naší práce je také:

VYTVÁŘENÍ MODELŮ PREDIKUJÍCÍCH PORUŠENÍ MATERIÁLŮ PAPRSKEM

• odvození vlastních modelů popisujících interakci paprsku s materiálem fyzikálně-matematickými vztahy
• doplňování a rozšiřování stávajících modelů o nové poznatky převedené do fyzikálně-matematického popisu
• modifikace vlastních modelů pro snadné uplatnění v praxi

Spolupráce

• Politechnika Świętokrzyska, Kielce
• Politecnico di Milano, Itálie
• Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove - TU Košice
• Watting s.r.o., Prešov
• DRC s.r.o., Prešov
• PTV spol. s r.o., Hostivice
• PWR Composite, Ostrava

Pracovní skupina PTPM

Aktuální projekty

• CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_015/0002338 – Technika pro budoucnost, 2017-2019
• SGS SP2019/26 – Charakterizace materiálů z hlediska jejich optických, magnetických a mechanických vlastností a jejich interakce se zářením, 2019

Měření kvality řezné stěny

Určuje se zakřivení „striace“ (typické vrásy) na povrchu řezné stěny. Úhel mezi původním směrem paprsku a tečnou ke striaci (úhel odklonu trajektorie paprsku v řezu) dává obraz o kvalitě řezné stěny i limitech řezání. Je to jeden z hlavních ukazatelů kvality obrábění abrazivním vodním paprskem, protože umožňuje stanovit také deformaci obrobku v zakřivených a lomených částech trajektorie, a to nejen vlivem zpožďování paprsku v řezu, ale i díky úkosu stěn.

Princip měření úhlu

Graf pro stěny řezané
na různých materiálech

Deklinační úhel na výstupní hraně určuje kvalitu řezné plochy; na fotografii je znázorněn princip měření úhlu; graf je vytvořen pro stěny řezané za stejných podmínek na různých materiálech.

Měření drsnosti a vlnitosti řezné stěny

Optickými přístroji na bázi osvitu měřené plochy šikmo dopadajícím laserovým zářením jsou skenovány obrobené povrchy. Příslušné softwarové vybavení pak z intenzity světla zachyceného detektorem ve směru kolmém k povrchu vyhodnocuje vlnitost a drsnost povrchu. V omezené míře je možno i zobrazit reliéf měřeného povrchu v 3D grafu.

Měření drsnosti v suché laboratoři

Grafický výstup z měření

Měření sil při řezání

Pomocí vlastního patentovaného snímače sil (CZ patent č. 303189) se provádí měření všech tří složek sil působících při řezání materiálu paprskem. Výsledné záznamy umožňují stanovit dynamiku a absolutní velikost sil a zaznamenat i různé anomálie související s náhodnými jevy (výpadek abraziva, nehomogenita materiálu, apod.)

Měřič sil na obráběcím stole
(Politecnico di Milano)

Grafický výstup z měření

Měření zrychlení - vibrací

Měří se zrychlení (akcelerace v násobcích tíhového zrychlení) pomocí akcelerometrů umístěných na obráběcím zařízení nebo obrobku. Určení významných frekvencí a intenzity vibrací pomáhá odhalit principy probíhajících dějů, případně zjistit problémy vznikající při poruše některé části řezného systému.

Umístění akcelerometrů
na řezné hlavici

Měření parametrů paprsku
v laboratoři PS, Kielce

Doplňování modelu predikujícího porušování materiálů paprskem

Průběžné doplňování dílčích závislostí (např. závislosti deformace vzorku na parametrech paprsku a vlastnostech materiálu) do původního modelu formou dodatečných modifikací, dalších funkčních závislostí nebo nových či modifikovaných konstant a součinitelů.

Deformované měděné válečky
řezané bez kompenzací negativních projevů paprsku

Vztah odvozený pro výpočet deformace

Graf závislosti deformace
na poloměru válce

Modelování – směšování abraziva s vodním proudem

Kvalita abrazivního vodního paprsku jako obráběcího nástroje je klíčová pro řadu aplikací. Způsob směšování abraziva s vodním paprskem je tedy v centru pozornosti jak z hlediska experimentálního, tak teoretického. Matematické modelování může při porovnání obou přístupů významnou měrou pomoci a následně umožnit modelování případů mimo současné běžné limity (mikropaprsky pro mikroobrábění).

Síť pro modelování směšovací komory

Graf rozmělňování částic při směšování

Vývoj zařízení pro modulaci toku

Modulovaný tok čisté vody umožňuje generování tzv. pulzujícího paprsku. Tento paprsek díky svému časovému průběhu opakovaně působí na materiál opakujícím se impaktním tlakem, což výrazně zvyšuje účinnost čisté vody proti nepřerušovanému (kontinuálnímu) paprsku. Posun generování pulzací do oblasti vysokých tlaků je jedním z cílů výzkumu.

Zařízení pro škrcení toku
protiběžnými ozubenými koly

Soustava komor pro buzení kmitů
v toku a měření síly výstupního paprsku

Modelování – MHD modulátor

Složité působení magnetického a elektrického pole na tok kapaliny vyžaduje komplexní analýzu. Součástí řešení ovlivňování proudění je tedy i modelování uvedených polí a jejich vlivu na tok kapaliny. Modelování probíhá v programech Comsol a ANSYS-Fluent.

MHD modulátor – testování napětí

Modelování magnetického pole v
centrálním řezu modulátoru provedené
v programu Comsol

Spolupráce s praxí

Kromě výzkumných témat navrhujeme také témata bakalářských a diplomových prací řešící fyzikální otázky, které se průběžně vyskytují při reálných outdoorových aplikacích paprsku. Z dosud rozpracovaných témat lze jmenovat.

• zvýšení účinnosti a bezpečnosti řezacího a hasicího zařízení COBRA
• dobývání pískovcových bloků pro sochařské a kamenické práce
• generace ultrazvukového signálu při podvodní sanaci betonu
• zpracování odpadního materiálu, např. recyklace abraziva

Měření reakčních sil řezné hlavice hasicího zařízení Cobra

Testování hlavice na dobývání kamene
– řezání bloku pískovce, lom Javorka