دانلود تحقیق اصول اولیّه برش با آب

برش با آب به زبان ساده توسعه،انتقال واستفاده از قدرت آب می باشد این قدرت توسط پمپ در سیال ایجاد می شود وسیال پرفشار از طریق یک لوله فلزی مقاوم به یک نازل جریان می یابد ودر نازل بدلیل تفاوت سطح مقطع ورودی وخروجی ،شتاب می گیرد وبدین ترتیب سیال با انرژی جنبشی بالا به طرف سطح هدایت می شود.

از فرآیندهای برش با آب می توان درمواردی که دیگر فرآیندهای ماشینکاری پیشرفته به سادگی نمی توان بکار برد،استفاده کرد مانند برش مواد غذایی،فلزات سخت،شیشه را می توان نام برد.

                                      نمودار استفاده از فرآیند برش با آب در صنعت

 بطور کلی در یک دستگاه برش باجت آب عامل انجام دهنده کار،همواره آب نیست واز سیالهای دیگر نیز می توان استفاده کرد مثلاً از سیال روغن برای بریدن مواد غذایی استفاده می شود.

1-1کاربردهای کونا گون برش با آب

تاریخچه

استخراج معادن به روش هیدرولیکی اولین بار در ایالات متحده انجام شدوطی این روش زغال سنگ توسط آب به دامنه کوهها حمل می شد.با پیشرفت وتوسعه روز افزون این روش، مهندسان موفق شده اند با استفاده از جریان تحت فشار صخره های سخت را نیز از کوهها جدا کنند اولین تجربیات در این زمینه در شوروی صورت گرفت وقتیکه از جریانی با فشار 7000 بار برای استخراج صخره های سخت زغال سنگ استفاده گردید.

در دهه 1970 در ایالات متحده توانستند جریان با فشار 40000 بار ایجاد کنند و در اینجا بود که مزایای استفاده از دستگاههای برش باآب شدند.همزمان با توسعه تکنولوژی استخراج معادن،جت های آب در تمیزکاری سطوح نیز بکار گرفته شدند ولی هزینه نسبتاً بالا در تولید قدرت اولیّه برای عکس العمل اعمالی از طرف این دستگاه بر روی اپراتور ناچیز بود لذا با استفاده از این روش ،سرعت کار به میزان قابل توجهی بالارفت.با افزایش توانایی در طراحی پمپها،بااستفاده از پمپهای فشار بالا سیستمهای جت آب قادر به تمیزکاری یا بریدن مواد سخت شدند.

آقای دکتر نورمن فرنز به عنوان پدر علم فرآیندهای برش با آب شناخته شده اند و اولین شخصی است که بر روی فشارهای فوق العده بالا (UHP) به عنوان ابزاری برای برش مطالعه کرد.

انواع فرآیندهای برش با آب:

بطور کلی فرآیندهای برش با آب به دو روش صورت می گیرد:

الف- برش همرا با استفاده از ذرات ساینده((AWJM

ب-  برش بدون استفاده از ذرات ساینده(WJM)

AWJM(Abrasive water jet machining)

کارشناسان طی تحقیقاتی دریافتند که افزودن مواد خاصی به جریان آب،قابلیت وکارایی سیستم را به نحوچشمگیری افزایش خواهد داد استفاده از ذرات ساینده در جریان آب سیستم برش با جت آب،نکات مثبت ومنفی به همراه داشته است.بریدن مواد خیلی سخت مثل فلزات و شیشه بوسیله آب،کاری مشکل وغیر مشکل می باشدزیرا آب نمی تواند به درون ساختار کریستالی این مواد نفوذ کند لذااز ذرات ساینده استفاده می کنند.

مهندسان برای دستیابی به یک سطح فلزی تمیزکاری شده،ماسه به آب افزودند دانه های ماسه به عمل تمیز کاری وبرداشت اضافات کمک قابل توجهی میکنند اگرچه ذرات ساینده ای که در سیستم بکار میروند تحت آن فسار بالا می توانند موجب خوردگی سریع نازلها گردنداما برش مواد فلزی وسرامیکی با استفاده از دستگاه برش آب به همراه ذرات ساینده بدون هیچگونه اثر تخریبی بر مواد امکان پذیر است.

اتحادیه تحقیقات هیدرودینامیک بریتانیا در سال 1968توانست دستگاهی بسازد که ذرات ساینده را بین پمپ و نازل به آب تزریق کنند اما ازآنجا که ذرات ساینده بعد از برخورد به هدف دوباره به سیکل بر نمی گشتند هزینه این سیستمها اندکی بالا بود همچنین بدلیل سرعت زیاد ذرات ساینده از عمر مفید نازلها نیز کم میگردید.

2-1برش توسط مواد ساینده WJM( pure water jet machining) استفاده از فرآیند برش بدون ذرات ساینده را WJMگوینددر یک دستگاه برش آب، جت انجام دهنده کار،همواره آب نیست ومی توان از سیالات دیگری نیز استفاده کرد.

3-1برش باآب بدون ذرات ساینده اجزای سیستم های برش با‌آب: 4-1 نمایش شماتیک اجزاءبرش با آب 1-پمپ قلب سیستمهای برش با‌آب ،پمپ است.پمپ فشار مشخصی بر سیال وارد میکندفشاری که پمپ ایجاد میکند به دوطریق مصرف میشود یکی در حرکت آب از طریق خط جریان ازپمپ تانازل ودیگری درفرستادن آب ازطریق روزنه کوچک.

.موقعی که جت آب به هدف میرسد انرژی جنبشی به فشار ضربه ای وارد تبدیل می شود.دو پارامتر مهم در رابطه با کنترل قدرت خروجی اهمیت فراوانی دارند که عبارتند از مقدار وسرعت آب این پارامترها نیز به نوبه خود توسط دو متغیرکنترل می شود که عبارتند از حجم آب که توسط پمپ تخلیه میگردد وقطر نازل که بوسیله این دو متغیرمی توان سرعت جریان آب وسطح مقطع جریان را تعیین نمود.

وقتی فشار پمپ بالاتراز 4000بار باشد نمی توان پمپی را پیدا کرد که بتوان چنین فشاری ایجاد کند ودر عین حال دبی بالایی داشته باشد لذا برای حل این مشکل از دستگاه های نوع توپی استفاده می گردد علت نامگذاری شباهت آن به توپ نظامی میباشد.دستگاه ابتدا توسط مقداری آب بارکذاری می شود ویک حجم مشخص از گاز پرفشار به پشت این توده آب هدایت میگردد و در نتیجه این عمل آب از داخل با سرعت به بیرون تخلیه می شود و دقیقاً مثل آن است که شلیک شده باشد 5-1چگونگی افزایش فشار در سیستمهای برش با آب 6-1 پمپ رانش مستقیم 2-تشدید کننده اساس کارکرد یک تشدید کننده قانون پاسکال می باشد.طبق قانون پاسکال نیرویی که از طرف روغن بر پیستون وارد میشود برابر نیرویی است که توسط پیستون بر آب وارد می شود.

7-1 ارتباط نیرو وسطح در سیستمهای هیدرولیکی مطابق قانون پاسکال در یک سیتم برش باآب پمپ به تنهایی نمی تواند فشاری درحدود 4000تا7000 بار ایحاد کنددر چنین سیستمی پمپ فشار سیال را تا حدود 200 تا 350 بار افزایش داده وتوسط تشدید کننده فشار سیال 20 تا 40 برابر می شود.

اصول کار: جریان روغن در فشار متوسط 200تا350 بار وارد سیلندر می شوداین فشار موجب حرکت پیستون به سمت چپ می کردد.در نتیجه آب داخل محفظه به خارج هدایت می شود.اما همان مقار آب باید در محفظه کوچکتری حبس شود در نتیجه فشار آن افزایش خواهد یافت.

8-1نمای برش خورده از یک تشدید کننده .

9-1 نمایش عملکرد تشدید کننده 3-نازل به اشتباه خیال می‌شود که عمر نازل خیلی مهم و حساس است و این در حالی است که عمر قسمت نازل دستگاه اهمیت آن چنانی ندارد و آنچه که مهم است عمر تیوپ مخلوط‌کننده مواد ساینده با آب است.

Orifice یا jewelها ارزان هستند و اصلاً قابل قیاس با تیوپ اختلاط نمی‌باشد.

Jewelها (قسمت نازل یا دهانه خروجی آب است که از جنس لعل یا یاقوت می‌باشد) تقریباً ارزان و حدود 15 تا 50 دلار می‌باشند و این در حالی است که قیمت تیوپ مخلوط‌کننده 100 تا 200 دلار می‌باشد.

Jewelها نوعاً در اثر رسوبات معدنی موجود در آب آسیب می‌بینند که البته این رسوبات قابل برداشت می‌باشند.

Jewel از جنس یاقوت قرمز و آبی تقریباً یکسان هستند و تفاوتشان فقط در رنگشان است.

علت رنگ قرمز rubyها به علت درصد بالای کرم موجود در آنها بوده و در مقابل sapphireها علت رنگ آبی، درصد بالای آهن موجود در آنها است ولیکن هر دو سنگ یاقوت معدنی می‌باشند.

اما اگر هنوز عمر مفید نازل برای شما خیلی مهم است می‌توانید بجای نازل از جنس یاقوت قرمز یا آبی، از نازل الماسه استفاده کنید ولی بهتر است فعلاً از یک سامانه مناسب فیلتراسیون آب استفاده کنید.

برای روشن شدن موضوع بدانید استفاده از یک تیوب مخلوط‌کننده کهنه و آسیب دیده در اثر کارکرد مانند بکارگیری یک تیغچه الماسه کند شده می‌باشد.

این مشکل است که بگوییم چه وقت یک تیوب کاملاً آسیب دیده و قابل کاربرد نمی‌باشد.

اما این مهم است که ساییدگی در تیوب باعث کاهش کارآیی ماشین‌کاری می‌گردد.

برای کارهای دقیق بهتر است از یک تیوب جدید استفاده نمود.

عمر مفید تیوب به پارامترهای زیادی بستگی دارد، به عنوان مثال نوعاً از 20 تا 100 ساعت می‌تواند عمر مفید متوسط فرض شود.

البته با توجه به شرایط ممکن است از این زمان سریع‌تر یا کندتر نیز سایش اتفاق بیفتد که البته باز به شرایط کاری بستگی دارد.

10-1 نازل 4-تصفیه آب: هنگامی که اولین بار دستگاه های برش باآب در صنعت مورد استفاده قرار گرفتندتصور اولیُه بر این اساس بود که این دستگاههادارای عمر طولانی ونیازی به تعمیرونگهداری ویژه ای ندارند اما هنگامی که در مناطق مختلف نصب شدندبدلیل تفاوت در آب مناطق مختلف،مشکلی در کارکرد صحیح دستگاه بوجود آمد.بدین صورت که در فشار 350بار وسرعت حدود700متر بر ثانیه ذرات ریز معلق در آب میتوانند آسیب جدی برپمپ واردکنند.وجود ذرات جامد وریز معلق در آب در سرعتهای بالا می تواند فرسایش بدنه نازل ویا دیگر قسمتها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

روشهای جلوگیری از ذرات جامد درآب: 1-فیلتراسیون 2-سختی گیری 3-تراوش معکوس 4-دیونیزاسیون فلیترها: بطور کلی آلودگی می تواند بصورت جامد،مایع،گاز باشد.عوامل موثر در ایجاد آلودگی عبارتند از: 1-ایجاد آلودگی هنگام ساخت،نگهداریو مونتاژ اجزا در اثر ورود ذرات فلزی ،تراشه های رزوه لوله ها،ذرات در پوش 2-ایجاد آلودگی هنگام عملکرد دستگاه در اثر ورودآب به داخل مخزن هیدرولیک،تولید گازدر مخزن،ایجاد جرم در لوله ها 3-ورود آلودگی از خارج از سیستم فیلترها بسیار ظریف تر از صافیها عمل کرده ودرنقاط مختلف مدار قابل نصب می باشند.فیلتر های طراحی شده برای نصب در خط فشار، در سیستمهای مورد استفاده قرار می گیرندکه اجزا عمل کننده در فشار بالا مانند شیرها،نسبت ورودذرات در مقایسه با پمپ از حساسیت بیشتری برخوردارباشند.

فیلترهای خط برگشت در سیستمهای که به منظور ته نشین نمودن آلودگیها دارای مخزنبزرگ نیستندمورد استفاده قرار میگیرند.

سه روش اساسی در فیلتر نمودن سیال در سیستمهای هیدرولیکی عبارتند از : 1-مکانیکی 2-جذبی 3-جذب سطحی مکانیکی: فیلترهای مکانیکی برای جذب ذرات نسبتاًَ درشت مورد استفاده قرار می گیرنددر این روش از یک صفحه فلزی یا پارچه ای ویا تعداد دیسک فلزی مجزا استفاده می شود.

جذبی: اینگونه فیلترها ذرات بسیارریز را به خود جذب می کنند در این روش از صفحات کاغذی ،چوبی،پارچه ای ،سلولزی،وآزبست استفاده می شود.

جذب سطحی : در این روش از تمایل ذرات برای چسبیدن به سطح استفاده می شود.بنابرین ظرفیت چنین فیلترهایی به سطح قابل دسترس در آنها بستگی دارد.کاغذهایی که بطریق شیمیایی آماده می شوندبرای جذب سطحی ذرات در اینگونه فیلترها مورد استفاده قرار می گیرند.

سختی گیری: برای گرفتن سختی آب ،آن رااز یک بستر حاوی رزین عبور می دهند ودراثر اینکار ،کلسیم(یونهای کلسیم .منیزم وآلومینیوم) محلول که موجب سختی است باسدیم جایکذین می شود بعد از مدت زمان مشخصی رزین توسط محلول نمک احیای می شود.

معادلات زیر این روش را توضیح می دهند: تراوش معکوس: در این فرآیند،آب از یک غشای بسیار ریز عبور میکند وغشا مانند فیلتر عمل کرده و ذرات در حد مولوکولی آب را از آن جدا می کند.

دیونیزاسیون : این روش بسیار شبیه روش سختی گیری است با این تفاوت که بجای رزین شیمیایی از یونهای منفی نظیر کلرید وسولفات استفاده می شود.

11-1فیلتراسیون به روش دیونیزاسیون مطالعات نشان می دهندکه عمر روزانه نازل در روش دیونیزاسیون بیش از 200ساعت،در روش تراوش معکوس حدود 190 ساعت،ودر روش سختی گیری عمر نازل به 78ساعت می رسدواین در حای است که عمر نازل در صورت تنها استفاده از فیلترها فقط 34ساعت می باشد.امروزه در عمل از هر 3 روش (روش فیلتراسیون در تمامی آنها مشترک است)استفاده می شود.

5- catcher پس از برخورد آب و ذرات ساینده به همرا مواد حصل از برش در مخزنی جمع اوری میشوند مزایا ومعایب: از مزایای عمده سیستم های برش آب نوار باریک جت آب است ابتدا اینکه جریان باریک آب دو صفحه را خیلی از هم دور نمی کند و در نتیجه مواد کمی به عنوان ضایعات می توانند از بین دو صفحه خارج گرددند،و دوم صفحه برش بدلیل کیفیتی که در اکثر برشها داردبعنوان سطح نهایی بکار می رود.

از مزایای دیگر سیستم های برش با آب می توان به شرایط کاری این سیستم ها نام برد.بدلیل پرخطری کار در معدن امنیت کار مورد اهمیت قرار می گیرد لذا این موضوع دلیل عمده استفاده از جت آب در معادن می باشد.

در ادامه مزایای سیستم های برش با آب را در ذیل