تقنية القطع بنفث الماء الكاشطة: ما تحتاج إلى معرفته

1. مقدمة

تكنولوجيا النفث المائي هي تكنولوجيا جديدة تم تطويرها في السنوات العشرين الماضية وتنتشر تطبيقاتها على نطاق واسع بشكل متزايد. وقد تم تطبيقها في قطاعات مثل الفحم والآلات والبترول والبترول والمعادن والطيران والبناء وحفظ المياه والصناعات الخفيفة بشكل رئيسي لقطع المواد وسحقها وتنظيفها.

في السنوات الأخيرة على وجه الخصوص، ومع التطور السريع للتكنولوجيا المتقدمة، أصبحت أشعة الليزر وأشعة الإلكترون والبلازما والنفاثات المائية أدوات قطع جديدة.

من بينها، تنتمي أشعة الليزر وأشعة الإلكترون والبلازما إلى معالجة القطع الحراري، في حين أن النفاثة المائية هي طريقة المعالجة الباردة الوحيدة. وفي عمليات القطع والتكسير والمعالجة المسبقة للسطح للعديد من المواد، فإن النفاثة المائية لها تفوقها الفريد.

يمكن تقسيم تطوير النفاثة المائية إلى أربع مراحل تقريبًا:

مرحلة الاستكشاف والمرحلة التجريبية: في أوائل الستينيات، تمت دراسة التعدين النفاث المائي منخفض الضغط بشكل أساسي.

مرحلة تطوير المعدات: من أوائل الستينيات إلى أوائل السبعينيات، تم تطوير مضخات الضغط العالي والمعززات والتجهيزات عالية الضغط بشكل أساسي، مع تعزيز تكنولوجيا نفث الماء.

مرحلة التطبيق الصناعي: من أوائل السبعينيات إلى أوائل الثمانينيات، ظهر عدد كبير من ماكينات التعدين النفاثة المائية وماكينات القطع وماكينات التنظيف على التوالي.

مرحلة التطور السريع: منذ أوائل الثمانينيات وحتى الوقت الحاضر، تعمقت الأبحاث حول تكنولوجيا النفاثات المائية بشكل أكبر، وتطورت أنواع جديدة من النفاثات مثل النفاثة الكاشطة والنفاثة التجويفية والنفاثة الاهتزازية ذاتية الإثارة بسرعة. وتم تسويق العديد من المنتجات.

المراحل الأربع لتطور القطع بالنفث المائي.

• المرحلة الرابعة: مرحلة التطور السريع.
• المرحلة الثالثة: مرحلة التطبيق الصناعي
• المرحلة الثانية: مرحلة تطوير المعدات.
• المرحلة الأولى: مرحلة الاستكشاف التجريبي.

مفهوم النفاثة المائية الكاشطة:

النفاثة المائية الكاشطة هي طريقة معالجة خاصة تستخدم الماء كوسيط، وتحصل على طاقة هائلة من خلال جهاز توليد عالي الضغط، وتضيف مواد كاشطة إلى المياه النفاثة عالية الضغط من خلال جهاز تغذية وخلط، وتشكل خليطًا من مرحلتين من السائل والصلب.

وهي تعتمد على التأثير والتآكل عالي السرعة للمادة الكاشطة والنفث المائي عالي الضغط لتحقيق إزالة المواد.

مبدأ المعالجة بالنفث المائي الكاشطة:

تعتمد المعالجة بالنفث المائي الكاشطة على مبدأ الضغط الهيدروليكي، الذي يستخدم مولد ضغط عالٍ أو مضخة ضغط عالٍ لضغط الماء إلى ضغط فائق الارتفاع.

يتم تحويل الأداء الميكانيكي للمحرك الكهربائي إلى طاقة ضغط، ثم يتم تحويل الماء ذي طاقة الضغط الهائلة إلى طاقة حركية من خلال فوهة ذات ثقب صغير. وهذا يشكل نفاثة مياه عالية السرعة ويخلق درجة معينة من التفريغ في غرفة الخلط.

تحت تأثير وزنه وفرق الضغط، يتم امتصاص المادة الكاشطة في حجرة الخلط ويتم تقليبها بعنف، ونشرها وخلطها مع الماء النفاثة، مما يشكل نفاثة مائية كاشطة عالية السرعة تصطدم بقطعة العمل بسرعة عالية للغاية من خلال فوهة المادة الكاشطة.

بعد أن تصطدم النافثة المائية الكاشطة بقطعة الشغل، يتم إنتاج مجال إجهاد موضعي مركّز عالي السرعة على المادة، والذي يتغير بسرعة، مما يؤدي إلى التآكل والقص، وأخيرًا فشل المادة وإزالتها.

في عملية المعالجة بالنفث المائي الكاشطة، يتم تنفيذ الوظيفة الرئيسية بواسطة الجسيمات الكاشطة، وتعمل المياه النفاثة كحامل لتسريع الجسيمات الكاشطة.

بالمقارنة مع المياه النفاثة النقية النفاثة للماء النفاثة، فإن النفاثة المائية الكاشطة لديها طاقة حركية أكبر بسبب الكتلة الأكبر والصلابة الأعلى للجسيمات الكاشطة، مما يؤدي إلى تأثيرات معالجة أقوى.

جهاز النفث المائي الكاشطة

يشتمل جهاز النفث المائي الكاشط على نظام إمداد مائي، ونظام ضغط، ونظام مجرى مائي عالي الضغط، ونظام إمداد مائي عالي الضغط، ونظام إمداد كاشط، وجهاز رأس قطع، وجهاز استقبال، وآلية تشغيل، ونظام تحكم كما هو موضح في الشكل أدناه.

يتمثل دور نظام إمداد المياه في تليين جودة المياه، وتقليل تآكل مجرى المياه عالي الضغط الناجم عن جودة المياه، وتحسين العمر التشغيلي لمانع التسرب الترددي في نظام الضغط العالي.

المكون الأساسي لنظام الضغط هو مكثف الضغط، والذي يستخدم بشكل عام الترددية الهيدروليكية.

عادةً ما يتم تحديد نسبة ضغط المكثف على أنها 10:1 أو 20:1، ويمكن ضبط ضغط الماء الناتج للمكثف عن طريق تغيير ضغط الزيت للنظام الهيدروليكي المدخل، والذي يمكن أن يزيد من ضغط الماء إلى 100-400 ميجا باسكال، وحتى إلى 690 ميجا باسكال و700 ميجا باسكال. يربط نظام المجرى المائي عالي الضغط نظام الضغط وجهاز رأس القطع.

من أجل نقل المياه ذات الضغط العالي وتلبية متطلبات الحركة السريعة والمرنة لرأس القطع، عادةً ما يستخدم خط أنابيب المياه ذات الضغط العالي أنابيب فولاذية مرنة وفائقة المقاومة للضغط العالي والمقاومة للضغط، ويتكون من عدة وصلات أنابيب دوارة.

يشتمل نظام إمداد المواد الكاشطة على قادوس وصمام تدفق المواد الكاشطة وأنبوب نقل. المادة الكاشطة النقية القطع بالنفث المائي يشتمل الرأس على صمام تبديل الماء عالي الضغط وفوهة جوهرة. يشتمل رأس القطع بالنفث المائي الكاشطة أيضًا على حجرة خلط وفوهة خلط تمزج الماء النفاث مع المادة الكاشطة.

تتطلب فوهة الخلط مقاومة عالية للتآكل وهي مصنوعة بشكل عام من كربيد أسمنتي. يتم وضع جهاز الاستقبال أسفل قطعة العمل لتجميع ما تبقى من المادة الكاشطة النفاثة ولديه وظائف مثل امتصاص الطاقة وتقليل الضوضاء ومنع تناثر السوائل والسلامة.

تتحكم آلية التشغيل ونظام التحكم في جهاز التحكم في جهاز التحكم في مسار حركة رأس القطع، وتشمل طرق التحكم اليدوي والآلي وNC و CNC.

مادة كاشطة:

وهي تنقسم بشكل عام إلى ثلاث فئات: القائمة على المعادن، والقائمة على المعادن، والاصطناعية.

مبدأ الاختيار:

(1) تأثير القطع الجيد;

(2) السعر المنخفض والعرض الكافي.

تشمل المواد الكاشطة الشائعة ما يلي:

الجدول 1.2 العديد من المواد الكاشطة شائعة الاستخدام

الفوهة:

وتتكون من فوهة نفاثة مائية، وحجرة خلط، وفوهة نفاثة كاشطة.

التصنيف:

(1) وفقًا لعدد نفاثات المياه: فوهة نفاثة واحدة، فوهة متعددة النفاثات

(2) وفقًا لطريقة إدخال المادة الكاشطة: فوهة التغذية الجانبية الكاشطة، فوهة التغذية المتوسطة الكاشطة، فوهة التغذية العرضية الكاشطة.

1. فوهة تغذية جانبية كاشطة أحادية النفاثة

1. غرفة الخلط
2. الفوهة النفاثة الكاشطة
3. فوهة نفاثة الماء النفاثة

المزايا: هيكل بسيط، وتركيز جيد وثبات الطائرة النفاثة.

العيوب: ضعف تأثير الخلط بين المادة الكاشطة والماء.

2. فوهة تغذية كاشطة نفاثة واحدة ذات تغذية عرضية

1. فوهة نفاثة الماء النفاثة
2. الفوهة النفاثة الكاشطة

يتم خلط المادة الكاشطة والنفث المائي بالكامل، مع تقليل التصادم المتبادل بين المواد الكاشطة، وبالتالي تحسين قدرة القطع للنفث الكاشطة.

3. فوهة تغذية متوسطة كاشطة متعددة النفاثات

يُستخدم في الغالب في التنظيف النفاث الكاشطة أو إزالة الصدأ.

4. فوهة نفاثة كاشطة مع أنبوب استقامة

1. جسم الفوهة
2. مدخل الكشط
3. فوهة نفاثة الماء النفاثة
4. قاعدة الفوهة
5. ختم
6. صامولة القفل
7. استقامة الأنابيب

تتميز بهيكل بسيط وسهل التشغيل. يستخدم على نطاق واسع في صناعة القطع بالنفث الكاشطة.

تصنيف تكنولوجيا معالجة المياه النفاثة الكاشطة النفاثة:

وفقًا لطريقة خلط المادة الكاشطة والماء، يمكن تصنيفها إلى نوعين:

• النافثة المائية الكاشطة الهجينة الأمامية.
• النافثة المائية الكاشطة الهجينة الخلفية.

النافثة المائية الكاشطة الهجينة الأمامية:

يتم خلط المادة الكاشطة والماء بالتساوي في ماء ملاط كاشط في خط أنابيب الضغط العالي، ثم تسمى النفث الذي تشكله فوهة الكشط النفاثة الكاشطة المختلطة الأمامية. إن تأثير الخلط هذا جيد، ويتطلب ضغطًا منخفضًا، ولكن الجهاز معقد، وتتآكل الفوهة بشدة.

النافثة المائية الكاشطة الهجينة الخلفية:

يُطلق على إضافة المواد الكاشطة إلى المياه النفاثة بعد تشكيلها اسم النفاثة المائية الكاشطة المخلوطة من الخلف. يكون تأثير الخلط أسوأ قليلاً، ويتطلب ضغطًا عاليًا، ولكن الفوهة تتآكل بشكل أقل. إن البحث النظري وتكنولوجيا التطبيق الخاصة بالنفث المائي الكاشطة المختلطة الخلفية ناضجة نسبيًا، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في العديد من القطاعات الصناعية.

تصنيف تكنولوجيا الآلات النفاثة للماء الكاشطة.

• النافثة المائية الكاشطة المغمورة.
• النافثة المائية الكاشطة غير المغمورة.

يشير النفث المائي المغمور إلى أن النفاثة المائية المغمورة تشير إلى أن النفاثة المائية تكون في الماء من المخرج إلى قطعة العمل، والتي تتميز بخصائص الانتشار السريع للنفاثة المائية والتوزيع المنتظم للسرعة والضغط الديناميكي.

النفاثة المائية غير المغمورة تعني أن النفاثة المائية النفاثة في الحالة الطبيعية للهواء من المخرج إلى قطعة العمل. ومقارنةً بالنفث النفاث غير المغمور، فإن له مدى أطول وطول قلب أطول، ولكن توزيع السرعة ليس موحدًا.

2. آلية القطع وقانون القطع بالنفث المائي الكاشطة.

آلية القطع بالنفث المائي الكاشطة:

عند قطع مادة مستهدفة بنفث الماء الكاشطة بسرعة اجتياز نفاثة مائية معينة ينطلق جزء من النفاثة المائية نحو المادة المستهدفة بسرعة ثابتة بينما يضعف جزء آخر من قوة القطع أثناء اختراقها للمادة بشكل أعمق.

ونتيجة لذلك، يبدو أن سطح القطع ينحني في الاتجاه المعاكس لاجتياز النفاثة النفاثة، كما هو موضح في الشكل (أ) أدناه. وتزداد الزاوية بين محور سطح القطع المنحني ومحور النفاثة الأصلي تدريجيًا من مكان دخول النفاثة إلى المادة المستهدفة، وينحرف النفاثة أكثر فأكثر في الاتجاه المعاكس للاجتياز.

ومع ذلك، ونظرًا للقصور الذاتي الكبير لجزيئات الكشط نفسها، فإنها لا تنحرف مع الناقل النفاث المائي، مما يؤدي إلى فصل جزيئات الكشط عن النافث المائي وتآكل التركيز المحلي لجزيئات الكشط.

وكلما زاد تسارع الجسيمات الكاشطة، زادت زاوية الانكسار عند الانفصال، وزادت حدة التآكل بالتركيز. يؤدي التآكل بالتركيز الموضعي لجسيمات الكشط إلى زيادة كبيرة في كمية الطحن على طول سطح القطع، مما يشكل خطوة على سطح القطع.

ولذلك، أثناء التآكل الذي يشكل الدرجة، تزداد زاوية انحراف تدفق الماء فوق الدرجة باستمرار، ويزداد انحراف النفاثة المائية عن سطح القطع، وتقل كمية الطحن أسفل الدرجة حتى تصبح الدرجة العلوية عمودية على اتجاه النفاثة الأصلية، كما هو موضح في الشكل (ب) أدناه.

مع استمرار اجتياز النفاثة النفاثة، يعود سطح القطع إلى القطع والطحن الأملس، كما هو موضح في الشكل (ج) أدناه. من هذه النقطة، تبدأ دورة القطع مرة أخرى بالانتقال من القطع والطحن الأملس إلى التآكل والطحن بالتشوه.

خلال هذه العملية، يستمر سطح القطع بأكمله في التحول إلى فاصل زمني للقطع، ولأن انحراف النفاثة المائية الكاشطة يقترب من قوس، فإنه يشكل مقطعًا عرضيًا للقطع بفاصل زمني يشبه الموجة على طول اتجاه اجتياز النفاثة المائية.

• أ- قد ينحني سطح القطع بسبب عملية القطع والطحن السلس.
• ب- ترجع مرحلة تكوين سطح القطع بشكل أساسي إلى التآكل والتشوه والطحن.
• ج- يتم تحويل سطح القطع مرة أخرى إلى سطح قطع وطحن أملس على طول اتجاه التغذية.

نموذج رياضي للتشغيل الآلي بنفث الماء الكاشطة:

M. هاشيش، استنادًا إلى نظرية تآكل الجسيمات الصلبة لفيني وبيتر، وسلسلة من التجارب التصورية، يقترح أن عملية إزالة المواد بواسطة النفاثة المائية الكاشطة تتكون من منطقتين: تآكل القطع وتآكل التشوه، كما هو موضح في الشكل أدناه.

في منطقة تآكل القطع، أي قبل أن يصل عمق القطع إلى hC، تصطدم الجسيمات الكاشطة بالمادة بزاوية صغيرة، وتتم إزالة المادة في وضع القطع الدقيق. عندما يصل عمق القطع إلى hC، تنخفض سرعة تأثير الجسيمات الكاشطة على المادة، ويتغير وضع إزالة المواد.

تصطدم الجسيمات الكاشطة بالمادة بزاوية كبيرة، وتتم إزالة المادة في وضع التآكل المشوه.

على هذا الأساس، يحصل م. حشيش على النماذج الرياضية لعمق القطع في منطقة تآكل القطع وعمق القطع في منطقة تآكل التشوه:

حيث

• h_c هو عمق القطع (مم) لوضع تآكل القطع;
• h_d هو عمق القطع (مم) لنمط التآكل المشوه;
• C_k هي السرعة المميزة (م/ث);
• d_j هو القطر النفاث (مم);
• m هو معدل التدفق الكتلي للجسيمات الكاشطة (جم/ث);
• V_e هي السرعة الحرجة (م/ث) للجسيمات الكاشطة;
• V_o هي السرعة الابتدائية (م/ث) للجسيمات الكاشطة;
• ρ_p هي كثافة (جم/سم3) الجسيمات الكاشطة;
• u هي سرعة اجتياز الفوهة (مم/ث);
• C_f معامل الاحتكاك;  
• σ هو إجهاد القص (MPa).

يتضمن هذا النموذج تقريبًا جميع المعلمات المتضمنة في التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة. ومع ذلك، يجب تحديد بعض المعلمات مثل Vo وVe بشكل تجريبي. لذلك، قد تختلف النتائج التي يحصل عليها المشغلون المختلفون.

العوامل المؤثرة على أداء القطع بالنفث المائي الكاشطة:

نظرًا لأن القطع بنفث الماء الكاشطة عملية معقدة للغاية، فهناك العديد من المعلمات التي يمكن أن تؤثر على أداء القطع.

تشمل هذه المعلمات المعلمات الديناميكية (قطر فوهة الماء، وضغط الماء)، ومعلمات الكشط (المواد الكاشطة، والحجم، ومعدل التدفق)، ومعلمات فوهة الكشط (قطر فوهة الكشط، والطول، والمواد)، ومعلمات القطع (سرعة القطع، ومسافة المواجهة، وزاوية الصدمة، وعدد القطع)، ومعلمات قطعة العمل (الصلابة)، وما إلى ذلك. ومع ذلك، تشمل معلمات العملية التي يسهل التحكم فيها بشكل أساسي ضغط الماء ومعلمات الكشط وسرعة القطع ومسافة المواجهة.

تشمل المؤشرات الرئيسية لتقييم أداء القطع عمق القطع، وشكل الشق (عرض الأجزاء العلوية والسفلية من الشق ومستدق الشق)، وجودة السطح (الخشونة والتموج).

قوانين القطع بالنفث المائي الكاشطة:

(1) يزداد عمق القطع مع زيادة ضغط الماء وصلابة المادة الكاشطة وعدد مرات القطع، بينما يتناقص مع زيادة سرعة القطع. هناك علاقة قيمة مثالية بين عمق القطع، ومسافة المواجهة، وإمدادات الكشط، وحجم الجسيمات الكاشطة. كلما زاد عمق القطع، يزداد تدريجيًا ارتفاع الذروة وزاوية انحراف التصدعات على مقطع القطع، بينما يقل تواتر حدوث التصدعات.

(2) إن عرض الشق لها علاقة بالقيمة المثلى مع سرعة القطع، وتبلغ سرعة القطع المثلى حوالي 1/5 من سرعة القطع القصوى. في القطع المفرد، يتم تحديد سرعة القطع بواسطة خواص الموادوالسماكة، ومتطلبات جودة المقطع. عندما تكون سرعة الاجتياز ثابتة، كلما كان الضغط أعلى، كلما كان سطح القطع أكثر سلاسة؛ عندما تكون خشونة السطح متماثلة، فكلما زاد الضغط، زادت سرعة الاجتياز.

(3) مع زيادة الضغط النفاث أو انخفاض سرعة القطع، تتحسن جودة قسم القطع بشكل كبير. بالمقارنة مع المواد الهشة، يكون قسم القطع للمواد البلاستيكية أكثر سلاسة، ويتأثر شكله بشكل أكبر بالضغط النفاث وسرعة القطع.

(4) تتناقص سرعة مساحة القطع للنفث المائي الكاشطة مع زيادة قيمة طاقة كسر المواد، وتزداد مع زيادة الضغط، وتتناقص مع زيادة مسافة المواجهة. هناك علاقة قيمة مثالية بين سرعة مساحة القطع وإمدادات المادة الكاشطة. عندما تكون سرعة الاجتياز وسُمك المادة ثابتين، توجد قيمة مثالية لمسافة المواجهة التي تؤدي إلى أعمق عمق قطع. كلما زادت مسافة المواجهة، يزداد عرض الأخدود تدريجيًا. عندما يكون الضغط ثابتًا، كلما كانت سرعة الاجتياز أصغر، كلما كان عمق القطع أعمق.

3. حالة البحث الحالية لتكنولوجيا التصنيع بنفث الماء الكاشطة.

القطع بنفث الماء الكاشطة.

M. حشيش هو واحد من أوائل الباحثين الذين درسوا التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة. ومن خلال التجارب التي أجراها على القطع بنفث الماء الكاشطة، وجد أنه يمكن استخدامها لقطع اللباد والسيراميك والمعادن والزجاج والمركبات الملبدة بالجرافيت دون تفتيت.

بالإضافة إلى ذلك، أشار إلى عدم وجود إجهاد حراري أو إجهاد تشوه في منطقة القطع. وناقش أيضًا تأثير معلمات القطع المختلفة على أداء معالجة المواد ومعدل إزالة المواد، وأشار إلى أن تحسين معلمات القطع سيحسن أداء القطع بشكل كبير.

منذ ذلك الحين، ركزت كمية كبيرة من الأبحاث المحلية والأجنبية وتطبيق الآلات النفاثة المائية الكاشطة بشكل أساسي على القطع. يظهر الرسم التخطيطي لقطع المياه النفاثة الكاشطة والمقطع العرضي للعينة بعد القطع في الشكل 3.

من من منظور دقيق، يتمثل جوهر القطع بالنفث المائي الكاشطة في التأثير التراكمي لعدد كبير من الجسيمات الكاشطة التي تقطع مادة الشُّغْلَة بشكل دقيق. المشكلة الرئيسية التي يجب حلها هي التحكم في شكل حافة القطع وعمق القطع.

إن تطوير وتحسين المعدات الرئيسية للقطع بالنفث المائي الكاشطة والنموذج الرياضي لآلية القطع الدقيق يمكّن هذه التقنية من قطع المواد المعدنية بسماكة 100-200 مم والمواد الهشة الصلبة بسماكة حوالي 50 مم.

ومع ذلك، أثناء عملية القطع بالنفث المائي الكاشطة للمكونات الهيكلية السميكة، سينتج شعاع النفاثة ظاهرة "نقر الذيل" بسبب توهين الطاقة، كما هو موضح في الشكل 4.

تقع منطقة القطع الملساء عند الحافة العلوية للشق. وكلما اقتربت من الجزء السفلي من الشغل، كلما أصبحت ظاهرة "نقر الذيل" أكثر وضوحًا، مما يؤثر بشكل كبير على خشونة السطح والشكل والدقة الموضعية لقطعة الشغل المقطوعة.

من خلال تحسين عملية القطع واستخدام تقنية رأس القطع المتأرجح مع وحدات التحكم في التفاوت، يمكن إجراء تعويض ذكي لدقة القطع للشق، وبالتالي تحسين جودة المعالجة.

الطحن بالنفث المائي الكاشطة

يُطلق على طريقة التحكم في معلمات التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة لإزالة المواد السطحية لقطعة العمل فقط دون اختراقها اسم الطحن بنفث الماء الكاشطة. يظهر مخطط المعالجة الآلية والمنتج في الشكل 5.

على الرغم من أن هذه التقنية لا تزال في مرحلة البحث التجريبي، إلا أن العديد من الباحثين درسوا آلية وعملية هذه التقنية الجديدة للتشغيل الآلي بنفث الماء الكاشطة.

فيما يتعلق بالطحن بالنفث المائي الكاشطة للمواد البلاستيكية، اقترح م. حشيش وآخرون جدوى الطحن بالنفث المائي الكاشطة ووجدوا أن سرعة اجتياز الفوهة هي معلمة مهمة تؤثر على انتظام الطحن.

قام Hocheng H بدراسة جدوى طحن البلاستيك المقوى بالألياف بواسطة المياه النفاثة الكاشطة. من خلال دراسة آلية تكوين الحطام للطحن الفردي، والطحن المزدوج، والطحن المتعدد، تنبأوا بأن تآكل التشوه هو آلية القطع الرئيسية لطحن البلاستيك المقوى بالألياف. كما حللوا أيضًا تأثيرات الضغط النفاث، والمسافة المستهدفة، وسرعة اجتياز الفوهة، ومعدل تدفق المواد الكاشطة على معدل إزالة المواد، وعمق الطحن، وعرض الطحن.

درس Fowler وShipway الخصائص السطحية للمواد المطحونة بنفث الماء الكاشطة وأشارا إلى أن سرعة حركة الفوهة العالية، والمواد الكاشطة ذات الجسيمات الدقيقة، والضغط النفاث المنخفض، وزوايا التآكل الصغيرة يمكن أن تحصل على أسطح طحن ذات تموجات أصغر. ودرس بول وآخرون تأثير معلمات الطحن المختلفة على عمق الأخدود ومعدل إزالة المواد للطحن بالنفث المائي الكاشطة ووضعوا نموذجًا تجريبيًا باستخدام تحليل الانحدار.

هناك أبحاث أقل حول الطحن بالنفث المائي الكاشطة للمواد الصلبة والهشة. درس Zeng JY تأثير زاوية تأثير النفاثة النفاثة على الطحن بالنفث المائي الكاشطة للسيراميك متعدد الكريستالات، ووجد أنه يمكن الحصول على معدل إزالة المواد الأمثل عندما تكون زاوية النفاثة النفاثة 90 درجة أثناء تأثير الطحن. كما أنشأوا وتحققوا من نموذج رياضي لمعدل التآكل.

نفاثة الماء الكاشطة الحفر

يمكن تقسيم الحفر بالنفث المائي الكاشطة إلى طريقتين للمعالجة: البطانة والحفر. البطانة هي عملية قطع المادة على طول منحنى دائري لتشكيل ثقب بقطر أكبر. وقد تطورت هذه العملية من القطع الكنتوري للنفث المائي الكاشط، كما هو موضح في الشكل التالي (الثقب #9).

الحفر هو عملية تصنيع الثقوب ذات القطر الأصغر بدون ثقوب، كما هو موضح في الشكل الأيمن (الثقوب #3-#8). درس Guo Z وآخرون آلية التشغيل الآلي وعملية الحفر بالنفث المائي الكاشطة للمواد الخزفية مثل A12 O3 وSI3 N4 وSIC، وخلصوا إلى أن إزالة المواد تتحقق بشكل أساسي من خلال التكسير الدقيق والقطع الدقيق والتآكل.

يونغ زد وآخرون العلاقة بين عمق الحفر بنفث الماء الكاشطة ومعلمات العملية استنادًا إلى الظواهر الفوضوية في عمليات التآكل. قدم Xing Xizhe طرقًا مختلفة لمعالجة الثقب بالنفث المائي الكاشطة وأشار إلى المزايا العديدة للحفر بالنفث المائي الكاشطة، بما في ذلك حفر الثقوب في المواد الصلبة والهشة والمواد المركبة المصفحة التي يمكنها حفر ثقوب عميقة وثقوب صغيرة وثقوب غير منتظمة بدون منطقة تأثير حراري، والحصول على دقة أبعاد أعلى وخشونة سطح أقل، وتحقيق معالجة الثقب بسهولة على الأسطح المائلة.

الخراطة بالنفث المائي الكاشطة.

يشبه الخراطة بالنفث المائي الكاشطة الخراطة أحادية النقطة على مخرطة تقليدية، باستخدام دوران قطعة العمل والحركة الخطية أو المنحنية لرأس القطع لإزالة المواد من قطعة العمل. يوضح الشكل 7 مخطط التصنيع والمنتج في الشكل 7. تشتمل مزايا الخراطة النفاثة المائية الكاشطة على قوة قطع منخفضة، وعدم وجود ضرر حراري لقطعة الشُّغْلة، وبُرادة دقيقة دون مشاكل في كسر البُرادة.

M. هاشيش أول من اقترح مفهوم الخراطة بالنفث المائي الكاشطة في عام 1987، وأشار إلى أنه يمكن استخدام النفاثة المائية الكاشطة لتحويل المواد الخاصة التي يصعب تصنيعها آليًا مثل المواد المركبة من الكربون/المعادن والزجاج والسيراميك للحصول على الأشكال المعقدة.

أثبت أنصاري وآخرون أن الخراطة بالنفث المائي الكاشطة تتفوق على الخراطة التقليدية للمواد التي يصعب تشغيلها آليًا، مع سرعات أعلى من 5 إلى 10 مرات لتصنيع سيراميك SiC. درس تشانغ ZW تأثير معلمات العملية على جودة السطح عند خراطة الزجاج بنفث الماء الكاشطة ووجد أنه يمكن تحقيق جودة السطح المثلى عند سرعات اجتياز الفوهة المنخفضة. درس مانو وآخرون تأثير زاوية ميل الفوهة على شكل المنتج أثناء الخراطة النفاثة المائية الكاشطة.

النفاثة المائية الكاشطة وغيرها من طرق التصنيع الآلي الأخرى.

بالإضافة إلى تقنية التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة الموصوفة أعلاه، أجرى باحثون في الداخل والخارج بعض الأبحاث وأبلغوا عن تقنيات التصنيع الآلي المركب باستخدام نفث الماء الكاشطة.

على سبيل المثال، تعد الآلة الدقيقة بالليزر الموجّهة بنفث الكشط الدقيق بالليزر تقنية تصنيع دقيقة مركبة من نفاثات الماء والليزر التي تستخدم خصائص تقنية نفث الماء بشكل كامل وتحل بفعالية مشاكل مثل نطاق المعالجة الفعال الصغير والتأثيرات الحرارية في الآلات التقليدية المعالجة بالليزرمما يجعله يتمتع بآفاق تطبيق واسعة في مجال الآلات الدقيقة؛ المعالجة بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الموجات فوق الصوتية النفاثة المائية الكاشطة هي طريقة مجدية وفعالة لمعالجة المواد الهشة تجمع بين نفاثات الماء والموجات فوق الصوتية؛ يعتبر الثقب بالطلقات النفاثة المائية نوعًا جديدًا من طرق المعالجة السطحية لتحسين عمر التعب للمكونات المعدنية من خلال عمليات التشغيل على البارد، والتي تتميز بمزايا مثل قوة الثقب العالية وضغط الثقب المنخفض وتأثير التقوية الجيد.

4. خصائص تكنولوجيا التصنيع بنفث الماء الكاشطة وتطبيقاتها وتطورها.

تشمل مزايا التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة ما يلي:

• بالمقارنة مع نفاثات الماء النقي، تقلل النفاثات الكاشطة بشكل كبير من الضغط المطلوب للقطع تحت نفس غرض القطع، مما يبرز مزايا السلامة والموثوقية.
• عندما قطع المعادن مع نفاثات المياه الكاشطة، لا تتولد شرارات بشكل عام، مما يجنبك حوادث اشتعال أو انفجار الغازات الضارة بالقرب من منطقة القطع.
• أثناء القطع، تتولد حرارة قليلة أو لا تتولد حرارة على الإطلاق، وأي حرارة متولدة يمكن أن يتم إزالتها بسرعة بواسطة النفاثة المائية، مما يؤدي إلى عدم وجود منطقة متأثرة بالحرارة على سطح القطع تقريبًا.
• قوة القطع على سطح القطع صغيرة، لذلك حتى عند تقطيع الصفيحة الرقيقة إلى أجزاء رقيقة الشكل، لن تتلف حافة القطع.
• يكون القطع ضيقًا، وفقدان المواد قليل، وسطح القطع أملس، ولا توجد نتوءات (قد تنتج كمية صغيرة من النتوءات إذا كانت سرعة القطع سريعة جدًا).
• لا يوجد غبار تقريبًا أثناء القطع، ولا يتولد أي غاز سام، مما يجعل ظروف العمل نظيفة نسبيًا.
• قوة رد فعل القطع صغيرة، لذا يمكن تحريك الفوهة بسهولة بواسطة ذراع ميكانيكي.
• يمكن إجراء القطع من جميع الجوانب، كما أن قطع الأسطح المنحنية ثلاثية الأبعاد سهل، مما يجعل من الممكن قطع قطع الشغل بأشكال مختلفة.
• يسهل التحكم في ظروف القطع، مما يسهل الضبط والتحكم التلقائي باستخدام أجهزة الكمبيوتر.

تشمل عيوب التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة ما يلي:

• تتطلب المعدات طاقة عالية.
• تبلى الفوهة بسرعة.
• إنها غير مناسبة لمعالجة القطع الكبيرة أو لإزالة النتوءات الكبيرة جداً.
• هناك نقص في البرامج المصممة خصيصًا للتصنيع الآلي بنفث الماء.

تشمل تطبيقات تقنية النفاثة المائية الكاشطة ما يلي:

• صناعة الطيران: قطع المواد الخاصة مثل سبائك الألومنيوم، أو هياكل قرص العسل، أو مركبات ألياف الكربون، أو المعادن ذات الطبقات، أو الزجاج البلاستيكي المقوى، وقطع شفرات الطائرات بنفاثات المياه دون المناطق المتأثرة بالحرارة وتصلب العمل، مما يلغي الحاجة إلى المعالجة اللاحقة.
• صناعة وإصلاح السيارات: قطع مختلف غير معدنية المواد والمكونات المركبة مثل ألواح العدادات والسجاد وبطانات المكابح المصنوعة من الأسبستوس وإطارات الأبواب وزجاج سقف السيارة وألواح الديكور الداخلي والمطاط وخزانات الغاز البلاستيكية وغيرها من المكونات الداخلية والخارجية.
• صناعة الأسلحة: تقطيع ألواح الدروع، والمسارات، والزجاج المضاد للرصاص، وهياكل المركبات، والأبراج، والمدافع، والتفكيك الآمن لمختلف القذائف الخردة.
• الحراجة والزراعة والهندسة البلدية: تُستخدم لقطع الأشجار، وتجريد اللحاء، والري، ومعالجة الأعلاف، وصيانة الطرق، وحرف القطع وغيرها من المهام.
• صناعة الإلكترونيات والطاقة: يمكن استخدامها لتشكيل وقطع لوحات الدوائر المطبوعة والأغشية الرقيقة، والأقراص الصلبة للكمبيوتر، والأقراص المرنة، والمكونات الإلكترونية، والسبائك غير المتبلورة، وقلب المحولات، والكابلات الخاصة التي يصعب قطعها بالطرق التقليدية.
• صناعة تصنيع الآلات: لا يؤدي استخدام القطع بالماء عالي الضغط بدلًا من عمليات التثقيب والقص إلى توفير تكاليف القوالب فحسب، بل يقلل أيضًا من الضوضاء والاهتزازات ويحسن استخدام المواد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يزيل الألومينا الخارجية على قطع العمل، ونوى الرمل على المسبوكات، والطلاء الخزفي, شفرات القطعورافعات البوابات، وأجزاء أخرى، ويمكنه أيضًا قطع الأجزاء المصنوعة من الحديد الرمادي التي يصعب قطعها بالطرق التقليدية.
• صناعات أخرى: تقطيع الرخام والجرانيت وبلاط الأرضيات والسيراميك وما إلى ذلك في صناعة زخرفة المباني، ومعالجة لفائف الورق الجاهزة وورق التواليت وما إلى ذلك في صناعة الورق، ومعالجة الخشب الرقائقي والألواح الخشبية وما إلى ذلك في صناعة الأخشاب.

إن آفاق تطوير تكنولوجيا الآلات النفاثة المائية الكاشطة هي:

تحسين الموثوقية والعمر التشغيلي للتصنيع الآلي بنفث المياه، وخاصةً العمر التشغيلي للمكونات الرئيسية مثل مضخات الضغط العالي وخراطيم الضغط العالي والوصلات والفوهات.

تحسين معلمات المعالجة لزيادة تحسين الكفاءة وتقليل استهلاك المواد الكاشطة وخفض استهلاك الطاقة، مما يجعل التكاليف أكثر تنافسية.

تطوير التحكم الذكي لتمكين تعديل معلمات العملية بشكل تكييفي أثناء المعالجة، وتحسين دقة التصنيع، واستخدامها لتصنيع أجزاء ذات متطلبات دقة معينة، وتحقيق تأثير تقني واقتصادي يمكن مقارنته بماكينات البلازما والليزر.

اتجاهات تطوير تكنولوجيا التصنيع الآلي بنفث الماء الكاشطة:

توسيع نطاق تطبيق التصنيع الآلي بالنفث المائي باستمرار، من القطع ثنائي الأبعاد وإزالة الأزيز إلى تصنيع الثقوب ومعالجة الأسطح ثلاثية الأبعاد.

البحث النظري حول التصنيع الآلي بنفث الماء، وخاصةً إنشاء نماذج للتصنيع الآلي بنفث الماء ودراسة نظرية التدفق متعدد الأطوار.

البحث في تصنيع الأجزاء الدقيقة المصغرة باستخدام تقنية النفاثة المائية الكاشطة وكذلك استخدام النفاثة المائية الكاشطة للخراطة والطحن.