Станки

Прогрессивные методы раскроя материалов на оборудовании с ЧПУ

Для раскроя листов, плит, сортового проката и других видов заготовок в настоящее время может быть применено следующее оборудование с ЧПУ:

  • ленточно-пильные станки с программаторами размеров и режимов резания;
  • установки гидроабразивной резки;
  • лазерные технологические установки;
  • плазменные раскройные установки;
  • фрезерные станки для группового раскроя листовых материалов.

Ленточно-пильные портальные станки оснащаются программаторами, т. е. системами позиционного управления. Как правило, имеется два программатора, один задает размеры отрезаемых заготовок, второй — режимы резания (рис. 1).

Программаторы размеров и режимов резания

Рис. 1. Программаторы размеров и режимов резания

В зависимости от расположения пильной рамы одни станки могут выполнять рез как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях (рис. 2, 3).

Разрезка заготовок в вертикальном направлении

Рис. 2. Разрезка заготовок в вертикальном направлении

Разрезка заготовок в горизонтальном направлении

Рис. 3. Разрезка заготовок в горизонтальном направлении

Изменение направления реза выполняется разворотом ленты на 90°. Поворот ленточной пилы выполняется по программе при отсутствии ее контакта с заготовкой.

Другие станки с вертикальным расположением рамы адаптированы для раскроя плит. Конструктивные особенности станка позволяют выполнять как продольную, так и поперечную резку плит и поковок (рис. 4, 5). Поворот ленточной пилы также выполняется по программе при отсутствии ее контакта с заготовкой.

Продольная резка плит

Рис. 4. Продольная резка плит

Поперечная резка плит

Рис. 5. Поперечная резка плит

Ленточно-пильные станки портального исполнения могут работать как лентами из быстрорежущих сталей, так и с напайными пластинками твердого сплава, что позволяет применять их для резки труднообрабатываемых материалов. Ширина реза для твердосплавных лент равна 0,9–1,6 мм, а для быстрорежущих и биметаллических (в зависимости от типоразмера ленты) находится в пределах 0,6–1,6 мм.

Ориентировочные режимы резания материалов различных групп биметаллическими ленточными пилами приведены в таблице 1.

Ориентировочные режимы резания материалов различных групп твердосплавными пилами приведены в таблице 2.

Рекомендации по выбору шага зубьев ленточных пил для резки сплошного проката приведены в таблице 3.

Таблица 1. Режимы резания биметаллическими пилами

Обрабатываемый материал Разрезаемый
100-150 150-200 200-
Число
3/4 2/3 1,4/2
Режимы резания: скорость
V S V S V
Углеродистые стали (постав а) 70-90 60-85 70-90 48-70 60-80
Углеродистые стали (нормализация) 60-75 50-70 60-75 31-51 60-75
Легированные стали 55-65 34-51 55-65 28-41 55-60
Быстрорежущие стали 40-50 21-34 40-50 19-29 40-45
Аустенитные стали 32-40 10-17 32-35 9-16 32-35
20Х13, 40Х13 22-30 6-10 22-25 5-7 22-25
Сплавы на основе ни еля 14-18 3-5 12-15 2,5-4 12-15
Титановые сплавы* 27-35 8-12 27-30 9-11 25-30
Алюминиевые сплавы

(пила расположена горизонтально)

200-300 150-250 200-300 120-220 200-250
Алюминиевые сплавы

(пила расположена верти ально)

700-850 600-1000 600-850 500-800 650-750

 

размер диаметр или высота, мм
400 400-500 500-750 750-1000
зубьев на дюйм
1,4/2 0,7/1,25 0,75/1,25
резания – V, м/мин, минутная подача – s, мм/мин
S V S V S V S
32-46 55-75 25-30 50-60 10-15 45-60 3,5-6
23-34 48-60 8-14 45-55 4-8 40-50 2-4
19-27 45-55 7-12 40-50 3,5-6 35-45 2-4
12-19 35-45 5-10 35-45 3-6 22-30 1,5-2,5
6-10 22-30 2-4 22-28 1,5-2,5 18-22 0,8-1,2
3-4 16-22 1-2 15-20 0,5-1 10-15 0,2-0,5
2-3,4 10-12 1-1,3 8-12 0,3-0,7 6-10 0,2-0,4
4-6 20-25 2-3 20-25 1,2-2 12-20 0,5-0,9
100-150 180-220 60-90 150-200 30-90 120-180 20-50
400-600 600-750 250-350 500-750 105-200 400-600 60-120

Примечание. * Альфированный слой удален.

Таблица 2.  Режимы резания твердосплавными пилами

Обрабатываемый материал Разрезаемый
150-200 200-400
Число зубьев

2 2

Режимы резания: скорость
V S V S
Углеродистые стали (поставка) 130-150 60-78 120-140 50-62
Углеродистые стали (нормализация) 95-118 50-64 90-112 40-50
Легированные стали 95-105 50-65 88-95 46-55
Быстрорежущие стали 45-52 25-35 45-50 22-30
Аустенитные стали 120-144 32-40 105-115 22-30
20Х13, 40Х13 80-90 18-25 75-80 15-20
Сплавы на основе никеля 42-53 9-13 40-48 8,0-11
Титановые сплавы 75-85 26-32 56-65 18-22
Алюминиевые сплавы

(пила расположена горизонтально)

250-400 200-280 250-350 150-220
Алюминиевые сплавы

(пила расположена вертикально)

700-850 800-1000 650-750 700-800

 

размер диаметр или высота, мм
400-500 500-750 750-1000
на дюйм
1,4/2 1/1,3 0,75/1,25
резания – V, м/мин, минутная подача – s, мм/мин
V s V s V s
85-100 25-30 70-80 14-18 60-65 10-12
85-95 25-30 70-82 13-18 55-60 9-11
65-75 23-28 56-65 13-16 50-55 8-11
40-46 12-17 35-42 7-10 25-32 4-7
80-90 12-17 70-80 7-10 60-65 5-7
50-60 8-11 45-50 4,5-6 38-45 3-4
30-35 4-6,0 25-30 2,2-3 22-28 1,5-2
50-55 11-14 45-50 6-7 38-45 3,5-5
200-350 90-150 200-250 80-125 200-250 70-120
600-750 300-400 600-500 200-250 400-600 150-250

Таблица 3. Размер шага пилы для резки сплошного проката

Постоянный шаг Переменный шаг
диаметр, мм число зубьев на дюйм диаметр, мм число зубьев на дюйм
До 10 14 До 25 10/14
10-30 10 15-40 8/12
30-50 8 25-50 6/10
50-80 6 35-70 5/8
80-120 4 40-90 5/6
120-200 3 50-120 4/6
200-400 2 80-150 3/4
300-700 1,25 130-350 2/3
> 600 0,75 150-450 1,5/2
200-600 1,1/1,6
> 500 0,75/1,25

Достоинствами применения ленточно-пильных станков являются:

  • небольшая ширина реза;
  • возможность отрезки пластин толщиной 3–4 мм;
  • незначительное отклонение торца от оси проката, позволяющее исключить черновую подрезку при токарной обработке;
  • возможность резки проката под углами ±45° для станков с качающейся рамой;
  • возможность обработки практически любых групп материалов (на портальных станках);
  • отсутствие дефектного слоя при раскрое;
  • высокая производительность при резке проката небольших сечений.

Наряду с преимуществами ленточно-пильные станки имеют ряд недостатков, ими являются:

  • необходимость иметь на участке ленточные пилы с разным шагом и разных конструкций; биметаллические пилы из разных марок быстрорежущих сталей и с напайными пластинками твердых сплавов — в зависимости от номенклатуры обрабатываемых материалов и их сечений — могут быть применены из быстрорежущей стали, имеющей наиболее высокую работоспособность, при этом уменьшится число применяемых марок быстрорежущих сталей, но разбивка их количества по шагам не снизиться;
  • возможность резки плит только под прямыми углами для портальных станков.

Установки гидроабразивной резки разделяют материалы высокоскоростной струей воды или струей воды, смешанной с абразивом (гидроабразивная резка). Принцип действия этого метода заключается в том, что поток воды под давлением свыше 400 МПа проходит через отверстие диаметром 0,2–0,4 мм, скорость прохождения достигает значений порядка 900 м/мин и направляется на разрезаемую поверхность. При гидроабразивной резке в поток воды добавляется абразив. Во время столкновения с разрезаемым материалом кинетическая энергия струи воды и абразива преобразуется в механическую энергию микроразрушения обрабатываемого материала и происходит микрорезание каждой абразивной частицей.

Гидроабразивная резка материалов имеет следующие преимущества по сравнению с другими методами разделения материала:

  • разрезаемый материал не подвергается термическому воздействию, т. е. не требует дополнительной термической обработки;
  • отсутствие вредных пыли и газов;
  • инструмент резки (струя воды или вода + абразив) не нуждаются в переточке, строго говоря, абразив нуждается в замене после однократного применения, иногда допускают к использованию смесь, состоящую из 70% нового абразива и 30% ранее использованного;
  • низкое тангенциальное усилие резания на деталь, в отдельных случаях не требуется закрепления разрезаемого материала на столе;
  • небольшая ширина реза, что сказывается на уменьшении отходов и на улучшении экономичности раскроя;
  • высокая скорость резания любых материалов небольшой толщины;
  • возможность резки сложных контуров;
  • высокая точность обработки контуров при чистовом резе ±0,1 мм;
  • возможность оптимизации расположения вырезаемых деталей с целью улучшения коэффициента использования материала (применение карт оптимального раскроя);
  • возможность обработки любых материалов, в том числе и композиционных с последующей вакуумной сушкой для материалов с полимерной матрицей;
  • быстрая переналадка.

Наиболее часто применяемый в установках водоабразивной резки тип абразива — Garnet Mesh 80 или Garnet Mesh 120.

Гранатовый песок Garnet — естественный природный минерал, используемый в работе водоабразивных режущих станков в качестве инструмента. Garnet является крайне жестким и тяжелым абразивом с плотностью примерно 4,1–4,3 г/см. Эта твердость связана с кристаллическим строением и обеспечивает высокое сопротивление к разрушению. Высокая плотность соответственно обеспечивает наибольшую кинетическую энергию, приобретаемую каждой абразивной гранулой разогнанной сверхвысокоскоростной струей жидкости.

Преимуществами гидроабразивной резки являются:

  • возможность применения абсолютно ко всем материалам;
  • отсутствие зоны термического влияния;
  • отсутствие пыли и вредных газов (поток струи воды уносит пыль с собой);
  • низкое тангенциальное усилие резания на деталь (в общем случае даже не требуется зажима разрезаемого материала);
  • небольшая, меньше 1 мм, ширина реза (уменьшение отходов и улучшение экономичности раскроя);
  • высокая скорость резания для материалов небольшой толщины;
  • возможность резки сложных контуров по фасонным поверхностям;
  • рациональный расход материалов;
  • быстрое реагирование на нужды производства;
  • возможность по программе выполнять маркировку как отрезаемых заготовок, как и остатков плит.

При раскрое листов и плит необходимо предусматривать, что установки допускают три режима раскроя материалов:

  • черновой рез;
  • получистовой;
  • чистовой.

Образцы, вырезанные из плит титановых и алюминиевых сплавов на различных режимах, приведены на рисунках 6–8.

Образцы после чернового реза

Рис. 6. Образцы после чернового реза

Получистовой рез заготовки

Рис. 7. Получистовой рез заготовки

Чистовой рез заготовки

Рис. 8. Чистовой рез заготовки

При черновом резе в рабочую головку подается наибольшее количество абразива, на поверхности образцов видны грубые риски, если врезание выполняется без предварительной засверловки, то размывание обработанной поверхности водноабразивной струей повреждает контур обрабатываемой заготовки. При получистовом резе заусенец образуется только при выходе гидроабразивной струи из тела заготовки. Его величину можно снизить уменьшением рабочей подачи при окончании реза или незначительного наклона режущей головки, если конструкция установки гидроабразивной резки это допускает.

При чистовом резе заусенцы, как правило, отсутствуют, шероховатость обработанной поверхности соответствует Ra = 2,5 мкм, точность обработанного контура находится в пределах ±0,1 мм. Шероховатость поверхности при гидроабразивной обработке необходимо контролировать по специальным образцам, изготовленным при одинаковых методах обработки шероховатости, из материала, соответствующего обрабатываемому. Применение контактных приборов нецелесообразно из-за повышенного износа измерительных игл. Их высокий износ определяется шаржированием обработанной поверхности абразивом. Использование бесконтактных методов измерения следует признать целесообразным.

Для нормальной работы установок гидроабразивной резки необходимо соблюдать ряд требований. Прежде всего, это касается требований по воде, являющейся одной из рабочих жидкостей системы. От качества воды напрямую зависит срок службы насоса высокого давления — наиболее дорогостоящего элемента установки. Требования к воде приведены в таблице 4.

С технологической точки зрения установки гидроабразивной резки могут быть:

  • двухкоординатные, т. е. для обработки листов и плит одинаковой толщины;
  • двухкоординатные, т. е. для обработки ступенчатых плит (имеющих следящий датчик, позволяющий отслеживать изменение толщины плиты, как правило в пределах 40 мм);

Таблица 4. Требования к воде

Максимальная общая жесткость 1,5 0dH = 26 мг СаСОЗ
Максимальное число растворенных частиц 400 мг/л
Максимальное содержание железа (Fe) 0,2 мг/л
Максимальное содержание ионов хлора (Сl-) 80 мг/л
Максимальное содержание свободного хлора (Сl2) 1 мг/л
рН От 6 до 8
Фильтрация 1 мкм
Максимальная температура воды З0°С
Давление, подаваемое на мультипликатор 2 бар < Р < 10 бар
Максимальный расход Примерно 1,З мЗ/ч
Воздух Вода должна быть дезаэрирована
  • трехкоординатные, т. е. позволяющие кроме обработки листов и плит одинаковой толщины выполнять резку полых сечений типа цилиндрических и прямоугольных труб;
  • трехкоординатные, позволяющие выполнять обработку под углом к поверхности плиты (листа);
  • пятикоординатные для обработки объемных деталей.

Для увеличения производительности при больших значениях допустимых углов реза по отношению к нормали плоскости листа (плиты) рекомендуется следующее построение технологического процесса:

  • гравировка обрабатываемого контура (рис. 9);
  • резка по нормали к выгравированной поверхности.

Гравировка поверхности реза по контуру для увеличения угла реза

Рис. 9. Гравировка поверхности реза по контуру для увеличения угла реза: S — приведенная толщина реза, ее значение не должно превышать паспортных данных установки; 1 — рабочий участок детали; 2 — отрезаемый кусок металла или другого материала.

Несмотря на то что установки гидроабразивной резки обеспечивают относительно высокую точность обработки (±0,1 мм) и низкую высоту микронеровностей при чистовом резе, при раскрое плит необходимо предусматривать припуск на обработку наружного контура фрезерованием. Это связано с тем, что при обработке карманов тепло, выделявшееся при фрезеровании,

будет поступать в тонкие стенки детали и вызовет их пластическую деформацию и, следовательно, коробление всей детали. Увеличенная толщина стенок будет играть роль холодильника, т. е. обеспечивать меньший градиент напряжений из-за неравномерности распределения тепловых потоков.

Лазерные технологические установки предназначены для прецизионного раскроя по программе плоских металлических листов и плит толщиной до 8–30 мм и препрегов из ПКМ для ручной выкладки с последующим спеканием в автоклаве.

Дополнительно многокоординатная лазерная резка может использоваться в любых машиностроительных отраслях (рис. 10, 11).

Прошивка отверстий в лопатке газовой турбины

Рис. 10. Прошивка отверстий в лопатке газовой турбины

Вырезка деталей статора для изделий электротехнической промышленности

Рис. 11. Вырезка деталей статора для изделий электротехнической промышленности

Особенно эффективно применение технологических лазерных установок в электротехнической промышленности для замены вырубных штампов, имеющих низкую стойкость, особенно для крупногабаритных деталей.

В настоящее время можно выделить две технологии лазерной резки:

  • резка в кислороде низкого давления, используется для раскроя стали;
  • резка в азоте или аргоне высокого давления, применяется для раскроя нержавеющей стали, алюминия, сплавов титана.

Для резки пластиков и других неметаллов, в том числе и композиционных с полимерной матрицей, в качестве технологического газа можно использовать воздух. В обоих случаях при воздействии лазерного излучения на металл происходит плавление (выгорание для ПКМ) материала и его последующий выдув из области плавления или выгорания. Первоначально лазерным излучением пробивается отверстие в заготовке. Затем, перемещая (согласно программе ЧПУ) лазерную головку по заданной траектории, происходит расплав материала и его выдув. Через расположенные в нижней части координатного стола камеры дымоотсос удаляет продукты горения. Использование азота или аргона в качестве технологического газа предотвращает образование окиси на краю реза. Кроме того, применение азота в качестве технологического газа обеспечивает микроцементацию поверхности реза, что значительно повышает ее износостойкость. Это особенно важно при изготовлении шаблонов (ШК, ШКС, ШОК и др.), так как значительно повышается износостойкость рабочих поверхностей шаблонов, изготовленных из низкоуглеродистых сталей. Кроме того, при лазерной резке обеспечивается высокая точность шаблонов при низкой трудоемкости изготовления. Точность шаблонов находится в пределах ±0,05 мм. Для плазовых шаблонов, изготовленных методом фрезерования, точность не превышает 0,5 мм.

Для материала, который необходимо раскроить, процесс разделяется на прожигание отверстия и последующею резку.

Для получения качественного края реза технологий подбираются следующие параметры:

  • тип лазера;
  • мощность лазерного излучения;
  • для каждой из этих режим генерации лазера, частоту и скважность;
  • давление технологического газа;
  • состав технологического газа или их смесей;
  • фокусное расстояние объектива;
  • положение фокуса относительно поверхности обрабатываемого материала;
  • диаметр сопла;
  • расстояние между поверхностью заготовки и соплом;
  • скорость раскроя (движения лазерной головки).

Специально для прожигания отверстия в зависимости от материала и его толщины предусмотрены режимы первоначального создания кратера, управление подачей технологического газа. Для резки в зависимости от размера вырезаемого контура (его кривизны) предусмотрены разные режимы резки. Это связано с перегревом материала (особенно большой толщины) и, соответственно, изменением свойств материала. Кроме этого, необходимо предусмотреть специальные режимы входа лазерного излучения в чистовой контур и при повороте, если требуется раскрой с острыми углами или отсутствие местного искажения профиля.

Образцы, обработанные на лазерных раскройных установках, приведены на рисунках 12, 13.

При вырезке отверстий по контуру отчетливо видны места начала и окончания реза (вид по стрелке 1). Отчетливо видны фаски на входе луча после проплавления анодированного слоя, кроме того, в местах начала и окончания обработки хорошо просматриваются зоны термического влияния.

Образец из анодированного алюминиевого сплава после обработки по контуру

Рис. 12. Образец из анодированного алюминиевого сплава после обработки по контуру

Образец из нержавеющей стали ВНС2

Рис. 13. Образец из нержавеющей стали ВНС2: 1 — прошитое отверстие, остальные — обработаны по контуру.

Рабочая зона лазерной резки образцов из нержавеющей стали

Рис. 14. Рабочая зона лазерной резки образцов из нержавеющей стали ВНС2 (1) и анодированного алюминиевого сплава Д16Т (2)

При обработке стального образца данные дефекты также имеют место, но их величины значительно меньше.

На рисунк. 14 приведены поверхности реза стальной пластины и пластины из алюминиевого сплава.

Наличие анодированного слоя на алюминиевом сплаве, имеющего более высокую температуру плавления по сравнению с основным материалом, вызывает снижение качества реза. Это связано с тем, что луч лазера нагревает анодированный слой до температуры его плавления, а температура плавления основного материала значительно ниже, что приводит к его резкому проплавлению до анодированного слоя с нижней стороны, который в свою очередь необходимо нагреть до температуры плавления. Следствием этого является искажение траектории реза лазерным лучом. При резке стали температура плавления металла по всей толщине одинакова и качество реза значительно выше.

Кроме резки лазерные технологические установки наиболее широко применяются для прошивки отверстий диаметром от 0,1 мм в деталях из различных материалов, включая материалы с керамическими и другими жаропрочными покрытиями.

Преимущества лазерной пробивки отверстий наиболее важны для аэрокосмической и энергетической промышленности, при производстве узлов двигателей и компонентов газовых турбин и листовых деталей, состоящих из электротехнических материалов.

Наиболее характерно применение лазерной пробивки при изготовлении отверстий диаметром 0,3–0,8 мм, подвергаемых критическим тепловым нагрузкам, для таких деталей, как лопатки турбин, детали двигателей. В отличие от электроэрозионной технологии лазерная технология позволяет пробивать отверстия в керамике или материалах, покрытых керамикой или другим диэлектриком.

Физическая картина лазерной пробивки представляет собой плавление материала под действием сфокусированного лазерного излучения с последующим его испарением. Для достижения температуры лазерного испарения в течение времени воздействия (~ 1–2 мс) требуется плотность мощности лазерного излучения более 107 Вт/см2. Основными технологическими параметрами, влияющими на качество пробиваемого отверстия, являются мощность излучения в фокусе лазерного излучения, положение фокуса относительно поверхности детали и поток вспомогательного газа (кислорода или воздуха), обеспечивающего пробивку и вынос расплава.

Различаются две технологии пробивки отверстий в материале: изготовление одиночных отверстий и контурная прошивка. Одиночное отверстие пробивается одним или несколькими лазерными импульсами при неподвижной лазерной головке и варьировании относительно поверхности детали положения и размера фокусного пятна в зависимости от толщины обрабатываемой детали. Контурная прошивка позволяет изготавливать отверстия заданной формы за один или несколько проходов в зависимости от толщины детали. Как правило, качество контурной прошивки преобладает над качеством одиночной, хотя последняя реализуется быстрее.

Путем варьирования технологическими параметрами (программно) возможно изготовление отверстий с обратной конусностью (т. е. на входе лазерного луча диаметр отверстия меньше, чем на выходе) или профилированных отверстий в форме лопасти винта (рис. 15).

Формы отверстий, обрабатываемых лазерными технологическими установками

Рис. 15. Формы отверстий, обрабатываемых лазерными технологическими установками

Следует заметить, что отверстия подобной формы могут быть получены и при лезвийной обработке, но за значительно большее число проходов и соответственно больших диаметров.

Рассмотрим влияние параметров в отдельности на пробивку отверстий. С ростом мощности лазерного излучения увеличивается скорость пробивки. На качество отверстий в большей степени влияет диаметр фокусного пятна. Чем меньше фокусное пятно, тем выше качество обработки. Характерно следующее условие пробивки отверстия: размер фокусного пятна должен быть меньше заданного диаметра пробиваемого отверстия. Например, для отверстия диаметром 0,5 мм требуется сфокусировать луч до диаметра 0,2–0,4 мм. Кроме этого, как отмечалось выше, лазерная пробивка предусматривает возможность использования материалов с керамическим или другим жаростойким покрытием.

В аэрокосмической промышленности предъявляются высокие требования к качеству обрабатываемых поверхностей. Что касается трещин, то не допускаются крупные трещины, выходящие за измененный поверхностный слой, тогда как микротрещины в этом слое возможны, если подтверждено отсутствие их влияния на усталостную прочность.

Автоматическое управление фокусным расстоянием позволяет оптимизировать качество пробиваемого отверстия и его форму.

Типовые дефекты, характерные для лазерной обработки, приведены на рисунках 16–20.

Микроотверстие, пробитое лазерным излучением

Рис. 16. Микроотверстие, пробитое лазерным излучением диаметром 0,7 мм

Измененный слой на поверхности прошитого отверстия

Рис. 17. Измененный слой на поверхности прошитого отверстия

Микротрещины в измененном слое

Рис. 18. Микротрещины в измененном слое

Трещины в измененном слое, проникающие в деталь

Рис. 19. Трещины в измененном слое, проникающие в деталь: подобный характер разрушения имеет место при низкой скорости нагрева и проплавления зоны реза.

Расслоение материала на тонкие слои на периферии отверстий

Рис. 20. Расслоение материала на тонкие слои на периферии отверстий

При очень высокой скорости нагрева зоны проплавления образуются трещины, расположенные параллельно направлению реза.

Требования к качеству отверстий, пробиваемых лазерным излучением в деталях турбин, используемых в самолетостроении, определяются ресурсными испытаниями на малоцикловую прочность, за исключением деталей, имеющих незначительный ресурс (изделия однократного применения).

Плазменные раскройные установки используют сжатую электрическую дугу, которую обдувает газ. Обдувая дугу, газ нагревается и распадается на положительно и отрицательно заряженные частицы (ионизируется). Заряженные частицы преобразуются в плотный поток плазмы с температурой до 15 000°С. На практике широко используется плазменная разделительная резка. Поверхностная плазменная резка используется довольно редко. Сама резка может осуществляться плазменной дугой и плазменной струей.

Резка плазменной дугой

Рис. 21. Резка плазменной дугой: 1 — дуга; 2 — газ; 3 — струя плазмы; 4 — металл; 5 — электрод из вольфрама; 6 — плазмотрон.

Резка плазменной струей

Рис. 22. Резка плазменной струей: 1 — дуга; 2 — сопло; 3 — катод; 4 — электрод из вольфрама; 5 — плазмотрон; 6 — плазменная струя; 7 — обрабатываемый материал.

На рисунках 21, 22 показано, в чем заключается различие этих двух видов плазменной резки.

В первом случае (плазменная дуга прямого действия) разрезаемое изделие (деталь) включено в электрическую цепь и дуга образуется между металлом и вольфрамовым электродом резака. Во втором случае дуга возникает в резаке между двумя электродами, а деталь (разрезаемый металл) в электрическую цепь не подключена. Плазменная резка более производительна, чем кислородная. Но когда речь идет о резке металлов большой толщины или о резке титана, плазменная резка уступает свои позиции кислородной резке. Газы или их смеси, применяемые при плазменной резке, можно разделить на активные и неактивные газы. Активные — это кислород и воздух, а неактивные — азот, аргон, водород. Применение активных газов требуется при резке черных металлов, а неактивные газов или их смесей — при резке цветных металлов и сплавов. В таблице 5 приведены рекомендуемые области применения рабочих смесей.

Таблица 5. Области рекомендуемого применения рабочих смесей

Рабочие газы Разрезаемые материалы
медь и ее сплавы алюминий и его сплавы сталь титановые сплавы
Сжатый воздух Толщина до 60 мм До 70 мм До 60 мм Не рекомендуется
Азот

с аргоном

Не рекомендуется Не рекомендуется Только высоколегированные толщиной до 50 мм Не рекомендуется
Азот с кислородом Не рекомендуется Не рекомендуется При резке любой толщины Не рекомендуется
Чистый азот Медь до 20 мм, латунь

до 90 мм

До 20 мм Высоколегированные стали толщиной до 75 мм; низкоуглеродистые – до 30 мм Для любой толщины
Азот

с водородом

До 100 мм До 100 мм Не рекомендуется Не рекомендуется
Аргон

с водородом

Выше 100 мм Выше 100 мм Для высоколегированных сталей до 100 мм Не рекомендуется

Плазменная резка обеспечивает точность обработки по контуру в пределах ±0,1 мм и шероховатость обработанной поверхности в пределах Ra = 2,5 мкм после пескоструйной обработки. Влияние газовой смеси на качество реза приведено в таблице 6.

Таблица 6. Влияние технологического газа или смеси на качество реза

Газ Обрабатываемый материал Преимущества Недостатки
Воздух Углеродистые стали, нержавеющие стали Чистый быстрый рез

на углеродистых сталях

Быстрое выгорание электрода, нитрирование поверхности реза, окисление нержавеющих сталей, алюминия
Азот Нержавеющие стали, алюминий, углеродистые стали Отлично разрезает: нержавеющие стали, алюминий. Высокий ресурс электрода Нитрирование поверхности реза
Аргон + водород Нержавеющие стали, алюминий Отличное качество реза и скорость на материалах толще 12,7 мм.

Малое задымление

Высокая стоимость газовой смеси, неприменим на углеродистых сталях
Кислород Углеродистые стали Чистый рез, отсутствует нитрирование поверхности реза, самый быстрый способ резки углеродистых сталей Короткий срок службы электрода, окисление нержавеющих сталей, алюминия

Другие факторы, влияющие на процесс резки, приведены ниже.

  1. Факельный зазор влияет на перпендикулярность кромок реза, плотность плазменной дуги и ее устойчивость. Чем больше факельный зазор, тем больше угол наклона кромки реза. Оптимальный зазор — 1,5–10 мм. Поддержание постоянной величины факельного зазора обеспечивает получение качественного реза без дефектов на кромках. Уменьшение оптимальной величины зазора приводит к преждевременному сгоранию сопла и электрода. Особенно значительно это проявляется при контакте сопла с разрезаемым листом. Для устранения этой ситуации многие машины оборудуют стабилизаторами высоты, автоматически поддерживающими оптимальный факельный зазор.
  2. Скорость резки оказывает существенное влияние на качество реза, в первую очередь на наличие шлака на нижней поверхности и на легкость его удаления. При пониженной скорости резки плазмообразующий газ будет расходоваться нерационально, на нижней стороне листа образуется «низкоскоростной» шлак, который легко удаляется. При повышенной скорости резки дуга начинает осциллировать, в результате чего линия реза получается волнистой. На нижней стороне листа образуется так называемый «высокоскоростной» шлак, отделение которого затруднено. Скорость резки должна быть такой, чтобы угол выхода плазмы на нижней кромке плиты не превышал 5° и соответственно 3° при прецизионной микроплазменной резке начала входа плазмы на верхней кромке.

Другие дефекты аналогичны дефектам, образующимся при лазерной резке. Дополнительно следует отметить значительно большие значения дефектных слоев, сопутствующим поверхности реза. Кроме того, имеет место значительное выгорание легкоплавких легирующих элементов, рост кристаллов и местная закалка. Глубина их залегания должна быть определена экспериментально, и дефектный слой должен быть удален при последующей обработке. Для углеродистых и среднелегированных сталей после плазменной резки необходимо будет выполнять отжиг заготовок.

Фрезерные станки для группового раскроя предназначены для раскроя фрезерованием листовых заготовок из цветных металлов пакетом толщиной до 10–15 мм с любым криволинейным наружным и внутренним контуром, а также для сверления отверстий до 8 мм в крупногабаритных заготовках и вырезки лючков и фрезерования обнижений. Рабочая зона станка РФП-2 приведена на рисунк. 23.

Рабочая зона станка РФП-2С

Рис. 23. Рабочая зона станка РФП-2С

Пакет листов из алюминиевых сплавов толщиной до 15 мм закрепляется на плитном настиле стола станка. Настил выполняется из досок или фанеры, закрепление выполняется шурупами через просверленные отверстия. Места расположения отверстий выбирает технолог из условия, чтобы они не мешали обработке. Установка и удаление шурупов выполняется по программе специальной головкой. Дополнительное закрепление заготовки осуществляется шагающими прижимами, выполняющими дополнительное закрепления пакета листов по программе. На рисунк. 23 они хорошо видны под траверсой. Если пакет собирается из плакированных листов, то защитные слои бумаги во избежание повреждения плакированного слоя не удаляются.

Несколько по-другому решен вопрос на раскройных станках Creneau. Пакет листов толщиной до 10 мм закрепляется шурупами по программе на плитном настиле из твердых сортов фанеры, которая устанавливается и крепится на вакуумном столе (рис. 24).

Раскойный станок Creneau

Рис. 24. Раскойный станок Creneau

Дополнительный поджим пакета листов выполняется специальным кожухом, являющимся частью эжекторного удаления стружки (рис. 25).

Эжекторный стружкоотсос с функцией дополнительного поджима заготовок

Рис. 25. Эжекторный стружкоотсос с функцией дополнительного поджима заготовок

Полиуретановое кольцо на торце кожуха во время работы поджимает пакет листов.

Следует отметить, что предусмотрены три режима работы поджима:

  1. сверление — сила поджима имеет минимальное значение;
  2. фрезерование контуров — поджим пакета имеет среднее значение, исключающее расслоение пакета при фрезеровании любых алюминиевых сплавов вне зависимости от углов подъема винтовой линии зубьев; пакет сжимается в непосредственной близости от инструмента: это позволяет унифицировать применяемые конструкции инструмента, кроме того, исключение вибраций обеспечивает эффективное применение твердосплавных фрез; недостатком является повышенный расход полиуретановых колец;
  3. срезание технологических перемычек; в этом случае необходимо максимальное усилие поджима.

На станках РФП-2 шагающие прижимы располагаются относительно далеко от фрезы и поэтому фрезы для группового раскроя приходится изготавливать двух исполнений:

  • для алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой;
  • для алюминиевых сплавов, неупрочняемых термообработкой, что усложняет подготовку производства.

На станках Creneau толщина пакета ограничена 10 мм, что дает возможность применять монолитные твердосплавные фрезы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *