Машини за плазмено рязане

Основни методи за плазмено рязане, характеристики на машините

Tехнологията за рязане посредством плазмена струя е разработена в средата на миналия век с цел да се улесни рязането на метали като неръждаема стомана, мед, алуминий, чийто рязане принципно е затруднено с наличните по това време технологии.

Макар че в началото, поради някои ограничения, има известно забавяне в развитието на технологията, впоследствие тя търпи непрекъснато развитие и усъвършенстване. Днес плазменото рязане е една от широко прилаганите в практиката технологии за рязане на различни метали.

В статията представяме накратко основните методи на рязане, както и основни характеристики на използваните машини, управления и софтуер. В следващия брой на Инженеринг ревю – списанието на българската индустрия, продължаваме темата, като ще предоставим трибуна на основните производители и доставчици на съвременни системи за плазмено рязане, които да представят най-модерните технологии и функционалности на предлаганите от тях машини, CNC, софтуер и технически газове.

Методи за плазмено рязане
От създаването си до днес, с оглед на подобряване на стандартната технология за плазмено рязане, са разработени няколко метода за плазмено рязане. Стандартното плазмено рязане, използвано предимно за рязане на неръждаема стомана и листова ламарина, се базира на плазмена струя, получена посредством използването на различни газове.

Този вид плазмено рязане е трудно приложимо в случаите на рязане на големи обеми от метали с различна дебелина, тъй като често се налага използването на различни режещи газове, което усложнява процеса. С оглед подобряване на качеството на среза едно от първите решения е плазменото рязане с двоен поток.

То представлява леко изменение на стандартния процес, изразяващо се в подаване на втори защитен газ около дюзата. В този случай като режещ газ най-често се използва азот, а защитният газ се определя в зависимост от обработвания материал. Сред често използваните газове са въздух, кислород, смес от аргон и водород. Друг подход, използван за повишаване на качеството на рязане, е въздушното рязане, използвано предимно за рязане на обикновени стомани.

Използва се кислородът от въздуха за осигуряване на допълнителна енергия от екзотермичната реакция с разтопения метал, което спомага за повишаване на скоростта на рязане. Този метод на рязане обаче е неподходящ за редица приложения поради оксидирането на среза. Също така е необходимо използването на специални електроди. По-добри резултати се получават при плазменото рязане с кислородно впръскване.

При него като режещ газ се използва азот, а в долната част на дюзата се подава кислород. Подходящо е за рязане на обикновени стомани и може да повиши скоростта на рязане с около 25% при правилно съотношение на елементите на сместа. Като основен недостатък на този тип рязане се посочват липсата на правоъгълност на среза и краткият живот на дюзата. Към момента този метод на рязане намира сравнително ограничено приложение в практиката.

Друг метод е плазменото рязане с воден щит. По своята същност то наподобява рязането с двоен поток, като разликата е в използването на вода вместо защитен газ. Благодарение на охлаждащия ефект на водата, се постигат по-високо качество на среза и по-дълъг живот на дюзата. Друг метод за плазмено рязане, позволяващ да се преодолеят голяма част от недостатъците на стандартното плазмено рязане, е плазменото рязане с водно впръскване.

Разликата със стандартното е в радиалното впръскване на водна струя около плазмената дъга за получаването на по-тясна дъга и повишаване прецизността на рязането. Този вид плазмено рязане се характеризира с много добро качество на среза при по-голяма част от металите, включително и при обикновените стомани.

За намаляване на шума, отблясъците на плазмената дъга и дима, които съпътстват плазменото рязане, се използва подводно рязане, при което рязането се осъществява, докато металният лист е потопен.

Машини за плазмено рязане
В практиката приложение намират както компактни и лесно преносими машини, предназначени за ръчно плазмено рязане, така и механизирани машини.
Машините за ръчно плазмено рязане са сравнително малки токозахранващи устройства, които могат да се използват за рязане на широк кръг от метали и са подходящи за различни приложения.

Възможностите и диапазонът на рязане на тези машини зависи от изходния ток на режещата система. Източниците на захранване обикновено могат да осигурят ток на рязане до около 100 А. Срещат се и решения, позволяващи ръчно рязане с около 200 А, но те не са сред стандартно предлаганите решения.

Машините за ръчно плазмено рязане обикновено използват въздух в ролята на плазмен газ и/или като защитен газ. В повечето случаи са проектирани така, че да могат да използват няколко входящи напрежения. Захранващото напрежение обикновено е в диапазона от 120 до 600 V, като се използва еднофазно или трифазно електрозахранване.

Механизираните системи за плазмено рязане по правило са машини с немалки размери. Най-често това са портални или конзолни машини с цифрово-програмно управление и система за автоматичен контрол на височината на горелката, който може да включва наблюдение на началната височина на горелката, контрол на напрежението и други.

Стандартното захранване на машините обикновено е в диапазона от 100 до 400 А при рязане с кислород и от 100 да 600 А при рязане с азот. Срещат се и системи с много по-ниски или по-високи стойности. Захранващото напрежение за тези машини обикновено е от 200 до 600 V с трифазно електрозахранване.

Сред най-често използваните газове са сгъстен въздух, кислород, азот и смес от аргон и водород. Използват се за рязане на въглеродна стомана, неръждаема стомана, алуминий и други. Комбинации от тези газове се използват както като плазмен газ, така и като защитен газ.

Например за рязане на мека стомана често като плазмен газ се използва кислород, а като защитен газ - сгъстен въздух. Използването на кислород като плазмен газ при рязане на въглеродна стомана осигурява високо качество на рязане на материал с дебелина до около 7 cm.

Кислородът може да се използва като плазмен газ и при рязане на неръждаема стомана и алуминий, но при тези материали не се постига много добро качество. Азотът е подходящ като плазмен газ и помощен газ, тъй като осигурява отлично качество на рязане на почти всеки вид метал. Той се използва за рязане на метал с дебелина до около 8 cm и като помощен газ при рязане с плазмен газ от азот и аргон или водород.

Сгъстеният въздух е най-често използваният газ като плазмен и помощен. Подходящ е за рязане на метали с дебелина до около 3 cm, но се получава окисляване на повърхността на разреза. Той се използва като помощен газ при използването на въздух, азот или кислород като плазмен газ.

Сместа от аргон и водород се използва като плазмен газ при рязане на неръждаема стомана и алуминий. Осигурява висококачествено рязане и се препоръчва при механизирано рязане и при рязане на метали с дебелина по-голяма от 8 cm. Въглеродният диоксид също може да се използва като помощен газ при използването на азот като плазмен газ, тъй като се счита за подходящ при рязане на повечето метали и осигурява високо качество. Приложение намират и смеси от азот и водород, както и метан.

Възможности на съвременните машини за плазмено рязане
През последните години се наблюдава бързо развитие на технологиите за плазменото рязане в почти всички направления. Използването на цифрово-програмно управление позволява значително повишаване на качеството на среза, намаляване на експлоатационните разходи, а също така повишаване на скоростта на рязане.

Базираните на Windows CNC управления значително улесняват работата дори и с големи комплексни машини, работещи с няколко режещи глави. Управлението на процеса е посредством сензорен дисплей с няколко бутона, чрез които се задават съответните параметри като управление на височината на плазмената дъга, управление на движението и други.

Всички необходими параметри за рязане на метли с различна дебелина, с различна мощност са вградени в паметта на управляващото устройство.
Автоматизирането на процеса позволява поддържане на постоянни резултати по отношение на качеството на рязане.

Използването на специализиран САМ софтуер, познат и като софтуер за фигурен разкрой, работещ в тясна връзка със CNC управлението, се гарантира коректно задаване на параметрите на плазмата в съответствие с обработваните материали и елементи.

Софтуерът за фигурен разкрой позволява създаване на режещи траектории и маршрут на бързи ходове, създаване на технология на обработка, позволяваща да се предотврати застъпване и оставане на неизрязани траектории, дава възможност за програмиране на допълнителни и специални обработки и други.

Сред най-новите възможности на този софтуер е и способността да се разпознават сложни профили и автоматично да се въвеждат специални кодове, с които да се променят подходите и отходите, скоростта на рязане и режещия газ с оглед на оптимизиране качеството на среза. Тази способност на практика елиминира много вторични операции, които са необходими при работа с по-стара технология.

САМ системите подобряват цялостното протичане на работния цикъл, намалява се времето от извършването на една операция до следваща. С тяхна помощ автоматично се разпознават обработваемите области и се оптимизира времето за преместване, времето за отдръпване на плазмената горелка и др., което намалява необходимото време за производство и, съответно, се повишава производителността.

По отношение на конструктивните особености на машините сред съвременните решения при плазменото рязане са разработените специални дюзи с вентилация, даващи възможност за насочване и фокусиране на плазмената дъга, което също води до подобряване на качеството и производителността.

Системите за въздушно плазмено рязане, предлагани от водещите производители в областта, също отбелязват значителен напредък от гледна точка на постигнато качество на рязане, експлоатационен срок на консумативите, както и по отношение на работните цикли.

Напредъкът при проектирането на машините за плазмено рязане и оборудването позволява използването на няколко режещи глави, които могат да работят едновременно.
Като цяло съвременните системи за плазмено рязане се характеризират с много висока скорост на рязане, невисоки експлоатационни разходи и високо качество.

Избор на технически газ за плазмено рязане
Процесът на плазмено рязане е тясно свързан с използването на технически газове под формата на режещ или защитен газ, от подходящия избор на които до голяма степен зависи и качеството и скоростта на рязане. Използвани газове в практиката са въздух под налягане, азот, кислород и смес от аргон и водород. Сред най-често използваните комбинации на плазмен и защитен газ са: въздух/въздух, кислород/въздух, азот/въглероден диоксид, азот/въздух, азот/вода, смес от аргон и водород/азот
При избора на конкретна комбинация основните фактори, които е добре да се вземат предвид, са видът на материала, неговата дебелина, необходимото качество на срязаните повърхности. За повечето цветни метали например се препоръчва използването на азот, смес от азот и водород, смес от аргон и водород. При необходимост от постигане на по-високо качество често се използва смес от аргон и водород като режещ газ и азот като защитен газ. За рязане на въглеродни стомани се използва предимно въздух под налягане или азот. Добре е да се има предвид, че за рязане на алуминий не се препоръчва използването на комбинацията от кислород като режещ газ и въздух като защитен газ.

Редакцията благодари на катедра "АДП" при МФ, Технически Университет – София, за сътрудничеството.