Машини за рязане и разкрой на листов материал

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 8/2020 • 03.12.2020

С навлизането на съвременната металообработка в епохата на четвъртата индустриална революция многократно се завишават изискванията към производителите на металообработващи машини по отношение на скоростта, прецизността и производителността. С цел постигане на максимална ефективност при рязането и разкроя на листов материал всяко предприятие, което извършва такива операции в производството си, e изправенo пред предизвикателството да изберe оптималния метод, най-подходящата технология, най-добрата машина. Залогът за компаниите в този високодинамичен отрасъл обикновено е голям, тъй като инвестицията в неправилното оборудване може да коства не само големи финансови загуби за закупуването му, но и в дългосрочен план.

Наред с разширяването на приложенията на детайлите от листов материал еволюират и техниките за тяхното производство, а изборът от възможни решения е голям. На пазара се предлагат различни типове машини за рязане и разкрой на листов метал със или без програмно управление, включително модерни гилотини и преси, високотехнологични машини за лазерно, плазмено и водно рязане – всяка със своите специфики, предимства и оптимална приложна област.

В помощ на производствените предприятия идват и ново поколение иновации като бързи и мултифункционални ЦПУ решения, софтуер за предварително моделиране и симулация на процесите по разкрой и рязане, технологии за машинно зрение с цел максимално качество и ефективност, както и роботизирани обслужващи системи, които елиминират рисковете за оператора и приоритизират точността и скоростта на работа.

 

Съображения при избора на машина

Всяка от изброените по-горе базови технологии за рязане и разкрой на листов материал притежава потенциала да осигури оптимална производителност в правилното приложение и посредством съвременна и ефективна машина. В неподходящ по мащаб и изисквания производствен сценарий обаче дори най-високопроизводителният фибролазер не би се представил достатъчно добре, за да компенсира евентуалните проблеми.

Ето защо някои производители на решения за обработка на листов материал задават набор с критерии за избор на най-подходящата машина за дадено производство. За рязането на въглеродни и неръждаеми стомани в много цехове се залага на конвенционални гилотини или усъвършенствани модели с ЦПУ. За дебелини на листовете въглеродна стомана до 20 мм и неръждаема стомана до 10 мм, както и за неметални листове, в дадени случаи би се оказало много по-ефективно да се инвестира в лазерна машина. При дебелини от порядъка на 20 до 50 мм обаче плазменото рязане се доказва в практиката като по-ефективен метод. Листов стоманен материал с дебелина над 50 мм пък най-рентабилно се реже и разкроява с машина за пламъчно рязане, смятат някои специалисти в бранша.

Приложения, включващи рязане и разкрояване на мед, алуминий и други чупливи неметални материали като стъкло и мрамор например, обосновават капиталовложението в модерна машина за водно рязане, според препоръките на експертите. Изискванията на някои по-специфични производства с комплексни обемни и тънкостенни изделия и дебелини на материала, по-малки от 1 мм, могат добре да бъдат покрити от модерна машина за щанцоване с ЦПУ.

В зависимост от формата на заготовките от листов материал машините могат да бъдат лентоотрезни, кръглоотрезни и т. н. Разкроят на материала най-ефективно се извършва посредством компютъризирано управление с цел отрязване на максимален брой детайли от една и съща площ на изходния лист.

 

Гилотини

Макар и традиционни, гилотините все още са сред най-популярните машини за рязане на листов материал. Съвременните наследници на някогашните ръчни инструменти, използвани за тази цел, се отличават с висока мощност и производителност и позволяват рязане на широк набор от дебелини бързо, точно и с възможности за прецизна настройка на всеки отделен параметър с помощта на модерно цифрово програмно управление. На пазара се предлага богат асортимент от машини с електромеханично, пневматично или хидравлично задвижване, както и с различен капацитет, за да паснат на максимално широк кръг практически приложения.

Хидравличните гилотини са сред популярните решения в съвременните цехове за рязане и разкрой на листов материал. Най-ефективни са за приложения, в които се извършват праволинейни срезове с дължина от порядъка на 4 метра. Отрязаните заготовки типично се подлагат на допълнителни формоизменящи и режещи операции, за да се получи готово изделие.

Основно предимство на този тип машини според много специалисти е фактът, че в момента на срязване натиск не се упражнява по цялата планирана траектория на среза, а само в една точка. Това намалява необходимата за прецизно рязане сила. Гилотините традиционно са високопроизводителни, когато са в номиналния си работен диапазон от дебелини на листовия материал, но за по-дебели листове (над 20 мм) често е препоръчително да бъдат заместени с друга технология или специализирана машина.

 

Преси за щанцоване

Машините за щанцоване най-общо извършват две основни операции: разделяне (рязане, пробиване и т. н.) и формообразуване (пробиване, огъване, усукване, изтегляне и др.) на листовия материал с цел получаване на изделие в максимално готов вид. Преди обработката на металните листове или ленти на пресата листовият материал се подлага на изрязване, след което се поставя на пресата, която оформя крайния продукт.

Щанците с ЦПУ се отличават с висока гъвкавост при изработката на обемни изделия с комплексна форма и геометрия, като за целта са необходими и специални матрици, които придават на плоския материал желаната форма. Отрезните операции на този тип машини отново се извършват след предварителен разкрой, като най-често това са праволинейни срезове, изрязване на квадратни и кръгли отвори. При по-прости модели на рязане е възможно постигането на високи скорости на обработка при близо до крайното качество. Щанцовъчното оборудване с ЦПУ е популярно решение за рязане и обработка на листове въглеродна стомана с дебелини под 2 мм и работна площ от порядъка на 2,5 х 1,25 м. По-плътните листове стоманен материал обикновено водят до прекалено големи изисквания по-отношение на прилаганата сила и мощността на машината и причиняват прекомерно износване на инструменталната екипировка, а крайното качество не е достатъчно добро. При дебелини над 2 мм типично се прибягва към помощта на машина за лазерно рязане.

 

Предимства на лазерното рязане

В зависимост от източника машините за лазерно рязане и разкрой на листов материал най-общо се подразделят на фиброоптични и CO2 варианти. В зависимост от вида на оборудването могат ефективно да бъдат рязани широк набор от различни материали. CO2 лазерите типично се използват за рязане на пластмасови листове, пяна, дърво, стъкло, текстил или меки стомани. Те не са предназначени за обработка на метали с високоотразителна повърхност като мед или месинг.

По-мощните фибролазерни системи са по-подходящи за рязане и разкрой на листов метал, включително неръждаема стомана, алуминий и някои пластмаси.

Лазерното рязане се дефинира от експертите в бранша като своеобразна революция в обработката на листов материал, тъй като се отличава с висока скорост, прецизност, гъвкавост и ефективност, кратки производствени цикли и изключително широк кръг от приложения. При тази технология са елиминирани механичната сила на рязане и пластичната деформация. В резултат няма износване на инструменталната екипировка, а наборът от материали, подходящи за обработка, е огромен. Лазерният разрез е с малка ширина, постига се високо качество на повърхностите, а възможностите за автоматизация и управление на процеса в съвременната дигитална индустрия са големи. Допълнителни плюсове са ниските оперативни разходи, липсата на вибрации и шумово замърсяване и дългият полезен живот на технологията при рязане и разкрой на листове с дебелина над 2 мм.

Сред предимствата на лазерните машини са елиминираната необходимост от смяна на инструментите, възможностите за икономично и прецизно изрязване и разкрой на изключително комплексни форми, както и подобрената безопасност на процеса поради потенциала за пълното му автоматизиране без нужда от човешка намеса.

Особеност е необходимостта от добра вентилация на помещенията, в които работят машините за лазерно рязане, поради отделяните в процеса газове. Основно ограничение на този тип оборудване е рязането на листове с дебелина до 25 мм. Ето защо основните му приложения са в автомобилостроенето и производството на индустриални корпуси и шкафове. При по-големи дебелини е възможно нежелано загряване на материала в точката на обработка и неговата деформация. За такива приложения обикновено се залага на машина за плазмено рязане.

 

Приложения на машините за плазмено рязане

Плазменото рязане типично се използва за обработка на черни (конвенционална и неръждаема стомана и др.) и цветни метали (месинг, мед, алуминий и т. н.) с максимална дебелина на листа до 160 мм. Този процес се отличава с по-висока скорост в сравнение с лазерното рязане при листов материал със средни и големи дебелини, както и в сравнение с ацетилено-кислородното рязане при обработване на тънки и средни по дебелина метални плоскости.

Принципът на работа на машините за плазмено рязане е сходен с този на електродъговото заваряване – включва генерирането на електрическа дъга, която йонизира газ, изпускан от дюза в зоната между електрода и обработваната повърхност. В плазменото рязане най-често се използват въздух, аргон, водород, кислород и азот. В зависимост от вида на използвания газ дюзата и електродът трябва да бъдат регулярно подменяни.

Някои приложения в цеховете за рязане и разкрой на листов материал изключват позиционирането на голяма стационарна машина за плазмено рязане в дадена зона на работното помещение. За такива случаи, особено при работата с големи плътни листове метал и обработката на едрогабаритни заготовки, са разработени портативни машини за плазмено рязане, които могат удобно да бъдат придвижвани из цеха, като се запазва изискването за добра вентилация като при лазерното рязане, тъй като тук също са налице голямо количество отпадна топлина, отровни газове и изпарения.

Конвенционалното и финото плазмено рязане са подобни на пламъчната обработка по това, че се характеризират с голяма зона на топлинен ефект. Машините за плазмено рязане обаче се отличават с по-висока скорост и прецизност на работа, което ги превръща в предпочитано решение за обработка на материал със средна дебелина.

ЦПУ системите за фино плазмено рязане достигат капацитета и ефективността на лазерните машини при рязане и разкрой на въглеродна стомана с дебелина от порядъка на 22 мм, а скоростта им може да достигне 2 метра в минута. Качеството на повърхностите е високо, а оптималният ъгъл може да бъде настроен с точност до 1,5 градуса. Потенциално ограничение на технологията е рискът от твърде голяма топлинна деформация при рязане и разкрой на тънки листове.

 

Специфики на решенията за водно рязане

Водоструйното рязане е решение за почти всички материали, изброени дотук. За разлика от лазерите, водоструйните машини могат да режат лъскави метали като мед и алуминий, а в определени конфигурации – и трошливи материали като керамика и стъкло. Подходящи за изработка чрез метода са метални детайли с дебелина под 200 мм, тъй като в този диапазон могат да бъдат ефективно управлявани скоростта и точността на рязане. Оптималните дебелини са от порядъка на под 100 мм. Машините за водно рязане под високо налягане използват чиста вода или вода със съответните примеси или абразиви, например карборунд, с цел постигане на оптимален ефект. При по-меките материали отсъствието на абразив удължава живота на машината.

При праволинейно рязане машините за водоструйна обработка типично се характеризират с добра работна скорост, която често намалява с усложняването на траекториите на рязане. В някои приложения водното рязане може да се окаже твърде бавно и да изисква прекалено много или скъпи консумативи, за да бъде рентабилно. Предимство обаче е отсъствието на деформация на обработваната заготовка. Друг основен плюс е високото качество на отрязаните ръбове. Сред недостатъците на технологията е високото шумово замърсяване. И макар първоначалната инвестиция в машина за водно рязане типично да е висока, в много случаи тя все пак е доста по-ниска от необходимото капиталовложение за закупуването на лазерно оборудване за рязане и разкрой.

 

Пламъчно и електроерозийно рязане

Пламъчното рязане е добре познато и доказано в практиката, отличава се със сравнително ниска инвестиция в оборудване и притежава потенциал за постигане на високо качество на отрязаните повърхности, подлежащо на максимум още една довършителна операция. Ето защо този метод продължава да е сред масово използваните решения за рязане и разкрой на листов материал и в съвременните цехове за металообработка. Оптимален е за обработка на плътни стоманени листове с дебелина над 40 мм. Недостатъци са голямата зона на топлинна деформация и голямата ширина на среза, което прави машините в сегмента подходящи основно за грубо обработване. В резултат на рязането често се допускат значителни загуби на материал, а скоростта невинаги е достатъчно висока за динамични и едромащабни производства.

При ацетилено-кислородните уредби за обработка на листов материал рязането се извършва с помощта на кислородна струя, която се насочва към разтопената зона на метала. Техниката е подходяща за определени типове стомана, а нейно предимство е възможността да се режат много дебели листове материал (над 400 мм). Особеност на тази технология е сравнително ниската скорост на работа, която донякъде може да бъде преодоляна чрез интегрирането на няколко кислородни горелки в един апарат, които режат паралелно и увеличават производителността.

Машините за електроерозийна обработка (EDM) са подходящо решение за рязане и разкрой на проводими материали. Те са способни на прецизна обработка на заготовки от листов метал с дебелина до 300 мм. Принципът на работа на тези системи се състои в отнемането на метал от обработвания детайл посредством иницииране на електрически разряд между него и инструмента. EDM машините са предпочитани при рязането на твърди метали, например закалена стомана. Особеност е, че методът е подходящ само за метали. Основното му предимство се състои във високата прецизност на работа.

 

Роботи и машинно зрение

В съвременните цехове за рязане и разкрой на листов материал все по-често се залага на модерни решения за оптимизиране на процеса, включително усъвършенствани технологии за машинно зрение и роботизирани обслужващи системи. Предимство на роботите е, че могат лесно, бързо, прецизно и безопасно да извършват тежки операции като зареждане и разтоварване на листовия материал на съответната обработваща машина, дори при работа с тежки, плътни и големи листове. Събирането на изрязаните заготовки се извършва посредством манипулатор, снабден например с вакуумни хващачи, които осигуряват здраво и сигурно захващане на детайла.

Най-съвременните обслужващи роботи в сегмента разполагат с възможности за индивидуално управление на отделните хващачи и високоточно позициониране на транспортираните обекти с голяма работна скорост и товароносимост.

За прецизната работа на робота обикновено се грижи модерна система за машинно зрение, която допълнително асистира процесите по рязане и разкрой като извършва инспекция на листовия материал, открива потенциални дефекти, замърсявания и други отклонения. Системата се движи по предварително зададена траектория съгласно генерираната работна програма, а спазването й се гарантира посредством различен брой камери, монтирани в работната зона, включително и върху манипулаторите на робота. Платформата разполага с мощен процесор за обработка на заснетите изображения и устойчив корпус с индустриална защита, който я предпазва от потенциални механични или друг тип въздействия в агресивната среда. За оптималната работа на машината за рязане и разкрой в тандем с робота, който може да е интегрална част от оборудването или самостоятелна единица, се грижи и мощна осветителна система.

Системата за машинно зрение е в състояние да измерва критични параметри като например разстоянията между отделните срезове и отвори с точност до милиметъра при работа с листови заготовки с размери от порядъка на 200x300 до 1200х9500 мм и с дебелина от 30 до 300 мм.

 

Top