Плазменная резка отверстий: тонкости технологии и рекомендации по применению

Плазменная резка – известная многим технология обработки металлов. Но знаете ли вы, какие проблемы появляются у мастеров и операторов, когда им требуется плазменная резка отверстий? Неточность и опасность порчи материала. Для их устранения передовой компании Hypertherm пришлось даже разработать новую технологию True Hole.

Подробно об этой инновации, а также о том, как избежать кривых отверстий при работе с металлом, мы расскажем далее. Вы узнаете, как при помощи этой современной технологии обрабатывать материалы большой толщины, причем без потери в качестве.

Особенности и плюсы технологии пламенной резки

В процессе плазменной резки металл заготовки расплавляется под воздействием высокотемпературного луча с последующим удалением расплавленных частиц струей плазмы.

Технология является универсальной, подходит для работы с металлами разных видов и толщины, отличается высокой скоростью обработки. Этим обусловлен широкий спектр сфер, в которых она применяется.

Достоинствами плазменной резки отверстий и заготовок являются ценовая доступность и простота использования оборудования, которое может быть как ручным, так и автоматическим.

С помощью автоматического оборудования для плазменной резки с ЧПУ можно обрабатывать заготовки из углеродистых (черных) сталей толщиной до 16 см. Плазморезы позволяют работать со всеми видами токопроводящих металлов (различными типами сталей, чугуном, медью, алюминием, латунью и пр.).

Плазменная резка отверстий в металле связана с некоторыми ограничениями, их минимальный диаметр должен быть не меньше 1,5–2 толщины материала заготовки.

На практике это означает, что минимальный диаметр отверстия при плазменной резке металла в стальном листе толщиной 1,2 см должен быть 1,8–2,4 см. В таком случае круглая форма отверстия будет сохранена. Однако при использовании технологии True Hole от компании Hypertherm можно вырезать отверстия, диаметр которых будет равен толщине металлического листа, при этом конусность не будет превышать 2°. Технология подходит для работы с листовыми металлами толщиной не более 2,5 см, предполагает использование системы HyPerfomance Plasma HPRXD и XPR с автоматическим управлением газом.

Кроме того, стоимость оборудования для плазменной резки металлов ниже, чем аппаратуры для лазерного раскроя, также ниже себестоимость реза и обслуживания (в большинстве случаев требуется электроэнергия, сжатый воздух и расходные материалы).

К недостаткам относятся более низкое качество реза, его конусность, высокий расход электроэнергии и расходных материалов, сложности при работе с тонкими металлическими листами (толщиной менее 0,1 см), вызванной толщиной режущей дуги (ширина реза варьируется от 0,08 до 0,15 см). Скорость обработки тонколистовых металлов также ниже, чем при использовании оборудования для лазерной резки.

Проблемы и основы плазменной резки отверстий

Большинство металлообрабатывающих производств пользуется технологией плазменной резки. При этом возникает необходимость в выполнении отверстий для болтовых соединений.

Плазменная резка отверстий в трубах и других металлических заготовках состоит из цепочки технологических операций. 

Деталь помещается на станок для плазменной резки для обработки контура, углублений и отверстий, диаметр которых должен составлять от 1,5–2 толщины заготовки. При помощи луча плазмы или маркера обозначают центр отверстия для болтового соединения. Сами отверстия выполняются одним из двух способов:

• автоматическим – более быстрым и дорогим, при котором используется портальное сверление пневматической сверлильной головкой;
• ручным – менее точным, но более дешевым и требующим больше времени для работы, при котором обработка выполняется с помощью корончатых сверл дрелью на магнитах.

Основной недостаток современной, быстрой, экономически выгодной плазменной резки заключается в сложности или невозможности сверления отверстий, диаметр которых был бы меньше или равен толщине металлического листа заготовки.

Решить эту проблему только за счет использования новейшего оборудования, современных источников плазмы, создающих высокотемпературную дугу, невозможно.

Для демонстрации высокоточного новейшего плазменного оборудования используют образцы, созданные в лабораторных условиях. Впрочем, современные станки с числовым программным управлением позволяют выполнять плазменную резку отверстий в металлических заготовках, качество которых будет не ниже, чем при гидроабразивной или лазерной обработке металла.

Что касается российских производств, то на них можно столкнуться с определенными сложностями, начиная с недостаточного опыта и квалификации специалиста и заканчивая качеством материалов и скачками напряжения в электросети.

Компания Hypertherm – мировой лидер среди производителей источников плазмы для портального оборудования для плазменной резки металлов. Компания создала и запатентовала новейшую технологию обработки заготовок – True Hole, которая предназначена для плазменной резки отверстий под болтовые соединения в металлических листах.

При создании технологии компания ставила перед собой задачу решить определенные проблемы:

• во время резки внутри отверстия образовывался перегиб или задир, необходимо было сделать выбор между ними;
• нижний диаметр отверстия был уже, чем верхний.

Для того чтобы с помощью плазменной резки получить отверстие нужной формы, необходимо:

• Использовать технический кислород с чистотой 99,5 % не только в качестве плазмообразующего, но и в качестве защитного газа. Газ должен быть сухим, обезжиренным под давлением 793 кПа, его расход должен составлять 4 250 л/ч. Выбор этого газа обусловлен его горючими характеристиками.
• Использование воздуха при резке линейных участков снижает стоимость плазменной обработки заготовки в сравнении с постоянным применением кислорода. Оборудование должно обеспечивать возможность автоматического переключения с воздуха на чистый кислород при работе с металлическими деталями. Это достигается за счет внесения определенных изменений в G-код САМ-модуля программы, записанной в ЧПУ станка.
• Для получения качественного отверстия с помощью плазменной резки подача защитного газа во время работы должна быть снижена.

• Резка должна осуществляться строго по центру будущего отверстия, компенсация движения дуги на величину его радиуса должна быть отключена. Для этого вносятся соответствующие изменения в G-код САМ-модуля управляющей программы на оборудовании с ЧПУ.
• При входе на рабочую траекторию дуги следует придерживаться траектории, касательной к контуру.
• В конце обработки скорость резки следует снизить, также необходимо уменьшить силу тока до 20 % от рабочего значения. Оборудование для плазменной резки отверстий выключается под воздействием накопленной инерционности движения головки. Это достигается путем внесения соответствующих изменений в G-код управляющей программы оборудования с ЧПУ.

При соблюдении названных выше условий можно выполнять высококачественную плазменную резку с соотношением диаметра отверстия и толщины заготовки 1:1.

Технологию можно применять при работе:

• с изделиями из черной стали;
• при толщине металлических листов от 0,3 до 2,5 см.

Причины кривых отверстий при плазменной резке и рекомендации по их устранению

Для того чтобы не допустить возникновения ситуаций, чреватых простоем оборудования, сэкономить расходы на эксплуатацию и обслуживание оборудования для плазменной резки металлов, а также не задаваться вопросом о том, почему плазменная резка отверстий получается криво, необходимы профессиональный оператор с большим опытом работы, правильно обслуживаемое оборудование и недопущение перечисленных ниже ошибок:

1. Использование расходных деталей до полного износа.

Некоторые специалисты используют расходные материалы до тех пор, пока те не достигнут полного износа. Однако такая тактика не поможет снизить эксплуатационные расходы на плазменную резку отверстий, напротив, она может привести к разрушению металлических деталей оборудования. Это может стать причиной поломок резака, которые требуют дорогостоящего ремонта. Следствием аварии является также простой аппаратуры на время ремонта.

При этом поломки резака легко избежать, просто отказавшись от эксплуатации деталей до полного износа. Определить, что расходные элементы требуют замены можно по нескольким признакам, например, по изменению звука или цвета плазменной дуги во время работы, а также по незначительным изменениям высоты резака. Самый надежный способ определить состояние расходных материалов состоит в периодической проверке качества кромки разреза и резака.

2. Преждевременная замена расходных элементов.

Ошибка, противоположная названной ранее, заключается в преждевременной замене расходных элементов. Слишком частая замена расходников увеличивает эксплуатационные расходы на оборудование для плазменной резки отверстий в металле. Поэтому прежде чем менять, например, сопло плазмореза, следует обратить внимание на наличие выемок на его внешней или внутренней поверхности, утрату отверстием округлой формы. Эти признаки свидетельствуют о том, что сопло подлежит замене. В противном случае его можно использовать дальше.

Для определения степени износа электрода проверяется изъязвление его элемента – вставки серебряного цвета в медном держателе. Вставка может быть гафниевой при использовании в качестве плазмообразующих газов воздуха или кислорода и вольфрамовой при использовании азота или аргонно-водородной смеси.

3. Использование неправильных параметров и деталей при выполнении заданий.

При выборе расходных материалов специалист ориентируется на свойства металла заготовки, толщину обрабатываемой детали, силу тока, плазмообразующий газ и прочие параметры обработки заготовки. Руководство по использованию оборудования для плазменной резки отверстий содержит информацию о расходных материалах, применяемых при различных типах обработки заготовок. При использовании неподходящих расходников снижается качество резки, а также уменьшается срок эксплуатации деталей.

Существенное значение имеет работа при номинальной силе тока. Лучшее качество реза и наибольший срок эксплуатации расходных материалов и оборудования в целом возможны при использовании силы тока, составляющей 95 % от номинальной. Слишком низкая сила тока приведет к выполнению неоднородного разреза, слишком высокая – к сокращению срока службы сопла плазмореза.

4. Нарушения при сборке плазменного резака.

Все детали резака должны быть выровнены и плотно прилегать друг к другу, чтобы обеспечить оптимальный электрический контакт и правильный поток газа и охлаждающей жидкости, проходящих через него. Расходные материалы должны храниться в чистой упаковке, чтобы при замене не загрязнить резак металлической пылью или грязью.

Резак необходимо собирать в чистоте, хотя это простое правило часто игнорируется. Уплотнительное кольцо после обработки смазкой должно немного блестеть. Излишнее количество смазки может привести к засорению завихрителя газа и резака металлической пылью. Это может стать причиной неконтролируемого зажигания плазменной дуги и, как следствие, поломки резака. Сам резак смазывать нельзя, поскольку он может воспламениться в процессе плазменной резки.

5. Нарушения сроков планового технического обслуживания оборудования для плазменной резки отверстий.

При надлежащем обслуживании и уходе срок службы резаков для плазменной резки отверстий в металле составляет несколько месяцев или лет. Резак и опорные поверхности необходимо содержать в чистоте, проверять, не появились ли на опорных поверхностях механические повреждения. Резак важно очищать от грязи, металлической пыли, смазки и т. п. Делать это можно с помощью ватной палочки, смоченной в средстве для очистки электрических контактов или перекиси водорода.

6. Игнорирование регулярной проверки потока газа и/или охлаждающей жидкости.

Проверку потока и давления газа и охлаждающей жидкости выполняют ежедневно. При низкой скорости потока не достигается должного охлаждения элементов оборудования, а, следовательно, уменьшается срок их службы. Чаще всего детали и резак выходят из строя из-за низкого уровня охлаждающей жидкости или ее неправильного потока.

Чтобы поддерживать режущую плазменную дугу, требуется постоянное давление газа. При слишком высоком давлении возникают сложности с активацией дуги. Кроме того, из-за избыточного давления быстрее разрушаются электроды. Плазмообразующий газ должен оставаться чистым, его загрязнение маслом, металлическим частицами приводит к уменьшению срока эксплуатации расходных материалов и резака оборудования для плазменной резки отверстий.

7. Прожиг на слишком низкой высоте.

Качество отверстий, получаемых при помощи плазменной резки, а также срок эксплуатации расходных материалов зависит от расстояния между заготовкой и наконечником резака. Даже небольшое изменение высоты резака может стать причиной появления угловатостей на поверхности детали. Существенное значение высота имеет при выполнении прожига. Если инструмент расположен слишком низко, то расплавленный металл заготовки попадает на передний край сопла и защитного колпачка, повреждая их, что в дальнейшем отрицательно сказывается на качестве обработки отверстий плазменным лучом.

«Подавление» дуги возможно при прожиге в контакте с металлом или скольжении резака по поверхности заготовки. В этом случае разрушается электрод, сопло, завихритель газа, а также сам резак. Прожиг на высоте, больше рекомендуемой в 1,5–2 раза, предотвращает попадание на элементы оборудования частиц расплавленного металла и, как следствие, защищает их от повреждений.

8. Чересчур высокая или слишком низкая скорость плазменной резки отверстий.

Слишком большая или, наоборот, маленькая скорость резки приводит к снижению ее качества. При медленной обработке нижние кромки отверстий покрываются пузырчатыми отложениями окалины, ее еще называют окалиной низкой скорости резки. Недостаточная скорость плазменной резки может стать причиной расширения разреза и привести к чрезмерному верхнему разбрызгиванию частиц расплавленного металла.

Излишне высокая скорость резки приводит к тому, что дуга перемещается по разрезу с задержкой, в результате чего:

• кромки имеют скошенные края;
• разрез получается слишком узким;
• на нижней кромке разреза образуются сложно удаляемые затвердевшие полосы окалины.

Выбор правильной скорости перемещения резака при плазменной обработке отверстий позволяет минимизировать образование окалины, гарантирует чистую кромку, практически не требующую дополнительной обработки.

9. «Растяжение» дуги.

Растяжение плазменной дуги может происходить в начале и в конце разреза, когда дуга для вхождения в контакт с металлом заготовки отклоняется от прямой перпендикулярной траектории. При этом возникает риск прожига боковой стенки сопла. Поэтому активировать дугу следует при нахождении сопла строго по центру над краем детали. Это особенно актуально при использовании комбинированного способа обработки заготовок (плазменной резке и посредством вырубного пресса).

10. Удар резака.

Если устанавливать резак на торец и ударять по нему, то возникает вероятность его поломки. Для предотвращения подобной ситуации программируют траекторию движения системы фигурной резки не над вырезными элементами, а вокруг них. Также корректируют высоту отклонения рабочего инструмента при плазменной резке отверстий.

Если система регулировки основана на напряжении, она может не обеспечить должную защиту оборудования. При длительном перемещении вдоль разреза рабочий инструмент в конце резки часто «ныряет». Это происходит из-за того, что система регулировки опускает резак для корректировки дуги напряжения, увеличившегося из-за растяжения. Для минимизации эффекта «ныряния» необходимо тщательно программировать работу системы регулировки высоты резака. Также предотвратить его повреждение помогут устройства крепления блока отключения.

Подведем итоги. Современные металлообрабатывающие предприятия часто сталкиваются с необходимостью плазменной резки отверстий на трубах и других заготовках для болтовых соединений. Новейшее оборудование для плазменной обработки металлических изделий позволяет создавать отверстия, которые по качеству аналогичны тем, что получаются при гидроабразивной или лазерной резке. В статье мы рассказали об используемых технологиях и ошибках, которые могут привести к получению некачественных разрезов и поломке оборудования.