Дата публикации: 01/12/2022

Станки плазменной резки применяются для раскроя листов металлопроката и производства сложных авиационных деталей. Эта технология дает качественную линию реза и подходит для обработки материалов, которые плохо поддаются резке другими способами. Эта статья – о том, как работают такие станки и как встраиваются в производственные линии под управлением MES.

Содержание

1. Что такое плазма и как она режет?

2. Преимущества

3. Универсальность

4. Высокое качество реза

5. Производительность и экономичность

6. Устройство и принцип работы

7. Плазмотрон

8. Источник питания

9. Портальная система

10. Координатный стол

11. Система ЧПУ

12. Выбор станка для плазменной резки и важные технические характеристики

13. Автоматизация

Что такое плазма и как она режет?

Плазма представляет собой ионизированный газ. Это особое агрегатное состояние, в которое переходит газообразное вещество, если его разогреть до высоких температур. Плазма содержит как свободные электроны, так и отрицательно и положительно заряженные частицы. Обладает квазинейтральными свойствами: бесконечно малый объем плазмы не имеет заряда.

Плазму используют для разных видов металлообработки, в том числе для резки металла. Для этого через сопло под давлением подается тонкая струя газа. Проходя через электрическую дугу, которая зажигается высоковольтным импульсом, газ разогревается до 3-50 тыс. градусов и преобразуется в плазму. Плазма плавит металл и под давлением «выдувает» его из разреза.

Разные газы переходят в состояние плазмы при разных температурах, что зависит от строения их внешних электронных оболочек. Как правило, для резки черных металлов используется кислород или атмосферный воздух, а для цветных металлов – азот, аргон, водород или водяной пар.

Преимущества

Универсальность

Плазмой можно резать любые металлы, в том числе тугоплавкие: медь, алюминиевые сплавы, различные марки стали и чугуна, – а также неметаллические изделия. Качество кромки и энергоэффективность технологического процесса зависят от выбора плазмотрона и рабочего газа. Толщина разрезаемого металла – до 15 см.

Высокое качество реза

Тонкая направленная струя плазмы дает малую область локального нагрева. Поэтому заготовки, даже из тонколистового проката, не получают температурной деформации. Правильный подбор плазмообразующего газа и точная ориентация оси рабочего инструмента дают:

• минимальную ширину линии реза;
• минимальное угловое отклонение от вертикали и скругление кромки;
• отсутствие наплывов и окалины.

Производительность и экономичность

Воздушно-кислородная резка требует долгого предварительного прогрева металла, а плазменная нет – это ускоряет процесс и снижает себестоимость. Скорость раскроя тонкого и среднего проката составляет до 6 м/мин.

Устройство и принцип работы

Станок состоит из нескольких функциональных узлов.

Плазмотрон

Узел, в котором сжатый газ под действием тока переходит в плазму, называется плазмотроном. Элементы плазмотрона:

• электрод с тугоплавкой вставкой;
• сопло для подачи сжатого воздуха;
• завихритель для прохода газа в сопло, поддержания стабильного напряжения дуги и контроля качества реза.

Существует два принципа работы плазмотрона.

Плазменно-дуговая резка – применяется для раскроя электропроводных материалов. При протекании тока от электрода к металлическому прокату образуется дуга прямого действия, которая преобразует поток газа из сопла в плазму.

Резка плазменной струей – применяется для раскроя не проводящих ток материалов (пластика, резины). Обрабатываемый материал не является звеном электрической цепи, а дуга косвенного действия образуется между электродом и соплом.

Источник питания

Источник питания служит для поджига пилотной и режущей дуги. Он должен управлять силой тока, поддерживать ее значение на заданном уровне, а также иметь максимальный КПД и коэффициент мощности.

Портальная система

Для вырезания деталей заданной формы необходимо перемещать инструмент в соответствии с заданной программой. Для этого используется портал, который перемещается по направляющим вдоль координатного стола. В перпендикулярном направлении плазморез перемещает реечный механизм, установленный на поперечной балке портала.

Координатный стол

Это основание, на которое кладут прокат для раскроя. «Столешница» выполняется из решетчатого материала. В нижней части стола размещается поддон с охлаждающей жидкостью для сбора раскаленных частиц металла, вылетающих из-под плазмореза. Стол должен быть виброустойчивым и откалиброванным.

Система ЧПУ

Система для автоматического управления приводами станка, которая состоит из контроллера, рабочей консоли с дисплеем и устройством ввода данных, памяти. С консоли оператор управляет режимами резания, вводит программу или загружает ее из памяти. Также программу можно загрузить с персонального компьютера, подключив его через USB.

Выбор станка для плазменной резки и важные технические характеристики

На выбор станка влияют:

1. Характеристики материала:
   • Химический состав материала влияет на выбор принципа работы плазмотрона и тип рабочего газа (Таблица 1).
   • Толщина материала – от этого зависит выбор рабочей среды (Таблица 1) и номинальная мощность источника питания.
   • Размер листа определяет габариты станка, точнее, координатного стола.
2. Характеристики производственного процесса:
   • Интенсивность эксплуатации – показатель длительности работы без охлаждения.
   • Вид работ – прямолинейный/криволинейный раскрой листового материала или вырезание деталей сложной формы.
   • Масштаб производства. Для небольших цехов подходят компактные мобильные установки плазменной резки с ЧПУ. На крупных производствах используют стационарные крупногабаритные плазменные комплексы, которые для большей производительности оснащают несколькими плазмотронами.

Таблица 1. Выбор плазмообразующего газа

Материал	Толщина, мм	Сжатый воздух	Азот	Смесь азота и кислорода	Смесь азота и водорода	Смеси аргона и водорода
Углеродистые стали	40-50	+	+	+
Низкоуглеродистые стали	20-40		+	+
	До 40	+
Нержавеющая сталь	До 20		+
	До 50				+
Высоколегированные стали	50-60	+
	Более 60				+
Медь и сплавы		+	+
Алюминий и сплавы	До 20		+
	20-100				+
	Более 100					+

Автоматизация

Станки плазменной резки с ЧПУ встраиваются в гибкие производственные линии под управлением MES или системы мониторинга оборудования, например, DPA. Детали сложной формы с криволинейными линиями раскроя программируются в CAD/CAM-системах. Если нужно запустить в производство новую продукцию, создается или загружается из памяти соответствующая программа. Постоянное участие рабочего в процессе реза не требуется.

Числовое программное управление помогает сделать плазменную резку экономически эффективной и производительной.

Контроль параметров. В зависимости от типа и плотности материала, толщины листа, количества слоев ЧПУ регулирует скорость перемещения инструмента, давление воздуха и другие параметры технологического процесса.

Увеличенная скорость раскроя. ЧПУ может управлять несколькими плазменными резаками одновременно. Это в несколько раз ускоряет раскрой.

Экономия ресурсов. Обратная связь помогает регулировать скорость инструмента, давление воздуха, температуру нагрева. Так достигается оптимальное качество и скорость реза при минимальном расходовании ресурсов.

Безопасность. При автоматизации плазменной резки удается исключить человеческий фактор, а значит повысить безопасность и производительность технологического процесса.

Гибкость производства. При управлении производством с помощью MES станки быстро перенастраиваются на выпуск новой продукции, а заказ встраивается в расписание работы оборудования без простоев и «бутылочных горлышек» на отдельных участках. Система мониторинга оборудования DPA позволяет контролировать состояние заготовки и параметры процесса реза.