2.2.3 Разрезка с образованием отходов

Газопламенная резка. В основу такого способа резки поло­жено условие превышения температуры плавления металла над температурой его воспламенения, что характерно для большин­ства сталей. Сущность способа разделки заключается в местном нагреве металла в струе кислорода, при этом в зоне резки он частично сгорает. Указанным способом можно разрезать большин­ство сталей, труднее других поддаются резке высокохромистые стали (свыше 7% Сг). Сталь, содержащая более 0,7% С, одно­временно горит и расплавляется, поэтому поверхность раздела получается неровной, а прорезь широкой.

При газовой резке необходим предварительный разогрев ме­талла, с этой целью применяют горючее, дающее высокую темпе­ратуру пламени: ацетилен 3100—3800° С, бензин 2500—2600° С, керосин 2000° С и др.

В качестве горючего при кислородной резке металлов могут быть использованы различные газы (природный, коксовый и др.) с теплотворной способностью не менее 10 048 Дж/м³ (— 2400 кал/м³) и температурой пламени не ниже 1800° С.

Бензин и керосин используют в специальных горелках, в ко­торых они превращаются в газ и в таком виде поступают в зону горения. Расход бензина составляет 1,2 кг/ч на один резак, керо­сина 1,3 кг/ч на один резак (в равных условиях), расход ацети­лена 0,5—1,0 м³/ч. О производительности при ручной резке с ис­пользованием ацетилена можно судить по данным табл. 6.

Газовой резкой можно получить контуры реза сложной формы. В местах разделения металла не образуется острых ребер, приво­дящих к заштамповке и зажимам. Недостатками этого способа разделки металла являются относительно большие потери металла по месту разрезки (слой толщиной 4—6 мм) и сравнительно невы­сокая производительность.

При газовой резке металла следует считаться с физико-химиче­ским воздействием газовой среды на металл. Происходят и струк­турные изменения в металле. В низкоуглеродистых сталях на­блюдается рост зерна, а вблизи надреза — нежелательная видманштетова структура. В случае резки высокоуглеродистой

Табл. 6

Производительность резки с использованием ацетилена

Характеристика	толщина стальной пластины, мм
	5-15	15-50	50-100	100 -200
Средняя скорость резки, мм/мин Расход, м3/ч: ацетилена .... кислорода ....	320—430 0,5 1,7—3,0	190—340 0,65 3—7	125—205 0,75 7—17	90—140 0,9 17—27

Рис. 26. Плазматрон ГПР-1000 для резки металла

и легирован­ной сталей возможна их подкалка и даже образование трещин по кромке надреза. Для предотвраще­ния этих явлений применяют подо­грев металла и специальный режим охлаждения: медленный для доэвтектоидной и быстрый — для заэвтектоидной стали (во избежание образования цементитной сетки). Плазменная резка. Резка с использованием плазмотронов получает все большее промышленное применение. Этот способ резки основан на использовании электрической дуги, но имеет существенные отличия от обычного дугового процесса. Конструк­тивно плазменные установки отличаются тем, что часть столба дуги функционирует не свободно, а внутри металлического ци­линдра, внутренний диаметр которого соизмерим с диаметром столба дуги. Плазматрон, работающий на водородсодержащих смесях (рис. 25), имеет два сопла: 1 — наружное и 2 — внутрен­нее. Во внутреннее сопло подается рабочая смесь (Аг + Н₂ или N₂ + H₂), а в наружное — воздух. Плазмотрон ГПР-1000, по данным промышленных испытаний, может работать на токе силой до 1500 А. Резка при помощи плазмотронов стала возможной в связи с их способностью локализовать область тепловыделения и повышать значение тепловых потоков до величины 10²— 10³ кВт/см². В СССР разработкой этого способа резки занимался Институт электросварки им. Е.О. Патона и ряд других органи­заций. Резка сутунки, полосового, толстолистового металла, прут­ков и труб диаметром до 2500 мм, в том числе и из низкоуглероди­стой стали при исключительно высокой производительности, выделяет плазменные установки в группу весьма перспективных в кузнечно-штамповочном производстве. Высокие точность и ка­чество поверхности, скорости резки (в 2—3 раза больше, чем при кислородной резке) обеспечили плазменной резке экономическую эффективность. Особенно это обозначилось после использования для резки черных металлов (кроме аргоно-водородных смесей), воздуха в качестве плазмообразующей среды. Плазменную резку коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей выполняют в аргоно-водородных и азотно-водородных смесях. Скорости этого процесса даны в табл. 7.

Табл. 7

Скорость плазменной резки стали в аргоно-водородной смеси

Толщина материа­ла, мм	Диам. сопла, мм	Сила тока дуги, А	Напря­жение дуги, В	Мощность дуги, кВт	Расход газа, м3/ч		Скорость резки, м/ч
					Аргон	Водород
30 40 70 80 120	6 5 6 6 6	700 700 700 700 800	140 165 150 135 160	98 115 105 95 128	1,2 0,63 1,7 1,0 1,5	3,5 3,5 3,5 3,5 4,0	85 69 26 17 10,5

Резка пилами. Часто требуется получить заготовки с точной длиной и ровным перпендикулярным к оси прутка срезом. Таким требованиям отвечают заготовки, полученные резкой пилами. В производстве используют два типа дисков для пил: зубчатые и гладкие (пилы трения и электромеханические). Для заготввок диаметром до 20 мм из жаропрочной стали применяют абразивные пилы.

Зубчатые пилы. Эти пилы подразделяют на проволоч­ные, ленточные и дисковые. Ленточные и проволочные пилы могут иметь форму бесконечной (с соединенными концами) и конечной пилы (ножовочные пилы). В последнем случае пила совершает возвратно-поступательное движение.

Проволочные пилы еще не получили распространения, нр успешно опробованы. Пила из нержавеющей стальной проволоки диаметром 0,2 мм, покрытая абразивом, обеспечивает высокую точность резания.

Пилами металл можно резать в горячем или в холодном состоя­нии. Горячая резка заготовок пилами в штамповочном производ­стве получила меньшее распространение, чем в прокатных цехах, где для резки металл специально не нагревают. Пилы имеют не­сколько форм зубьев (сменные в виде сегментов или цельные). Зубья восстанавливают заточкой или наплавкой. Диски пил могут быть различных диаметров (300—800 мм). Толщина дисков опре­деляет минимальные потери на пропиловку и обычно составляет 2—8 мм. Разводка зубьев пил уменьшает потери энергии на трение боковой поверхности диска о металл, но приводит к увеличению ширины пропиловки, т. е. к увеличению отходов металла. Пилы с наибольшей производительностью имеют угол заострения зубьев, равный 50—60°.

Применение дисков со вставными зубьями приводит к большим потерям металла на пропиловку по сравнению с цельными ди­сками. Окружная скорость резания холодных пил составляет 0,5—1,0 м/с, что намного ниже скоростей, достигнутых при обра­ботке резцами (более 15 м/с). Основным недостатком пил старых конструкций является их малая производительность. Пилы для горячей резки, применяемые в прокатном производстве, имеют окружную скорость 90—11О м/с, так что продолжительность резки даже крупных профилей не превышает 5—10 с. При температуре 700° С за 1 с разрезается пруток площадью 2000 мм² (т. е. диаметром 45 мм).

В литературе описаны быстроходные производительные пилы, применяемые и в кузнечно-штамповочном производстве.

Пилы трения. Пилы трения получили небольшое рас­пространение, так как их работа сопровождается большим шумом. Принцип их действия основан на выделении большого количества теплоты при трении о металл гладкого диска или диска с тупыми П-образными зубьями.

Частота вращения диска 2000—2500 об/мин, что обеспечивает его окружную скорость до 125 м/с. В месте контакта разрезаемый металл нагревается до температуры плавления. Элементы поверх­ности диска находятся в контакте с прутком металла очень не­продолжительное время и поэтому не успевают нагреться до высокой температуры.

Электромеханические пилы. Эти пилы сходны с пилами трения. Их принципиальное отличие состоит в том, что в месте контакта, кроме разогрева трением металла, создается электрическая дуга, которая способствует его расплавлению (рис. 26).

Рабочий ток от трансформатора Тр через скользящий кон­такт 7 подается на режущий стальной диск 8 толщиной 2,5— 3 мм. Диск 8 приводится во вращение электродвигателем через ускоряющую ременную передачу, частота его вращения

Рис. 27 Электромеханиче­ская пила (а) и схема уста­новки (б)

2200 об/мин. Разрезаемый пруток 9 соединен с обратным проводом трансформатора Тр. Между вращающимся диском и разрезае­мым прутком металла возникает электрическая дуга, выделяемая теплота которой складывается с теплотой, выделяющейся при трении диска о металл, что обеспечивает легкое внедрение диска в него.

Вся конструкция смонтирована на литой раме 5, подвешивае­мой шарнирно на балке, которая прикрепляется к колоннам здания или к фермам перекрытия, на оси 3 шарнира рамы 5 укреплен также кронштейн 4 электродвигателя 2 так, что мотор как бы скреплён с рамой. Это позволяет осуществлять ременную передачу между шкивами мотора и диска. Рама 5 вместе с диском 8 дви­жется с помощью ручки 6. Возвращение рамы в исходное положе­ние облегчается грузом 1, установленным на выступающей кон­соли. Режущий диск изготовлен из стали Ст. 3 и имеет относительно высокую стойкость. Он может быть использован даже для резки высоколегированной стали. Благодаря скользящему контакту диска с металлом и охлаждению при вращении диска его темпера­тура повышается лишь незначительно. Время резки при работе на этой установке по сравнению с резкой на обычных пилах тре­ния сокращается в 10 раз и более, расход энергии ниже, чем у пил трения. Чистота реза выше, чем при огневой резке, и почти не уступает качеству поверхности, полученной при резке на обычных пилах. Кроме отходов на пропиловку (до 3 мм), дру­гих отходов этот вид резки не имеет.

Производительность электромеханических пил выше, чем обыч­ных пил трения, а шума при их работе значительно меньше.

Мощность электродвигателя, вращающего рабочий диск, со­ставляет 2,2 кВт, максимальная сила тока, снимаемого с транс­форматора, 1000 А. Напряжение регулируется в пределах 0— 20 В. Для сравнения на данной установке разрезали прутки по­добно тому, как это делается на обычной пиле трения усилием 98 Η с подачей тока через режущий диск. Было установлено, что разрезка образца, на которую затрачивалось 90 с, при подаче электроэнергии на диск значительно ускоряется. При силе тока 100—200 А разрезка происходит за 30—40 с, а при токе 300— 400 А — за 7—8 с.

При повышении частоты вращения диска скорость резки может быть увеличена. Несмотря на возрастание установочной мощности за счет энергии, подводимой к диску от трансформатора, общий расход энергии на резку значительно уменьшается за счет сокра­щения продолжительности резки.

Электроискровая резка. Этот способ основан на коротком замы­кании электрических проводников, при котором металл разру­шается пульсирующим током.

Установка для электроискровой резки металла выполнена по следующей схеме (рис. 27, а). Разрезаемый пруток 2 (анод) и ди- сковый или ленточный инструмент 1 (катод) погружены

Рис. 28. Схемы установок для электро­искровой резки металла (а) и для анодно-механической резки (б)

в резер­вуар 3, заполненный жидким диэлектриком (например, кероси­ном). Источник постоянного тока 4 заряжает через сопротивле­ние R конденсатор С, который периодически (несколько сот раз в секунду) разряжается через искровой промежуток между прутком и инструментом. Электрические разряды следуют один за другим сплошным каскадом по всей поверхности сближения ин­струмента с обрабатываемым металлом. Сила тока в импульсе доходит до сотен и даже тысяч ампер, а мощность импульса до­стигает десятков киловатт. Так как действие разряда распро­страняется на малую площадь, то плотность тока достигает сотен тысяч ампер на 1 мм². При этом развивается температура порядка 10000°С, что вызывает взрывообразное плавление, сгорание и испарение металла.

При резке жаропрочной и высокомарганцовистой сталей в ка­честве диэлектрика может быть применена даже промышленная вода. Однако возможность взрыва в связи с частичным разложе­нием воды ограничивает ее применение. Воспламеняющиеся жид­кости (керосин, масла) также не являются лучшими рабочими жид­костями. При резке стали успешно применяют водную суспензию каолина с добавлением буры и борной кислоты. Существенными недостатками электроискровой резки являются малая стойкость латунных электродов (дисков), значительный расход электроэнер­гии и относительно небольшая скорость резки, которая не пре­вышает, например, скорости фрезерования. Пруток из стали Х12М диаметром 70 мм разрезают в течение 2 мин. В настоящее время электроискровая резка металла совершенствуется за счет увели­чения количества разрядов конденсатора, автоматизированного поддержания наивыгоднейшего расстояния между электродом и разрезаемым металлом, а также применения режущего инстру­мента с увеличенной поверхностью действия. Стойкость электро­дов повышается при применении для них меднографитовой массы, а также при введении в цепь дополнительного сопротивления. При резке этим способом получают ровную и чистую поверхность и незначительные отходы. Электроискровая резка является пер­спективным способом, особенно для сплавов, обладающих повы­шенной твердостью при резке по сложному контуру. Возможность получения заготовок точных размеров, имеющих малое отноше­ние длины к диаметру при небольших отходах металла, также выгодно отличает электроискровую резку от других, хотя и более Дешевых способов разделки металла на заготовки.

Анодно-механическая резка. При анодно-механической резке используют другую форму электрического разряда - электри­ческую дугу (как и в электромеханических пилах), в связи с чем эта схема установки отличается от электроискровой отсутствием конденсатора, добавочного сопротивления и диэлектрической среды, которая заменяется электролитной. Схема установки (рис. 27, б) очень проста. Генератор 5 постоянного тока низкого напряжения

включен в общую цепь с разрезаемой болванкой 2 (анод) и враща­ющимся дисковым инструментом 6 (катод). При наличии тока в цепи сближение электродов (металла и диска) вызывает элек­трическую дугу, которая проходит в среде рабочей жидкости, подаваемой через сопло 7. Воздействие на металл непрерывного разряда в виде электрической дуги существенно отличается от воздействия импульсных электрических разрядов. При непре­рывном дуговом разряде происходит разогрев относительно боль­ших масс металла.

Температура в зоне дугового разряда достигает 4000—5000° С. Эта температура ниже температуры, получаемой при электро­искровом разряде, но вполне достаточна для расплавления любого металла. Благодаря световым потерям при прохождении в жид­кости дуга не оказывает вредного слепящего воздействия и наблю­дается в виде красноватой полосы.

При анодно-механической резке режущий диск совершает вращательное (окружная скорость 15—25 м/с) и поступательное движения со скоростью от 0,14 до 0,45 мм/с. Подача диска автомати­зирована, при этом выдерживается оптимальная величина меж­электродного зазора. Кроме дискового применяют и ленточный инструмент. Толщина стальных дисков и лент равна 0,5—2,5 мм. Износ инструмента при анодно-механической резке составляет 1,5—2,5% от объема прорезанного слоя металла.

В качестве рабочей жидкости при резке металла применяют водный раствор жидкого стекла плотностью ~1,3 кг/дм³. Расход этого раствора составляет 5—25 л/мин при резке прутков диа­метром 25—300 мм.

Производительность работы при резке стали анодно-механическим способом примерно такая же, как и при электроискровой резке.

Этот способ применяют для резки весьма прочных и трудно­обрабатываемых сплавов, в частности для жаропрочных сплавов, которые не поддаются резке обычными способами.

Лазерная резка. Этот способ резки появился совсем недавно, но его перспективность для разделки заготовок сверхпрочных и хрупких материалов не вызывает сомнений. По сравнению с обыч­ными способами резки лазеры большой мощности обладают тем преимуществом, что могут обеспечить высокую точность резки по любому контуру материала любой твердости, причем не возникает проблемы износа оборудования. Применение в новой технике группы материалов, не поддающихся обычным способам обработки, приводит к применению новых методов, к одному из которых можно причислить лазерную обработку, резку.