книги из ГПНТБ / Веселовский С.И. Разрезка материалов
.pdfГ л а в а X I I
Разрезка материалов плазменной струей
Плазма — это четвертое состояние вещества, в кото ром наряду с нейтральными и возбужденными атомами имеются и ионизированные атомы и электроны. Схема плазменно-дуговой разрезки приведена на рис. 155, а [151 ]. В зависимости от плазменной горелки, давления
Рис. 155. Схема плазменно-дуговой разрезки (а) и вольт-
амперная характеристика (б):
/ — источник |
теплоты; |
2 — сопло; 3 |
— электрод; |
4 — вспомога |
тельная д у г а ; |
5 — заготовка; 6 — с о п р о т и в л е н и е |
1151 J |
||
в камере и мощности |
установки |
плазменная струя выбра |
||
сывается с разной скоростью (в среднем при 1000° С ско
рость |
6000 м/с). Средняя скорость плазмы v = |
1,3 X |
||
X 104 |
УTIA, |
где Т— абсолютная |
температура плазмы, |
|
А — атомный |
вес вещества. Резка |
осуществляется |
с вы |
|
сокой производительностью, малой шероховатостью по верхности и зоной термического и химического влияния. Плазменной струей легко разрезают вольфрам, молибден, постоянные магниты, тантал, керамику, твердый сплав, кварц, ферриты и другие труднообрабатываемые мате риалы. Вольт-амперная характеристика приведена на рис. 155, б. На Электростальском электрометаллургиче ском заводе им. Тевосяна внедрена поточная линия плаз менной резки. Плазменную резку звездочек диаметром
290
1000 мм из листовой |
стали толщиной 10 мм, собранной |
в пакет, осуществляют |
по копиру при токе 500 А. Экономи |
ческая эффективность |
применения этого метода составила |
5 тыс. руб. Поверхность разрезки не требует последующей механической обработки.
Челябинский трубопрокатный завод, Ленинградский завод «Лентрублит» и Новомосковский металлургический завод применяют плазменную резку как установившуюся технологическую операцию при изготовлении спиральношовных труб диаметром до 2500 мм-
Технико-экономические показатели
Плазменную разрезку материалов осуществляют с по мощью установки, которая обеспечивает ежегодную эко номию 30—50 тыс. руб. [134]. На этой установке разре зают заготовки из легированных сталей толщиной до 200 мм и толщиной до 100 мм из меди и ее сплавов. Уста новку обслуживает один рабочий: резчик. На установке используют головку типа Т-12 с раздельной подачей га зов. В качестве источника питания применяют три одно фазных трансформатора типа ТСД-1000-4 с напряжением холостого хода 360 В. Рабочий ток регулируется в пре делах 400—900 А дросселями трансформаторов и балласт ными реостатами типа РБ-300, включенными в основную цепь. В качестве дросселя насыщения используют вторич ную обмотку трансформатора ТСД-1000-4. Блок-выпря митель состоит из 12 кремниевых диодов типа ВКД-200.
В плазменной установке «Фиалка» температура исполь
зуемого газа 4000—6000° С; |
мощность установки 5— |
15 кВт. Широкое применение |
находит микроплазменная |
установка МПУ-РУ. Экономический эффект от внедрения этой установки составляет 50—80 тыс руб в год; установка выпускается серийно. Скорость разрезки плазменной струей заготовки толщиной 25 мм из углеродистой стали составляет 8,3 см/с; заготовки толщиной 12,5 мм—4,1 см/с и заготовки толщиной 25 м м — 2 , 1 см/с Вольфрамовые заготовки толщиной 4,1 мм разрезают со скоростью 1,5 см/с, а алюминиевые толщиной 6,35 мм — со скоростью 46 см/с [151 ]• Газы, применяемые в качестве рабочей среды в плаз менных горелках, приведены в табл. 81. Электрическая энергия плазменной струи расходуется на диссоциацию молекул и ионизацию атомов. Режимы, плазменной резки заготовок из углеродистой стали приведены в табл. 82 [150 ] .
* |
291 |
Газы, применяемые в плазменных горелках
Газ |
Температура плазмыв "К |
Мощность горелки кВтв |
|
|
Таблица 81
Напряжение в В |
Энтальпия плазмы в ккал/кг |
Термический к. п. д. в % |
|
|
7 600 |
60 |
65 |
9 900 |
60 |
Смесь |
аргона и водорода |
8 500 |
62 |
120 |
76 600 |
80 |
Водород |
20 300 |
50 |
47 |
51 000 |
48 |
|
Азот, |
водородная смесь . . |
14 700 |
40 |
40 |
4 600 |
40 |
С помощью |
плазменной резки эффективно |
разрезать |
|||||
не только |
труднообрабатываемые |
материалы. |
Большой |
||||
экономический эффект получен от разрезки |
алюминия, |
||||||
меди и ее |
сплавов |
[134]. |
Скорость разрезки |
листа из |
|||
алюминия |
толщиной |
6,35 |
мм составляет |
12,7 см/с; при |
|||
толщине листа |
127 мм — скорость |
0,33 |
см/с Скорость |
||||
плазменной разрезки значительно превышает скорость кислородной или кислородно-флюсовой разрезки. Резка может осуществляться как вручную, так и с помощью приспособлений. Разрезать этим методом можно металл, диэлектрики и неметаллические материалы, листы из алю миниевых сплавов толщиной до 125 мм [91 ] и стали тол щиной до 100 мм.
При хорошем качестве поверхности реза глубина зоны термического влияния не превышает 0,5—0,8 мм. Для по вышения производительности можно осуществлять па кетную разрезку. Скорость разрезки листов из углероди-
|
|
|
|
|
Таблица 82 |
|
Режимы плазменной разрезки |
|
|
|
|||
Т о л щ и н а |
Скорость |
Сила |
Н а п р я |
М о щ |
П о д а ч а |
|
заготовки |
резки |
тока в А |
ж е н и е |
ность |
г а з о в |
|
в мм |
в мм/мин |
д у г и в В |
в кВт |
в м'/ч |
||
|
||||||
6,4 |
5080 |
275 |
150 |
40 |
8,5 |
|
13 |
2540 |
275 |
150 |
40 |
8,5 |
|
13 |
4064 |
500 |
150 |
75 |
8,5 |
|
25,4 |
1270 |
275 |
160 |
45 |
8,5 |
|
25,4 |
2286 |
500 |
160 |
80 |
8,5 |
|
51 |
762 |
500 |
170 |
85 |
11,3 |
|
292
Таблица 83
Скорость разрезки в м/ч
|
Т о л щ и н а з а г о т о в к и в мм |
|
|||
Мате риал |
|
|
30 |
•10 |
60 |
|
10 |
20 |
|||
|
80--150 |
25—30 12—15 |
6 - 8 |
6—7 |
|
|
300 -400 |
130 |
— |
50 |
20 |
Нержавеющая сталь . • . |
80 -150 |
50 |
— |
20 |
12 |
Таблица 84
Характеристика плазменной резки в аргоно-водородной смеси (по данным Д. Г. Быховского)
^Материал
Толщин в мм
р соп-
i °>
а
в тсСилаА
Напрялсение в В • |
МОЩНО! в кВт |
Р а с х о д газа в м 3 / ч
н,
Л
в Скорое!резани*м/ч
О оо.
CLо
Смесь а на с во;
3
о
|
24 |
5 |
700 |
130 |
91 |
0,63 |
3,5 |
96 |
|
|
|
30 |
6 |
700 |
140 |
98 |
1,2 |
3,5 |
85 |
|
|
Сталь |
36 |
6 |
700 |
150 |
105 |
1,2 |
3,5 |
73 |
1 |
5 |
40 |
5 |
700 |
165 |
115,5 |
0,63 |
3,5 |
69 |
|||
|
70 |
6 |
700 |
150 |
105 |
1,7 |
3,5 |
26 |
|
|
|
80 |
6 |
700 |
135 |
94,5 |
1,0 |
3,5 |
17 |
|
|
|
120 |
6 |
800 |
160 |
128 |
1,5 |
4,0 |
10,5 |
|
|
|
20 |
4 |
600 |
120 |
72 |
1,5 |
3,0 |
90 |
|
|
40 |
6 |
700 |
120 |
84 |
0,8 |
3,5 |
34 |
|
|
50 |
6 |
700 |
125 |
87,5 |
0,8 |
3,5 |
20 |
|
Медь |
60 |
6 |
700 |
123 |
86,1 |
0,8 |
3,5 |
15,4 |
|
80 |
6 |
700 |
135 |
94,5 |
1,0 |
3,5 |
8,6 |
||
|
|||||||||
|
80 |
7 |
1100 |
142 |
156 |
1,0 |
5,0 |
24,0 |
|
|
100 |
4 |
700 |
150 |
105 |
1,5 |
3,5 |
11,0 |
|
|
120 |
6 |
700 |
160 |
102 |
0,8 |
3,5 |
3,7 |
1 |
С |
1 |
О |
|
40 |
6 |
700 |
125 |
86 |
1,0 |
3,5 |
100 |
|
Алюминий |
50 |
3 |
300 |
175 |
52,5 |
1,5 |
2,5 |
120 |
1 : 1 |
|
70 |
4 |
800 |
140 |
72 |
1,5 |
2,5 |
70 |
|
|
100 |
6 |
900 |
155 |
139,5 |
1,0 |
4,5 |
50 |
|
10 292 |
|
|
|
|
|
|
|
|
293 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стоп стали при толщине листа 6,35 |
мм составляет |
500 см/мин, а при толщине 25 мм — 225 см/мин. |
|
При плазменной разрезке окалина |
удаляется вместе |
с расплавленным металлом плазменной струей. Скорость плазменной резки (при помощи горелки УПР-1) представ
лена |
в табл. 83 [91 ]. |
|
|
При разрезке |
меди применяют смесь 20% аргона, |
||
80% |
водорода или азота, при резке |
алюминия — смесь |
|
50% |
аргона, 50% |
водорода пли чистый азот. Характери |
|
стика |
плазменной |
резки представлена |
в табл. 84. |
Оборудование
Для разрезки тонких листов с получением реза шири ной, равной толщине листа, применяют плазменную го релку мощностью 50—500 Вт; при помощи такой горелки достигается ширина реза до 0,1 мм. Диаметр вольфрамо вого электрода 3—4 мм, а сопла 4—5 мм, ток режущей дуги 350 А. Применение смеси аргона с аммиаком увели чивает скорость резания, но также и шероховатость по верхности алюминиевых листов в месте реза, особенно при обработке листов большой толщины.
За рубежом для плазменной разрезки стальных листов толщиной 60—80 мм и цветных металлов толщиной 100 мм применяют полуавтомат АСА-500 и автомат УСА1В-900. При резке тонких листов скорость резания 5000 мм/мин,
а |
толстых листов и листов фасонного профиля — |
200 |
мм/мин. |
Полуавтомат с ленточным управлением и программиро ванным процессом позволяет автоматизировать процесс плазменной резки. После установки ленты и нажатия кнопки «Пуск» плазменная горелка перемещается к месту резки и автоматически зажигается плазменная дуга. По окончании разрезки заготовка и лента перемещаются в но вое положение. Разрезаемые профили программируют; производится также плазменная пакетная разрезка [152].
Затраты на плазменную резку (без стоимости выплав ленного металла) в среднем в 9—10 раз меньше затрат на дуговую резку [150, 152, 157]. Затраты на плазменную резку (вместе со стоимостью выплавленного металла) алю миния, меди и легированной стали в 4—-5 раз меньше за трат на резку электродом и на 40—50% ниже по сравне нию с механической разрезкой. Трудоемкость работ при плазменной резке легированных сталей на станке АСД-500
294
в 34 раза ниже трудоемкости электродуговой резки, при уменьшении металла, идущего в отходы, в 3 раза [152], Время плазменной резки металлов на полуавтомате в 12 раз меньше, чем время механической разрезки, с уменьше нием металла, идущего в отход, на 40%. На полуавто мате АСА-500 можно разрезать любые заготовки. Чем труднее материал поддается разрезке обычными сред ствами, тем выше технико-экономическая эффективность плазменной резки.
Для вырезки плазменной струей кольца из трубы с тол щиной стенки 51 мм из труднообрабатываемого материала с получением реза, перпендикулярного к оси трубы, по требовалось З'мин машинного времени. Разрезка осуще ствлялась со скоростью 805 мм/мин при силе тока 400 А и напряжении 120 В. Для вырезки этого кольца абразив ным кругом потребовалось 16 человеко-часов [151].
Г л а в а X I I I
Электронно-лучевой метод разрезки материалов
Общие сведения
Источником электронного луча является пушка / (рис. 156). Электроны излучаются из нагретого постоянным током вольфрамового катода. Для создания электронного луча применяют глубокий вакуум и высокое напряжение. Скорость электронов достигает 115—165 км/ч. Электрон ные лучи попадают в электромагнитное поле, где электро магнитные линзы фокусируют их в узкий луч с высокой концентрацией энергии. Электронный луч движется с боль шой скоростью и встречается с обрабатываемым материа лом. Происходит превращение кинетической энергии втепловую. Импульсный генератор обеспечивает прерывистость
действия |
электронного луча частотой 0,601—0,0005 с |
В точке |
соприкосновения луча с заготовкой выделяется |
большое количество теплоты, плавящей и испаряющей любые материалы.
Процесс разрезки электронным лучом зависит от мощ ности луча и теплофнзических свойств обрабатываемого материала. Механические свойства материала существен ного влияния на обработку не оказывают. Фокусируемый и управляемый мощный поток электронов является ре жущим инструментом, не имеющим износа. Производи тельность электронно-лучевого метода разрезки не пре вышает 10—20 г/с; точность 10—20 мкм. Заготовки не ржавеющей стали толщиной 0,84 мм этим методом разре зают со скоростью 10 мм/с при толщине реза 0,5 мм.; пла стину из керамики толщиной 0,25—0,63 мм разрезают со
скоростью |
10,5 мм/с при шероховатости 10—15 мкм. |
В стальной |
пластине толщиной 0,58 мм за 20 с прорезают |
паз шириной 50 мкм и длиной 3 мм. Листы из вольфрама толщиной 3 мм разрезают со скоростью 3 мм/с, а магнит ную ленту толщиной 0,037 мм — со скоростью 6,3 мм/с Зона термического влияния 5 мкм. Щель в виде синусоиды прорезают в стальной пластине толщиной 1 мм со скоростью 16,5 мм/с
296
Рис. 156. Схема электронно-лу чевой разрезки:
/ |
— э л е к т р о н н а я |
п у ш к а ; |
2 |
— |
диа |
||||
фрагма; 3 — линзы; |
4 |
— |
р а з р е з а е |
||||||
мая деталь; 5 — пульт |
|
у п р а в л е н и я |
|||||||
о т к л о н е н и е м |
л у ч а ; |
6 |
— |
пульт |
кор |
||||
ректировки |
и з о б р а ж е н и я ; |
|
7 —. |
||||||
п у л ь т э л е к т р о м а г н и т н о й |
|
р е г у л и |
|||||||
ровки; 8 — и м п у л ь с н ы й |
генератор; |
||||||||
9 |
— т р а н с ф о р м а т о р ; |
|
|
10 |
|
— |
пульт |
||
к о н т р о л я н а п р я ж е н и я |
|
и |
|
нагрева; |
|||||
/ / |
— р а с п р е д е л и т е л ь |
|
высокого на |
||||||
п р я ж е н и я ; 12 — г е н е р а т о р в ы с о к о
го |
н а п р я ж е н и я ; |
13 — источник |
питания л и н з ; 14 |
—- катодный ос |
|
ц и л л о г р а ф |
|
|
Рис. 157. Применение схемы электронно-лучевой разрезки:
а — / —. лампа |
н а к а л |
и в а н и я ; |
2 — |
с п и р а л и |
высокого |
н а п р я ж е н и я ; |
3 |
— |
элек |
||
тронный |
п р о ж е к т о р ; 4 |
анод; |
б — |
л и н з а |
д л я р е г у л и р о в а н и я луча; 6 |
— |
д и а |
||||
фрагма; |
7 — стнгматор; 8 — в а к у у м н а я |
камера; 9, |
10 — линзы; |
11 |
— |
з а г о |
|||||
товка; 12 |
— р е г у л я т о р |
о т кл онения; б — 1 |
•— |
л и н з а объектива; 2 — |
р е г у л я т о р |
||||||
о т к л о н е н и я луча; |
3 = |
э л е к т р о н н ы й |
луч; 4 |
= |
к р е с т о о б р а з н ы й вырез; |
5 |
^ |
заго |
|||
товка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
297
Схема |
электронно-лучевого резания приведена на |
р и с 157, |
а, а пример обработки детали — на рис. 157, б. |
Характеристика электронно-лучевого способа обра ботки приведена в табл. 85. Изготовляют большое коли чество отверстий малого диаметра с любым заданным шагом для создания защитной воздушной пленки. Перфо рирование производится на электронно-лучевой уста новке «Элуро-ЗМ» при изготовлении защитных камер, форсунок, жиклеров и других деталей.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 85 |
|
Характеристика |
электронно-лучевого |
способа обработки |
|
||||||
|
|
|
|
|
П о т е н |
Средний |
Д л и т е л ь |
Частота |
|
|
|
Р а з р е з к а |
|
ность |
|||||
|
|
|
циал |
ток |
|||||
|
|
|
и м п у л ь с а |
в Гц |
|||||
|
|
|
|
|
в к В |
в мкА |
в МКС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Микродиодов |
|
глубиной |
|
|
|
|
|||
0,0025 |
мм со |
скоростью |
110 |
7 |
12 |
50 |
|||
150 см/с |
|
|
|||||||
Щели шириной 0,1 мм в ли |
|
|
|
|
|||||
сте |
из |
керамики толщи |
|
|
|
|
|||
ной 0,75 мм со скоростью |
150 |
200 |
80 |
200 |
|||||
Листа |
кремния |
|
толщиной |
||||||
|
|
|
|
|
|||||
• 0,25 мм на глубину 0,05 мм |
|
|
|
|
|||||
со скоростью |
12,5 см/с |
130 |
70 |
4 |
3000 |
||||
Стальной |
ленты |
толщиной |
100 |
20 |
9 |
1000 |
|||
|
|
|
|
||||||
1,5 |
мм со |
скоростью |
150 |
9000 |
2100 |
300 |
|||
Стальной |
ленты |
толщиной |
|||||||
|
|
|
|
||||||
1 мм со скоростью |
150 |
9000 |
2100 |
330 |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
Например, в заготовках из сплавов ВЖ-98Н, Х18Н9Т, ЖС6-К толщиной 0,5—3 мм, имеющих различную форму, вырезают отверстия диаметром 0,19; 0,125 и 0,1 мм с до пуском ±0,0008 мм. Плотность перфорации 100 отвер стий/мм2 . Шаг между осями отверстий составляет 0,05 мм; время обработки одного отверстия 0,8 с. С помощью элек тронного луча можно разрезать различные материалы и изготовлять узкие пазы; например, в листе из вольфрама толщиной 0,03 мм зигзагообразный паз шириной 0,05 мм был изготовлен при скорости 5 мм/с В вольфрамовом
298
диске диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм была сделана микросетка с 2500 отверстиями; время обработки одного отверстия 1—2 с, расстояние между осями отверстий 100 мкм, диаметр отверстия 12 ± 2 мкм.
Оборудование
Электронным лучом можно разрезать самые твердые и хрупкие материалы. Под действием электронного луча обрабатываемый материал вскипает и испаряется, а на детали остается узкий паз или щель толщиной 0,003— 0,005 мм и менее.
В зависимости от толщины разрезаемого материала применяютаппараты: ручные напряжением 90 В, неавтома тизированные, универсальные напряжением 180 В, автома тизированные напряжением 500 В с резательным меха низмом.
В СССР для плазменно-дуговой резки применяют источ ники питания: преобразователь ПСО-500, выпрямитель ВКС-500-1, источник электропитания плазменной дуги ИПГ-500, выпрямитель ВГД-501. Для ручной плазменнодуговой резки металлов используют комплекты РДМ-1-60, УДР-2М, ЭДР-60, УРПД-64 и УГЭР-300.
Для машинной плазменно-дуговой резки металлов ис пользуют резаки: УДР, РПД-1-64, РПД-2-65 к машине АСШ-2, а также резательные машины СГУ-61, полуавто мат ППД-1-65, шарнирную машину АСШ2. Фирма «Каг1 Ceiss» изготовляет автоматические электронно-лучевые
установки для |
резки драгоценных камней со скоростью |
1 камень за 6 с |
Диаметр электронного луча в установке |
0,01 мм. Для создания электронного луча применяют глу бокий вакуум и высокое напряжение. Скорость электро нов достигает 115—165 тыс. км/с. Величина электриче ского тока не превышает 20 мА. Электромагнитное откло няющее устройство позволяет управлять лучом при обра ботке поверхности детали в пределах 6,35 X 6,35 мм; далее можно перемещать сам стол с деталью. Вакуумная камера имеет размеры 381 X 365 X 203 мм. Стол может перемещаться со скоростью 0—76 см/мин. С помощью программного устройства движение стола может осуще ствляться автоматически. Фирма изготовляет вакуумные камеры длиной 2 м для обработки заготовок из трудно обрабатываемых и хрупких материалов,
299