Обработка листового металла включает в себя различные операции. Раскрой и производство заготовок требуют строгого соблюдения технологического процесса. Необходимо учитывать физические и химические свойства обрабатываемых металлов и сплавов. При изготовлении деталей важно сохранить необходимые качества металла — электропроводность, твердость, пластичность, термоустойчивость, а также обеспечить точное соответствие чертежам. Вместе с тем современное производство ориентировано на скорость и высокую производительность.
В зависимости от сложности и характера задач применяются различные виды резки металла — газовая, плазменная, лазерная, гидроабразивная, механическая.
Газовая резка металла
Газовая резка металла производится раскаленной струей газа при температуре, превышающей температуру плавления металла.
Основным компонентом газовый смеси является кислород, прожигающий металл и образующий окислы, выдуваемые из области реза. Сжатый кислород находится в баллонах и подается в газовую горелку, выполняющую роль резака.
Технология газовой резки сходна с электрической дуговой резкой, обеспечивая аналогичное качество реза, но при этом не связана наличием электросети.
Перед началом процесса резки металлические листы очищают от загрязнений, окалины и ржавчины. Раскрой начинают от кромки листа, направляя режущую струю перпендикулярно поверхности или под острым углом. Также струей газа обрабатывают кромки металлических заготовок, предназначенных для последующей сварки.
Наряду с кислородом при резке используются и другие газы — водород, ацетилен, пары бензина и керосина, повышающие температуру при возгорании до 3200 °С. Соответственно различают водородно-кислородный, ацетилено-кислородный и бензино-кислородный способы резки.
Отдельным методом увеличения выделяемой теплоты при резании выступает введение в зону реза порошкообразных флюсовых материалов. Кислородно-флюсовая резка позволяет обрабатывать тугоплавкие металлы и сплавы: алюминий, легированные стали, чугун.
Газовая резка используется в различных областях, от металлургической промышленности до индивидуального строительства. Газовая струя способна преодолевать значительную толщину металла — например, листы низколегированной стали до 300 мм. При этом не происходит закаливания металла, рез имеет отвесную кромку, его ширина составляет 2 — 2,5 мм.
К достоинствам метода газовой резки относятся:
- Возможность раскроя материала толщиной до 200 мм;
- Высокая производительность;
- Невысокая стоимость оборудования;
- Отсутствие привязки к источникам электроэнергии и стационарному производству.
Существует и ряд ограничений в применении газокислородный резки:
- Широкий рез;
- Длительное нагревание зоны реза;
- Образование наплывов и деформации в процессе резки;
- Необходимость дополнительной обработки кромки.
Плазменная резка
Плазменная технология резки преодолевает некоторые недостатки, присущие газовой резке.
Плазменные установки появились в середине XX века, однако применялись только крупными промышленными производствами из-за высокой стоимости. Сейчас оборудование для плазменной резки более доступно и широко используется в различных отраслях.
Плазма представляет собой ионизированный газ, проводящий электрический ток.
При плазменной резке струя плазмы между двумя электродами разгоняется в электрическом поле до скорости 1500 м/с при температуре 5000 — 30 000 °С. Под воздействием движущейся струи раскаленной плазмы на металлический лист в нем образуется ровный гладкий рез. Высокотемпературное воздействие способствуют быстрому прожиганию листа и локализуется в узкой области, не изменяя структуру и свойства металла вокруг зоны реза.
Одна из разновидностей плазменной резки — дуговая — основана на создании электрической цепи с участием обрабатываемой детали, когда электрическая дуга возникает между электродом и заготовкой.
Ионизированный газ в виде плазмы обеспечивает более высокую рабочую температуру, чем кислород при газовой резке, поэтому плазменный способ эффективнее при обработке цветных металлов и алюминия, имеющих высокую термоустойчивость.
Плазменная резка занимает сегодня одну из лидирующих позиций в металлообработке листового проката как высокопроизводительный и экономичный способ с применением доступного современного оборудования.
Наиболее эффективна плазменная резка при определенной толщине металлов и сплавов в зависимости от их физико-химических свойств:
- Алюминиевые сплавы толщиной до 220 мм;
- Медь толщиной до 80 мм;
- Легированная сталь толщиной до 50 мм;
- Чугун толщиной до 90 мм.
Для металлических листов толщиной более 120 мм лучше использовать газовую резку.
На выбор способа обработки влияют толщина листа и теплопроводность металла. Чем выше теплопроводность, тем большее количество теплоты рассеивается, понижая температуру в зоне реза и уменьшая допустимую толщину листа. В одинаковом режиме работы плазменной установки можно разрезать более толстый стальной лист по сравнению с медным или алюминиевым.
Плазменный метод резки значительно превосходит газовую резку по скорости реза. Металлические листы толщиной около 50 мм при помощи плазмы обрабатываются в среднем в 8 раз быстрее, чем газокислородным способом.
Предварительной подготовки и очистки заготовок при плазменной резке не требуется. Качество реза не зависит от наличия загрязнений, краски и следов коррозии.
Основные преимущества плазменной резки:
- Скорость обработки заготовок;
- Точность реза без наплывов и окалины;
- Возможность фигурной резки;
- Локальный нагрев без перегрева всей заготовки;
- Применимость для всех металлов;
- Отсутствие необходимости предварительной очистки поверхности металла;
- Пожаробезопасность;
- Доступная стоимость оборудования и расходных материалов.
Высокотемпературный режим плазменной резки может вызвать отдельные нежелательные последствия:
- Затвердение кромки реза, что затрудняет дальнейшую обработку детали;
- Выгорание и выплавление части металла;
- Высокие затраты энергии при работе с листами металла толще 120 мм.
Лазерная резка
Лазерная резка во многом сравнима с плазменной. Это термическая технология, узконаправленно воздействующая на металл. В качестве режущего фактора вместо плазменной струи используется сфокусированный луч лазера. Сильный нагрев мгновенно плавит и испаряет металл в зоне соприкосновения с лучом, образуя гладкую чистую кромку реза.
Технология лазерной резки оптимально подходит для производства фигурных деталей из металла толщиной до 20 мм. Лазерная резка не разрушает тонкие и хрупкие заготовки и подходит для цветных металлов и стали.
Лазер после его изобретения в XX веке довольно долго не находил применения в промышленности, однако сейчас широко используется во многих сферах производства. Одними из первых оценили возможности лазера для повышения качества и производительности транспортные отрасли машиностроения.
Станки для лазерной резки различаются по виду лазерных установок, генерирующих луч:
- Твердотельные установки, где поток излучения формируется в природных или искусственных кристаллах путём накачки фотонов лазерными диодами или импульсными лампами;
- Газовые установки, рабочей средой которых является смесь инертных газов. Луч вызывается возбуждением частиц газа электрическим или химическим способом. На зеркала резонатора наносится серебряное или золотое напыление, повышающее отражающую способность и не вступающее в химические реакции;
- Волоконные установки, где оптоволокно применяется в качестве активной среды и одновременно резонатора.
Волоконные лазеры отличаются точной фокусировкой, не позволяющей лучу рассеиваться по поверхности. Это особенно важно при обработке заготовок из цветных металлов и антикоррозионных сталей, обладающих высокой отражающей способностью.
Процесс лазерной обработки металла состоит из нескольких этапов.
Вначале лазерный луч в точке взаимодействия нагревает заготовку до температуры плавления и образует на поверхности усадочную раковину. Затем в этой точке происходит кипение и испарение металла. Постепенно металл выплавляется на всю толщину, после чего продолжается движение луча по заданной траектории.
При резке тонких металлических листов тепловой энергии луча достаточно для полного испарения металла. В металле большей толщины в зоне реза остаются выплавленные частицы, которые нужно своевременно удалять. Для этого вместе с лучом на металл направляют поток сжатого газа, очищающего кромку и предохраняющего заготовку от перегрева.
Такими вспомогательными газами выступают кислород, азот, инертные газы и газовые смеси. Развитие лазерных технологий открывает новые перспективы для производства сложных деталей с высоким уровнем точности, ускорения процесса резки и повышения экономической эффективности. Эти задачи решаются, в том числе, внедрением компьютерного управления с контролем процесса на всех этапах выполнения работ.
Востребованность лазерной технологии в резке металла объясняется рядом плюсов, которые она демонстрирует:
- Минимальная ширина реза;
- Отсутствие контакта инструмента с поверхностью, предохраняющее заготовку от деформации;
- Высокое качество кромки;
- Возможность фигурной резки;
- Деликатная обработка хрупких и тонких заготовок;
- Высокая скорость и производительность
- Минимум потерь металла.
Ограничения использования лазерной резки:
- Максимальная толщина обрабатываемых листов до 20 мм;
- Снижение эффективности при толщине от 12 мм;
- Дорогостоящее оборудование.
Гидроабразивная резка
Гидроабразивная резка воздействует на металл механически, в отличие от газового, плазменного и лазерного способов, являющихся термическими.
Режущим агентом в гидроабразивной резке выступает смесь воды с абразивным веществом, подающаяся под высоким давлением. Струя воды с абразивом на огромной скорости способна разрезать металлический лист толщиной до 300 мм. Ширина реза при этом составляет от 0,5 до 1,5 мм.
Гидроабразивная резка исключает термические влияния на структуру обрабатываемого металла, так как максимальная температура в зоне реза не превышает 90 °С.
Станки с ЧПУ, использующие гидроабразивные установки, способны резать стопки из нескольких заготовок одновременно, многократно увеличивая производительность.
Насос водоструйной установки способен создавать давление до 6000 бар. Находящаяся под давлением вода пропускается через сопло диаметром в одну десятую миллиметра, выполненное из рубина, алмаза или сапфира. На выходе струя воды приобретает скорость втрое выше звуковой.
Для резки твердых материалов в воду добавляется абразив — для металлов, как правило, гранатовый песок.
Гидроабразивная установка производит резку с большой скоростью, которая зависит от толщины листа. Сталь толщиной 1 мм режется со скоростью 2700 мм/мин, 100-миллиметровая — 22 мм/мин.
По сравнению с лазерной резкой гидроабразивный способ эффективнее с увеличением толщины слоя. Так, пачку металлических листов суммарной толщиной 6 мм быстрее обрабатывает лазер, при увеличении толщины лучшие показатели у гидроабразивной резки.
Гидроабразивная резка также предпочтительнее в случаях, когда нагрев заготовки нежелателен.
Тонкая струя позволяет получать узкий рез с гладкой кромкой без оплавления.
Основные достоинства метода гидроабразивной обработки:
- Универсальность по отношению к типам материалов;
- Возможность раскрой листов толщиной до 300 мм;
- Отсутствие нагрева заготовки;
- Получение кромки без оплавления, не требующей последующей обработки;
- Отсутствие вредных выделений в процессе работы;
- Обеспечение пожаробезопасности;
- Минимальный расход материала.
Основное ограничение применения гидроабразивной резки в отношении металлов — опасность коррозии при взаимодействии с водой.
Гидроабразивный метод имеет высокую себестоимость вследствие высокой стоимости установок и быстрой изнашиваемости оборудования и расходных материалов.
Механизированные способы резки металлов
Существует несколько видов инструментов для механического раскроя металла — абразивные круги, пилы, ножницы, гильотины. Механическая резка востребована как в быту, так и при решении промышленных задач — в частности, при работах на трубопроводах с огнеопасными материалами, где неприменимы термические методы.
Абразивные отрезные круги воздействуют на металл посредством трения, вызывающего нагрев и выгорание материала. Ширина реза не превышает 2 мм. Абразивные круги используются в стационарном оборудовании и в ручном варианте. Ручные абразивные круги удобны в использовании при устранении поломок инженерных коммуникаций и в индивидуальном строительстве.
Использование резки при помощи ножниц актуально при раскрое профлиста и металлочерепицы, так как полимерное покрытие этих изделий исключает применение термических воздействий.
Разновидностью резки при раскрое металла является рубка, когда нож прижимается перпендикулярно листу, разделяя его на части. Для усиления давления на нож используются гидравлические,пневматические устройства или эксцентриковые механизмы.
Пневматические или гидравлические ножницы называются гильотинами, они способны разрезать листы из металлических сплавов большой толщины. Однако давление может разрушающе воздействовать на хрупкие и непластичные материалы, которые лучше раскраивать с помощью других видов резки. Промышленные гильотины оснащаются программным обеспечением, способным повысить скорость и точность выполняемых операций. Они обеспечивают отсутствие дефектов резки и сохранение покрытия обрабатываемого металла.
По сложности и сферам применения можно выделить несколько видов ножниц для резки металла:
- Ручные ножницы.
Пригодны только для раскроя тонких листов металла. Обеспечивают достаточно точный рез вдоль намеченной линии. Подразделяются на
силовые, рычажные, пальцевые, стуловые, для вырезания криволинейных контуров. - Шлицевые ножницы.
Используются как для прямой, так и для криволинейной резки. Приводятся в движение электродвигателем. - Ручные гильотинные ножницы.
Применяются для мягкого и тонкого листового металла. - Механические гильотинные ножницы.
Имеют электро-, пневмо- или гидропривод, обеспечивающий более высокую производительность, чем ручные гильотины.
Рекомендуем почитать
