Optimizarea parametrilor tehnologici în timpul tăierii cu plasmă

Investigarea schimbărilor de stare economice și productive

Marți, 03 mai 2016, ora 18:00

Problema cheie în producția industrială în ceea ce privește calitatea și economia este alegerea tehnologiei de proces care urmează să fie utilizată în producție și implementarea acesteia. Proiectanții de mașini prescriu materiale de înaltă rezistență pentru a oferi performanțe specifice mai mari și pierderea în greutate.

Aceste materiale sunt extrem de dificile sau imposibil de prelucrat cu metode convenționale de tăiere mecanică. Prelucrarea specială este un proces de separare a materialelor care diferă de tăierea convențională și de procesele de tăiere a muchiilor nedeterminate prin marginea lor fizică și caracteristicile tehnologice [4, 9, 12]. Scopul cercetării noastre este de a găsi setările corespunzătoare ale mașinii (optimizare) pe mașina de tăiat cu plasmă și flacără CNC tip Thermocut 2060 - oferită de Ferro Gép '99 Kft., Cu care toleranța dimensională a pieselor finite va fi la fel de precisă ca posibil.

Tăierea cu plasmă este unul dintre procesele de tăiere și tăiere termică. Plasma este un gaz complet ionizat (ionul atomilor de lumină) în care toată materia constă din nuclei liberi și electroni și se separă de orbita din jurul nucleului printr-un fel de excitație. Excitația poate fi bazată pe căldură sau pe impact. Cerința de a stabili o stare plasmatică este că gradul de excitație trebuie să fie la un nivel care depășește nivelul energiei de legare a atomilor de gaz și a electronilor lor asociați. Când această condiție este atinsă, trebuie avut grijă ca temperatura plasmei să nu fie prea mare pentru a preveni o reacție în lanț. După stările solide, lichide și gazoase ale materiei, aceasta se numește a patra stare a materiei.

În timpul tăierii cu plasmă, plasma intensă și foarte concentrată din spațiul de tăiat topește metalul, iar energia cinetică a gazelor elimină metalul topit din spațiul de tăiere. Nu există un proces exoterm în timpul tăierii cu plasmă, astfel încât materialele care nu sunt cu flacără pot fi tăiate.

Calitatea suprafeței obținute prin tăiere este aproximativ aceeași cu calitatea suprafeței tăierii cu flacără, dar în timpul tăierii cu plasmă, suprafața tăiată are întotdeauna o anumită abatere unghiulară, de obicei de ordinul a câteva grade. Motivul apariției abaterii unghiulare este că disiparea căldurii arcului plasmatic este mai mare în regiunea golului de tăiere mai aproape de pistol. Cu toate acestea, acest fenomen apare doar cu tehnologia convențională de tăiere cu arc cu plasmă.

Dacă piesa de prelucrat este scufundată (tăiere cu arc de plasmă acoperită cu apă) sau se utilizează un pistol de tăiere cu dublă deversare (de exemplu tăiere cu arc de plasmă dublă cu gaz), acest fenomen poate fi eliminat.

Cu toate acestea, economia operațiunii este puternic afectată de faptul că instrumentele și echipamentele necesare pentru efectuarea procesului de tăiere sunt foarte scumpe, deci înainte de operația de tăiere este necesar să se ia în considerare ce tehnologie să se utilizeze în funcție de economia de performanță [3, 4, 5].

Printre articolele găsite în literatura internă și internațională revizuită, pe tema pe care am ales-o, au existat puține articole care ar putea fi evaluate pentru noi. Marea majoritate a articolelor investighează tăierea cu plasmă cu azot gazos [1, 9] pentru oțelurile zincate și prescriu modele matematice pentru tăierea modelelor [11, 12].

Mai multe articole tratează studiul structurii duzei de plasmă și studiul microstructural al tăierii cu plasmă catodică a hafniului și tăierea oțelurilor austenitice [6, 10]. În multe articole, se pot face comparații între tăierea cu plasmă, tăierea cu laser și tăierea cu fascicul abraziv [2, 15, 16].

Există articole în care comportamentul acoperirii cu diamant este investigat experimental [7, 8, 14]. Astfel, se poate spune că literatura despre tăierea plasmei este destul de extinsă, dar incompletă în raport cu sarcina de optimizare. Prin urmare, dorim să reducem acest decalaj cu cercetările noastre.

Prezentarea instrumentelor experimentale

Condiții experimentale: climat normal DIN50014 și ISO554-1970

Semnal climatic: climat normal DIN50014 - 20/65 - 1

Mașina de tăiat cu plasmă și flacără CNC Thermocut 2060 (Figura 1) a fost dezvoltată pentru tăierea oțelului ușor cu grosime mică, medie și mare. Materii prime prelucrabile: oțel, turnare sub presiune, aluminiu, oțel inoxidabil, oțel aliat, alte metale, cu excepția magneziului. Mașina de tăiat cu plasmă are atât moduri automate, cât și manuale, ambele funcții sunt împărțite în continuare, modurile nu pot fi schimbate în timpul prelucrării.

Figura 1. Mașină de tăiat cu plasmă și flacără CNC Thermocut 2060

Demonstrarea instrumentelor utilizate pentru experiment

Tăierea cu plasmă depinde practic de tipul de lanternă cu plasmă (Fig. 2), care include capacul de susținere, inelul rotativ, ecranul, duza și electrodul. Aceste părți au o viață limitată.

Figura 2. Părți ale lanternei cu plasmă

Durata de viață a electrodului este determinată în principal de puterea curentului de tăiere, de lungimea arcului reținut, de numărul de aprinderi ale arcului și de tipul de gaz utilizat (în cazul nostru, aer comprimat). Durata de viață a duzei (Fig. 3) și a ecranului este afectată de impuritățile din gazul folosit și de depunerile de metal topit formate în timpul tăierii.

Figura 3. Duze de cupru

Duza și ecranul trebuie selectate în funcție de curentul necesar pentru tăierea plăcii. Dacă orice piesă de uzură arde sau electrodul de tungsten arde din transferul curent, inexactitatea piesei de prelucrat este direct proporțională cu uzura acesteia. De asemenea, înclinarea laterală inițială și rugozitatea suprafeței tăiate cresc, dimensiunea tăieturii se apropie de marginea câmpului de toleranță. Înălțimea de aprindere a tăietorului cu plasmă (6 mm), viteza de avans a sculei (500 mm/min) și înălțimea de tăiere (4 mm) sunt păstrate la valorile de referință, nu sunt setate.

Pentru experiment, am ales o piesă de placă de 100 × 70 mm cu o gaură de Ø30 mm pentru piesa de prelucrat în diferite grosimi ale plăcii (Fig. 4). Piesa include atât tăieturi externe, cât și interioare. Tăierea cu plasmă poate fi utilizată pentru a efectua o altă operație de paginare care nu este utilizată în experiment.

Figura 4. Piesa de prelucrat utilizată pentru experiment

Echipamentul de tăiere cu plasmă poate tăia oțelurile de până la 25 mm, dar din moment ce Ferro Gép '99 Kft. Folosește anual grosimile plăcilor enumerate mai sus pentru majoritatea produselor sale, din calitatea materialului S235JRC + N, am ales grosimile plăcii care sunt de cele mai multe ori scoase din producție.

Pentru teste au fost utilizate următoarele instrumente de măsurare:

etrier convențional (150 mm, 1/20);
standard de comparare a rugozității suprafeței.

Un dispozitiv de măsurare (Fig. 5) a fost realizat pentru piesele prelucrate cu plasmă finite, al căror scop este de a putea măsura fiecare piesă de prelucrat în același punct. Pe partea de 70 mm efectuez 9 măsurători pe piesă, în timp ce pe partea de 100 mm execut 5 piese. Măsur gaura la 4 puncte, în timp ce poziția găurii este măsurată la 2-2 puncte. Au fost pregătite protocoale pentru măsurători.

Figura 5 Dispozitiv de măsurare

Dispozitivul de măsurare este format din șase părți (Fig. 6), din care placa de bază, placa plană, placa de măsurare și suporturile sunt decupate dintr-o placă de 3 mm pe mașina de tăiat cu laser CNC, calitate material S235JRC + N. Plăcuța de măsurare necesită prelucrări suplimentare, este îndoită la un unghi de 90 ° cu o îndoitoare de margine NC.

Figura 6. Structura dispozitivului de măsurare

Prezentarea unui design experimental

Manualul echipamentului de tăiere cu plasmă a fost utilizat ca bază a proiectării experimentale (Fig. 7) [13.]. Patru parametri și două părți au fost modificate pentru fiecare tăiere pe mașină. Folosind o combinație de setări implicite din fabrică și valori de experiență de la utilizare, am stabilit setările optime ale mașinii pentru piesele cele mai precise. Setările implicite pe care le-ați introdus sunt incorecte, piesele au fost inexacte, câmpul de toleranță este aproape de IT16.

Metoda Taguchi a fost utilizată pentru a restrânge designul experimental.

Figura 7. Proiectare experimentală

Măsurători și evaluări

Evaluările pieselor prelucrate au fost efectuate după cum urmează. Toleranța dimensiunilor intolerante ale piesei de prelucrat (MSZ ISO 2768-c) este indicată pe desenul component, caz în care trebuie prevăzute ± 0,5 mm până la 6-30 mm și ± 0,8 mm până la 30-120 mm. Pornind de la aceste toleranțe, a fost selectată o toleranță generală (± 0,5 mm) pentru fiecare grosime a plăcii.

Pentru optimizare a Box-Wilson folosind metoda, datele au arătat o tendință de îmbunătățire atunci când valorile au început să se deterioreze, ceea ce înseamnă că setările optime au fost deja incluse în datele măsurate. Astfel, am găsit toleranțele atribuite valorilor înregistrate în protocol, iar aceste toleranțe au fost reprezentate în diagrame, indicând câmpul de toleranță definit din care curba pentru un parametru dat nu putea trece granița. Dimensiunile piesei prelucrate sunt marcate pe axa orizontală, iar toleranțele din raport sunt indicate pe axa verticală pe baza valorilor măsurate. Aceste toleranțe de măsurare au fost conectate pentru o vizibilitate mai ușoară. Am atribuit codul de măsurare curbelor, prima cifră dintre acestea indicând grosimea plăcii, a doua dimensiunea duzei, a treia curentul și a patra viteza de avans. Din rezultatele tăierii, am selectat o curbă care nu traversează câmpul de toleranță, care conține dimensiunile pentru setări optime.

În diagramele numite „setări experimentale”, axa orizontală este viteza de avans, sub aceasta lățimea arcului de plasmă ca viteză de avans și axa verticală ca curent și lățimea arcului de plasmă în funcție de curent. La evaluarea rezultatelor tăierii, setările optime au fost afișate în roșu, setările incorecte în negru și setările pentru piesa de prelucrat fără puncte, care nu mai erau necesare conform metodei Box-Wilson.

În plus față de setările optime, sunt posibili și parametrii de setare, care pot fi utilizați pentru a asigura câmpul de toleranță specificat în timpul tăierii. Și aici pot apărea probleme: conicitatea cauzată de arcul plasmatic apare într-o măsură mai mare, rugozitatea suprafeței poate fi aspră, iar fisurarea suprafeței are loc într-o măsură mai mare datorită stropirii. Este posibil ca bugetele experimentale să nu permită acest lucru, iar timpul este limitat, puteți căuta setări suplimentare de ani de zile. Deoarece au fost măsurate mai multe grosimi ale plăcii, este prezentată o singură grosime a plăcii (2 mm) din cauza lipsei de spațiu.

Figura 8 prezintă rezultatele tăierii plăcii de 2 mm. O setare (numărul de cod de măsurare 2-45-37-2100) a eliminat câmpul de toleranță, dar s-a dovedit acceptabilă. Două setări au rămas complet în câmpul de toleranță (numerele de cod de măsurare 2-45-37-2200 și 2-45-37-2300). Pe baza valorilor cele mai apropiate de dimensiunea nominală, a fost selectată setarea optimă (cod de măsurare numărul 2-45-37-2300).

Compararea rugozității suprafeței a fost încă o problemă din cauza grosimii plăcii. Conicitatea cauzată de arcul plasmatic era deja vizibilă, dar nu a putut fi măsurată încă, a afectat valorile măsurate la setări incorecte. Scanarea rugozității suprafeței este inexactă, deoarece nu există suficient spațiu disponibil din cauza grosimii plăcii. Setările din experiment sunt prezentate în Figura 9. La 40 A, utilizând ultima viteză prezentată în figură (2400 și 2500 mm/min), nu mai era necesară decuparea piesei de prelucrat în experiment, conform metodei Box-Wilson.

Figura 8. Rezultatele tăierii unei plăci de 2 mm

Figura 9 Setări optime pentru placa de 2 mm

Date optimizate de setare a mașinii pentru grosimea plăcii de 2 mm (S235JRC + N):

După tăierea cu plasmă a tuturor plăcilor, se pot face următoarele observații:

Pentru grosimile dintre grosimile plăcii evaluate, curenții sunt în intervalul optim (de exemplu, dimensiunea de 1,5 mm este între plăcuța de 1 și 2 mm. Curentul său poate fi între 30 și 37 A. Citind din proiectul experimental, acesta este cu siguranță 34 Va fi).

Principala problemă în tăierea plasmei este conicitatea cauzată de arcul plasmatic, care nu poate fi eliminat. Principalul său factor de influență este THC, al cărui comportament în timpul operației necesită investigații suplimentare. Pe măsură ce grosimile plăcilor cresc, conicitatea cauzată de arcul plasmatic din plăci crește, de asemenea.

Compararea rugozității suprafeței cu grosimile crescătoare ale plăcilor este mai precisă, deoarece este disponibil mai mult spațiu pentru scanare.

Chiar și pentru plăcile mai groase (5 mm, 8 mm, 12 mm), a apărut și perpendicularitatea colțurilor piesei de prelucrat. Plasma nu se taie într-un unghi, dar are loc o rotunjire la plăci datorită inversării rapide și supraîncălzirii. Dacă doriți o placă cu o margine perpendiculară, trebuie să faceți piesa cu o toleranță și să o refaceți.

Pentru găuri, tăietorul de plasmă nu pornește paragraful din centru. Pentru plăcile mai groase, găurile capătă o formă ovală. Cu cât placa este mai groasă, cu atât este mai mare gaura pe care o putem face numai cu tăietorul de plasmă corect. Valoarea empirică este de cel puțin trei ori grosimea plăcii sau mai mare.

Tendința plăcilor de a se deforma din cauza căldurii depinde și de mărimea pieselor, în care volumul pieselor joacă un rol important. Pe măsură ce grosimea plăcii crește, deformarea scade pentru aceleași piese de prelucrat.

rezumat

Problema cheie în producția industrială în ceea ce privește calitatea și economia este alegerea tehnologiei de proces care urmează să fie utilizată în producție și implementarea acesteia. Am efectuat cercetările noastre la o afacere de familie din Gödöllő, Ferro Gép '99 Kft., Subiectul căruia este optimizarea procesului de tăiere a mașinii de tăiat cu plasmă și flacără CNC de tip Thermocut 2060 pentru diferite grosimi ale plăcilor. Piesele prelucrate au fost realizate din calitatea materialului cel mai frecvent tăiat de companie, în diferite grosimi ale plăcii. În timpul tăierilor, experimentul a fost realizat folosind metoda Box-Wilson. După efectuarea tăierilor, piesele au fost cântărite și datele măsurate au fost înregistrate. Au fost realizate diagrame din rezultatele măsurătorilor pentru o mai bună claritate. Axa orizontală arată dimensiunile piesei prelucrate, iar axa verticală arată toleranțele în raport pe baza valorilor măsurate. Din rezultatele tăierii, am selectat o curbă care nu traversează câmpul de toleranță, care conține dimensiunile pentru setările optime, găsind astfel parametrii de setare optimizați.

Dr. Attila Kári-Horváth

Universitatea Szent Istvan
Institutul de Tehnologie Inginerie Mecanică
Departamentul de Materiale și Inginerie Mecanică

Nóra Szilágyi

Bibliografia utilizată

[1.] Chang, J. S., Looy P. C., Broeilo Z D. și colab.: Caracterizarea particulelor generate de tăierea cu plasmă termică a oțelurilor galvanizate, J. Aerosol Sci. Vol. 30, Suppl, 1, p. 5681-5682, 1999

[2.] Daniel Krajcarz: Compararea tăierii cu jet de apă metalică cu tăierea cu laser și cu plasmă, al 24-lea simpozion internațional DAAAM privind producția și automatizarea inteligentă, 2013, Procedia Engineering 69, pp. 838–843, 2014

[3.] Dudás I.: Tehnologia ingineriei mecanice I., Fundamentele tehnologice ale ingineriei mecanice, Editura Universității Miskolc, 2000

[4.] Erdődy L.: Prelucrare specială, Universitatea din Miskolc, Facultatea de Inginerie Mecanică. Manuscris. Editor de manuale, 1990

[5.] József Gáti, dr.: Pocket Book of Welding, Editura Tehnică, 1996

[6.] Guan Yubo, Guorui Zhao, Xinying Xiao: Design and Experiments of Plasma Jet Igniter for Aeroengine, Propulsion and Power Research 2 (3) pp. 188–193, 2013

[7.] Jia P.: Cercetări privind adâncimea critică de tăiere a sticlei BK7 în tăierea diamantelor, Forumul științei materialelor Forumul științei materialelor, Trans Tech Publ, pp. 230–233, 2014

[8.] Kim S., Le D., Lee S., Song K., Lee D.: Predicție statistică bazată pe experiment asupra uzurii instrumentelor diamantate în aliajele NiP cu caneluri micro, Diam. Relat. Mater. 41 (2014) 6-13

[9.] Maandl S., Richter E., Günzel R., Möller W.: Implantare de ioni de azot cu imersie în plasmă în oțel de mare viteză, Instrumente și metode nucleare în cercetarea fizică B 148, p. 846–850, 1999

[10.] Mansoureh Ebrahimi, Farzad Mahboubi, M. Reza Naimi-Jamal Comportamentul la uzură al filmului DLC pe oțel AISI 4140 nitrocarburat cu plasmă prin DC PACVD pulsat: Efectul temperaturii nitrocarburante, Diamant și materiale conexe 52 pp. 32-37, 2015

[11.] Narimanyan Arsen: Condiții unilaterale care modelează frontul tăiat în timpul tăierii cu plasmă: soluție FEM, Modelare matematică aplicată 33 pp. 176–197, 2009

[12.] Subbarao Chamarthi, N. Sinivasa Reddy, Manoj Kumar Elipey, DV Ramana Reddy: Investigation Analysis of Plasma Arc Cutting Parameters on the Inegenness Surface of Hardox-400 Material, International Conference On DESIGN AND MANUFACTURING, IConDM 2013, Procedia Engineering 64, pp. 854–861, 2013

[13.] Totál-Gép Kft.: THERMOCUT 2060 MANUAL DE ECHIPAMENTE DE TĂIERE CU PLASMĂ CNCĂ ȘI FLAMMĂ, Nyíregyháza, 2014

[14.] Wenji Xu, Shuai Huang, Faze Chen, Jinlong Song, Xin Liu: Proprietăți de uzură a diamantului în jet de plasmă rece, Diamant și materiale conexe 48 pp. 96–103, 2014