Здесь можно найти образцы любых учебных материалов, т.е. получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Работа № 27190


Наименование:


Диплом Технология и оборудование роботизированной плазменной резки в кузовном производстве автомобильной промышленности

Информация:

Тип работы: Диплом. Добавлен: 25.05.2011. Сдан: 2007. Страниц: 101. Уникальность по antiplagiat.ru: 0.

Описание (план):


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования


Московский государственный университет приборостроения и
информатики






ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: ”Технология и оборудование роботизированной плазменной резки в кузовном производстве автомобильной промышленности”.









Дипломник: ;

Кафедра: Информационное обеспечение технологий соединения
материалов










Москва 2007




СОДЕРЖАНИЕ



1.ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...4
1.1 Основные сведения о способах резки и обоснование выбора микроплазменной резки…………………………………………………....5
1.2 Сущность процесса плазменной резки 14
2. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ………………………………………...24
2.1 Оборудование для резки 24
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 34
3.1 Влияние условий резки на кромку заготовки 34
3.2 Назначение режимов резки 41
4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ………………………..47
4.1. Анализ опасных, вредных факторов и возможных чрезвычайных ситуаций, возможных при работе на участке. 47
4.1.1. Повышенный уровень напряжения электрической цепи 49
4.1.2 Пожарная опасность 50
4.1.3 Взрывоопасность 52
4.1.4. Повышенная запылённость и загазованность 53
воздуха рабочей зоны 53
4.1.5 Интенсивность излучения плазменной дуги 54
4.1.6 Недостаточная освещенность рабочей зоны 55
4.1.7 Движущиеся машины и механизмы; незащищенные подвижные части производственного оборудования 55
4.1.8 Повышенный уровень шума на рабочем месте 55
4.1.9 Несоответствие параметров микроклимата 56
4.1.10Несоответствие эргономических характеристик оборудования к требованиям стандартов 57
4.2 Разработка мероприятий обеспечивающих безопасность и безвредность при работе на участке 58
4.2.1 Защита от поражения электрическим током 58
4.2.2 Пожароопасность 59
4.2.3 Взрывобезопасность 60
4.2.4 Выведение вредных веществ из рабочей зоны 61
4.2.5 Защита от излучений плазменной дуги 62
4.2.6 Освещение 63
4.2.7 Проверка состояния инструмента 64
4.2.8 Защита от движущихся частей робота 64
4.2.9 Микроклимат 65
4.2.10 Эргономика рабочего места 65
4.3 Разработка мероприятий, обеспечивающих снижение вредного воздействия на природу при работе на участке. 67
4.4 Выводы к разделу 67
5. ОРГАНИЗАЦИОННО - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 68
5.1 Организация производства 68
5.1.1 Выбор формы организации производственного процесса ( базовый вариант) 68
5.1.2. Расчет основных параметров поточной линии. 69
5.1.2.1. Такт линии. 69
5.1.2.3.Расчет количества производственных рабочих на прямоточной линии и коэффициентов их использования. 70
5.1.2.4. Расчет заделов на прямоточной линии. 72
5.1.3. Расчет общей площади участка 74
5.2 Проектный вариант 75
5.2.1 Выбор формы организации производственного процесса 75
5.2.2. Расчет основных параметров поточной линии. 76
5.2.2.1. Такт линии. 76
5.2.2.2. Расчет количества рабочих мест на линии и коэффициентов их использования. 77
5.2.2.3.Расчет количества рабочих на линии (участке) и коэффициентов их использования. 78
5.2.2.4.Организация многостаночного обслуживания. 80
5.2.2.5. Расчет заделов на линиях. 80
5.2.3. Расчет общей площади участка 82
5.3 Экономика производства. 82
5.3.1 Определение балансовой стоимости основных фондов и амортизационных отчислений. 82
5.3.2 Определение себестоимости и цены продукции. 85
5.3.2.1 Расчет стоимости материалов. 85
5.3.2.2 Расчет стоимости электроэнергии. 86
5.3.2.3 Расчет фондов заработной платы производственных рабочих по базовому варианту. 87
5.3.2.4 Расчет расходов на содержание и эксплуатацию оборудования. 89
5.3.2.5 Прочие специальные расходы 90
5.3.2.6 Расчет цеховых расходов. 90
5.3.2.7 Общезаводские расходы 90
5.3.2.9 Прочие производственные расходы 91
5.3.2.10 Внепроизводственные расходы 91
Полная себестоимость 91
5.3.3 Расчет технико-экономических показателей и эффективности проекта. 92
5.3.3.2 Годовой экономический эффект 92
5.3.3.3 Расчет основных технико-экономических показателей. 93
5.3.3.3.1 Расчет трудоемкость единицы продукции: 93
5.3.3.3.2 Рентабельность продукции (Гп)по проектному варианту 94
5.3.3.3.3 Общая (абсолютная) экономическая эффективность капитальных вложений (Ео) 94
5.3.3.3.4 Результаты расчетов технико-экономических показателей и экономической эффективности по двум вариантам 94
5.4 Выводы 95
6. СПЕЦИФИКАЦИЯ 97
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98



1. ВВЕДЕНИЕ



В последние годы в условиях рыночной экономике и растущей конкуренции со стороны зарубежных производителей российские автопроизводители вынуждены модифицировать и обновлять выпускаемые модели автомобилей. Если раньше эти изменения касались в основном двигателя, ходовой части и некоторых деталей кузова автомобиля ,то теперь необходимо менять не только в большей своей части элементы двигателя ходовой части, но и элементы кузова автомобиля которые должны уже отвечать всем требованиям рынка.

Современные технологии помогают автозаводу менять или радикально совершенствовать выпускаемые модели не раз в 10-12 лет как это было, а раз 3-5 лет, как этого требуют изменения технического уровня в мировом автомобилестроении. Ранее переход на новую модель-это радикальная смена оснастки, инструмента, системы транспорта, замена оборудования. При использовании современных технологий и механизмов переход от одной модели к другой сводить к переналаживанию действующего оборудования, причем без перерывов в выпуске других моделей.

Для новой машины на имеющихся площадях создается новая техническая база организации производства – электронные системы учета и управления ,автомотизированые склады и транспорт.


Рулоны стального проката находящиеся на автомотизированом складе, уложенные в соотвитсвии с маркой стали в свой ячейки ,в нужный момент поступают на линию заготовки. Полученные заготовки поступают к первому прессу технологической линии, далее отштампованные детали, по автоматизированному монорельсованому пути переезжают в цех сборки-сварки кузовов
При использовании старых технологий для изготовления новых элементов кузова, требовалось новая технологическая оснастка, новые обрезные штампы. На изготовление таких штампов уходило много времени и средств. Поэтому новые современные технологии позволяющие экономить не только время на изготовления новых деталей кузова на этапе раскроя стального прокат, но и существенно экономить средства автопроизводителей
На новом гибком производстве возможно производить широкую гамму моделей и модификаций, включая универсалы повышенной вместимости и микроавтобусы. (рисунок 1.)








Рис.1.
Модели автомобилей предполагаемые к выпуску на ОАО «Москвич»

На ОАО «Москвич» был создан робототехничекий комплекс плазменной резки ,управляемый компьютерной программой, который с успехом выполняет с помощью малоамперной плазменной дуги операции по обрезке деталей автомобиля.

1.1 Основные сведения о способах резки и обоснование
выбора микроплазменной резки


Прогрессивные технологии, базирующиеся на крупных фундаментальных исследованиях (лазерная, плазменная, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и т.п.), вносят существенный вклад в развитие машиностроения.

Основными достоинствами плазменных технологий являются высокие плотности потоков энергии, достигающие 108 - 1011 Вт/м2, что позволяет за время в несколько микросекунд достигать на поверхности детали температуры, превышающей температуру плавления. При этом широкая возможность регулирования температуры (от 2 до 20 тыс. градусов), скорости (от 200 до нескольких тысяч метров в секунду), давления и химической активности среды в зоне обработки от нейтральной до восстановительной или окислительной позволяет наиболее полно использовать уникальные возможности плазменной технологии.

Наиболее перспективными применениями плазменных технологий являются
• плазменное напыление покрытий различного функционального назначения (износостойкие, коррозионно-стойкие, жаростойкие, восстанавливающие первоначальные размеры детали и др.);

• плазменная поверхностная обработка материалов (оплавление, плазменная наплавка, поверхностное модифицирование, плазменная строжка и др.);

• плазменная резка металлических и неметаллических материалов.
Области наиболее актуального и экономически целесообразного использования покрытий определили ассортимент напыляемых материалов, при работе с которыми удалось избежать применения дорогостоящих плазмообразующих газов (аргон, водород, азот), что существенно уменьшило себестоимость покрытий без снижения качества.

Переход на воздушное плазменное напыление позволил разработать ряд экономически выгодных процессов упрочнения и восстановления деталей для дорожно-строительной, автомобильной техники, газонефтедобывающей промышленности, городского и коммунального хозяйства, а также в ряде других отраслей.

Сейчас сложилась благоприятная ситуация для выхода на новый уровень в управлении плазменными установками. Наилучшим средством для этого является использование однокристальных микроконтроллеров. Имеется огромный выбор как кристаллов со схемными решениями для самостоятельных разработок, так и контроллеров - полуфабрикатов с системами проектирования и отладки. Их стоимость постоянно снижается по сравнению с электромеханическими устройствами, такими как реле, пускатели и пр. Особенно это заметно на отечественном рынке.

В то же время появляется возможность контролировать большее количество параметров и даже управлять каждым из них в отдельности. Помимо управления током микроконтроллер берет на себя и управление плазменной установкой в целом, что позволяет удалить из установки большую часть реле и электрических пускателей.

Система самодиагностики контролирует наличие и температуру охлаждающей жидкости, расход плазмообразующего газа, наличие фаз и фазировку электрической сети, минимальный и максимальный ток короткого замыкания. Сообщения отображаются на дисплее. Имеется возможность подключать плазменную установку к персональному компьютеру для изменения управляемых параметров в процессе работы.

В настоящее время известно большое количество способов резки и раскроя листового проката. К основным способам резки можно отнести механическую (ручными и машинными ножницами, вырубными штампами, абразивными кругами, сверловкой по контуру) и термическую резку (кислородная, кислородно-флюсовая, покрытыми электродами, лазерная, плазменная). Каждый из этих способов имеет ряд преимуществ и недостатков, поэтому необходимо рассмотреть каждый способ более подробно (табл. 1.1.).

Таблица 1.1.
Сравнение основных способов резки листового проката

№ Способы резки Достоинства Недостатки
Механические
1 Ручными и машинными ножницами Простота и доступность Низкая производительность. Необходимость двухстороннего подхода. Ограничение по толщине и материалам
2 Вырубными штампами Высокая производительность. Хорошее качество кромок Очень высокая стоимость и сроки изготовления. Невозможность переналадки на другой контур. Большой срок окупаемости.
3 Абразивными кругами Высокая производительность. Относительная простота и доступность. Высокая стоимость. Ограничение по материалам. Трудность фигурной резки.
4 Сверловкой по контуру Простота и доступность Низкая производительность. Высокая стоимость инструмента. Необходимость последующей обработки контура.
Термические
5 Кислородная Простота и доступность Ограничение по материалам. Неудовлетворительное качество кромок. Коробление деталей. Низкая скорость.
6 Кислородно-флюсовая Относительная универсальность. Возможность резки нержавеющих сталей. Неудовлетворительное качество кромок. Коробление деталей. Относительно высокая стоимость
7 Покрытыми электродами Универсальность, простота, доступность. Высокая стоимость. Низкая производительность. Плохое качество кромок.
9 Плазменная Хорошее качество кромок. Высокая скорость резки. Относительная простота оборудования. Возможность разделять любые электропроводные материалы (дуга), и неэлектропроводные (струя) Безгратовая резка возможна в узком диапазоне токов и скоростей.

Механические способы резки криволинейных контуров малопроизводительны, а при резке высокопрочных материалов ограничены низкой стойкостью режущего инструмента.
Кислородная резка характеризуется сравнительно низкой производительностью (скорость резки 0,6...0,9 м/мин), применима только для раскроя низкоуглеродистых, низколегированных сталей и сплавов титана. При резке малых толщин этот способ дает низкое качество, рез большой ширины и повышенную деформацию кромок заготовок, что связано с низкой концентрацией энергии и температурой применяемого источника нагрева газового пламени. Высоколегированные стали, сплавы на основе Al и Cu и др. кислородной резке практически не поддаются.
Лазерная резка, несмотря на высокие качественные показатели, пока не нашла широкого распространения и может использоваться только для механизированной резки плоских конструкций. Она отличается высокой стоимостью работ и требует высококвалифицированного обслуживания технологического оборудования.
Плазменно-дуговая резка имеет по сравнению с другими способами существенные технологические преимущества:
• высокая производительность процесса;
• возможности резки практически всех материалов;
• широкий диапазон разрезаемых материалов по толщине;
• высокая концентрация нагрева и, следовательно, уменьшение глубины зоны термического влияния и деформаций.
Плазменная резка, благодаря отсутствию силового воздействия на материал, возможности ведения процесса в ручном и механизированном режимах, в любом пространственном положении, получила широкое распространение для прямолинейного и фигурного раскроя листового материала. Возможность осуществления процесса резки в широком диапазоне изменения режимных параметров позволяет разделять любые электропроводные материалы толщиной от долей миллиметра до 200... 250 мм при работе плазмотрона в режиме плазменной дуги (анод— обрабатываемое изделие). Работа плазмотрона в режиме плазменной струи (анод—сопло плазмотрона) обеспечивает резку как неэлектропроводных, так и электропроводных материалов толщиной 0,1...3,0 мм. К настоящему времени создано серийное оборудование и разработана технология резки металлов толщиной свыше 5 мм на токах более 100 А.
Попытки использования оборудования для резки мощными дугами (25...60 кВт) металлов толщиной менее 5 мм показали, что удовлетворительное качество реза может быть получено только при резке со скоростями несколько десятков метров в минуту. Это не позволяет эффективно использовать процесс даже в механизированном режиме (скорость перемещения современных машин ограничена величиной 4...12 м/мин). Решение проблемы резки материалов толщиной 1...5 мм при высоком качестве реза может быть получено при снижении токов дуги до 10...50 А и повышении концентрации энергии в столбе дуги за счет уменьшения диаметра сопла до 0,5...1,5 мм.
В работах И.С. Шапиро, Б.Д. Бейдера, Э.М. Эсибяна, К.В. Васильева, А.С. Береснева (СССР), К.А. Buntinga (Великобритания), С.М.Неbbia (США) показана возможность высокоэффективной резки металлов толщиной 1...5 мм в режиме плазменной дуги и плазменной струи, исследованы технологические характеристики резки отдельных материалов, разработаны опытные установки.
Плазменная резка малоамперной дугой хорошо сочетается с автоматизацией и комплексной механизацией производства, встраивается в линии с использованием промышленных роботов. Качество кромок реза позволяет сваривать их без дополнительной механической обработки. Малая ширина реза и низкая стоимость вспомогательных материалов определяют высокую экономическую эффективность процесса резки. Резка на токах до 50А сопровождается более низким уровнем шума, запыленности и загазованности в зоне работы оператора по сравнению с резкой на токах 100...300А, что улучшает гигиенические условия производства.
Плазменно-дуговая резка обеспечивает высокое качество кромок реза, которое позволяет их использовать как в качестве свободных кромок конструкций, так и в качестве кромок, идущих под сварку без последующей дополнительной обработки. Зона термического влияния 0,1...0,2 мм при резке углеродистых сталей толщиной 1...3 мм при ширине реза 0,8...1,3 мм. Показателем качества реза, определяющим его динамическую прочность при работе в составе конструкции, служит микрогеометрия поверхности кромки реза, определяемая ее шероховатостью. При воздушно-плазменной резке сталей, толщиной 1...5 мм высота микронеровностей составляет 80... 160 мкм [11]. Наряду с гибкостью технологического процесса резки, позволяющего разделять любые электропроводные материалы независимо от их прочностных характеристик в машинном и ручном варианте, в любом пространственном положении с высоким качеством кромок.










Рис. 1.2. Зависимость скорости резки от толщины металла
и мощности дуги.
1— ручная резка;
2— механизированная резка;


Зависимость скорости резки от толщины разрезаемого металла и мощности дуги, приведенная на рис.1.2. показывает, что для механизированной резки металлов толщиной 1...5 мм целесообразно использовать дуги мощностью 5...30 кВт при скоростях резки 4...6 м/мин и дуги мощностью до 5 кВт при ручной резке со скоростями 0,7...1,5 м/мин.

Использование дуг с мощностью выше оптимальной ведет к неоправданному увеличению удельных энергетических затрат, ширины реза, перегреву кромок и появлению трудноудалимых натеков на кромках (грата), удаление которых требует больших трудовых затрат, чем для самой резки [36].

Исторически сложилось так, что способ плазменно-дуговой резки, появившийся в конце 1950-х годов, был использован, в первую очередь, для резки высокопрочных и нержавеющих сталей, медных и алюминиевых сплавов толщиной 20...150 мм и более, т.к. существовавшие в то время способы резки материалов этих толщин были весьма трудоемки и малопроизводительны [5,6,12]. Основное внимание исследователей и конструкторов было направлено на разработку оборудования и технологии плазменно-дуговой резки мощными дугами на токах 100...800А [14,15]. Исследование энергетических и газодинамических характеристик проводилось также для плазменно-дуговых разрядов на токах более 100 А.

Прямое перенесение опыта резки больших толщин на малые, и использование разработанного оборудования не дает возможности получения качественных кромок резов, так как каждой толщине металла должна соответствовать определенная мощность дуги и скорость резки [7], которая лимитируется возможностями перемещения плазмотрона - 0,8...1,5 м/мин для ручной резки и 4...12 м/мин для механизированной [10]. Распределение температур в плазменной дуге [16] таково, что при использовании дуг с мощностью выше оптимальной для данной скорости резки периферийные участки столба дуги перегревают кромки реза, т.к. теплоотвод в стенки реза ограничен. Это приводит к образованию большого количества трудноудалимого грата.

Возможно получение качественных резов металла толщиной 1...3 мм и при резке на токах 200...300 А, но это достижимо при увеличении скорости резки до нескольких десятков метров в минуту и наличии специальной оснастки, что трудноосуществимо.

Более целесообразный путь развития плазменно-дуговой резки для разделения металлов толщиной 1...5 мм - это снижение мощности дуги до 2...10 кВт и повышение концентрации теплового потока за счет использования сопел диаметром 0,5...1,0 мм, что позволило получить качественные резы при скоростях применяемых для ручного и механизированного процессов.

Удельные параметры малоамперной плазменной дуги существенно отличаются от характеристик дуговых разрядов, используемых для плазменной сварки и резки на токах свыше 100 А.
Таблица 1.2.
Сравнительные характеристики плазменно-дуговых разрядов
Авторы I ,А Р, Па d, мм J, А/см2 pV,

Применение, цель исследования
Петров , 5-30 1-10 0,6-1,5 2-2.5 8-10 Микроплазменная сварка
Быховский Д.Г., Шапиро И.С.,
Фролов В.В.,
Персиц Л.М.,
Васильев К.В. 50-300 1-1.5 2-4 2-4 30-60 Технология резки металлов толщиной 5-30 мм
Бейдер Б.Е.,
Донской ,
Дресвин С.В.,
Гольдфарб В.М. 50-300 1-1,5 2-4 2-4 30-60 Диагностика плазменной дуги
Шапиро И.С., Береснев.
Эсибян Э.А.,
Boschnakow, von Ardenne 5-100 1-10 0.2-2,0 3-10
60-120
Технология резки металлов толщиной 0.2-5,0 мм
Настоящая работа 10-60 5-10 1,0 5-10 50-90 Технология резки Диагностика плазменной дуги

Данные, приведенные в таблице 1.2, показывают, что малоамперная плазменная дуга в диапазоне токов 5...100 А, используемая для резки, является специфическим видом дугового разряда, отличаясь в 2...5 раз более высокой плотностью тока в канале сопла, в 2...3 раза большим удельным массовым расходом газа через сопло и в 2...6 раз более высоким давлением в разрядной камере плазмотрона. Электрические, тепловые и газодинамические характеристики подобных разрядов и их влияние на требования, предъявляемые к конструкции оборудования для резки исследованы до настоящего времени недостаточно полно.

1.2 Сущность процесса плазменной резки
Температура газа, заполняющего столб дуги, составляет 4000—5000.°С и выше. При этой температуре молекулы и атомы газа в результате происходящих соударений могут распадаться и образовывать так называемые заряженные частицы. Одна из них — электрон ничтожно мала и имеет отрицательный заряд. Другая — протон почти равна исходной частице (атому), сохраняет ее свойства и имеет положительный заряд. Если газ содержит множество положительно и отрицательно заряженных частиц и их соотношение таково, что общий заряд равен нулю, его принято называть плазмой. При температурах, соответствующих дуговому разряду, газ наряду с заряженными частицами содержит и нейтральные (незаряженные) частицы. Такой газ называют низкотемпературной плазмой.
Столб дуги заполнен низкотемпературной плазмой. Под действием напряжения, подаваемого на электроды от источника тока, заряженные частицы в столбе дуги с большой скоростью устремляются к электродам, электрический заряд которых противоположен по знаку собственному заряду частицы: электроны к положительному электроду — аноду, а протоны к отрицательному электроду — катоду. Каждая движущаяся частица свой электрический заряд переносит на соответствующий электрод. При этом в дуге создается электрический ток, т.е. дуга является проводником электрического тока.
Наряду с процессами образования заряженных частиц (ионизацией) в плазме столба непрерывно происходит слияние ионов с электронами (рекомбинация), объединение атомов в молекулы (молизация). Высокотемпературный столб дуги может существовать только в том случае, если выделяющаяся в нем энергия достаточна для возмещения происходящих потерь теплоты [1].
Вследствие внешнего охлаждения электрическая проводимость во внешней зоне столба дуги уменьшается. Если при этом проводимость внутренней зоны и напряжение дуги не изменяются, уменьшатся сила тока и мощность дуги, произойдет дальнейшее охлаждение и разрушение разряда. При больших мощностях и напряжениях источника электропитания напряженность поля, температура и проводимость внутренней зоны охлаждаемого столба увеличиваются. В результате этого энергия, выделяющаяся в столбе дуги, полностью компенсирует ее потери.
Там, где столб дуги примыкает к твердым электродам, возникают переходные зоны, опирающиеся да активные пятна на поверхности электродов. Наряду с теплотой, излучаемой столбом, на эти поверхности приносят свою энергию заряженные частицы. Металл электродов в зоне активных пятен, нагревается до расплавления. Более того, благодаря высокой концентрации энергии расплавленный металл может перегреться до температур кипения, а часть его превратиться в пар.
Наибольшее количество теплоты в дуге выделяется, как правило, в анодной области, примыкающей к положительному электроду; меньше теплоты выделяется на катоде. В столбе короткой дуги освобождается обычно относительно небольшое количество энергии.
Таким образом, всю электрическую дугу и ее отдельные участки можно рассматривать как интенсивный источник тепловой энергии для термической резки. Дуговой разряд, используемый тля сварки в обычных условиях, можно расценивать как короткую дугу со столбом незначительной длины, в которой энергия выделяется преимущественно в приэлектродных пятнах. Размеры активных пятен ограничены и зависят от силы тока. Иначе говоря, дуга как источник тепловой энергии приближается к точечному источнику. Однако, как отмечалось, особенности процессов резки заключаются в том, что по характеру введения энергии, необходимой для резки, источник теплоты должен быть распределенным, линейным.
Наряду с короткими дугами различают так называемые сжатые (стабилизированные) дуги, характеризующиеся развитым столбом разряда и происходящим в нем интенсифицированным плазмообразованием. Это достигается. продуванием газа или жидкости сквозь столб дуги. Используя энергию внешнего источника тока, дуга испаряет жидкость, нагревает газ, ионизирует нейтральные частицы газа или пара и превращает их в поток плазмы. В современных устройствах дуга сжимается интенсивным обдувом дугового столба, концентричным к его оси, соосным или вихревым потоком рабочей среды.
Обычно дуговой разряд возбуждается в узких выходных каналах плазменных головок — плазмотронов, которые позволяют при сравнительно небольших расходах плазмообразующей среды получать большие скорости потоков плазмы.


Рис. 1.3. Схемы плазмообразования:
а — плазменная дуга; б — плазменная струя; 1 — подача газа; 2 — дуга; 3 — струя плазмы; 4 — обрабатываемый металл; 5 — наконечник; 6 — катод; 7 — изолятор;
8 — катодный узел
В современной сварочной технике используют две схемы плазмообразования: первая соответствует схеме дуги прямого действия, возбуждаемой на обрабатываемом металле, который является одним из токоведущих электродов разряда; вторая — схеме косвенной (независимой) дуги, возбуждаемой между электродами, независимыми от обрабатываемого материала (рис. 1.3.). Дуга возбуждается между электродом плазмотрона, формирующего плазменную струю, которая совпадает со столбом дуги и обрабатываемым металлом (рис. 1.3,а). Первую схему принято называть схемой плазменной дуги. В схеме, показанной на рис. 1.3,б, объект обработки не включен в электрическую цепь. Вторым электродом сжатой дуги в этом случае служит формирующий наконечник плазмотрона, вытекающая из него струя плазмы лишь на коротком участке внутри сопла совпадает со столбом дуги, а затем существует независимо от него. Вторую схему принято называть схемой плазменной струи [1].

Когда теплота вводится только в обрабатываемую деталь, например, при резке, как правило, целесообразнее применять схему плазменной дуги, которая обеспечивает более полное использование энергии дугового разряда. Плазменную струю в области резки используют как вспомогательный разряд, а также при обработке неэлектропроводных материалов и иногда металлов небольшой толщины.

Когда сжатую плазменную дугу возбуждают на обрабатываемом металле, то ее основание в отличие от свободной дуги устанавливается на ограниченной площадке его поверхности. При этом по сравнению со свободной дугой сжатая дуга вводит в единицу поверхности большее количество теплоты в результате высокой концентрации дугового разряда и дополнительной передачи теплоты плазменным потоком. Плазменная дуга, сжатая в плазмотроне, характеризуется особенно активным плавящим действием. Плазменные дуги отличаются высокой стабильностью и могут быть большой длины. Длина дуги обусловливается ее напряжением и зависит от параметров и характеристика источника тока. С увеличением длины дуги возрастает ее напряжение. Практически напряжение сжатой плазменной дуги зависит от ее длины, размеров канала, сжимающего столб, и свойств сжимающего его газового потока — состава и расхода газа.

Если диаметр сопла, формирующего столб дуги, небольшой, а сила рабочего тока и расход газа велики, дуговой разряд начинает самопроизвольно углубляться в металл. Поток ионизированного газа выдувает расплавленный металл, а более холодные слои газового потока, окружающие проводящий плазменный шнур, препятствуют отклонению дуги в сторону. Дуга все глубже и глубже проникает в толщу обрабатываемой детали. Сжатую плазменную дугу, обладающую такими свойствами, называют проникающей плазменной дугой. Для питания проникающей дуги обычно используют постоянный ток прямой полярности.

По сравнению с кислородной резкой, наиболее пригодной для обработки низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей и титана, плазменно-дуговой резкой можно обрабатывать любые металлы.

Кислородная резка обеспечивает разделение металла толщиной до 1,0—1,5 м; кислородно-флюсовая — стали и чугуна толщиной до 500 мм; плазменно-дуговая — металла толщиной не более 200—300 мм.


Рис 1.4. Участки столба режущей дуги:
1—закрытый;
2—сжатый; 3—открытый; 4—рабочий, 5—факел плазмы



















Как отмечалось, возможность резки металла заданной толщины обусловлена способностью источника электропитания дуги обеспечивать необходимое рабочее напряжение и мощность разряда. В установившейся проникающей плазменной дуге можно различить характерные участки разряда. Как и в любом другом дуговом разряде, на поверхности электрода расположена катодная область (рис. 1.4). Между рабочей поверхностью электрода (катода) и входным сечением канала мундштука расположен участок столба, находящийся в относительно спокойном потоке холодного газа и называемый закрытым столбом.
Между входным и выходным сечениями канала расположен участок столба, который подвергается сжатию быстрым потоком газа в узкой трубке и называется сжатым столбом. За пределами канала находится открытый столб, не ограниченный жесткими стенками, но стабилизированный соосными потоками собственной плазмы и оболочкой более холодного газа. В полости образующегося реза расположены рабочий участок дуги, состоящий обычно из части открытого столба — рабочего столба и анодной области разряда, и плазменный факел. Катодная область, закрытая и сжатая зоны столба по функциональным признакам относятся к формирующим частям разряда. Условия существования сжатого столба в значительной степени определяют размеры его сечения и структуру рабочего участка дуги, влияя тем самым на ее режущую активность и расположение рабочего участка в полости реза.

Рис. 1.5. Расположение дуги в полости реза
при низкой (а), средней (б) и высокой (в) скоростях резки:
1—плазмотрон; 2— дуга; 3—металл; 4—активное пятно; 5 — факел;
l1 — участок столба; l2—участок активного пятна; l3— участок плазменного факела


Расположение активного пятна дуги в полости реза зависит от параметров дуги, характера ее формирования, скорости резки и толщины и свойств разрезаемого металла (рис. 1.5). Чем мягче режущая дуга (небольшой расход газа через относительно широкий канал, сжимающий столб дуги) и чем больше скорость резки, тем ближе к верхней поверхности детали расположено основание дуги. Наоборот, чем меньше скорость резки и чем более жестким является режим газового потока (большой расход газа сквозь узкий канал, сжимающий столб дуги), тем ниже по лобовой стенке реза опускается основание дуги, приближаясь к нижней поверхности детали. Если напряжение источника питания ограничено, расход газа должен быть небольшим, а его поток должен быть по возможности спокойным, ламинарным. При этом удается с очень небольшой скоростью прорезать металл больших толщин. Большие напряжения источника тока позволяют резать металл значительных толщин жесткой режущей дугой, что способствует повышению скорости и качества резки.
Скорость в большой степени зависит от толщины разрезаемого металла: она тем меньше, чем больше толщина. В этом заключается одна из основных особенностей плазменно-дуговой резки. Металл небольшой толщины удается резать с очень большими скоростями. Так, низкоуглеродистую сталь толщиной 1,5 мм режут дугой мощностью 50 кВт со скоростью 20 м/мин; сталь толщиной 10 мм — со скоростью 3—4 м/мин. Скорость газопламенной кислородной резки таких листов, составляющая не более 0,8—1,0 м/мин, уменьшается с увеличением толщины разрезаемой стали медленнее, чем скорость плазменно-дуговой резки. Скорости кислородной и плазменно-дуговой резки дугой указанной мощности становятся одинаковыми при обработке стали толщиной 30—35 мм. С увеличением мощности режущей дуги до 100—120 кВт скорости становятся одинаковыми при резке стали толщиной 50—60 мм. Скорость кислородной резки стали большей толщины выше скорости плазменно-дуговой резки.
Резка металла с максимально возможной скоростью повышает производительность и экономическую эффективность процесса. С увеличением скорости уменьшается количество теплоты, передаваемой в кромку реза, в результате чего вредное тепловое воздействие резки на металл кромки и коробление вырезанных деталей становятся минимальными. Устранение коробления особенно важно при обработке тонколистового металла.
Из изложенного можно отметить следующие преимущества плазменно-дуговой резки по сравнению с другими способами резки:
• универсальность: резка различных металлов с использованием одного и того же оборудования;
• большая скорость при небольших толщинах металла и, следовательно, высокая производительность;
• минимальные тепловое воздействие на металл кромки и тепловые деформации вырезанных деталей;
• исключается применение жидких и газообразных горючих;
• облегчаются условия автоматизации.
К недостаткам плазменно-дуговой резки относятся следующие:
• максимальная толщина разрезаемых металлов меньше, чем у металлов при кислородной и кислородно-флюсовой резке, особенно при использовании ручных и переносных механизированных режущих устройств;
• более сложное и дорогостоящее оборудование, так как его комплектуют источником тока и системой управления режущей дугой;
• более сложное обслуживание, стабильность дуги ниже газового пламени — случайное прикосновение к металлу в процессе резки может вывести из строя режущий плазмотрон, который необходимо к тому же интенсивно охлаждать; обязательное применений светофильтров из-за высокой яркости дуги и т.д.
Большая сложность плазменно-дугового оборудования и его обслуживания, а также необходимость питания каждой режущей дуги от отдельного источника тока затрудняют одновременную резку одинаковых деталей несколькими резаками, установленными на одной машине. Последнее с успехом применяют при кислородной резке.
Таким образом, плазменно-дуговую резку применяют для металлов, которые нельзя разрезать другими способами, когда она является наиболее экономичной для металлов, разрезаемых другими способами резки, или при невозможности использования в данных условиях более экономичного способа; когда обеспечиваются высокие скорости, необходимые для разделения металла при непрерывном (совмещенном) цикле обработки (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Термическая резка различных металлов

Металл Плазменная резка Кислородная резка Кислородно-флюсовая резка Дуговая резка Воздушно-дуговая резка Лазерно-кислородная резка
Алюминий и сплавы + — — 0 0 —
Медь и сплавы + — 0 + 0 —
Коррозионно-стойкая сталь + — + + + +
Низкоуглеродистая сталь + + 0 0 + +
Чугун + — + + + 0
Магний и его сплавы + — — — — —
Титан + + 0 0 0 +
Никель + 0 0 0 —
Примечание. “+” — целесообразный и “0” — нецелесообразный способы резки; “—” — резка затруднительна или невозможна.

Плазменно-дуговой резкой выполняют следующие операции:
• изготовление из листового металла плоских элементов или деталей с криволинейными контурами;
• изготовление из листового металла плоских элементов или деталей с прямолинейными свариваемыми свободными кромками, механическая обработка которых экономически нецелесообразна;
• образование проемов и отверстий различной конфигурации в элементах и деталях металлических конструкций;
• разделение полос, прутков, труб, профильного проката на отрезки мерной длины, вырезку в них проемов или придание их торцовым частям заданной формы;
• обработку кромок штампованных элементов, вальцованных или кованых заготовок, включающую различные виды их подготовки под сварку;
• разделение металлических заготовок для последующей обработки давлением или снятием стружки;
• подготовку металлических заготовок и элементов для последующей сварки и обработки давлением;
• обработку отливок;
• подгонку размеров сборочных элементов при монтаже металлоконструкций;
• демонтаж различных металлоконструкций.

2. конструкторский раздел
2.1 Оборудование для резки
Основной элемент комплекта оборудования — плазмотрон, который состоит из двух основных узлов: электродного и соплового. Эти узлы изолированы друг от друга и укомплектованы устройствами для подачи рабочей среды и рабочего и вспомогательного токов, а также системами охлаждения, регулирования электрода, крепления плазмотрона и др. Электродный и сопловой узлы, скрепленные между собой, образуют дуговую камеру плазмотрона с выходным формирующим каналом. В дуговой камере расположены рабочий участок электрода, а также каналы для подачи плазмообразующей и стабилизирующей дугу рабочей среды.
Режущие плазмотроны различного назначения отличаются друг от друга групповыми признаками, связанными с особенностями назначения и условиями их работы. Одна из основных особенностей — наличие системы стабилизации дуги. Применяют две системы стабилизации, отличающиеся между собой способом введения плазмообразующей среды в дуговую камеру.

При осевой системе стабилизации плазмообразующую среду вводят в дуговую камеру в форме струй или потоков, соосных или параллельных оси стержневого электрода. Осевая система обеспечивает получение жесткой и мягкой стабилизации дуги и спокойные плазменные потоки. Такие дуги можно формировать в широких соплах, получая наименьшее рабочее напряжение дуги при резке металла заданной толщины. В плазмотронах с осевой подачей газа катод имеет форму заостренного стержня. При осевой стабилизации положение катодного пятна и в значительной степени оси столба в канале сопла и за его пределами зависит от положения острия катода в выходном сечении дуговой камеры.

При вихревой системе стабилизации плазмообразующую среду вводят в зону катода и столба по каналам, расположенным по касательной к стенкам дуговой камеры. При этом в последней создается вихревой поток, который вытекает в виде спирали, окружающей закрытый и сжатый участки столба в формирующем выходном канале сопла. Для осуществления такого “тангенциального” ввода рабочей среды плазмотроны снабжают завихрительными устройствами различных конструкций. Вихревая система стабилизации дуги обеспечивает перемешивание газа в столбе дуги, при этом более интенсивным становится плазмообразование, возрастают затраты энергии и увеличивается напряжение сжатого столба. Кроме того, достигается равномерность газовой оболочки вокруг столба в дуговой камере и формирующем канале сопла и совпадение осей дугового столба и канала. При этом катодное пятно дуги в основании столба жестко фиксируется в точке пересечения оси столба с поверхностью катода. Это свойство плазмотронов с вихревой системой стабилизации позволяет применять катоды с различной формой рабочей поверхности.

Основной элемент соплового узла плазмотрона — формирующий наконечник, в сопле которого образуется плазма и формируется ее поток. Форма и размеры соплового канала в значительной степени обусловливают свойства и параметры режущей дуги. Чем меньше диаметр сопла и чем больше его длина, тем выше концентрация энергии в дуге и ее напряжение, и больше скорость потока плазмы: дуга становится более жесткой, ее режущая способность увеличивается.


Рис. 2.1. Схема двойной дуги:
1 — катод; 2 — сопло; 3 — металл, 4 — столб режущей дуги; 5 и 6 — столб двойной дуги на участках наконечник-металл и катод-наконечник

















К сожалению, уменьшать диаметр и увеличивать длину сопла можно лишь до определенных размеров, обусловливаемых силой рабочего тока и расходом газа, Если диаметр сопла очень мал или длина его очень большая, может возникнуть так называемая двойная дуга, при которой режущая дуга распадается на две части, т.е. на две самостоятельные дуги, одна из которых горит внутри наконечника между ним и катодом, а другая — между наружной поверхностью наконечника и разрезаемым металлом (рис. 2.1). Двойная дуга может гореть одновременно с режущей; при этом она обычно существует непродолжительное время и самопроизвольно исчезает. Однако она может повторно возникнуть. В некоторых случаях основная дуга обрывается, а двойная дуга торит самостоятельно и в результате интенсивного выделения теплоты в активных пятнах на поверхностях наконечника очень быстро выводит его из строя. Во всех случаях двойная дуга разрушает наконечник и подплавляет кромки реза, на которых образуются выхваты. Двойная дуга действует вне зоны защитного газа, поэтому металл кромок загрязняется.



Рис. 2.2. Высокочастотное возбуждение дуги вспомогательным разрядом:
1— осциллятор; 2— катод; 3— наконечник; 4— балластное сопротивление; 5— источник тока; 6—металл, 7—факел дуги

Наиболее часто двойные дуги возникают при возбуждении режущей дуги. В современных режущих плазмотронах режущую дугу возбуждают, как правило, с помощью так называемого вспомогательного разряда. При этом вначале возбуждают дугу между катодом и формирующим наконечником (рис. 2.2) с тем, чтобы получить плазменную струю, вытекающую из сопла. Во избежание местного расплавления наконечника анодным пятном вспомогательного разряда сила тока в нем должна составлять 30—50 А, для этого в электрической цепи вспомогательной дуги включают балластное сопротивление или питают эту цепь от источника ограниченной мощности.
Струя плазмы вспомогательного разряда образует факел длиной 15—25 мм. Если катод плазмотрона и обрабатываемый металл включены в цепь источника рабочего тока, то она замыкается в момент касания факелом вспомогательной дуги обрабатываемого металла, при этом возникает режущая дуга “катод — металл”.
Указанный способ зажигания режущей дуги применяют потому, что катод в плазмотроне скрыт внутри дуговой камеры и коснуться им разрезаемого металла при зажигании невозможно.
Вспомогательную дугу зажигают двумя способами:
- кратковременным замыканием электропроводной вставкой промежутка “катод - сопло”
либо возбуждением в этом промежутке искрового разряда. Газовый зазор между катодом и наконечником пробивают высокочастотными осцилляторами высокого напряжения или конденсаторными устройствами, которыми оборудована режущая аппаратура.
Замечено, что двойная дуга чаще возникает в момент перехода вспомогательной дуги в режущую вследствие затраты большой энергии на участке сжатого столба дуги, в котором происходит превращение в плазму рабочего газа, поступающего в плазмотрон. При этом в сопле наблюдается интенсивное падение напряжения. Проводимость металла, из которого изготовлен наконечник, во много раз больше проводимости плазмы в сжатом столбе. Может наступить такой момент, когда суммарные сопротивления анодной и катодной областей дуги и материала наконечника на участке от внутренней до наружной его поверхности будут одинаковыми или меньшими, чем эффективное сопротивление сжатого столба. Последнее, как отмечалось, возрастает с уменьшением диаметра и с увеличением длины сопла. Если при этом расход газа мал или система его подачи не гарантирует надежной изоляции столба от сопла, то электропроводная плазма столба, касаясь его стенок, может вызвать образование двух параллельных электропроводных участков: столба дуги (сжатый участок) и стенки наконечника вокруг сопла. Это и вызывает возникновение двойной дуги [1].
Во избежание образования двойной дуги во время резки необходим правильный выбор силы тока и расхода газа, которые соответствовали бы размерам сопла, установленного в плазмотроне.
В настоящее время для сварки плавящимся и неплавящимся электродом достаточно убедительно показана технико-экономическая целесообразность использования высокочастотных источников питания инверторного типа. Установлено, что такие источники могут быть применены для плазменной и микроплазменной резки металлов, а их использование, кроме всего прочего повышает качество кромок реза [4].
Принцип действия такого источника состоит в следующем:
• переменный ток промышленной частоты выпрямляется;
• выпрямленный ток преобразуется в инверторе в импульсный двуполярный ток определенной частоты;
• двуполярный ток выпрямляется в высокочастотном выпрямителе и подается на нагрузку.
Инверторный источник питания имеет перед существующими источниками питания ряд существенных преимуществ:
• возможность формирования вольтамперной характеристики (ВАХ) практически любой формы;
• высокое быстродействие;
• небольшие габариты и масса;
• широкие возможности управления технологическими характеристиками дуги и др.
Вследствие малой массы и габаритов источники питания инверторного типа особенно удобны в монтажных условиях. Возможность формирования ВАХ, обеспечивающих устойчивое зажигание и горение микроплазменной дуги, возможность дополнительного управления процессами столба плазменной дуги и удаления металла из полости реза позволяет считать инверторный источник питания наиболее приемлемым для процесса микроплазменной резки.
В лаборатории плазменной резки ОАО “Москвич” установлен источник питания плазменной резки ВМС-60 германской фирмы “Brima”. Источник питания подключен к компрессору и укомплектован плазмотроном Brima А60, который закреплен на “руке” портального робота Axera C-38. Управление роботом и источником питания осуществляется с компьютера.
Установка Brima ВМС-60 имеет следующие характеристики [21]:
Бесступенчатая установка режима (А) 10-60
ПВ при Iмах (%) 60
Номинальный ток/напряжение при:
ПВ 60% 60/95
ПВ 100% 50/90
Максимальная мощность резки (кВт) 5,7
Напряжение холостого хода (В) 310
Напряжение сети (В) 3х380
Максимальная потребляемая мощность (кВА) 7,5
Максимальный потребляемый ток (А) 11
cos  0,97
Вид охлаждения газ
Давление сжатого воздуха (МПа) 0,5—1
Вес (кг) 59
Установки фирмы “Brima” изготавливаются в двух вариантах: для ручной и автоматической резки. В лаборатории плазменной резки ОАО “Москвич” установлен источник, выполненный в автоматическом исполнении. Зажигание плазменной дуги происходит по команде с компьютера, кроме того в этом источнике предусмотрена возможность регулирования тока не только с передней панели но и с компьютера. Оператору нужно лишь проставить в программе силу тока на заданном участке в процентах от установленного на передней панели (полученная сила тока не должна быть более 60А). Это позволяет при изменении скорости движения робота обеспечить постоянство вводимой в металл погонной энергии. Необходимо также отметить, что получение качественного реза обеспечивается и параметрами робототехнического комплекса, осуществляющего перемещения плазмотрона.
Установка для плазменной резки “Axera C-38” выполнена в портальном исполнении. При этом достигаются хорошие динамические свойства благодаря небольшому весу и высокой жесткости портала (рис. 2.3).
Высота рельсовых путей 500 мм
Высота резательного стола 700 мм
Точность повторения  0,01 мм


Рис. 2.3 Портальный робот для плазменной резки














Основными элементами передвижного портала являются прочная балка коробчатого сечения с двумя тележками портала над направляющими рейками и рельсами. Обе тележки портала вытянуты вниз. Такое строение облегчает беспрепятственную загрузку более высокого стола и проход над рельсовыми путями.
В тележки портала встроены выполненные с большим запасом прочности несущие ролики и боковые направляющие ролики. Крепление всех роликов в не требующих ухода шарикоподшипниках гарантирует точный ход установки также и при самой большой нагрузке.
Боковые направляющие ролики установлены попарно на переднем и заднем конце тележки портала направляющей стороны.
Один из двух боковых направляющих роликов с каждой стороны прочно закреплен. Противоположные ролики прижимаются к направляющей рейке находящимся под большим усилием пакетом диафрагменных пружин. Благодаря этому происходит автоматическая компенсация появляющегося со временем неизбежного износа и обеспечивается высокая направляющая точность в течение длительного времени. Очистители пыли очищают головки реек от пыли и частиц шлака перед прохождением портала.
На портале установлена стабильная система проводки шлангов, состоящая из двух специальных профилей и шланговых кареток. Обеспечивается лёгкое перемещение шлангов по всей рабочей ширине.
Данная портальная плазморезательная установка имеет сервоприводы для продольного и поперечного перемещения, состоящие из редуктора, серводвигателя с тахогенератором, сервоусилителем и датчиком приращений.
Благодаря применению малоинерционных серводвигателей достигаются хорошее ускорение и небольшое время разгона машинного привода.
В сочетании с большой динамической жесткостью портала могут быть полностью использованы хорошие свойства сервоприводов и также и на высоких скоростях осуществляться плавное перемещение по маленьким радиусам. Это является предпосылкой для точной резки деталей.
Продольный и поперечный приводы регулируются электронной системой сервоуправления, размещенной в зависимости от исполнения абсолютно герметично от пыли и без необходимости технического ухода в пульте управления или в отдельном ящике, таким образом, что скорость подачи машины остается постоянной во всех направлениях. Двухсторонний привод в продольном направлении осуществляется с геометрическим замыканием через шестерню и зубчатую рейку.
Электрическая оснастка машины приведена к последнему уровню техники благодаря широкому применению высокоинтегрированных электронных узлов и соединению при помощи печатных плат и разъемных соединений и гарантирует высокую надежность в работе. Устройство системы управления на основе печатных схем в форме вставных плат, а также применение светодиодов в наиболее важных функциональных и переходных узлах значительно облегчают технический уход.
Беззазорно установленные понижающие редуктора переносят крутящий момент серводвигателей на точно изготовленные зубчатые рейки из высоколегированной стали. Электрические сцепления позволяют осуществлять свободный ход машины.
Благодаря системе автоматической компенсации износа, захват шестерни производится всегда без люфта. Для этой цели редуктора подвижно закреплены в направляющем устройстве точно перпендикулярно к зубчатой рейке. При помощи установленного на редукторе пружинного механизма приводная шестерня удерживается в зацеплении с зубчатой рейкой с постоянным прижимным усилием. Таким образом высокая точность машины сохраняется в течение долгого времени также и при многосменной работе без дополнительной подстройки. Перемещение в продольном направлении осуществляется при помощи сервопривода, установленного в тележке портала.
Машина оснащена одной ведущей поперечной кареткой, имеющей комплектный приводной агрегат, состоящий из редуктора, серводвигателя с тахогенератором и датчиком приращений.
Ведущая поперечная каретка, а также остальные ведомые каретки ведутся по рейкам поперечного перемещения на передней балке портала. Перенос усилия осуществляется от двигателя привода через электромагнитную муфту свободного хода и беззазорный редуктор на приводную шестерню, входящую в сцепление с зубчатой рейкой на путях поперечного перемещения.
Все направляющие ролики каретки, как и шестерни редуктора, имеют возможность регулировки, чтобы сохранить исходную точность в течение длительного времени также и при самых больших нагрузках [20].
Высокая точность перемещений портала и регулирования тока источника питания позволяют при хорошо разработанной технологии производить резку металлов с очень хорошим качеством кромок и минимальным гратообразованием. Разработка технологии пакетной плазменной резки с минимизацией грата является в настоящее время актуальной задачей для ОАО “Москвич”.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
3.1 Влияние условий резки на кромку заготовки
Задача плазменно-дуговой резки - вырезка контуров с перпендикулярными кромками в соответствии с заданными размерами. Предполагается, что поверхности резов должны быть ровными и гладкими, а качество металла у кромок равноценно качеству основного металла. Это приобретает особую актуальность при пакетной резке тонколистового металла, т.к. например из-за неперпендикулярности кромок геометрия листов в пакете будет отличаться друг от друга. Однако из-за несовершенства процессов резки не всегда удается выполнить указанные требования.

Наиболее характерными отклонениями от этих требований являются неплоскостность и неперпендикулярность поверхностей реза из-за непостоянства сечения плазменно-дугового реза по высоте. Это вызвано тем, что различные участки режущей дуги вводят в разрезаемый металл неодинаковое количество теплоты а, следовательно, на различной глубине реза расплавляется неодинаковое количество металла.




Рис 3.1. Форма сечения реза:
а, б—дуга в полости реза металла большой толщины (резка в направлении стрелки), в—резка металла малой толщины с большой скоростью; г — резка с оптимальной скоростью, д — очень небольшая скорость резки
















В верхней части реза, в которой металл может расплавляться за счет излучения столба разряда, теплопередача равномерна и рез имеет параллельные кромки. Тепловую энергию в нижнюю часть реза может вводить факел дуги. Температура плазмы в факеле и интенсивность теплопередачи постепенно уменьшаются по высоте нижней части реза, поэтому его кромки на этом участке сходятся книзу. Наиболее интенсивно передает тепловую энергию активное пятно дуги. В зависимости от его расположения по глубине реза или зоны его перемещения, а также от толщины разрезаемого металла рез может получиться уширенным кверху или книзу или иметь бочкообразную форму (рис. 3.1). Как отмечалось, расположение активного пятна дуги в полости реза зависит от параметров дуги, характера ее формирования, скорости резки, толщины и свойств разрезаемого металла. При изменении этих параметров изменяется и форма сечения реза. Так, при уменьшении скорости резки общая ширина реза увеличивается, особенно в нижней его части, поверхности реза становятся почти параллельными относительно друг друга, при очень малых скоростях рез в нижней части расширяется.
С увеличением силы тока режущей дуги ширина реза увеличивается, особенно в нижней его части, а поверхности реза становятся почти параллельными относительно друг друга. При увеличении расхода газа уменьшаются общая ширина реза и непараллельность его поверхностей. Подъем режущего сопла над металлом сопровождается уширением реза, особенно в верхней его части, и увеличением непараллельности кромок.
Форма сечения реза зависит от толщины разрезаемого металла и от рабочего напряжения режущей дуги. При резке металла небольшой (5—20 мм) толщины резы имеют, как правило, сходящиеся кромки. Если резать металл такой толщины жесткой режущей дугой (рабочее напряжение 140—150 В и более), то формы поверхностей реза близки к плоским формам и их непараллельность незначительна. Форма кромок резов, выполненных мягкой режущей дугой, зависит от скорости резки. При малых скоростях резки могут быть получены кромки, близкие к вертикальным, однако с увеличением скорости сечение реза получается неправильной формы: вертикальная плоскость верхней части исчезает или становится вогнутой, а затем выпуклой в сторону реза.
При резке металла большой (40—50 мм и более) толщины наряду со сходящимся книзу сечением реза наблюдается уширение в средней его части (бочкообразный рез). Однако и в этом случае режущая дуга с высоким рабочим напряжением обеспечивает получение резов с поверхностями более плоскими и параллельными, чем при резке мягкой дугой.
Максимальная параллельность кромок достигается смещением анодного пятна в нижнюю часть реза за счет увеличения расхода рабочей среды и ограничения скоростей резки, а также применения источников тока с вертикальной вольтамперной характеристикой. Отметим, что отклонения от режима резки сопровождаются изменениями сечения реза. Аппаратура для резки обычно не исключает возможности колебания силы тока, расхода газа, скорости резки, высоты подвески плазмотрона над разрезаемым металлом, в результате чего изменяется рабочее напряжение режущей дуги, перемещается активное пятно дуги по глубине реза, изменяются форма сечения и наклон поверхностей реза. При жесткой стабилизации дуги эти изменения сводятся к минимуму, однако получить плоские и параллельные поверхности реза практически не удается. Как правило, поверхности реза в той или иной степени отклоняются от заданной формы.
Эти отклонения отрицательно влияют на точность размеров вырезаемых деталей.
Наиболее высокую точность воспроизведения размеров заданного контура обеспечивают режущие машины. Однако и при этом наблюдается неточность воспроизведения контура копира или исходного чертежа. Неточная установка оси плазмотрона, ее неперпендикулярность к поверхности обрабатываемого листа, а также отклонения столба дуги от оси формирующего сопла могут увеличить отклонения размеров вырезанной детали от размеров чертежа.


Рис. 3.2. Риски на кромке вырезанной детали:
1—металл; 2 — плазмотрон; 3— направление резки; 4 — величина отставания














Например, при движении режущей дуги по линии реза происходит отклонение ее от оси сопла в направлении, противоположном направлению резки, так называемое отставание (рис. 3.2). Отставание возрастает с увеличением толщины разрезаемого металла и скорости резки. Если отставание значительно, то при вырезке криволинейных контуров или при изменении направления прямолинейной резки искажается контур вырезаемой детали в нижней части листа. При повышении жесткости стабилизации дуги уменьшается отставание, однако устранить его полностью при значительных скоростях резки не удается.
Отклонения столба дуги от оси сопла могут возникнуть в результате воздействия на режущую дугу магнитных полей, газовых потоков, неравномерности нагрева обрабатываемого листа и др.
При плазменно-дуговой резке кроме отклонений от заданных размеров и форм кромок вырезаемых деталей происходят видимые и невидимые изменения качества поверхностей реза. После плазменно-дуговой резки кромки могут быть гладкими и шероховатыми, матовыми и блестящими, темными и светлыми. У нижних кромок реза часто образуются наплывы, которые имеют форму небольшого валика вдоль нижних кромок реза, цепочки застывших натеков в виде капель металла (“бороды”), приварившегося к кромкам грата (многочисленные нитеобразные натеки различной длины).
На поверхностях реза появляются различные микро неровности; на боковых поверхностях — риски, соответствующие мгновенным положениям режущей дуги, по которым можно измерить отставание дуги во время резки. Кроме рисок из-за дефектов направляющих устройств машины, попадания на них металлических брызг, возникновения двойной дуги и т.д. на поверхностях реза могут образоваться глубокие бороздки (вырывы или выхваты). Наличие указанных дефектов, а также неровностей, появившихся в результате удаления наплывов на нижних кромках, может сделать вырезанную деталь непригодной для работы в условиях динамических нагрузок и трения или для использования в декоративных целях [1].
Химический состав и структура металла, образующего кромки вырезанной детали, изменяются, в нем появляются различные включения, все это снижает его прочность, пластичность, твердость и обрабатываемость.
В процессе резки у кромки реза возникает так называемая зона термического влияния из двух участков: литого, состоящего из не удаленного с твердых поверхностей расплава металла, который образовался при резке, и с измененной структурой, в котором металл не расплавился, но в результате быстрого нагрева и охлаждения в нем произошли рост или уменьшение зерен и другие структурные превращения.
Тепловое воздействие плазменно-дуговой резки на металл у кромок и вызванные им изменения свойств металла в зоне термического влияния могут быть уменьшены применением рациональных режимов резки. Так, глубина литого участка зоны влияния может быть уменьшена повышением напряжения режущей дуги, а глубина участка с измененной структурой—увеличением скорости резки. В то же время увеличение скорости резки сопровождается увеличением глубины литого участка.
Таким образом, выбирая те или иные условия резки, можно изменить показатели качества плазменно-дуговой резки. При этом необходимо определить, какой именно показатель качества резки является определяющим для вырезаемой детали. Наибольшей точности резки достигают с помощью режущих машин, оснащенных совершенными системами контурного копирования, управления технологическими параметрами резки, поддержания постоянной высоты подвески плазмотрона над металлом и т.д. Портальный робот плазменной резки позволяет осуществить эти требования в наиболее полном объеме.
Для обеспечения высоких качества реза и производительности резки необходимо тщательное проведение подготовительных операций, которые начинаются с транспортировки металла к месту резки. При транспортировке должны быть приняты меры, исключающие деформацию листового металла и повреждения его поверхности. Это особенно относится к тонкому мягкому листовому металлу, например алюминию и некоторым его сплавам; меди и др. Такой металл целесообразно транспортировать на специальных тележках; при транспортировке его краном следует применять пневматические присосы, равномерно размещаемые по поверхности металла.
Перед резкой для уменьшения дымообразования и повышения качества реза поверхность листового металла надо очистить от бумаги и консервирующей смазки. При ремонтных или демонтажных работах поверхность металла перед резкой можно не очищать. Однако в месте начала реза необходимо удалить краску, ржавчину для обеспечения электрического контакта факела вспомогательной дуги с этим участком.
Обрабатываемый металл должен надежно контактировать с положительным (заземляющим) проводом. Если нельзя гарантировать надежный контакт, целесообразно подводить положительный провод к контактной струбцине, укрепляемой на разрезаемом изделии.
Начало резки определяется моментом возбуждения режущей дуги и состоит из врезания, т.е. начального проплавления по всей толщине металла, и переходного периода от стадии врезания к стадии устойчивой резки. При возбуждении режущей дуги важно установить плазмотрон над начальной кромкой разрезаемого металла или подвести его к кромке с горящим факелом вспомогательной дуги таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить возбуждение режущего разряда без образования двойной дуги, а с другой стороны, исключить возможность неполного прорезания начальной кромки.
Для этого плазмотрон устанавливают над начальной кромкой так, чтобы ось формирующего сопла была от нее на расстоянии 3 - 5 мм. При значительном увеличении этого расстояния факел вспомогательной дуги может не обеспечить электрического контакта с разрезаемым металлом. Если при этом и произойдет контакт, то столб режущей дуги может отклониться в сторону кромки настолько, что возникнет двойная дуга. При задержке резака на какое-то время у кромки дуга успеет ее проплавить; при этом образуется полуцилиндрическая канавка большой ширины. Поэтому после возбуждения режущей дуги не следует задерживать резак у начальной кромки более чем на 2 - 5 с (в зависимости от толщины металла). Указанное следует иметь в виду при врезании движущимся плазмотроном. В этом случае необходимо следить за тем, чтобы режущий плазмотрон начал двигаться только тогда, когда режущая дуга проплавит металл по всей толщине. Несоблюдение этого требования может привести к начальному непрорезу и затруднениям с отделением вырезанной детали от обрези, а также вызвать образование двойной дуги.
При резке не с кромки, а над поверхностью листа (например, при вырезке внутреннего контура фланца) необходимо выполнить начальное отверстие. При резке листового металла средней или малой толщин начальное отверстие можно получить прожиганием плазмотроном, но надо следить за тем, чтобы металл, выдуваемый из полости реза не вывел из строя сопло.
При резке необходимо поддерживать постоянное расстояние между торцом наконечника плазмотрона и поверхностью разрезаемого металла. Как показывает опыт, это расстояние должно быть минимальным, так как с его увеличением неперпендикулярность кромок реза увеличивается (ширина верхней части реза увеличивается при поднятии плазмотрона). Однако при очень малом расстоянии сопло может выйти из строя от случайных замыканий с крупными брызгами металла, приварившимся шлаком и т.п. Обычно указанное расстояние должно составлять 2 - 5 мм. При машинной резке рекомендуется использовать системы вертикального слежения (плавания) режущего плазмотрона. Для плазменно-дуговой резки немагнитных цветных металлов и аустенитных сталей целесообразно применять емкостные системы вертикального плавания или пневматические типа систем, разработанных во ВНИИАвтогенмаше, для прямолинейной резки — более простые механические устройства плавания — опорные ролики [1].
3.2 Назначение режимов резки
О правильности назначенного режима можно судить по потоку искр, выбрасываемых из полости реза (рис. 3.3). Если выбрасываемый поток искр перпендикулярен к поверхности листового металла, образующиеся поверхности кромок близки к параллельным; если этот поток отклоняется в сторону, противоположную движению резака, то неперпендикулярность кромок образующегося реза достаточно велика. Значительное отклонение потока искр от перпендикуляра к поверхности реза и стекание выплавленного металла в виде крупных капель указывает на то, что скорость резки близка к предельно возможной и может возникнуть непо


Подать заявку на покупку Диплом по не указаному предмету

Ваше предложение по стоимости за работу: