Виды резки металла: особенности

Содержание:

• Виды резки металла
• Газовая резка металла
• Плазменная резка металла
• Лазерная резка металла
• Гидроабразивная резка металла
• Механическая резка
• Итоги сравнения способов резки

В процессе изготовления деталей машин, строительных металлоконструкций и прочих металлоизделий из листового металла используют как классические ручные и механизированные способы резки, так и современные автоматизированные методы с применением станков ЧПУ. Выбор технологии зависит от химического состава сплава, его теплопроводности, текучести, пластичности и хрупкости, требуемого качества и точности реза, размера листов и прочих технических условий.

Кратко о современных видах резки металла

Автоматизация раскроечных станков позволила повысить точность траектории реза, снизить количество отходов и увеличить производительность технологического процесса. Среди наиболее распространенных ручных и автоматизированных технологий раскроя в современной промышленности используется пять наиболее доступных видов резки металла.

• Газовая. Высокотемпературная струя пламени расплавляет металл в точке контакта. Для этого используют пропан или ацетилен, которые сгорают в среде чистого кислорода. Это может быть как ручная, так и автоматизированная резка.
• Плазменная. На металл воздействует струя плазмы, температура которой в зависимости от разрезаемого материала может достигать +30’000°С, а скорость плазменного потока – около 1500 м/с. Благодаря такому сочетанию плазморезом можно разрезать металлические листы толщиной до 200 мм ручным и автоматизированным способами. Края получаются сравнительно гладкими и ровными.
• Лазерная. Этот метод резки металла схож с плазменным, за исключением того, что вместо струи плазмы расплавление металла производится высокомощным лучом лазера, которым можно раскраивать металлические листы до 20 мм. Отличительная черта – возможность обработки крайне хрупких и тонких листовых материалов.
• Гидроабразивная. В отличие от предыдущих способов резки металла, этот не предполагает высокотемпературного воздействия, что решает сразу несколько проблем металлообработки, связанных с выгоранием легирующих компонентов, короблением, появлением окалины, изменением цвета и т.п. Особенность этого метода в механическом воздействии тонкой струи воды, подаваемой под давлением до 6000 бар. Этого достаточно, чтобы разрезать мягкие металлы и сплавы с толщиной реза 0,5...1,5 мм. Для резки твердых металлов толщиной до 300 мм в поток воды добавляют мелкодисперсный абразив.
• Механизированная. Этот вид резки предполагает любое механическое воздействие на металл ручным инструментом или обработку на специальных станках.

Кроме современных раскроечных станков с ЧПУ и технологий криволинейного раскроя, также существуют менее производительные и не такие точные классические способы разрезания металла на гильотинах и ручным инструментом, включая ножницы по металлу, ножовки, лобзики и шлифовальные машинки с отрезными кругами («болгарки») и пр.

Газовая резка металла

Газовый раскрой металлических листов основан на способности металла расплавляться и сгорать в кислородной среде при температуре около +1200°С, при этом пламя не только выжигает металл, но и выдувает расплав из рабочей зоны реза. С помощью газовых резаков не только раскраивают металлические заготовки, но и обрабатывают их кромки перед сварочными работами.

Особенность газовой резки в достижении максимально возможной температуры горения энергоносителя в кислородной среде. В качестве горючего газа обычно используют пропан или ацетилен, реже применяют другое топливо, в т.ч. и пары бензина. Ручные газовые резаки применяют в местах, где невозможно использовать высокоточные раскроечные станки с ЧПУ и традиционные гильотины, в полевых условиях или на крупногабаритных металлоконструкциях.

С помощью газовой технологии режут средне- и низколегированную сталь, трубопроводы и крупные строительные металлоконструкции. При этом толщина их может достигать 300 мм, в чем и есть основное преимущество данного способа резки металла. Однако есть и недостаток. Ширина реза превышает 2,0 мм, а из-за его низкого качества требуется дополнительная механическая обработка.

Плазменная резка металла

Плазменная резка предполагает использование высокоскоростного потока плазмы (ионизированного газа), подаваемого из сопла на металлическую заготовку. Плазма является проводником электротока от горелки к разрезаемому металлу, который разогревается в точке контакта до расплавления. Поток плазмы выдувает расплав, оставляя края реза чистыми и аккуратными без наплавов и окалин.

Потоком высокотемпературной струи плазмы можно разрезать заготовки и изделия как портативным ручным плазморезом, так и на автоматизированном станке. Линия разреза может быть прямой или криволинейной, а максимальная толщина заготовки зависит от вида металла и сплав:

• углеродистая и легированная сталь – 50 мм;
• чугун – 90 мм;
• медь – 80 мм;
• алюминий – 120 мм.

Толщина разрезаемого металлоизделия может достигать 200 мм, но для более точной резки не стоит превышать 120 мм. Для более толстых листов лучше воспользоваться газокислородным способом.

Преимущество плазменной резки металла в высокой скорости работы, которая превышает производительность газовой технологии в 6...10 раз при аналогичных материалах и толщинах. Среди других преимуществ:

• отсутствие наплывов, окалины и деформаций;
• возможность высокоточного криволинейного реза;
• отсутствие перегрева всего металла благодаря ограниченному участку нагрева;
• исключение из процесса взрывоопасных газов;
• универсальность – практически все конструкционные металлы и сплавы;
• сравнительно низкая стоимость плазмореза.

Современное автоматизированное оборудование для плазменной резки позволяет добиваться высокой производительности процесса без ущерба точности и качеству реза.

Главный недостаток – высокотемпературное воздействие, при котором металл или компоненты сплава выгорают, а также происходит изменение структуры кристаллической решетки и цвета по линии обработки с нарушением изначальных параметров твердости.

Лазерная резка металла

Лазерная резка аналогична плазменной по своей сути и принципу образования реза, только вместо потока плазмы используется высокомощный луч лазера.

В отличие от обычного света, лазер имеет важные особенности:

• когерентность колебаний провоцирует образование волнового резонанса с лавинообразным увеличением мощности;
• направленность луча позволяет концентрировать его на небольшом участке без рассеивания энергии;
• монохромность дает возможность точно сфокусировать благодаря фиксированным частоте и длине волны.

Благодаря этому достигается точная концентрация и локализация энергетического потока, позволяющего расплавлять металл и удалять его из зоны разделения.

Лазерная резка предполагает разогрев металла при поглощении им энергии лазера с последующим испарением расплава. Однако для этого необходимо большое количество энергии или слишком тонкие металлические листы. Для заготовок сравнительно большой толщины процесс разрезания лазерным лучом целесообразно дополнительно применять газ. Нагнетаемый под высоким давлением газ выдувает расплав из рабочей зоны, тем самым экономя потребление энергии всего оборудования.

В качестве вспомогательного газа может использоваться кислород, который будет не просто выдувать расплав, но и выжигать его, окисляя под действием высокой температуры. Это называют газолазерной резкой. Для защиты металлов и сплавов от выгорания в процессе лазерной резки используют инертную газовую среду: углекислый газ, аргон, гелий, азот и др.

Лазерная резка практически не приводит к температурным деформациям металла. Благодаря этому лазером можно резать легкодеформируемые и нежесткие материалы по сложному криволинейному контуру. Этого невозможно добиться плазменной, газовой и механической обработкой даже в автоматическом режиме на станках с ЧПУ.

Основные преимущества лазерной резки:

• высокая скорость без ущерба точности и качеству реза;
• отсутствие наплавов и окалин;
• возможность работы с тонкими и хрупкими листовыми материалами;
• минимальные деформации заготовки;
• тонкий раскрой изделий сложной формы;
• толщина реза – от 0,1 мм.

Минимум потерь материала, незначительные трудозатраты благодаря автоматизации оборудования и средние энергозатраты – главные экономические и технико-эксплуатационные преимущества. Однако высокая стоимость самого оборудования и необходимость больших первоначальных капиталовложений – основной недостаток. Именно поэтому для мелкосерийного производства металлоизделий производители и мастерские пользуются сторонними услугами лазерной резки металла.

Сфера применения обработки металлоизделий лазером практически неограниченна.

• Машиностроение – детали и корпусные элементы транспортных средств и спецтехники.
• Приборо- и станкостроение – изготовление узлов для технологических линий.
• Строительство – изготовление конструкционных, отделочных и декоративных металлоконструкций.
• Сувениры и рекламная продукция.

Применение лазерной резки ограничено толщиной металла – до 20-40 мм. При этом для достижения высокой точности и безупречного качества линии разреза толщина стали не должна превышать 6,0 мм.

Гидроабразивная резка металла

Гидроабразивная или водоструйная технология не предполагает никакого температурного воздействия, в чем ее основное преимущество. Металлическое изделие не подвергается нагреву, что исключает основные недостатки предыдущих способов резки, включая выгорание металла и компонентов сплава, нарушение структуры кристаллической решетки, изменение прочностных характеристик и цвета материала.

Сам процесс гидроабразивной резки основан на высокоскоростном мощном эрозионном воздействии тонкой струи воды. Давление достигает 4000-6000 бар. При таком напоре вода в потоке диаметром до 0,35 мм движется в 3-4 раза быстрее скорости звука. Такая струя обладает высокой кинетической энергией, способной разрезать относительно мягкий металл. Усиление водного потока мелкодисперсными абразивными частицами дает возможность разрезать более твердые виды металлов и сплавов. Чаще всего для этого используют гранитный песок.

Мелкие частицы абразива переносят энергию в зону обработки заготовки, буквально истирая ее, не влияя на кристаллическую решетку и не изменяя технические характеристики металла. Скорость гидроабразивной резки зависит от:

• величины переданной абразивным частицам энергии;
• угла воздействия струи;
• механических свойств обрабатываемого металла.

Сопло изготавливают из сверхпрочных материалов, в т.ч. используют алмазные, сапфировые и рубиновые насадки, способные выдержать высокоэнергетический водо-абразивный поток.

Главное преимущество гидроабразивной резки – универсальность применения. Таким способом можно разрезать практически любые материалы вне зависимости от их тепло- и электропроводности, от плотности, текучести, пластичности и хрупкости. Единственное ограничение – высокая коррозионная опасность. Использовать металлы с высоким коррозионным потенциалом нужно осторожно или вовсе воздержаться от водоструйной резки в пользу плазменных или лазерных технологий.

Среди других преимуществ гидроабразивной резки:

• улучшенное качество кромок из-за отсутствия воздействия высоких температур;
• высокая точность и изготовление деталей со сложной геометрией;
• толщина заготовок – до 300 мм;
• использование материалов с высокой термической чувствительностью;
• экологичность и безопасность для персонала в процессе металлообработки;
• пожаро- и взрывобезопасность.

Высокая производительность – еще одно преимущество гидроабразивной технологии. Скорость сопла при резке миллиметрового стального листа достигает 2,7 м/мин. При этом производительность обратно пропорциональна толщине материала – листовая сталь толщиной 100 мм будет разрезаться со скоростью около 22 мм/мин.

В сравнении с лазером водо-абразивный метод позволяет резать металлы, которые имеют высокую отражающую способность. В таких случаях резка лазером невозможна, поскольку большое количество энергии отражается и не воспринимается материалом.

Механическая резка

Резка металла механическим способом выполняется с помощью ручного инструмента и портативного электрооборудования, а также специальных станков, в т.ч. и оснащенных автоматизированной системой управления (ЧПУ). Режущим элементом может быть как пильное полотно или диски из инструментальной закаленной стали, так и отрезные абразивные круги. Кроме того, для раскроя металлических листов применяют ручные или гидравлические ножницы и гильотины.

Механическая резка металла ручным электроинструментом – один из самых оптимальных способов для бытового и полубытового применения, когда к точности реза не предъявляются особые требования. Ножницами или абразивным инструментом вырезают заготовки и на промышленном производстве, а также в процессе демонтажа металлоконструкций.

Отрезные круги

Технология абразивной резки металла предполагает использования вращающихся отрезных кругов. По своей сути метод схож с гидроабразивным, когда материал буквально стачивается по линии среза. В зависимости от толщины диска ширина реза находится в пределах двух миллиметров.

Резка абразивными кругами с помощью ручной шлифовальной машинки («болгарки») или на стационарных станках отличается относительной дешевизной, поскольку оборудование и электроинструмент сравнительно недорогие, а сам процесс неэнергоемкий. При этом качества работы во многом зависит от мастерства слесаря.

Из недостатков использования отрезных кругов – сильный перегрев металла из-за трения и плохое качество кромки. В результате такой резки образуется много заусениц и окалин, а само металлоизделие может поменять цвет в рабочей зоне. Кроме того, «болгаркой» трудно вырезать сложные по форме изделия с мелкой детализацией.

Ручные ножницы

Это могут быть как классические ножницы по металлу для тонких и мягких листов, так и специальный шлицевый электроинструмент. Ручные ножницы могут быть силовыми, рычажными, пальцевыми или стуловыми. Существуют и специализированные модели для криволинейных поверхностей.

Гильотины

Принцип резки на гильотинных установках достаточно прост и заключается в противодействии режущего лезвия и противорежущей поверхности, между которыми находится листовой металл. Гильотины бывают с ручным, механическим и гидравлическим приводом.

Такой вид резки обычно называют рубкой. Используется гильотинная рубка металла только для получения прямолинейных срезов. Некоторые современные станки оснащаются программным комплексом управления (ЧПУ), который позволяет контролировать точность размеров полученной заготовки до долей миллиметра.

Итоги сравнения способов резки металла

Каждый из распространенных в промышленном производстве или в полубытовом использовании способов имеет свои «плюсы» и «минусы», которыми можно пренебречь в определенных условиях или которые необходимо обязательно учитывать при выборе технологии раскроя листовых конструкционных материалов. В каких-то изделиях крайне важна точность и качество, а где-то более важным остается экономический фактор в ущерб техническим аспектам.

Вид резки: преимущества и недостатки

Газовая

• Высокая производительность.
• Дешевое оборудование.
• Толщина листов до 200 мм.
• Работа в полевых условиях.
• Долгий разогрев металла.
• Ограниченный спектр материалов.
• Большая ширина реза.
• Плохое качество кромок (наплывы, окалины и деформация).

Плазменная

• Высокая производительность.
• Универсальность металлов и сплавов.
• Высокое качество кромки (отсутствие окалины и т.п.).
• Фигурная резка.
• Мобильность плазморезов.
• Относительно небольшая стоимость оборудования.
• Высокотемпературное влияние на кристаллическую решетку сплава.
• Большие энергозатраты при работе с листами толщиной больше 120 мм.
• Уплотнение кромки.
• Необходимость в дополнительной обработке.

Лазерная

• Высокая скорость резки.
• Отличное качество кромки без наплывов, окалин и заусениц.
• Отсутствие деформации.
• Работа с тонкими и хрупкими материалами.
• Толщина реза – от 0,1 мм.
• Раскрой сложной формы с мелкой детализацией.
• Максимальная толщина – до 20-40 мм (оптимально – до 6,0 мм).
• Невозможность резки при высокой отражающей способности материала.
• Дороговизна оборудования

Гидроабразивная

• Универсальность, в т.ч. и материалы, чувствительные к термическому воздействию.
• Высокое качество кромки без каких-либо дефектов.
• Высокоточный раскрой сложных по форме изделий с мелкой детализацией.
• Толщина обрабатываемых материалов – до 300 мм.
• Взрыво- и пожаробезопасность.
• Коррозионное воздействие воды на чувствительный к окислению материал.
• Высокая стоимость оборудования и себестоимость работ.

Абразивные круги, пилы и ножницы

• Дешевизна и простота.
• Универсальность.
• Мобильность
• Ограничение по толщине.
• Сложность при фигурной резке.
• Плохая точность геометрии.
• Низкое качество кромки.

Гильотина

• Высокое качество резки.
• Быстрота и простота.
• Относительная дешевизна оборудования и самого процесса.
• Работа только с прямолинейными срезами.
• Стационарность установки.
• Ограничение по толщине металлического листа – до 6,0 мм.

Современная наука далеко продвинулась в развитии технологий резки металлов. Уже эксплуатируются ультразвуковые и электроимпульсные установки. Однако такие процессы крайне дорогие, что негативно сказывается на себестоимости готового металлоизделия. Поэтому широкого распространения в металлообрабатывающей промышленности они пока не получили.

В сочетании экономичности и качества раскроя металла наиболее выразительные результаты показали резка лазером и плазменным потоком. Высокий уровень точности, возможность вырезания сложных форм, сравнительно невысокая себестоимость работ, отсутствие необходимости дополнительной обработки и широкий спектр распространенных конструкционных металлов сделали плазменные и лазерные технологии резки наиболее востребованными в крупно- и мелкосерийном производстве металлоизделий.