Jakość otworów

Zbyt wiele warsztatów produkcyjnych poświęca dużo czasu i pieniędzy na dodatkową obróbkę części, które były cięte maszyną plazmową, aby usunąć z nich żużel i skorygować nieprecyzyjne wymiary. W tym artykule omówimy krytyczne zmienne procesu, które wpływają na dokładność wymiarową części ciętych plazmą. Kontrolując dokładnie kilka zmiennych, operator może minimalizować i eliminować problemy wymiarowe oraz zmniejszać koszty skojarzone z dodatkową obróbką oraz złomowaniem.

Operatorom maszyn do cięcia łukiem plazmowym (PAC) szczególne problemy sprawiają małe otwory i takie skomplikowane kształty, jak szczeliny, ostre narożniki i ciasne promienie. Dla naszych celów zdefiniujemy mały otwór jako otwór, którego średnica jest mniejsza niż 1,5-krotność grubości materiału. Dokładne wycinanie takich kształtów za pomocą konwencjonalnych systemów jest trudne, ale jeszcze trudniejsza jest dodatkowa obróbka części, których wymiary nie są zgodne z przyjętą tolerancja. Taka obróbka może polegać na przykład na powiększaniu otworów, które są zbyt małe albo nie są okrągłe, albo na szlifowaniu ciasnych narożników w celu usunięcia żużlu. Te czynności nie są ani przyjemne, ani ekonomiczne.

Wiele warsztatów rozwiązuje te problemy, kupując drogie maszyny tnące pozwalające zachować zgodność z tolerancjami albo kupując jeszcze droższe systemy cięcia laserem. Jednak spełnienie surowych tolerancji cięcia jest możliwe również przy użyciu dobrze utrzymanej maszyny do cięcia plazmowego i konwencjonalnego palnika. Wystarczy do tego starannie opracowany program części oraz odpowiednia wiedza na temat zmiennych wpływających na jakość cięcia.

Otwory na śruby powinny być okrągłe

Aby zapewnić dobre dopasowanie otworu do śruby, średnica otworu na górze i na dole powinna być niemal identyczna. Jednym z kluczowych parametrów wpływających na cylindryczność otworu jest szybkość cięcia. Programiści określają szybkość cięcia jako wartość liniową wyrażoną w calach na minutę lub w milimetrach na minutę, jednak podczas cięcia po okręgu palnik musi zwalniać w celu skompensowania naturalnego opóźnienia łuku plazmowego podczas cięcia. Większość sterowników CNC automatycznie kompensuje efekt tego zjawiska, wykorzystując algorytm, który odpowiednio zmniejsza prędkość wycinania otworu. Ten algorytm, nazywany ograniczaniem dośrodkowym, oblicza rzeczywistą szybkość cięcia po okręgu, uwzględniając długość promienia, przyspieszenie palnika oraz minimalną szybkość narożnikową. Programista lub operator może zwiększyć lub zmniejszyć szybkość liniową i poprawić w ten sposób cylindryczność poprzez optymalizację szybkości cięcia po okręgu. Oznacza to, że w przypadku tej samej części szybkość wycinania otworów na śruby musi być mniejsza niż szybkość cięć prostoliniowych.

Wysokość cięcia lub nastawa napięcia

Wysokość cięcia lub nastawa napięcia to kolejny parametr wpływający na jakość cięcia otworów na śruby. W przypadku małych otworów wysokość cięcia powinna być stała w całym procesie cięcia. W wypadku stosowania kontrolera wysokości palnika (THC, torch height control) wysokość cięcia jest określana poprzez napięcie łuku, które wynosi zwykle 100–180 V. Zależnie od szybkości reakcji systemu wykorzystanie kontrolera THC do wycinania małych otworów może pogorszyć jakość cięcia, zamiast ją poprawić. Na czas wycinania małych części może być konieczne zablokowanie kontrolera wysokości palnika, tak aby palnik nie ciął zbyt wysoko ani zbyt nisko i nie doszło do jego upadku po zakończeniu cięcia. Kontroler THC można zablokować poprzez przejście do trybu ręcznego po zakończeniu przebijania albo poprzez zmodyfikowanie programu części w taki sposób, by wycinaniu otworów towarzyszyły polecenia zwolnienia w narożniku i odłączenia kontrolera THC. Nowsze, szybsze kontrolery wysokości palnika mogą skorygować defekty powodowane nieprawidłową wysokością cięcia.

Programowanie wejść i wyjść cięcia

Typ i rozmiar wejścia (wprowadzenia) cięcia oraz wyjścia (wyprowadzenia) cięcia może mieć duży wpływ na jakość cięcia, szczególnie w przypadku otworów na śruby oraz szczelin. Dwa najczęstsze defekty to wklęsłości i wypukłości. Wklęsłość powstaje, gdy łuk usuwa zbyt dużo materiału na końcu cięcia. Gdy łuk plazmowy przecina szczelinę wejściową — materiał usunięty od początku cięcia — następuje jego transfer na zachowaną część, co powoduje utworzenie małego wcięcia, a czasami większego wklęsłego obszaru. Sprawia to, że otwór nie jest okrągły.

Wypukłość powstaje, gdy wejście i wyjście cięcia nie nakładają się na siebie dostatecznie. Część materiału otworu nie jest całkowicie usuwana, co powoduje pozostawienie niewyciętego metalu i skutkuje brakiem możliwości włożenia śruby w otwór.

Wyznaczenie prawidłowych ścieżek wejścia i wyjścia cięcia, które pozwolą zminimalizować wklęsłości i wypukłości w punktach końcowych, może być bardzo trudne. Operatorzy mogą próbować znaleźć prawidłową kombinację metodą prób i błędów. Najczęściej najlepszą jakość otworów można uzyskać, używając wejścia cięcia w kształcie łuku oraz bardzo małego ujemnego wyjścia cięcia (przepalenie ujemne) przez zachowaną część. Czasami lepiej niż małe wyprowadzenie sprawdzają się małe i proste ścieżki wejścia cięcia (przepalenie dodatnie).

Do wycinania otworów nadaje się dobrze również ścieżka wejścia w kształcie skierowanej na zewnątrz spirali. (Uwaga: Metoda ta różni się od tradycyjnie blokowanej ścieżki wejścia stosowanej w cięciu paliwowo-tlenowym, która nie jest zwykle stosowana w cięciu plazmowym). Ścieżka wejścia cięcia w kształcie skierowanej na zewnątrz spirali pozwala maszynie osiągnąć pełną szybkość oraz ustabilizować łuk przed rozpoczęciem wycinania średnicy otworu, co gwarantuje płynny ruch maszyny przez całe cięcie.

Rozmiar dyszy i natężenie prądu

Zasadniczo mała dysza pracująca przy niższym natężeniu prądu i mniejszej szybkości pozwala uzyskać mniejsze szczeliny i dokładniejsze cięcia.

Na przykład w systemie plazmowym o mocy 200 A najwyższe natężenie prądu — 200 A, końcówka 2 mm, szczelina 3 mm — może nie nadawać się do wycinania małych otworów na śruby ani skomplikowanych szczegółów.

Powiedzmy, że trzeba precyzyjnie wyciąć otwór o średnicy 12 mm w stali miękkiej o grubości 12 mm. Znacznie lepsze cięcia zapewnia dysza z mniejszą końcówką (1-1/2 mm) i szerokością szczeliny (2 mm), tnąca z mniejszą szybkością i mniejszym natężeniem prądu.

Aby maksymalnie wykorzystać możliwości dyszy, najlepiej zawsze ustawiać natężenie prądu na wartość równą 95–100% parametru znamionowego dyszy. Wada: mniejsza trwałość materiałów eksploatacyjnych i mniejsza szybkość cięcia. Zaleta: prawie gotowa część wymagająca bardzo małej obróbki końcowej.

Kiedy stosować systemy plazmowe o wysokiej tolerancji

W systemach plazmowych wysokiej tolerancji do zawężania łuku jest stosowana mała końcówka dyszy oraz intensywne zawirowanie gazu. Efektem jest łuk o dużej gęstości energii i bardzo małej szczelinie, który umożliwia wycinanie skomplikowanych szczegółów i bardzo małych otworów. Systemy plazmy konwencjonalnej mogą wycinać z dokładnością 0,76 mm oraz kątowością 3–5°, a czasami zaledwie 1°. Systemy wysokiej tolerancji tną z dokładnością 0,25 mm oraz kątowością 0–3°. Umożliwiają dokładne wycinanie otworów o średnicy zaledwie 4,76 mm.

Sześć zasad wycinania otworów na śruby

• Stosuj najmniejszą możliwą dyszę umożliwiającą przebicie i cięcie materiału
• Upewnij się, że opóźnienie przebicia pozwala na pełną penetracje materiału przez łuk przed rozpoczęciem ruchu maszyny
• Zablokuj regulację napięcia przez kontroler THC
• Stosuj ścieżkę wejścia cięcia w kształcie łuku lub spirali
• Zaprogramuj mniejsze szybkości cięcia
• Stosuj krótkie lub ujemne wyprowadzenie cięcia na zachowaną część